I motori termici trasformano l’energia termica, o calore, Qin in energia meccanica, o lavoro, Wout. Non possono svolgere perfettamente questo compito, quindi parte dell’energia termica in ingresso non viene convertita in lavoro, ma viene dissipata come calore di scarto Qout nell’ambiente
Q i n = W o u t + Q o u t {displaystyle Q_{in}=W_{rm {out}}+Q_{rm {out}},
L’efficienza termica di un motore termico è la percentuale di energia termica che si trasforma in lavoro. L’efficienza termica è definita come
η t h ≡ W o u t Q i n = Q i n – Q o u t Q i n = 1 – Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{{rm {th}}}equiv {\frac {W_{rm {out}}{Q_{\rm {in}}}}={\frac {{Q_{rm {in}}-Q_{rm {out}}}{Q_{rm {in}}}}=1-{frac {Q_{rm {out}}{Q_{rm {in}}}}}
L’efficienza anche dei migliori motori termici è bassa; di solito sotto il 50% e spesso molto al di sotto. Quindi l’energia persa nell’ambiente dai motori termici è un grande spreco di risorse energetiche. Dal momento che una grande frazione dei combustibili prodotti in tutto il mondo va ad alimentare i motori termici, forse fino alla metà dell’energia utile prodotta in tutto il mondo viene sprecata nell’inefficienza dei motori, anche se i moderni schemi di cogenerazione, ciclo combinato e riciclaggio dell’energia stanno cominciando ad usare questo calore per altri scopi. Questa inefficienza può essere attribuita a tre cause. C’è un limite teorico generale all’efficienza di qualsiasi motore termico dovuto alla temperatura, chiamato efficienza di Carnot. In secondo luogo, tipi specifici di motori hanno limiti inferiori alla loro efficienza a causa dell’irreversibilità intrinseca del ciclo del motore che usano. In terzo luogo, il comportamento non ideale dei motori reali, come l’attrito meccanico e le perdite nel processo di combustione causano ulteriori perdite di efficienza.
Efficienza di CarnotModifica
La seconda legge della termodinamica pone un limite fondamentale all’efficienza termica di tutti i motori termici. Anche un motore ideale, senza attrito, non può convertire quasi il 100% del suo calore in ingresso in lavoro. I fattori limitanti sono la temperatura alla quale il calore entra nel motore, T H {displaystyle T_{{rm {H}},}
, e la temperatura dell’ambiente in cui il motore scarica il suo calore residuo, T C {displaystyle T_{{rm {C}},}
, misurata in una scala assoluta, come la scala Kelvin o Rankine. Dal teorema di Carnot, per qualsiasi motore che lavora tra queste due temperature: η t h ≤ 1 – T C T H {{displaystyle \eta _{rm {th}}leq 1-{\frac {T_{\rm {C}}{T_{\rm {H}}}}\,}
Questo valore limite è chiamato efficienza del ciclo di Carnot perché è l’efficienza di un irrealizzabile, ideale, ciclo motore reversibile chiamato ciclo di Carnot. Nessun dispositivo che converte il calore in energia meccanica, indipendentemente dalla sua costruzione, può superare questa efficienza.
Esempi di T H {displaystyle T_{{rm {H}},}
è di solito la temperatura ambiente in cui si trova il motore, o la temperatura di un lago o di un fiume in cui viene scaricato il calore residuo. Per esempio, se un motore di un’automobile brucia benzina ad una temperatura di T H = 816 ∘ C = 1500 ∘ F = 1089 K {displaystyle T_{{rm {H}}=816^{{circola}=1500^{{circola}=1089{{testo{K}},
, allora la sua massima efficienza possibile è: η t h ≤ ( 1 – 294 K 1089 K ) 100 % = 73.0 % {displaystyle \eta _{rm {th}}leq \left(1-{frac {294K}{1089K}}}right)100\%=73.0\%}
Si può vedere che siccome T C {displaystyle T_{{rm {C}}},}
è fissato dall’ambiente, l’unico modo per un progettista di aumentare l’efficienza di Carnot di un motore è quello di aumentare T H {displaystyle T_{{rm {H}},}
, la temperatura alla quale il calore viene aggiunto al motore. Anche l’efficienza dei motori termici ordinari generalmente aumenta con la temperatura di funzionamento, e i materiali strutturali avanzati che permettono ai motori di funzionare a temperature più elevate è un’area attiva di ricerca.
A causa delle altre cause dettagliate di seguito, i motori pratici hanno efficienze molto al di sotto del limite di Carnot. Per esempio, il motore medio di un’automobile ha un’efficienza inferiore al 35%.
Il teorema di Carnot si applica ai cicli termodinamici, dove l’energia termica viene convertita in lavoro meccanico. I dispositivi che convertono l’energia chimica di un combustibile direttamente in lavoro elettrico, come le celle a combustibile, possono superare l’efficienza di Carnot.
