Eficiența termică

Articolul principal: Teorema lui Carnot (termodinamică)

A doua lege a termodinamicii pune o limită fundamentală asupra eficienței termice a tuturor motoarelor termice. Chiar și un motor ideal, fără fricțiune, nu poate converti nici pe departe 100% din căldura de intrare în muncă. Factorii limitativi sunt temperatura la care căldura intră în motor, T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\},}

, și temperatura mediului în care motorul își evacuează căldura reziduală, T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\},}

, măsurată pe o scală absolută, cum ar fi scara Kelvin sau Rankine. Din teorema lui Carnot, pentru orice motor care funcționează între aceste două temperaturi: η t h ≤ 1 – T C T T H {\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq 1-{\frac {T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}}}\},}

Această valoare limită se numește randamentul ciclului Carnot, deoarece este randamentul unui ciclu de motor irealizabil, ideal, reversibil, numit ciclul Carnot. Niciun dispozitiv care convertește căldura în energie mecanică, indiferent de construcția sa, nu poate depăși acest randament.

Exemple de T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\},}

sunt temperatura aburului fierbinte care intră în turbina unei centrale cu abur sau temperatura la care arde combustibilul într-un motor cu ardere internă. T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\\},}

este, de obicei, temperatura mediului ambiant în care se află motorul sau temperatura unui lac sau a unui râu în care este evacuată căldura reziduală. De exemplu, dacă un motor de automobil arde benzină la o temperatură de T H = 816 ∘ C = 1500 ∘ F = 1089 K {\displaystyle T_{\rm {H}}=816^{\circ }{\text{C}}=1500^{\circ }{\text{F}}=1089{\text{K}}\,}

, iar temperatura ambiantă este T C = 21 ∘ C = 70 ∘ F = 294 K {\displaystyle T_{\rm {C}}=21^{\circ }{\text{C}}=70^{\circ }{\text{F}}=294{\text{K}}\,}

, atunci eficiența sa maximă posibilă este: 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\%}

Se poate observa că din moment ce T C {\displaystyle T_{\rm {C}}},}

este fixat de mediu, singura modalitate prin care un proiectant poate crește randamentul Carnot al unui motor este de a crește T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\},}

, temperatura la care se adaugă căldura în motor. Eficiența motoarelor termice obișnuite crește, de asemenea, în general, odată cu temperatura de funcționare, iar materialele structurale avansate care permit motoarelor să funcționeze la temperaturi mai ridicate reprezintă un domeniu activ de cercetare.

Din cauza celorlalte cauze detaliate mai jos, motoarele practice au randamente mult sub limita Carnot. De exemplu, motorul mediu al unui automobil are o eficiență mai mică de 35%.

Teorema lui Carnot se aplică ciclurilor termodinamice, în care energia termică este transformată în lucru mecanic. Dispozitivele care convertesc energia chimică a unui combustibil direct în lucru electric, cum ar fi pilele de combustie, pot depăși eficiența Carnot.

Eficiența ciclului motoruluiEdit

Ciclul Carnot este reversibil și, prin urmare, reprezintă limita superioară a eficienței unui ciclu motor. Ciclurile practice ale motoarelor sunt ireversibile și, prin urmare, au un randament inerent mai mic decât randamentul Carnot atunci când funcționează între aceleași temperaturi T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\\,}

și T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\},}

. Unul dintre factorii care determină eficiența este modul în care se adaugă căldura la fluidul de lucru din ciclu și modul în care aceasta este eliminată. Ciclul Carnot atinge randamentul maxim deoarece toată căldura este adăugată la fluidul de lucru la temperatura maximă T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\},}

, și eliminate la temperatura minimă T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\},}

. În schimb, într-un motor cu combustie internă, temperatura amestecului aer-combustibil din cilindru nu este nici pe departe apropiată de temperatura de vârf în momentul în care combustibilul începe să ardă și nu atinge temperatura de vârf decât atunci când tot combustibilul este consumat, astfel încât temperatura medie la care se adaugă căldură este mai mică, ceea ce reduce eficiența.

Un parametru important în eficiența motoarelor cu combustie este raportul termic specific al amestecului aer-combustibil, γ. Acesta variază într-o oarecare măsură în funcție de combustibil, dar este în general apropiat de valoarea de 1,4 pentru aer. Această valoare standard este de obicei utilizată în ecuațiile ciclului motorului de mai jos, iar atunci când se face această aproximare, ciclul se numește ciclu standard cu aer.

