Тепловой КПД — это мера выходной энергии, деленная на входную энергию в системе. Он должен быть между 0% и 100%. Уровень 100% будет означать, что вся энергия, вложенная в систему, выходит наружу, хотя и в другой форме. Тепловые двигатели и холодильники имеют связанную тепловую эффективность, хотя они пытаются достичь противоположных целей. Реальный тепловой КПД обычно падает значительно ниже 100% по целому ряду причин.
В бензиновом двигателе входная энергия накапливается в химических связях углеводородного топлива. Молекула углеводорода полностью состоит из водорода и углерод. Когда эти молекулы объединяются с кислородом, они могут вступать в химическую реакцию и образовывать монооксид углерода и воду; по сути, молекула углеводорода расщепляется и соединяется с атомами кислорода. Однако та часть этой реакции, которая полезна для двигателя, — это выделяемое тепло. Тепло, выделяющееся при сгорании бензина, является важным вкладом энергии в тепловой КПД.
Выходная энергия при расчете КПД двигателя — это не тепло, а механическая работа. В физике работа — это количество энергии, переданное силой, действующей на расстоянии. Толкание коробки по ковру на определенное расстояние требует конечного объема работы; это равно произведению пройденного расстояния и средней приложенной силы. Точно так же работает бензиновый двигатель, когда он приводит в движение колеса автомобиля.
В случае холодильника или кондиционера работа теплоты обратная. Желаемым результатом в этой ситуации является удаление тепла из системы и сброс его во внешнюю среду. Таким образом, доступным входом является механическая работа, которую часто обеспечивает компрессор с электрическим приводом. Однако для расчета эффективности по-прежнему требуется разделить выходную энергию на входную энергию. Отличие от бензинового двигателя, конечно, в том, что на выходе — тепло, а на входе — работа.
Типичный автомобильный двигатель имеет тепловой КПД менее 35%. Это число кажется низким по двум важным причинам. Прежде всего, существует теоретический верхний предел тепловой эффективности любой тепловой машины, сделать с температурой системы по сравнению с температурой окружающей среды. Чем выше разница температур, тем выше максимальная эффективность идеального двигателя без трения. Это называется эффективностью Карно.
Вторая причина, по которой автомобильные двигатели имеют явно низкий КПД, заключается в том, что двигатели нельзя заставить вести себя идеально. Трение между движущимися частями постоянно имеет тенденцию замедлять работу двигателя. Часть тепла уходит из камеры сгорания и становится бесполезной для двигателя. Топливо не всегда сгорает при максимальной достигнутой температуре, что снижает количество выделяемого тепла. По этим причинам тепловой КПД в реальных устройствах, как правило, намного ниже 100%.
