Limitele eficienței termice la motoarele pe benzină și diesel - Tecmovia
După cum am menționat de multe ori înainte, mașinile termice (cum ar fi motoarele pe benzină și diesel) tind să irosească o cantitate mare de energie sub formă de căldură. În ciuda a ceea ce poate părea, tehnologia în continuă evoluție poate zgâria doar câteva puncte procentuale în acea cantitate mare de energie irosită, deoarece motoarele termice sunt absolut limitate de legile fizice pe care se bazează funcționarea sa, care sunt principiile termodinamicii.
Într-un mod simplu, vom vedea care sunt aceste principii, cum afectează acestea performanța motoarelor cu ardere și de ce crește deja eficiența motoarelor actuale nu poate fi prea departe de limita sa termodinamică. Cu alte cuvinte, pentru a realiza un consum substanțial mai mic decât cel actual, afectând doar tehnologia motoarelor, evoluția lor nu ar fi suficientă, ci mai degrabă ar fi necesar să lăsăm în urmă mașinile termice în favoarea unui alt tip de propulsori.
Performanța sau eficiența unui motor termic
Pare important să începem prin a defini conceptul de eficiență sau performanță pe care urmează să îl folosim în mod interschimbabil în tot articolul. Deci, înțelegem performanţă a unui motor ca. munca depusă pentru fiecare unitate de energie consumată.
Dacă munca efectuată de motor (generarea mișcării) ar fi egală cu energia chimică a combustibilului folosit pentru a-l produce, eficiența acestui presupus motor ar fi de 100% (eficiență perfectă).
Evident, nici un proces nu poate fi mai mare de 100% eficient pentru că asta ar fi la fel de mult ca a spune că se creează energie nouă. Primul principiu al termodinamicii (conservarea energiei) neagă această posibilitate.
Pe de altă parte, atunci când munca depusă este mai mică decât energia consumată, pierderea sau diferența dintre cele două valori se transformă în căldură, pe care o putem considera ca o energie inutilă și, prin urmare, irosită.
Eficiența maximă a unui motor termic: ciclul Carnot
Există o limită absolută a performanței oricărui motor termic, care este performanța unei mașini imaginare, perfectă, reversibilă, al cărei proces de funcționare este cunoscut sub numele de Ciclul Carnot. Această eficiență maximă „perfectă” este deja mult sub 100% și este important de reținut că, fiind un maxim fizic, absolut și universal, nu poate fi depășit prin mijloace tehnologice.
Performanța unui motor termic Carnot depinde doar de temperaturile maxime și minime între care funcționează, astfel încât, având în vedere aceste două temperaturi, calculul său este banal. În cazul motoarelor cu ardere care ard hidrocarburi și pe baza datelor propuse în acest exemplu practic, putem considera o temperatură minimă (care ar fi cea a mediului înconjurător) de 17 o C (290 K) și maximă de 1.570 o C (1.843 K). Această combinație de temperaturi ne-ar da o randament teoretic maxim de 84,3%.
Este dificil să se găsească date precise pentru temperatura maximă atinsă în camera de ardere, dar hidrocarburile ard în jur de 2.000 o C și pare deja destul de optimist să considerăm aproximativ 1.600 o C ca temperatura medie a întregii camere în momentul final al arderea. Astfel, eficiența perfectă de 84% poate fi considerată o estimare rezonabilă de optimistă.
Același calcul, efectuat în Wikipedia luând ca exemple alte valori și de data aceasta într-un motor pe benzină, dă un Eficiență maximă de 73%, deși presupunând condiții ideale, această valoare ar putea fi luată în considerare în intervalul scăzut al temperaturilor posibile. Ar fi un calcul rezonabil pesimist.