• Ciclul Otto: automobile Ciclul Otto este denumirea ciclului utilizat în motoarele cu ardere internă cu aprindere prin scânteie, cum ar fi motoarele de automobile alimentate cu benzină și hidrogen. Eficiența sa teoretică depinde de raportul de compresie r al motorului și de raportul de căldură specifică γ al gazului din camera de ardere.:558

η t h = 1 – 1 r γ – 1 {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}}\,}

Astfel, eficiența crește odată cu raportul de compresie. Cu toate acestea, raportul de compresie al motoarelor cu ciclu Otto este limitat de necesitatea de a preveni combustia necontrolată cunoscută sub numele de knocking. Motoarele moderne au rapoarte de compresie cuprinse între 8 și 11, ceea ce duce la randamente ideale ale ciclului de 56% până la 61%.

• Ciclul diesel: camioane și trenuri În ciclul diesel utilizat în motoarele diesel pentru camioane și trenuri, combustibilul este aprins prin compresie în cilindru. Eficiența ciclului Diesel depinde de r și γ, la fel ca în cazul ciclului Otto, și, de asemenea, de raportul de tăiere, rc, care este raportul dintre volumul cilindrului la începutul și la sfârșitul procesului de ardere:

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)}}}}},}

Ciclul Diesel este mai puțin eficient decât ciclul Otto atunci când se utilizează același raport de compresie. Cu toate acestea, motoarele Diesel practice sunt cu 30% – 35% mai eficiente decât motoarele pe benzină. Acest lucru se datorează faptului că, din moment ce combustibilul nu este introdus în camera de combustie decât atunci când este necesar pentru aprindere, raportul de compresie nu este limitat de necesitatea de a evita ciocănitul, astfel încât se utilizează rapoarte mai mari decât în cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie.

• Ciclul Rankine: centrale electrice cu abur Ciclul Rankine este ciclul utilizat în centralele electrice cu turbine cu abur. Majoritatea covârșitoare a energiei electrice din lume este produsă cu acest ciclu. Deoarece fluidul de lucru al ciclului, apa, se transformă din lichid în vapori și invers în timpul ciclului, randamentul acestora depinde de proprietățile termodinamice ale apei. Eficiența termică a centralelor moderne cu turbine cu abur cu cicluri de reîncălzire poate ajunge la 47%, iar în centralele cu ciclu combinat, în care o turbină cu abur este alimentată de căldura de evacuare a unei turbine cu gaz, se poate apropia de 60%.
• Ciclul Brayton: turbine cu gaz și motoare cu reacție Ciclul Brayton este ciclul utilizat în turbinele cu gaz și în motoarele cu reacție. Acesta constă într-un compresor care mărește presiunea aerului care intră, apoi combustibilul este adăugat continuu în flux și ars, iar gazele de evacuare fierbinți sunt expandate într-o turbină. Eficiența depinde în mare măsură de raportul dintre presiunea din interiorul camerei de ardere p2 și presiunea exterioară p1

η t h = 1 – ( p 2 p 1 ) 1 – γ γ {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\bigg (}{\frac {p_{2}}{p_{1}}}{\bigg )}^{\frac {1-\gamma }{\gamma }}}},}

Alte ineficiențeEdit

Nu trebuie să se confunde randamentul termic cu alte randamente care sunt folosite atunci când se discută despre motoare. Formulele de randament de mai sus se bazează pe modele matematice idealizate simple de motoare, fără frecare și cu fluide de lucru care se supun unor reguli termodinamice simple numite legea gazelor ideale. Motoarele reale au multe abateri de la comportamentul ideal care irosesc energie, reducând randamentele reale sub valorile teoretice prezentate mai sus. Exemplele sunt:

• frecarea pieselor în mișcare
• combustie ineficientă
• pierderea de căldură din camera de ardere
• depărtarea fluidului de lucru de proprietățile termodinamice ale unui gaz ideal
• tragerea aerodinamică a aerului care se deplasează prin motor
• energia utilizată de echipamentele auxiliare, cum ar fi pompele de ulei și de apă.
• 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.