Eficiência térmica

Motores de calor transformam energia térmica, ou calor, Qin em energia mecânica, ou trabalho, Wout. Eles não podem fazer esta tarefa perfeitamente, por isso parte da energia térmica de entrada não é convertida em trabalho, mas é dissipada como calor residual Qout para o ambiente

Q i n = W o u t + Q o u t {\i}=W_{\i {\i {\i}}+Q_{\i {\i {\i}},

A eficiência térmica de um motor térmico é a percentagem de energia térmica que é transformada em trabalho. A eficiência térmica é definida como

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 {\i1}-Q_{\i}{Q_{\i}{Q_{\i}{in}}}}=1-{\i}{Q_{\i}}{Q_{\i}{Q_{\i}{\i}{Q_{\i}{in}}}}}

eficiência de CarnotEdit

Artigo principal: Teorema de Carnot (termodinâmica)

A segunda lei da termodinâmica coloca um limite fundamental na eficiência térmica de todos os motores de calor. Mesmo um motor ideal, sem fricção, não pode converter em nenhum lugar perto de 100% do seu calor de entrada em trabalho. Os factores limitantes são a temperatura a que o calor entra no motor, T H {\i1}displaystyle T_{\i},}

, e a temperatura do ambiente em que o motor esgota o seu calor residual, T C {\i1}displaystyle T_{\i},}

, medido numa escala absoluta, tal como a escala Kelvin ou Rankine. Do teorema de Carnot, para qualquer motor que trabalhe entre estas duas temperaturas: η t h h ≤ 1 – T C T H {\i1}displaystyle {\i} {\i1}{\i1}{\i1}T_{\i}{\i1}T_{\i}{\i1}div>

Este valor limite é chamado de eficiência do ciclo Carnot porque é a eficiência de um ciclo de motor inatingível, ideal e reversível chamado de ciclo Carnot. Nenhum dispositivo que converta calor em energia mecânica, independentemente da sua construção, pode exceder esta eficiência.

Exemplos de T H {\\m {\m {H}},}

são a temperatura do vapor quente que entra na turbina de uma usina a vapor, ou a temperatura à qual o combustível queima em um motor de combustão interna. T C {\i1}displaystyle T_{\i},}

é normalmente a temperatura ambiente onde o motor está localizado, ou a temperatura de um lago ou rio no qual o calor residual é descarregado.

{\a1}displaystyle T_{\a1}{\a1}=816^{\a1}{\a1}text=1500^{\a1}{\a1}text=1089{\a1}e a temperatura ambiente é T C = 21 ∘ C = 70 ∘ F = 294 K T_{\rm {C}}=21^{\i}=70^{\i}{\i}{\i}{\i}=294{\i}{\i},

, então a sua máxima eficiência possível é: η t h h ≤ ( 1 – 294 K 1089 K ) 100 % = 73. 0\%}

Pode-se ver que desde T C {\i1}displaystyle T_{\i},}

é fixado pelo ambiente, a única maneira de um designer aumentar a eficiência de um motor Carnot é aumentar a temperatura de T H H_{\i},}

, a temperatura à qual o calor é adicionado ao motor. A eficiência dos motores de calor comuns também geralmente aumenta com a temperatura de operação, e materiais estruturais avançados que permitem que os motores operem a temperaturas mais altas é uma área ativa de pesquisa.

Dev> às outras causas detalhadas abaixo, os motores práticos têm eficiências muito abaixo do limite de Carnot. Por exemplo, o motor automóvel médio é menos de 35% eficiente.

O teorema de Carnot aplica-se aos ciclos termodinâmicos, onde a energia térmica é convertida em trabalho mecânico. Os dispositivos que convertem a energia química de um combustível diretamente em trabalho elétrico, como células de combustível, podem exceder a eficiência de Carnot.

Eficiência do ciclo do motorEditar

O ciclo de Carnot é reversível e assim representa o limite superior de eficiência de um ciclo do motor. Ciclos práticos do motor são irreversíveis e, portanto, têm eficiência inerentemente inferior à eficiência de Carnot quando operados entre as mesmas temperaturas T H {\i} {\i} {\i1}displaystyle T_{\i}},

e T C {\i}displaystyle T_{\i},}

. Um dos fatores que determinam a eficiência é como o calor é adicionado ao fluido de trabalho no ciclo, e como ele é removido. O ciclo Carnot atinge a eficiência máxima porque todo o calor é adicionado ao fluido de trabalho à temperatura máxima T H {\i1}displaystyle T_{\i},}

{\i1}displaystyle T_{\i},{\i}

. Em contraste, num motor de combustão interna, a temperatura da mistura combustível-ar no cilindro não está nem perto da sua temperatura máxima quando o combustível começa a queimar, e só atinge a temperatura máxima quando todo o combustível é consumido, pelo que a temperatura média a que o calor é adicionado é inferior, reduzindo a eficiência.

