Efficiëntie (natuurkunde): definitie, formule en voorbeelden

Efficiëntie is een manier om de hoeveelheid nuttig te beschrijvenuitvoereen proces of machine kan genereren als een percentage van deinvoernodig om het te laten gaan. Met andere woorden, het vergelijkt hoeveel energie wordt gebruikt om werk te doen versus hoeveel er verloren gaat of verspild wordt aan het milieu. Hoe efficiënter de machine, hoe minder energie er wordt verspild.

Als een warmtemotor bijvoorbeeld 75 procent van de ontvangen brandstof in beweging kan zetten, terwijl 25 procent als warmte verloren gaat tijdens het proces, zou hij 75 procent efficiënt zijn. Van de oorspronkelijke 100 procent van de brandstof werd 75 procent als nuttig werk uitgevoerd.

In de natuurkunde is de termwarmte motorenkan verwijzen naar meerdere soorten machines of processen. Formeel is een warmtemotor elk thermodynamisch systeem dat warmte-energie omzet in mechanische energie of beweging.

Het basisrecept voor een warmtemotor omvat het volgende:

• Een warmtebad of een soort hoge temperatuur warmtebrontemperature
• Een koudreservoir met lage temperatuur waarin de warmte wordt afgevoerd
  
• De motor zelf, die warmte van het hete reservoir absorbeert om een ​​of andere vorm van systeemuitbreiding te creëren die wel werkt de omgeving (zoals het draaien van een motor) en geeft vervolgens warmte-energie af aan het koude reservoir wanneer het terugkeert naar zijn oorspronkelijke toestand staat.
  

In een auto is bijvoorbeeld de brandende brandstof de warmtebron, de omgeving rond de auto het koude reservoir en de verbranding motor is wat het werk doet en zet de warmte om in uitlaatgassen terwijl het de zuigers beweegt en de krukas roteert, waardoor de auto kan rit.

Het rendement van een warmtemotor is de verhouding van het nuttige werk dat door het systeem wordt verricht (ook wel de nuttige energie of uitgangsenergie van het systeem) over de warmte-energie die aan het systeem wordt toegevoegd (de input energie).

Het is een maatstaf voor hoe goed de warmtemotor is in het omzetten van warmte-energie in mechanisch werk.

Wiskundig:

WaarWis het werk gedaan,Vraagis warmte toegevoegd en beide worden gegeven in de SI-eenheid voor energie: joules.

Omdat efficiëntie een verhouding is, wordt deze altijd uitgedrukt als een percentage of als een waarde tussen 0 (geen efficiëntie) en 1 (totale efficiëntie - alle input-energie omgezet in bruikbare output). Efficiëntie kan nooit meer zijn dan 1, of 100 procent, omdat het de wet van behoud van energie zou overtreden als de hoeveelheid geproduceerde energie meer was dan de energie die erin werd gestopt! Dit zou betekenen dat energie uit het niets werd gecreëerd, een onmogelijkheid in dit universum.

Een Carnot-cyclus is een thermodynamische cyclus van het maximaal mogelijke rendement. Omdat geen enkel proces in de natuur perfect omkeerbaar is – er gaat altijd wat energie verloren als warmte dankzij de tweede wet van de thermodynamica – beschrijft een Carnot-cyclus eenideaalwarmte motor. Met andere woorden, niemand zou er echt een kunnen bouwen.

De waarde van een Carnot-cyclus ligt in het bepalen van de bovengrenzen voor hoe efficiënt een daadwerkelijke motor zou kunnen zijn. Het wordt uitgedrukt in termen vanT_henT_c, de temperaturen van respectievelijk de warme en koude energiereservoirs, beide in de SI-eenheid van Kelvins.

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

Het kan ook worden uitgedrukt in termen vanVraag_henVraag_c, respectievelijk de toegevoegde warmte en de afgegeven warmte, beide in joules.