Wat is thermische efficiëntie?
Thermische efficiëntie is een maat voor de uitgangsenergie gedeeld door de ingangsenergie in een systeem. Het moet tussen 0% en 100% liggen. Een thermisch rendement van 100% zou betekenen dat alle energie die in een systeem wordt gestopt eruit komt, zij het in een andere vorm. Warmtemotoren en koelkasten hebben beide bijbehorende thermische efficiëntie, hoewel ze proberen tegengestelde doelen te bereiken. Real-world thermische efficiëntie daalt over het algemeen aanzienlijk onder de 100% om verschillende redenen.
In een benzinemotor wordt ingevoerde energie opgeslagen in de chemische bindingen van een koolwaterstofbrandstof. Een koolwaterstofmolecuul bestaat volledig uit waterstof en koolstof. Wanneer deze moleculen worden gecombineerd met zuurstof, kunnen ze chemisch reageren en koolmonoxide en water vormen; in wezen wordt het koolwaterstofmolecuul opgesplitst en gecombineerd met zuurstofatomen. Het deel van deze reactie dat nuttig is voor een motor, is echter de warmte die vrijkomt. Warmte die vrijkomt bij benzineverbranding is de relevante inputenergie in thermische efficiëntie.
De outputenergie in de berekening van de thermische efficiëntie van een motor is geen warmte, maar mechanisch werk. In de natuurkunde is werk de hoeveelheid energie die wordt overgedragen door een kracht die over een afstand werkt. Een doos op een bepaalde afstand over tapijt duwen vereist een eindige hoeveelheid werk; dit is gelijk aan het product van de verplaatste afstand en de gemiddelde uitgeoefende kracht. Op dezelfde manier werkt een benzinemotor wanneer hij de wielen van een auto beweegt.
In het geval van een koelkast of airconditioner is de warmte-werkrelatie omgekeerd. Het gewenste resultaat in deze situatie is om warmte uit een systeem te verwijderen en in de buitenomgeving te dumpen. De beschikbare input is daarom mechanisch werk, dat vaak wordt geleverd door een elektrisch aangedreven compressor. Het berekenen van de thermische efficiëntie vereist echter nog steeds het delen van de uitgangsenergie door de ingangsenergie. Het verschil met een benzinemotor is natuurlijk dat de uitvoer warmte is en de invoer werk.
Een typische automotor heeft een thermisch rendement van minder dan 35%. Dit aantal lijkt laag om twee belangrijke redenen. Allereerst is er een theoretische bovengrens voor de thermische efficiëntie van elke warmtemotor die te maken heeft met de systeemtemperatuur versus de omgevingstemperatuur. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe hoger de maximale thermische efficiëntie die een ideale, wrijvingsloze motor kan bereiken. Dit wordt de Carnot-efficiëntie genoemd.
De tweede reden dat automotoren een schijnbaar lage efficiëntie hebben, is dat motoren niet op een ideale manier kunnen worden gedragen. Wrijving tussen bewegende delen heeft de neiging de motor constant te vertragen. Sommige warmte ontsnapt uit de verbrandingskamer en wordt nutteloos voor de motor. Brandstof brandt niet altijd op de hoogste temperatuur, waardoor de hoeveelheid afgegeven warmte wordt verminderd. Om deze redenen is de thermische efficiëntie in echte apparaten vaak ver onder de 100%.