science >> Wetenschap >  >> Fysica

Efficiëntie (fysica): definitie, formule en voorbeelden

Efficiëntie is een manier om de hoeveelheid nuttige output te beschrijven die een proces of machine kan genereren als een percentage van de input
die nodig is om het te laten werken. Met andere woorden, het vergelijkt hoeveel energie wordt gebruikt om te werken versus hoeveel er verloren gaat of verspild wordt aan het milieu. Hoe efficiënter de machine, hoe minder energie wordt verspild.

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

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

Het basisrecept voor een warmtemotor omvat het volgende:

  • Een warmtebad, of een ander type warmtebron op hoge temperatuur
  • Een koud reservoir op lage temperatuur waarin de warmte wordt uitgestoten

  • De motor zelf, die warmte van het hete reservoir opneemt om om een vorm van systeemuitbreiding te creëren die werkt op het milieu (zoals het draaien van een motor) en vervolgens warmte-energie afgeeft aan het koude reservoir wanneer dit terugkeert naar zijn oorspronkelijke toestand.


    Voor in een auto is de brandende brandstof bijvoorbeeld de warmtebron, de omgeving rond de auto is het koude reservoir en de verbrandingsmotor doet het werk waarbij de warmte wordt omgezet in uitlaat terwijl deze de zuigers beweegt en de krukas roteert, waardoor de auto om te rijden.
    Energie-efficiëntie van een warmtemotor

    De efficiëntie van een warmtemotor is de verhouding tussen de usefu l werk uitgevoerd door het systeem (ook wel de nuttige energie of output-energie van het systeem genoemd) over de warmte-energie die aan het systeem is toegevoegd (de input-energie).

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

    Wiskundig:

    Waar W
    werk is, wordt Q
    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 inputenergie omgezet in nuttige output) . Efficiëntie kan nooit meer dan 1 of 100 procent zijn, omdat het de wet van behoud van energie zou overtreden als de hoeveelheid energie-output meer was dan de energie die erin werd gestopt! Dit zou betekenen dat er vanuit niets energie is gecreëerd, een onmogelijkheid in dit universum.
    Carnot Efficiency

    Een Carnot-cyclus is een thermodynamische cyclus met de hoogst mogelijke efficiëntie. 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 een ideale
    warmtemotor. Met andere woorden, niemand zou er daadwerkelijk een kunnen bouwen.

    De waarde van een Carnot-cyclus ligt in het bepalen van de bovengrenzen voor hoe efficiënt elke werkelijke motor zou kunnen zijn. Het wordt uitgedrukt in termen van T h
    en T c
    , respectievelijk de temperaturen van de warme en koude energiereservoirs, beide in de SI-eenheid van Kelvin.


    Tips

  • \\ textnormal {Carnot efficiency} \u003d \\ frac {T_h - T_c} {T_h}


    Het kan ook worden uitgedrukt in termen van Q h
    en Q c
    , respectievelijk de toegevoegde warmte en de afgegeven warmte, beide in joules.