Värmemotorer omvandlar termisk energi, eller värme, Qin till mekanisk energi, eller arbete, Wout. De kan inte utföra denna uppgift perfekt, så en del av den tillförda värmeenergin omvandlas inte till arbete utan avges som spillvärme Qout till omgivningen
Q i n = W o u t + Q o u t {\displaystyle Q_{in}=W_{\rm {out}}+Q_{\rm {out}}\,}
Den termiska verkningsgraden hos en värmemotor är den procentuella andel av värmeenergin som omvandlas till arbete. Den termiska verkningsgraden definieras som
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}}}}}
Effektiviteten hos även de bästa värmemotorerna är låg; vanligen under 50 % och ofta långt under. Den energi som går förlorad till miljön genom värmemaskiner är alltså ett stort slöseri med energiresurser. Eftersom en stor del av de bränslen som produceras i världen går till att driva värmemotorer, går kanske upp till hälften av den nyttiga energi som produceras i världen till spillo på grund av motorernas ineffektivitet, även om moderna system för kraftvärme, kombinerad cykel och energiåtervinning börjar använda denna värme för andra ändamål. Denna ineffektivitet kan tillskrivas tre orsaker. Det finns en övergripande teoretisk gräns för effektiviteten hos en värmemotor på grund av temperaturen, den så kallade Carnot-effektiviteten. För det andra har vissa typer av motorer lägre gränser för sin effektivitet på grund av den inneboende irreversibiliteten hos den motorcykel de använder. För det tredje orsakar det icke-ideala beteendet hos verkliga motorer, till exempel mekanisk friktion och förluster i förbränningsprocessen, ytterligare effektivitetsförluster.
Carnot-effektivitetRedigera
Thermodynamikens andra lag sätter en grundläggande gräns för den termiska verkningsgraden hos alla värmemotorer. Inte ens en idealisk, friktionsfri motor kan omvandla nära 100 % av sin tillförda värme till arbete. De begränsande faktorerna är den temperatur vid vilken värmen kommer in i motorn, T H {\displaystyle T_{\rm {H}}}\,}
, och temperaturen i den miljö till vilken motorn släpper ut sin spillvärme, T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\,}
, mätt på en absolut skala, t.ex. Kelvin- eller Rankine-skalan. Enligt Carnots sats gäller för varje motor som arbetar mellan dessa två temperaturer: η t h ≤ 1 – T C T H {\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq 1-{\frac {T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}}}\,}
Detta gränsvärde kallas Carnotcykelns verkningsgrad eftersom det är verkningsgraden för en ouppnåelig, idealisk, reversibel motorcykel som kallas Carnotcykeln. Ingen anordning som omvandlar värme till mekanisk energi, oavsett konstruktion, kan överskrida denna verkningsgrad.
Exempel på T H {\displaystyle T_{\rm {H}}}\,}
är temperaturen på den heta ånga som kommer in i turbinen i ett ångkraftverk, eller temperaturen vid vilken bränslet brinner i en förbränningsmotor. T C {\displaystyle T_{\rm {C}}}\,}
är vanligen omgivningstemperaturen där motorn är placerad, eller temperaturen i en sjö eller flod i vilken spillvärmen släpps ut. Om till exempel en bilmotor förbränner bensin vid en temperatur på T H = 816 ∘ C = 1500 ∘ F = 1089 K {\displaystyle T_{\rm {H}}}=816^{\\circ }{\text{C}}}=1500^{\circ }{\text{F}}=1089{\text{K}}\,}
och den omgivande temperaturen är T C = 21 ∘ C = 70 ∘ F = 294 K {\displaystyle T_{\rm {C}}=21^{\circ }{\text{C}}=70^{\circ }{\text{F}}}=294{\text{K}}\,}
, så är dess maximalt möjliga effektivitet: 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\%}
Det kan ses att eftersom T C {\displaystyle T_{\rm {C}}}\,}
fastställs av miljön, Det enda sättet för en konstruktör att öka Carnot-effektiviteten hos en motor är att öka T H {\\displaystyle T_{\rm {H}}}\,}
, den temperatur vid vilken värme tillförs motorn. Effektiviteten hos vanliga värmemotorer ökar också i allmänhet med driftstemperaturen, och avancerade konstruktionsmaterial som gör det möjligt för motorer att fungera vid högre temperaturer är ett aktivt forskningsområde.
På grund av andra orsaker som beskrivs nedan har praktiska motorer verkningsgrader långt under Carnot-gränsen. Den genomsnittliga bilmotorn har till exempel en verkningsgrad på mindre än 35 %.
Carnots sats gäller termodynamiska cykler, där värmeenergi omvandlas till mekaniskt arbete. Enheter som omvandlar ett bränsles kemiska energi direkt till elektriskt arbete, t.ex. bränsleceller, kan överskrida Carnot-verkningsgraden.
