Co to jest sprawność cieplna?
Sprawność cieplna jest miarą energii wyjściowej podzielonej przez energię wejściową w systemie. Musi wynosić od 0% do 100%. Sprawność cieplna na poziomie 100% oznaczałaby, że cała energia włożona do systemu wychodzi, choć w innej formie. Zarówno silniki cieplne, jak i chłodziarki mają powiązaną sprawność cieplną, choć starają się osiągnąć przeciwne cele. Rzeczywiste sprawności cieplne ogólnie spadają znacznie poniżej 100% z różnych powodów.
W silniku benzynowym energia wejściowa jest magazynowana w wiązaniach chemicznych paliwa węglowodorowego. Cząsteczka węglowodoru składa się wyłącznie z wodoru i węgla. Gdy cząsteczki te są połączone z tlenem, mogą one reagować chemicznie i tworzyć tlenek węgla i wodę; w istocie cząsteczka węglowodoru jest dzielona i łączona z atomami tlenu. Jednak częścią tej reakcji, która jest przydatna dla silnika, jest uwalniane ciepło. Ciepło uwalniane ze spalania benzyny stanowi odpowiednią energię wejściową w sprawności cieplnej.
Energią wyjściową w obliczeniach sprawności cieplnej silnika nie jest ciepło, ale praca mechaniczna. W fizyce praca to ilość energii przenoszonej przez siłę działającą na odległość. Przesunięcie pudła nad dywanem na określoną odległość wymaga skończonej pracy; jest to iloczyn iloczynu odległości i średniej wywieranej siły. W ten sam sposób silnik benzynowy działa, gdy porusza kołami samochodu.
W przypadku lodówki lub klimatyzatora stosunek pracy z ciepłem jest odwrócony. Pożądanym rezultatem w tej sytuacji jest usunięcie ciepła z systemu i zrzucenie go do środowiska zewnętrznego. Zatem dostępnym wkładem są prace mechaniczne, które często zapewnia sprężarka o napędzie elektrycznym. Obliczanie sprawności cieplnej nadal jednak wymaga podzielenia energii wyjściowej przez energię wejściową. Różnica w stosunku do silnika benzynowego polega oczywiście na tym, że moc wyjściowa to ciepło, a moc wejściowa to praca.
Typowy silnik samochodowy ma sprawność cieplną poniżej 35%. Liczba ta wydaje się niska z dwóch ważnych powodów. Przede wszystkim istnieje teoretyczna górna granica wydajności cieplnej każdego silnika cieplnego, która ma związek z temperaturą układu w funkcji temperatury otoczenia. Im wyższa różnica temperatur, tym wyższa maksymalna sprawność cieplna, jaką może osiągnąć idealny silnik bez tarcia. Nazywa się to wydajnością Carnota.
Drugim powodem, dla którego silniki samochodowe mają pozornie niską sprawność, jest to, że nie można sprawić, by silniki zachowywały się w idealny sposób. Tarcie między ruchomymi częściami stale spowalnia silnik. Część ciepła ucieka z komory spalania i staje się bezużyteczna dla silnika. Paliwo nie zawsze pali się w najwyższej osiągniętej temperaturze, co zmniejsza ilość wydzielanego ciepła. Z tych powodów sprawność cieplna w rzeczywistych urządzeniach jest zwykle znacznie poniżej 100%.