熱効率とは？

熱効率は、システム内の出力エネルギーを入力エネルギーで割った尺度です。 0％から100％の間でなければなりません。 100％の熱効率は、異なる形式ではあるが、システムに投入されたすべてのエネルギーが出てくることを意味します。 熱機関と冷蔵庫はどちらも熱効率に関連していますが、反対の目的を達成しようとしています。 さまざまな理由により、実際の熱効率は一般に100％を大幅に下回ります。

ガソリンエンジンでは、入力エネルギーは炭化水素燃料の化学結合に保存されます。 炭化水素分子は、完全に水素と炭素で構成されています。 これらの分子が酸素と結合すると、化学的に反応して一酸化炭素と水を形成します。 本質的に、炭化水素分子は分割され、酸素原子と結合します。 ただし、エンジンにとって有用なこの反応の一部は、放出される熱です。 ガソリンの燃焼から放出される熱は、熱効率に関連する入力エネルギーです。

エンジンの熱効率の計算における出力エネルギーは熱ではなく、機械的な仕事です。 物理学では、仕事とは、ある距離にわたって作用する力によって伝達されるエネルギーの量です。 カーペットの上で一定の距離だけ箱を押すには、限られた量の作業が必要です。 これは、移動距離と平均力の積に等しくなります。 同じように、ガソリンエンジンは車の車輪を動かしても機能します。

冷蔵庫やエアコンの場合、熱仕事関係が逆になります。 この状況で望ましい結果は、システムから熱を除去し、外部環境に放出することです。 したがって、利用可能な入力は機械的な仕事であり、多くの場合、電動コンプレッサーによって提供されます。 ただし、熱効率を計算するには、出力エネルギーを入力エネルギーで割る必要があります。 もちろん、ガソリンエンジンとの違いは、出力が熱であり、入力が仕事であるということです。

典型的な自動車エンジンの熱効率は35％未満です。 この数は、2つの重要な理由により低いようです。 まず第一に、システム温度と環境温度に関係する熱機関の熱効率には理論上の上限があります。 温度差が大きいほど、理想的な摩擦のないエンジンが達成できる最大熱効率が高くなります。 これはカルノー効率と呼ばれます。

車のエンジンの効率が明らかに低い2番目の理由は、エンジンを理想的な方法で動作させることができないことです。 可動部品間の摩擦は、常にエンジンを遅くする傾向があります。 いくらかの熱が燃焼室から逃げ出し、エンジンにとって役に立たなくなります。 燃料は、到達した最高温度で常に燃焼するとは限らないため、放出される熱量が減少します。 これらの理由により、実際のデバイスの熱効率は100％を大きく下回る傾向があります。