Efficienza del ciclo del motoreModifica
Il ciclo di Carnot è reversibile e quindi rappresenta il limite superiore di efficienza di un ciclo motore. I cicli motore pratici sono irreversibili e quindi hanno un’efficienza intrinsecamente più bassa dell’efficienza di Carnot quando operano tra le stesse temperature T H {displaystyle T_{rm {H}},
e T C {displaystyle T_{rm {C},}
Un parametro importante nell’efficienza dei motori a combustione è il rapporto di calore specifico della miscela aria-carburante, γ. Questo varia un po’ con il carburante, ma è generalmente vicino al valore dell’aria di 1,4. Questo valore standard è di solito usato nelle equazioni del ciclo del motore qui sotto, e quando questa approssimazione è fatta il ciclo è chiamato un ciclo aria-standard.
- Ciclo Otto: automobili Il ciclo Otto è il nome del ciclo usato nei motori a combustione interna con accensione a scintilla, come i motori delle automobili a benzina e a idrogeno. La sua efficienza teorica dipende dal rapporto di compressione r del motore e dal rapporto di calore specifico γ del gas nella camera di combustione.:558
η t h = 1 – 1 r γ – 1 {displaystyle \eta _{{rm {th}}}=1-{frac {1}{r^{\gamma -1}}},
Quindi, l’efficienza aumenta con il rapporto di compressione. Tuttavia il rapporto di compressione dei motori a ciclo Otto è limitato dalla necessità di prevenire la combustione incontrollata nota come battitura. I motori moderni hanno rapporti di compressione nell’intervallo da 8 a 11, con conseguente efficienza del ciclo ideale dal 56% al 61%.
- Ciclo Diesel: camion e treni Nel ciclo Diesel usato nei motori diesel di camion e treni, il carburante viene acceso dalla compressione nel cilindro. L’efficienza del ciclo Diesel dipende da r e γ come il ciclo Otto, e anche dal rapporto di taglio, rc, che è il rapporto del volume del cilindro all’inizio e alla fine del processo di combustione:
η t h = 1 – r 1 – γ ( r c γ – 1 ) γ ( r c – 1 ) {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {r^{1-\gamma }(r_{\rm {c}}^{\gamma }-1)}{\gamma (r_{\rm {c}-1)}},
Il ciclo Diesel è meno efficiente del ciclo Otto a parità di rapporto di compressione. Tuttavia, i motori diesel pratici sono più efficienti del 30% – 35% rispetto ai motori a benzina. Questo perché, dal momento che il combustibile non viene introdotto nella camera di combustione fino a quando non è richiesto per l’accensione, il rapporto di compressione non è limitato dalla necessità di evitare i colpi, quindi vengono usati rapporti più alti che nei motori ad accensione comandata.
- Ciclo Rankine: centrali a vapore Il ciclo Rankine è il ciclo usato nelle centrali a turbina a vapore. La stragrande maggioranza dell’energia elettrica mondiale è prodotta con questo ciclo. Poiché il fluido di lavoro del ciclo, l’acqua, cambia da liquido a vapore e viceversa durante il ciclo, le loro efficienze dipendono dalle proprietà termodinamiche dell’acqua. L’efficienza termica dei moderni impianti a turbina a vapore con cicli di riscaldamento può raggiungere il 47%, e negli impianti a ciclo combinato, in cui una turbina a vapore è alimentata dal calore di scarico di una turbina a gas, può avvicinarsi al 60%.
- Ciclo Brayton: turbine a gas e motori a reazione Il ciclo Brayton è il ciclo usato nelle turbine a gas e nei motori a reazione. Consiste in un compressore che aumenta la pressione dell’aria in entrata, poi il carburante viene continuamente aggiunto al flusso e bruciato, e i gas di scarico caldi vengono espansi in una turbina. L’efficienza dipende in gran parte dal rapporto tra la pressione all’interno della camera di combustione p2 e la pressione all’esterno p1
η t h = 1 – ( p 2 p 1 ) 1 – γ γ {\displaystyle \eta _{rm {th}}=1-{\frac {p_{2}}{p_{1}}}{bigg )}^{\frac {1-\gamma }{gamma }},
Altre inefficienzeModifica
Non si dovrebbe confondere l’efficienza termica con altre efficienze che sono usate quando si parla di motori. Le formule di efficienza di cui sopra sono basate su semplici modelli matematici idealizzati di motori, senza attrito e con fluidi di lavoro che obbediscono a semplici regole termodinamiche chiamate legge dei gas ideali. I motori reali hanno molte deviazioni dal comportamento ideale che sprecano energia, riducendo le efficienze reali al di sotto dei valori teorici dati sopra. Esempi sono:
- attrito delle parti in movimento
- combustione inefficiente
- perdita di calore dalla camera di combustione
- allontanamento del fluido di lavoro dalle proprietà termodinamiche di un gas ideale
- trascinamento aerodinamico dell’aria che si muove attraverso il motore
- energia usata da attrezzature ausiliarie come pompe dell’olio e dell’acqua.
- inefficient compressors and turbines
- imperfect valve timing
These factors may be accounted when analyzing thermodynamic cycles, however discussion of how to do so is outside the scope of this article.