O que é eficiência térmica?
A eficiência térmica é uma medida da energia de saída dividida pela energia de entrada em um sistema. Deve estar entre 0% e 100%. Uma eficiência térmica de 100% significaria que toda a energia gasta em um sistema sai, embora de uma forma diferente. Os motores térmicos e os refrigeradores têm eficiências térmicas associadas, embora estejam tentando alcançar objetivos opostos. As eficiências térmicas do mundo real geralmente caem significativamente abaixo de 100% devido a uma variedade de razões.
Em um motor a gasolina, a energia de entrada é armazenada nas ligações químicas de um combustível de hidrocarboneto. Uma molécula de hidrocarboneto consiste inteiramente de hidrogênio e carbono. Quando essas moléculas são combinadas com oxigênio, elas podem reagir quimicamente e formar monóxido de carbono e água; em essência, a molécula de hidrocarboneto é dividida e combinada com átomos de oxigênio. A parte dessa reação que é útil para um motor, porém, é o calor liberado. O calor liberado pela combustão da gasolina é a energia de entrada relevante na eficiência térmica.
A energia de saída no cálculo da eficiência térmica de um motor não é calor, mas trabalho mecânico. Em física, trabalho é a quantidade de energia transferida por uma força que atua a distância. Empurrar uma caixa sobre o tapete a uma certa distância requer uma quantidade finita de trabalho; isso é igual ao produto da distância percorrida e da força média exercida. Da mesma forma, um motor a gasolina funciona quando move as rodas de um carro.
No caso de um refrigerador ou ar condicionado, a relação de trabalho térmico é revertida. O resultado desejado nessa situação é remover o calor de um sistema e despejá-lo no ambiente externo. A entrada disponível, portanto, é um trabalho mecânico, que geralmente é fornecido por um compressor elétrico. Calcular a eficiência térmica, no entanto, ainda requer dividir a energia de saída pela energia de entrada. A diferença de um motor a gasolina, é claro, é que a saída é calor e a entrada é trabalho.
Um motor de automóvel típico tem uma eficiência térmica inferior a 35%. Esse número parece baixo por duas razões importantes. Antes de tudo, existe um limite superior teórico à eficiência térmica de qualquer motor térmico relacionado à temperatura do sistema versus a temperatura ambiente. Quanto maior a diferença de temperatura, maior a máxima eficiência térmica que um motor ideal e sem atrito pode alcançar. Isso é chamado de eficiência de Carnot.
A segunda razão pela qual os motores de carros têm uma eficiência aparentemente baixa é que os motores não podem ser feitos para se comportar da maneira ideal. O atrito entre as partes móveis constantemente tende a desacelerar o motor. Um pouco de calor escapa da câmara de combustão e se torna inútil para o motor. O combustível nem sempre queima na temperatura mais alta atingida, reduzindo a quantidade de calor liberado. Por esses motivos, a eficiência térmica em dispositivos do mundo real tende a ficar bem abaixo de 100%.