Vad är termisk effektivitet?
Termisk effektivitet är ett mått på den utgående energin dividerat med den inmatade energin i ett system. Det måste vara mellan 0% och 100%. En termisk effektivitet på 100% skulle innebära att all energi som läggs in i ett system kommer ut, om än i en annan form. Värmemotorer och kylskåp har båda tillhörande termisk effektivitet, även om de försöker uppnå motsatta mål. Värmeeffektivitet i verklig värld sjunker vanligtvis betydligt under 100% på grund av olika skäl.
I en bensinmotor lagras tillförselenergi i de kemiska bindningarna i ett kolvätebränsle. En kolvätemolekyl består helt av väte och kol. När dessa molekyler kombineras med syre kan de kemiskt reagera och bilda kolmonoxid och vatten; i huvudsak delas kolvätemolekylen upp och kombineras med syreatomer. Den del av denna reaktion som är användbar för en motor är dock värmen som frigörs. Värme som frigörs från bensinförbränning är den relevanta inmatade energin när det gäller termisk effektivitet.
Utgångsenergin vid beräkningen av en termisk verkningsgrad är inte värme utan mekaniskt arbete. I fysik är arbete den mängd energi som överförs av en kraft som verkar över ett avstånd. Att skjuta en låda över mattan ett visst avstånd kräver en begränsad mängd arbete; detta är lika med produkten från det flyttade avståndet och den genomsnittliga kraften som utövas. På samma sätt fungerar en bensinmotor när den rör sig på en bil.
När det gäller kylskåp eller luftkonditionering är värmeförhållandet omvänt. Det önskade resultatet i denna situation är att ta bort värme från ett system och dumpa det i den yttre miljön. Den tillgängliga ingången är därför mekaniskt arbete, som ofta tillhandahålls av en elektrisk driven kompressor. För att beräkna den termiska verkningsgraden krävs det fortfarande att dela ut energien med den inmatade energin. Skillnaden från en bensinmotor är naturligtvis att utgången är värme och ingången fungerar.
En typisk bilmotor har en termisk verkningsgrad på mindre än 35%. Detta antal verkar lågt av två viktiga skäl. Först och främst finns det en teoretisk övre gräns för värmeeffektiviteten hos alla värmemotorer som har att göra med systemtemperaturen kontra omgivningstemperaturen. Ju högre temperaturskillnad, desto högre maximal termisk verkningsgrad kan en idealisk, friktionsfri motor uppnå. Detta kallas Carnot-effektiviteten.
Det andra skälet till att bilmotorer har en uppenbarligen låg verkningsgrad är att motorer inte kan göras att de fungerar på ett idealiskt sätt. Friktion mellan rörliga delar tenderar ständigt att bromsa motorn. En del värme slipper ut från förbränningskammaren och blir värdelös för motorn. Bränslet brinner inte alltid vid den högsta temperatur som uppnås, vilket minskar mängden frigjord värme. Av dessa skäl tenderar värmeeffektiviteten i verkliga enheter att vara långt under 100%.