Effizienz ist ein Weg, um die Menge an nützlichenAusgabeein Prozess oder eine Maschine als Prozentsatz derEingangerforderlich, um es zu schaffen. Mit anderen Worten, es vergleicht, wie viel Energie für die Arbeit aufgewendet wird und wie viel Energie verloren geht oder an die Umwelt verschwendet wird. Je effizienter die Maschine, desto weniger Energie wird verschwendet.
Wenn eine Wärmekraftmaschine beispielsweise 75 Prozent des zugeführten Brennstoffs in Bewegung setzen kann, während 25 Prozent dabei als Wärme verloren gehen, wäre sie zu 75 Prozent effizient. Von den ursprünglich 100 Prozent des Brennstoffs wurden 75 Prozent als Nutzarbeit ausgegeben.
Wärmekraftmaschinen
In der Physik ist der BegriffWärmekraftmaschinenkann sich auf mehrere Arten von Maschinen oder Prozessen beziehen. Formal ist eine Wärmekraftmaschine ein thermodynamisches System, das Wärmeenergie in mechanische Energie oder Bewegung umwandelt.
Das Grundrezept für eine Wärmekraftmaschine umfasst Folgendes:
- Ein Wärmebad oder eine Art Hochtemperatur-Wärmequelle
- Ein Niedertemperatur-Kältespeicher, in den die Wärme abgeführt wird
- Der Motor selbst, der Wärme aus dem heißen Reservoir aufnimmt, um eine Form der Systemerweiterung zu schaffen, die funktioniert der Umgebung (z. B. beim Drehen eines Motors) und gibt dann Wärmeenergie an das kalte Reservoir ab, wenn es zu seiner ursprünglichen Position zurückkehrt Zustand.
In einem Auto beispielsweise ist der brennende Kraftstoff die Wärmequelle, die Umgebung des Autos ist der Kältespeicher und die Verbrennung Der Motor verrichtet die Arbeit, indem er die Wärme in Abgas umwandelt, während er die Kolben bewegt und die Kurbelwelle dreht, sodass das Auto Fahrt.
Energieeffizienz einer Wärmekraftmaschine
Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist das Verhältnis der vom System geleisteten Nutzarbeit (auch Nutzenergie oder Ausgangsenergie des Systems) über die dem System zugeführte Wärmeenergie (die Input Energie).
Sie ist ein Maß dafür, wie gut die Wärmekraftmaschine Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandeln kann.
Mathematisch:
WoWist die Arbeit getan,Qist Wärmezufuhr und beide werden in der SI-Einheit für Energie angegeben: Joule.
Da der Wirkungsgrad ein Verhältnis ist, wird er immer als Prozentsatz oder als Wert zwischen 0 (kein Wirkungsgrad) und 1 (Gesamtwirkungsgrad – alle zugeführte Energie in Nutzleistung umgewandelt) ausgedrückt. Der Wirkungsgrad kann nie mehr als 1 oder 100 Prozent betragen, denn es würde den Energieerhaltungssatz brechen, wenn die abgegebene Energiemenge höher wäre als die eingesetzte Energie! Dies würde bedeuten, dass Energie aus dem Nichts erschaffen wurde, eine Unmöglichkeit in diesem Universum.
Carnot-Effizienz
Ein Carnot-Zyklus ist ein thermodynamischer Zyklus der maximal möglichen Effizienz. Da in der Natur keine Prozesse perfekt reversibel sind – ein Teil der Energie geht dank des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik immer als Wärme verloren – beschreibt ein Carnot-Zyklus einenIdealWärmekraftmaschine. Mit anderen Worten, niemand konnte wirklich einen bauen.
Der Wert eines Carnot-Zyklus liegt darin, die oberen Grenzen dafür festzulegen, wie effizient ein tatsächlicher Motor sein könnte. Es wird ausgedrückt inThaundTc, die Temperaturen der heißen bzw. kalten Energiespeicher, beide in der SI-Einheit Kelvin.
Tipps
\textnormal{Carnot-Effizienz} = \frac {T_h - T_c}{T_h}
Es kann auch ausgedrückt werden inQhaundQc, die zugeführte und die abgegebene Wärme jeweils in Joule.