Αποδοτικότητα (Φυσική): Ορισμός, τύπος και παραδείγματα

Η αποτελεσματικότητα είναι ένας τρόπος περιγραφής του ποσού των χρήσιμωνπαραγωγήμια διαδικασία ή μηχανή μπορεί να δημιουργήσει ως ποσοστό τουεισαγωγήαπαιτείται για να το πάει. Με άλλα λόγια, συγκρίνει πόση ενέργεια χρησιμοποιείται για να δουλέψει σε σχέση με το πόσο χάνεται ή σπαταλάται στο περιβάλλον. Όσο πιο αποτελεσματική είναι η μηχανή, τόσο λιγότερη σπατάλη ενέργειας.

Για παράδειγμα, εάν ένας κινητήρας θερμότητας είναι σε θέση να μετατρέψει το 75 τοις εκατό του καυσίμου που λαμβάνει σε κίνηση, ενώ το 25 τοις εκατό χάνεται ως θερμότητα στη διαδικασία, θα ήταν 75 τοις εκατό αποδοτικό. Από το αρχικό 100 τοις εκατό του καυσίμου, το 75 τοις εκατό ήταν παραγωγή ως χρήσιμη εργασία.

Στη φυσική, ο όροςκινητήρες θερμότηταςμπορεί να αναφέρεται σε πολλούς τύπους μηχανών ή διαδικασιών. Επισήμως, ένας κινητήρας θερμότητας είναι οποιοδήποτε θερμοδυναμικό σύστημα που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια ή κίνηση.

Η βασική συνταγή για έναν κινητήρα θερμότητας περιλαμβάνει τα εξής:

• Ένα λουτρό θερμότητας, ή κάποιο είδος πηγής θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας
• Ψυχρή δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας στην οποία εκλύεται η θερμότητα
  
• Ο ίδιος ο κινητήρας, ο οποίος απορροφά θερμότητα από τη θερμή δεξαμενή για να δημιουργήσει κάποια μορφή επέκτασης συστήματος που λειτουργεί το περιβάλλον (όπως στροφή κινητήρα) και στη συνέχεια απελευθερώνει θερμική ενέργεια στην κρύα δεξαμενή καθώς επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση.
  

Για παράδειγμα, σε ένα αυτοκίνητο, το καύσιμο καύσης είναι η πηγή θερμότητας, το περιβάλλον γύρω από το αυτοκίνητο είναι η κρύα δεξαμενή και η καύση ο κινητήρας είναι αυτό που κάνει η εργασία μετατρέποντας τη θερμότητα σε καυσαέρια καθώς κινεί τα έμβολα και περιστρέφει τον στροφαλοφόρο άξονα, επιτρέποντας στο αυτοκίνητο να οδηγώ.

Η απόδοση μιας θερμικής μηχανής είναι η αναλογία της χρήσιμης εργασίας που επιτελεί το σύστημα (ονομάζεται επίσης χρήσιμη ενέργεια ή ενέργεια εξόδου του συστήματος) πάνω από τη θερμική ενέργεια που προστίθεται στο σύστημα (η είσοδος ενέργεια).

Είναι ένα μέτρο του πόσο καλή είναι η μηχανή θερμότητας στη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανική εργασία.

Μαθηματικά:

ΟπουΔγίνεται δουλειά,Ερπροστίθεται θερμότητα και και τα δύο δίνονται στη μονάδα SI για ενέργεια: joules.

Επειδή η αποδοτικότητα είναι ένας λόγος, εκφράζεται πάντα ως ποσοστό ή ως τιμή μεταξύ 0 (χωρίς απόδοση) και 1 (συνολική απόδοση - όλη η ενέργεια εισόδου μετατρέπεται σε χρήσιμη έξοδο). Η απόδοση δεν μπορεί ποτέ να είναι μεγαλύτερη από 1, ή 100 τοις εκατό, διότι θα παραβίαζε το νόμο της εξοικονόμησης ενέργειας εάν η ποσότητα της ενεργειακής παραγωγής ήταν μεγαλύτερη από την ενέργεια που έχει τεθεί! Αυτό θα σήμαινε ότι η ενέργεια δημιουργούσε από το τίποτα, μια αδυναμία σε αυτό το σύμπαν.

Ένας κύκλος Carnot είναι ένας θερμοδυναμικός κύκλος της μέγιστης δυνατής απόδοσης. Επειδή καμία διαδικασία στη φύση δεν είναι απόλυτα αναστρέψιμη - κάποια ενέργεια χάνεται πάντα ως θερμότητα χάρη στο δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής - ένας κύκλος Carnot περιγράφειιδανικόκινητήρας θερμότητας. Με άλλα λόγια, κανείς δεν θα μπορούσε να κατασκευάσει.

Η τιμή ενός κύκλου Carnot είναι ο καθορισμός των ανώτερων ορίων για το πόσο αποτελεσματική θα μπορούσε να είναι κάθε πραγματική μηχανή. Εκφράζεται σε όρουςΤ_ηκαιΤ_ντο, οι θερμοκρασίες των δεξαμενών ζεστής και κρύας ενέργειας, αντίστοιχα, και οι δύο στη μονάδα SI του Kelvins.

• \ textnormal {Carnot αποδοτικότητα} = \ frac {T_h - T_c} {T_h}

Μπορεί επίσης να εκφραστεί σε όρουςΕρ_ηκαιΕρ_ντο, η θερμότητα που προστέθηκε και η θερμότητα που εκπέμπεται, αντίστοιχα, και οι δύο σε joules.