Effektivitet i motorcykelnRedigera
Carnot-cykeln är reversibel och representerar därmed den övre gränsen för verkningsgraden i en motorcykel. Praktiska motorcykler är irreversibla och har därför i sig en lägre verkningsgrad än Carnot-verkningsgraden när de drivs mellan samma temperaturer T H {\displaystyle T_{\rm {H}}}\,}
och T C {\displaystyle T_{\rm {C}}}\,}
. En av de faktorer som bestämmer verkningsgraden är hur värme tillförs arbetsvätskan i cykeln och hur den avlägsnas. Carnotcykeln uppnår maximal verkningsgrad eftersom all värme tillförs arbetsvätskan vid den maximala temperaturen T H {\displaystyle T_{\rm {H}}}\,}
, och avlägsnas vid den lägsta temperaturen T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\},}
. I en förbränningsmotor är däremot temperaturen i bränsle-luftblandningen i cylindern inte alls i närheten av topptemperaturen när bränslet börjar brinna och når topptemperaturen först när allt bränsle är förbrukat, vilket innebär att medeltemperaturen vid vilken värme tillförs är lägre, vilket minskar verkningsgraden.
En viktig parameter för förbränningsmotorernas effektivitet är luft-bränsleblandningens specifika värmeförhållande, γ. Detta varierar något med bränslet, men ligger i allmänhet nära luftvärdet på 1,4. Detta standardvärde används vanligtvis i ekvationerna för motorcykeln nedan, och när denna approximation görs kallas cykeln för en luftstandardcykel.
- Otto-cykel: bilar Otto-cykeln är namnet på den cykel som används i förbränningsmotorer med gnisttändning, t.ex. bensin- och vätgasdrivna bilmotorer. Dess teoretiska verkningsgrad beror på motorns kompressionsförhållande r och gasens specifika värmeförhållande γ i förbränningskammaren.:558
η t h = 1 – 1 r γ – 1 {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}}\,}
Effektiviteten ökar alltså med kompressionsförhållandet. Kompressionsförhållandet i motorer med Otto cykel begränsas dock av behovet att förhindra okontrollerad förbränning som kallas knackning. Moderna motorer har kompressionsförhållanden i intervallet 8-11, vilket ger en idealisk cykelverkningsgrad på 56-61 %.
- Dieselcykel: lastbilar och tåg I den dieselcykel som används i dieselmotorer för lastbilar och tåg antänds bränslet genom kompression i cylindern. Dieselcykelns verkningsgrad är beroende av r och γ, precis som för Otto-cykeln, och även av avstängningskvoten, rc, som är förhållandet mellan cylindervolymen i början och slutet av förbränningsprocessen:
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)}}\}\,}
Dieselcykeln är mindre effektiv än Otto-cykeln när samma kompressionsförhållande används. Praktiska dieselmotorer är dock 30-35 % effektivare än bensinmotorer. Detta beror på att eftersom bränslet inte förs in i förbränningskammaren förrän det behövs för tändning, begränsas inte kompressionsförhållandet av behovet att undvika knackning, vilket innebär att högre kompressionsförhållanden används än i motorer med gnisttändning.
- Rankinecykel: ångkraftverk Rankinecykeln är den cykel som används i kraftverk med ångturbin. Den överväldigande majoriteten av världens elkraft produceras med denna cykel. Eftersom cykelns arbetsvätska, vatten, ändras från vätska till ånga och tillbaka under cykeln, beror deras verkningsgrader på vattnets termodynamiska egenskaper. Den termiska verkningsgraden i moderna ångturbinanläggningar med återuppvärmningscykler kan uppgå till 47 %, och i kombikraftverk, där en ångturbin drivs av avgasvärme från en gasturbin, kan den närma sig 60 %.
- Braytoncykel: gasturbiner och jetmotorer Braytoncykeln är den cykel som används i gasturbiner och jetmotorer. Den består av en kompressor som ökar trycket på den inkommande luften, sedan tillsätts bränsle kontinuerligt till flödet och förbränns, och de heta avgaserna expanderas i en turbin. Verkningsgraden beror till stor del på förhållandet mellan trycket i förbränningskammaren p2 och trycket utanför 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 }}\,}
Andra ineffektiviteterRedigera
Man bör inte förväxla termisk effektivitet med andra effektiviteter som används när man diskuterar motorer. Ovanstående effektivitetsformler är baserade på enkla idealiserade matematiska modeller av motorer, utan friktion och med arbetsvätskor som lyder enkla termodynamiska regler som kallas idealgaslagen. Verkliga motorer har många avvikelser från det ideala beteendet som innebär att energi går till spillo, vilket gör att de faktiska verkningsgraderna understiger de teoretiska värden som anges ovan. Exempel är:
- friktion från rörliga delar
- ineffektiv förbränning
- värmeförlust från förbränningskammaren
- arbetsvätskans avvikelse från de termodynamiska egenskaperna hos en idealgas
- aerodynamiskt motstånd från luft som rör sig genom motorn
- energi som förbrukas av hjälputrustning som olje- och vattenpumpar.
- 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.