ประสิทธิภาพ (ฟิสิกส์): นิยาม สูตร & ตัวอย่าง

ประสิทธิภาพเป็นวิธีอธิบายปริมาณประโยชน์ผลผลิตกระบวนการหรือเครื่องจักรสามารถสร้างเป็นเปอร์เซ็นต์ของอินพุตจำเป็นต้องทำให้มันไป กล่าวอีกนัยหนึ่งคือเปรียบเทียบพลังงานที่ใช้ในการทำงานกับการสูญเสียหรือการสูญเสียต่อสิ่งแวดล้อม ยิ่งเครื่องมีประสิทธิภาพมากเท่าไร ก็ยิ่งสิ้นเปลืองพลังงานน้อยลงเท่านั้น

ตัวอย่างเช่น หากเครื่องยนต์ความร้อนสามารถเปลี่ยน 75 เปอร์เซ็นต์ของเชื้อเพลิงที่ได้รับให้เคลื่อนที่ ในขณะที่ 25 เปอร์เซ็นต์สูญเสียไปในฐานะความร้อนในกระบวนการ ก็จะมีประสิทธิภาพ 75 เปอร์เซ็นต์ จากเชื้อเพลิงเดิม 100 เปอร์เซ็นต์ 75 เปอร์เซ็นต์เป็นผลผลิตที่มีประโยชน์

ในทางฟิสิกส์ คำว่าเครื่องยนต์ทำความร้อนสามารถอ้างถึงเครื่องจักรหรือกระบวนการหลายประเภท อย่างเป็นทางการ เครื่องยนต์ความร้อนคือระบบเทอร์โมไดนามิกที่แปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกลหรือการเคลื่อนไหว

สูตรพื้นฐานสำหรับเครื่องยนต์ความร้อนมีดังต่อไปนี้:

• อ่างน้ำร้อนหรือแหล่งความร้อนที่อุณหภูมิสูงบางชนิด
• อ่างเก็บน้ำเย็นอุณหภูมิต่ำซึ่งความร้อนจะระบายออก
  
• ตัวเครื่องยนต์เองซึ่งดูดซับความร้อนจากอ่างเก็บน้ำร้อนเพื่อสร้างรูปแบบการขยายระบบที่ทำงานบน สิ่งแวดล้อม (เช่น การหมุนมอเตอร์) แล้วปล่อยพลังงานความร้อนสู่อ่างเก็บน้ำเย็นเมื่อกลับสู่สภาพเดิม สถานะ.
  instagram story viewer
  
  

เช่น ในรถยนต์ เชื้อเพลิงที่เผาไหม้เป็นแหล่งความร้อน สิ่งแวดล้อมรอบ ๆ รถคืออ่างเก็บน้ำเย็น และการเผาไหม้ เครื่องยนต์มีหน้าที่เปลี่ยนความร้อนเป็นไอเสียในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนตัวและหมุนเพลาข้อเหวี่ยงทำให้รถสามารถ ขับรถ.

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนคืออัตราส่วนของงานที่มีประโยชน์ที่ทำโดยระบบ (เรียกอีกอย่างว่า พลังงานที่มีประโยชน์หรือพลังงานที่ส่งออกของระบบ) เหนือพลังงานความร้อนที่เพิ่มเข้าไปในระบบ (อินพุต พลังงาน).

เป็นการวัดว่าเครื่องยนต์ความร้อนสามารถเปลี่ยนพลังงานความร้อนให้เป็นงานกลได้ดีเพียงใด

ทางคณิตศาสตร์:

ที่ไหนWทำงานเสร็จแล้วคิวคือการเพิ่มความร้อนและให้พลังงานทั้งคู่ในหน่วย SI: จูล

เนื่องจากประสิทธิภาพเป็นอัตราส่วน จึงมักแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์หรือเป็นค่าระหว่าง 0 (ไม่มีประสิทธิภาพ) ถึง 1 (ประสิทธิภาพทั้งหมด – พลังงานอินพุตทั้งหมดแปลงเป็นเอาต์พุตที่มีประโยชน์) ประสิทธิภาพไม่สามารถเกิน 1 หรือ 100 เปอร์เซ็นต์ได้ เพราะมันจะเป็นการฝ่าฝืนกฎการอนุรักษ์พลังงาน หากปริมาณพลังงานที่ส่งออกมากกว่าพลังงานที่ใส่เข้าไป! นี่จะหมายความว่าพลังงานถูกสร้างขึ้นจากความว่างเปล่า ความเป็นไปไม่ได้ในจักรวาลนี้

วัฏจักรการ์โนต์เป็นวัฏจักรอุณหพลศาสตร์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดเท่าที่เป็นไปได้ เนื่องจากไม่มีกระบวนการใดในธรรมชาติที่สามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ – พลังงานบางส่วนจะสูญเสียไปในรูปของความร้อนเสมอ ต้องขอบคุณกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ – วัฏจักรคาร์โนต์อธิบายในอุดมคติเครื่องยนต์ความร้อน กล่าวอีกนัยหนึ่งไม่มีใครสามารถสร้างได้

คุณค่าของวงจรคาร์โนต์อยู่ที่การกำหนดขอบเขตบนสำหรับประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จริงๆ มันแสดงในรูปของตู่_ห่าและตู่_ค, อุณหภูมิของแหล่งกักเก็บพลังงานร้อนและเย็นตามลำดับ ทั้งในหน่วย SI ของเคลวิน

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

นอกจากนี้ยังสามารถแสดงในรูปของคิว_ห่าและคิว_ค, ความร้อนที่เพิ่มและความร้อนที่ปล่อยออกมาตามลำดับ ทั้งในหน่วยจูล