Hva er termisk effektivitet?

Varmeeffektivitet er et mål på utgangsenergien delt på inngangsenergien i et system. Det må være mellom 0% og 100%. En termisk virkningsgrad på 100% vil bety at all energi som settes inn i et system kommer ut, om enn i en annen form. Varmemotorer og kjøleskap har begge termisk effektivitet, selv om de prøver å oppnå motsatte mål. Virkelig termisk effektivitet faller vanligvis betydelig under 100% på grunn av mange forskjellige årsaker.

I en bensinmotor lagres inngangsenergi i de kjemiske bindingene til et hydrokarbonbrensel. Et hydrokarbonmolekyl består i sin helhet av hydrogen og karbon. Når disse molekylene er kombinert med oksygen, kan de kjemisk reagere og danne karbonmonoksid og vann; i hovedsak er hydrokarbonmolekylet delt opp og kombinert med oksygenatomer. Imidlertid er delen av denne reaksjonen som er nyttig for en motor, varmen som frigjøres. Varme frigjort fra forbrenning av bensin er den aktuelle inngangsenergien for termisk effektivitet.

Utgangsenergien i termisk effektivitetsberegning av en motor er ikke varme, men mekanisk arbeid. I fysikk er arbeid mengden energi som overføres av en kraft som virker over en avstand. Å skyve en boks over teppet en viss avstand krever en endelig mengde arbeid; dette er lik produktet fra den bevegelige avstanden og den gjennomsnittlige kraften som utøves. På samme måte fungerer en bensinmotor når den beveger hjulene på en bil.

Når det gjelder kjøleskap eller klimaanlegg, blir forholdet mellom varme og arbeid omgjort. Det ønskede resultatet i denne situasjonen er å fjerne varme fra et system og dumpe det ut i det ytre miljøet. Den tilgjengelige inngangen er derfor mekanisk arbeid, som ofte leveres av en elektrisk drevet kompressor. Beregning av termisk effektivitet krever imidlertid fortsatt å dele ut energien med tilførselsenergien. Forskjellen fra en bensinmotor er selvfølgelig at utgangen er varme og inngangen er arbeid.

En typisk bilmotor har en termisk virkningsgrad på under 35%. Dette tallet virker lavt av to viktige grunner. Først av alt er det en teoretisk øvre grense for termisk virkningsgrad til enhver varmemotor som har med systemtemperaturen å gjøre mot omgivelsestemperaturen. Jo høyere temperaturforskjell, jo høyere maksimal termisk virkningsgrad kan en ideell, friksjonsfri motor oppnå. Dette kalles Carnot effektivitet.

Den andre grunnen til at bilmotorer har en tilsynelatende lav virkningsgrad er at motorer ikke lar seg oppføre seg på en ideell måte. Friksjon mellom bevegelige deler har en tendens til å bremse motoren kontinuerlig. Noe varme slipper ut fra forbrenningskammeret og blir ubrukelig for motoren. Drivstoff brenner ikke alltid ved den høyeste temperaturen som er nådd, noe som reduserer mengden varme som frigjøres. Av disse grunner har den termiske effektiviteten i apparater i den virkelige verden en tendens til å være langt under 100%.