Um parâmetro importante na eficiência dos motores de combustão é a relação de calor específica da mistura ar-combustível, γ. Isto varia um pouco com o combustível, mas geralmente está próximo do valor do ar de 1,4. Este valor padrão é normalmente utilizado nas equações do ciclo do motor abaixo, e quando esta aproximação é feita, o ciclo é chamado de ciclo-padrão do ar. O ciclo Otto é o nome do ciclo usado em motores de combustão interna de ignição por faísca, tais como motores a gasolina e a hidrogênio para automóveis. Sua eficiência teórica depende da razão de compressão r do motor e da razão de calor específica γ do gás na câmara de combustão.:558 η t h = 1 – 1 r γ – 1 {\\i1}=1-{\i1}{\i}{r^{\i1}gamma -1}},Div> Assim, a eficiência aumenta com a taxa de compressão. Contudo, a taxa de compressão dos motores do ciclo Otto é limitada pela necessidade de evitar a combustão descontrolada conhecida como knocking. Os motores modernos têm rácios de compressão na faixa de 8 a 11, resultando em eficiências ideais de ciclo de 56% a 61%. iclo Diesel: caminhões e trens No ciclo Diesel utilizado em motores de caminhões e trens a diesel, o combustível é queimado por compressão no cilindro. A eficiência do ciclo Diesel depende de r e γ como o ciclo Otto, e também pela relação de corte, rc, que é a relação do volume do cilindro no início e no final do processo de combustão: η t h = 1 – r 1 – γ ( r c γ – 1 ) γ ( r c – 1 ) {\i1}displaystyle {\i}=1-{\i1}frac {r^{\i}(r_{\i}{\i}{\i}}(r_\i}{\i}-1}gamma {\i}(r_\i}{\i}-1}gammaDiv>{\i}{\i1}gamma (r_{\i}-1)},} O ciclo Diesel é menos eficiente que o ciclo Otto quando se usa a mesma razão de compressão. No entanto, os motores Diesel práticos são 30% – 35% mais eficientes do que os motores a gasolina. Isto porque, como o combustível não é introduzido na câmara de combustão até ser necessário para a ignição, a taxa de compressão não é limitada pela necessidade de evitar golpes, por isso são utilizadas taxas mais elevadas do que nos motores de ignição por faísca.

• Ciclo Rankine: centrais de vapor O ciclo Rankine é o ciclo utilizado nas centrais de turbinas a vapor. A esmagadora maioria da energia elétrica do mundo é produzida com este ciclo. Como o fluido de trabalho do ciclo, a água, muda de líquido para vapor e volta durante o ciclo, suas eficiências dependem das propriedades termodinâmicas da água. A eficiência térmica das modernas turbinas a vapor com ciclos de reaquecimento pode chegar a 47%, e nas instalações de ciclo combinado, nas quais uma turbina a vapor é alimentada pelo calor de escape de uma turbina a gás, pode aproximar-se dos 60%. O ciclo Brayton é o ciclo utilizado em turbinas a gás e motores a jato. Ele consiste em um compressor que aumenta a pressão do ar de entrada, então o combustível é continuamente adicionado ao fluxo e queimado, e os gases de escape quentes são expandidos em uma turbina. A eficiência depende muito da relação entre a pressão dentro da câmara de combustão p2 e a pressão fora de p1

η t h = 1 – ( p 2 p 1 ) 1 – γ γ {\i1}{\i1}{\i1}{\i1}}frac {\i}{\i}{\i}{\i}{\i}{\i}{\i}{\i}frac {\i}{\i}{\i}{\i}{\i}{\i}{\i}{\i}{\i}{\i}gamma {\i},Div>

Outras ineficiênciasEditar

Um não deve confundir eficiência térmica com outras eficiências que são usadas quando se discute motores. As fórmulas de eficiência acima são baseadas em modelos matemáticos de motores simples e idealizados, sem atrito e fluidos de trabalho que obedecem a regras termodinâmicas simples chamadas de lei do gás ideal. Os motores reais têm muitos desvios do comportamento ideal que desperdiça energia, reduzindo as eficiências reais abaixo dos valores teóricos dados acima. Exemplos são:

• atrito das partes móveis
• combustão ineficiente
• perda de calor da câmara de combustão
• desvio do fluido de trabalho das propriedades termodinâmicas de um gás ideal
• arrastamento aerodinâmico do ar em movimento através do motor
• energia utilizada por equipamentos auxiliares como bombas de óleo e água.
• 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.