الكفاءة (الفيزياء): التعريف والصيغة والأمثلة

الكفاءة هي طريقة لوصف مقدار المفيدانتاجيمكن أن تولد عملية أو آلة كنسبة مئوية منالإدخالالمطلوبة لجعلها تذهب. بمعنى آخر ، يقارن مقدار الطاقة المستخدمة للقيام بالعمل مقابل المقدار الضائع أو الضائع في البيئة. كلما زادت كفاءة الآلة ، قل إهدار الطاقة.

على سبيل المثال ، إذا كان المحرك الحراري قادرًا على تحويل 75 في المائة من الوقود الذي يستقبله إلى الحركة ، بينما يتم فقد 25 في المائة كحرارة في هذه العملية ، فسيكون ذلك فعالاً بنسبة 75 في المائة. من أصل 100 في المائة من الوقود ، كان 75 في المائة من الإنتاج عملاً مفيدًا.

في الفيزياء ، المصطلحمحركات الحرارةيمكن أن يشير إلى أنواع متعددة من الآلات أو العمليات. بشكل رسمي ، المحرك الحراري هو أي نظام ديناميكي حراري يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية ، أو حركة.

تتضمن الوصفة الأساسية للمحرك الحراري ما يلي:

• حمام حراري ، أو نوع من مصادر الحرارة عالية الحرارة
• خزان بارد بدرجة حرارة منخفضة يتم فيه إخراج الحرارة
  
• المحرك نفسه ، الذي يمتص الحرارة من الخزان الساخن من أجل إنشاء شكل من أشكال تمدد النظام الذي يعمل بالفعل البيئة (مثل تدوير المحرك) ثم إطلاق الطاقة الحرارية في الخزان البارد حيث يعود إلى حالته الأولية حالة.
  

على سبيل المثال ، في السيارة ، الوقود المحترق هو مصدر الحرارة ، والبيئة المحيطة بالسيارة هي الخزان البارد والاحتراق المحرك هو ما يقوم به العمل على تحويل الحرارة إلى عادم حيث يحرك المكابس ويدور العمود المرفقي ، مما يسمح للسيارة قيادة.

كفاءة المحرك الحراري هي نسبة العمل المفيد الذي يقوم به النظام (وتسمى أيضًا الطاقة المفيدة أو طاقة الخرج للنظام) على الطاقة الحرارية المضافة إلى النظام (المدخلات طاقة).

إنه مقياس لمدى جودة المحرك الحراري في تحويل الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي.

رياضيا:

أيندبليوهو العمل ،سهي حرارة مضافة وكلاهما معطى في الوحدة الدولية للطاقة: جول.

نظرًا لأن الكفاءة هي نسبة ، يتم التعبير عنها دائمًا كنسبة مئوية أو كقيمة بين 0 (بدون كفاءة) و 1 (الكفاءة الإجمالية - يتم تحويل كل طاقة الإدخال إلى مخرجات مفيدة). لا يمكن أن تزيد الكفاءة أبدًا عن 1 ، أو 100 في المائة ، لأنها ستخالف قانون الحفاظ على الطاقة إذا كانت كمية الطاقة الناتجة أكبر من الطاقة الموضوعة! هذا يعني أن الطاقة كانت تنشأ من لا شيء ، وهو أمر مستحيل في هذا الكون.

دورة كارنو هي دورة ديناميكية حرارية بأقصى قدر ممكن من الكفاءة. نظرًا لعدم وجود عمليات في الطبيعة يمكن عكسها تمامًا - يتم دائمًا فقدان بعض الطاقة كحرارة بفضل القانون الثاني للديناميكا الحرارية - تصف دورة كارنومثاليمحرك حراري. بمعنى آخر ، لا أحد يستطيع بالفعل بناء واحد.

تكمن قيمة دورة كارنو في تحديد الحدود العليا لمدى كفاءة أي محرك فعلي. يتم التعبير عنها من حيثتي_حوتي_ج، درجات حرارة خزانات الطاقة الساخنة والباردة ، على التوالي ، في كل من SI وحدة Kelvins.

• \ textnormal {Carnotfficient} = \ frac {T_h - T_c} {T_h}

يمكن التعبير عنها أيضًا من حيثس_حوس_ج، تضاف الحرارة والحرارة المنبعثة ، على التوالي ، بالجول.