Что такое тепловая эффективность?

Тепловая эффективность - это мера выходной энергии, деленная на входную энергию в системе. Это должно быть между 0% и 100%. Тепловая эффективность 100% будет означать, что вся энергия, поступающая в систему, выходит, хотя и в другой форме. Тепловые двигатели и холодильники имеют связанную тепловую эффективность, хотя они пытаются достичь противоположных целей. Реальная тепловая эффективность, как правило, значительно ниже 100% по ряду причин.

В бензиновом двигателе входная энергия сохраняется в химических связях углеводородного топлива. Углеводородная молекула полностью состоит из водорода и углерода. Когда эти молекулы объединяются с кислородом, они могут химически реагировать и образовывать окись углерода и воду; по сути, молекула углеводорода расщепляется и соединяется с атомами кислорода. Часть этой реакции, которая полезна для двигателя, является выделением тепла. Тепло, выделяемое при сгорании бензина, является соответствующей входной энергией теплового кпд.

Выходная энергия при расчете теплового КПД двигателя - это не тепло, а механическая работа. В физике работа - это количество энергии, передаваемой силой, действующей на расстоянии. Вытягивание коробки на ковер на определенное расстояние требует конечного объема работы; это равно произведению пройденного расстояния и среднего приложенного усилия. Точно так же бензиновый двигатель работает, когда он перемещает колеса автомобиля.

В случае холодильника или кондиционера, соотношение тепла и работы меняется на противоположное. В этой ситуации желаемым результатом является удаление тепла из системы и сброс его во внешнюю среду. Следовательно, доступный ввод - это механическая работа, которая часто обеспечивается компрессором с электропитанием. Однако для расчета теплового кпд все же необходимо разделить выходную энергию на входную энергию. Различие от бензинового двигателя, конечно, заключается в том, что выход - это тепло, а ввод - работа.

Типичный автомобильный двигатель имеет тепловой КПД менее 35%. Это число кажется низким по двум важным причинам. Прежде всего, существует теоретический верхний предел теплового КПД любого теплового двигателя, который связан с температурой системы в зависимости от температуры окружающей среды. Чем выше разница в температуре, тем выше максимальный тепловой КПД, которого может достичь идеальный двигатель без трения. Это называется эффективностью Карно.

Вторая причина, по которой автомобильные двигатели имеют явно низкую эффективность, заключается в том, что двигатели не могут вести себя идеально. Трение между движущимися частями постоянно ведет к замедлению двигателя. Часть тепла выходит из камеры сгорания и становится бесполезной для двигателя. Топливо не всегда сгорает при самой высокой достигнутой температуре, уменьшая количество выделяемого тепла. По этим причинам тепловой КПД в реальных устройствах имеет тенденцию быть намного ниже 100%.