ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนและสิ่งแวดล้อม

ปรับปรุงเครื่องยนต์ให้ความร้อนทั้งหมดที่รับในแต่ละวัฏจักรกลายเป็นงานได้หรือไม่? มาติดตามพลังงานจากแหล่งร้อนไปยังเพลาและสิ่งแวดล้อม

เพื่อให้แก๊สทำงานซ้ำได้ แก๊สต้องรับพลังงานและกลับสู่สถานะเริ่มต้น ในแบบจำลองเครื่องยนต์ความร้อน แหล่งร้อนส่งความร้อน Q₁ ให้สารทำงาน เช่น แก๊ส สารทำงานทำงานและถ่ายพลังงานบางส่วน Q₂ ไปยังวัตถุที่เย็นกว่า ซึ่งเป็นแหล่งเย็น ชื่อนี้บอกบทบาทในการแลกเปลี่ยนความร้อน แหล่งเย็นอาจเป็นอากาศหรือน้ำ ไม่จำเป็นต้องเป็นตู้เย็นในบ้าน

เลือกหนึ่งวัฏจักรเต็ม สารทำงานกลับสู่สถานะเริ่มต้น พลังงานภายในสุดท้ายจึงเท่ากับตอนเริ่ม ความร้อนที่รับจึงไม่สะสมเป็นพลังงานเพิ่มภายใน: Q₁ = A + Q₂ โดย Q₁ และ Q₂ เป็นขนาดบวกของความร้อนที่รับและถ่ายออก ส่วน A คืองานสุทธิต่อวัฏจักร หากเพิ่ม Q₂ โดยคง Q₁ เดิม พลังงานที่เหลือสำหรับงานจะลดลง นี่เป็นการตรวจสอบการอนุรักษ์พลังงาน

สมดุลพลังงานเพียงอย่างเดียวยอมให้ Q₂ = 0 และ A = Q₁ ได้ แต่การสังเกตกระบวนการทางความร้อนให้ข้อจำกัดเพิ่ม เครื่องยนต์ที่ทำงานเป็นวัฏจักรไม่อาจมีผลเพียงอย่างเดียวคือเปลี่ยนความร้อนทั้งหมดจากแหล่งร้อนเดียวเป็นงาน เครื่องยนต์ต้องถ่ายพลังงานออกสู่สิ่งแวดล้อมที่เย็นกว่า นี่ไม่ใช่ผลจากเฟืองที่ออกแบบไม่ดี แม้กำจัดแรงเสียดทาน เครื่องยนต์ชนิดนี้ก็ยังมีประสิทธิภาพ 100% ไม่ได้ แรงเสียดทานและการสูญเสียความร้อนจริงยิ่งลดผลที่ได้

เปรียบเทียบเครื่องยนต์สองเครื่องที่รับ Q₁ เท่ากัน เครื่องที่ให้งาน A มากกว่ามีประสิทธิภาพสูงกว่า ดังนั้นประสิทธิภาพคือ η = A/Q₁ ต้องใช้พลังงานในวัฏจักรเดียวกันและหน่วยตรงกัน หน่วยจะตัดกัน และคูณอัตราส่วนด้วย 100% เพื่อแสดงเป็นร้อยละ ที่ Q₁ คงเดิม เมื่อ A เพิ่มเป็นสองเท่า η ก็เป็นสองเท่า หาก A = 0 ประสิทธิภาพเป็นศูนย์ สมดุลยังให้ η = 1 − Q₂/Q₁ ยิ่งส่งสัดส่วนพลังงานไปยังแหล่งเย็นมาก ส่วนที่เหลือสำหรับงานยิ่งน้อย

ควรกำหนดขอบเขตเครื่องยนต์ที่ใด? เชื้อเพลิงอาจให้พลังงาน qm แต่บางส่วนอาจไม่เข้าสู่สารทำงานตั้งแต่ขั้นให้ความร้อน ทำให้ Q₁ ที่สารรับน้อยกว่า qm ประสิทธิภาพเครื่องยนต์เมื่อเทียบกับความร้อนที่สารทำงานรับคือ A/Q₁ ส่วนประสิทธิภาพทั้งระบบเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงคือ A/(qm) ทั้งสองอัตราส่วนมีความหมาย แต่ตอบคนละคำถาม อย่าแทนตัวส่วนหนึ่งด้วยอีกตัว ต้องระบุพลังงานเข้าก่อน แล้วจึงเปรียบเทียบระบบที่นิยามเหมือนกัน

สมมติว่าระบบสองชุดต้องยกวัตถุเดียวกันขึ้นสูงเท่ากัน งานที่ใช้ประโยชน์เท่ากัน จากนิยามประสิทธิภาพ พลังงานที่ใช้เท่ากับงานที่ใช้ประโยชน์หารด้วยประสิทธิภาพ เมื่อประสิทธิภาพสูงขึ้น ต้องใช้พลังงานเข้าน้อยลง และสำหรับเชื้อเพลิงชนิดเดียวกัน มักใช้มวลเชื้อเพลิงน้อยลง พลังงานที่ไม่ได้ใช้ประโยชน์ไม่ได้หายไป แต่เข้าสู่สิ่งแวดล้อม การประหยัดจึงหมายถึงใช้พลังงานน้อยลงเพื่อผลเดียวกัน

ต้องแยกผลสองอย่างจากระบบความร้อน การถ่ายพลังงานออกทำให้สิ่งแวดล้อมร้อนขึ้น ส่วนการเผาไหม้ให้ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่มีองค์ประกอบขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิงและกระบวนการ ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นลดพลังงานที่ต้องใช้สำหรับงานที่กำหนด การบำบัดไอเสียเปลี่ยนองค์ประกอบที่เข้าสู่อากาศ และการเลือกแหล่งพลังงานเปลี่ยนวิธีได้พลังงาน การปรับปรุงอย่างหนึ่งไม่ได้กำจัดผลกระทบอื่นทั้งหมดโดยอัตโนมัติ

เครื่องยนต์รับ 500 J และถ่าย 350 J ให้แหล่งเย็นต่อวัฏจักร ละเลยการสูญเสียอื่น จงหางานและประสิทธิภาพ

ในหนึ่งวัฏจักร พลังงานภายในของสารทำงานไม่เปลี่ยน จาก 500 J ที่รับมา มี 350 J ไปยังแหล่งเย็น ดังนั้น A = 500 − 350 = 150 Дж

หาสัดส่วนของความร้อนเข้าที่เปลี่ยนเป็นงาน: η = 150/500 = 0,30 = 30%

สัดส่วนที่เหลือคือ 350/500 = 70% เมื่อนำ 30% กับ 70% รวมกันได้ 100% สมดุลพลังงานจึงถูกต้อง

งานเป็น 150 J และประสิทธิภาพเป็น 30% ในสภาวะการทำงานนี้ ทุกความร้อนที่รับ 100 J จะเปลี่ยนเป็นงาน 30 J และถ่ายให้แหล่งเย็น 70 J

ในหนึ่งวัฏจักร สารทำงานไม่สะสมพลังงานสุทธิ โดย Q₁ แบ่งเป็นงานและความร้อนที่ถ่ายออก Q₂

ลดแรงเสียดทานอย่างเดียวไม่อาจทำให้ไม่ต้องมีแหล่งเย็น

ประสิทธิภาพมีความหมายเมื่อระบุพลังงานเข้าอย่างชัดเจนและใช้ขอบเขตการคำนวณเดียวกัน

ต่อไปเริ่มเรื่องไฟฟ้า เพื่อเรียนรู้ว่าเหตุใดวัตถุจึงมีประจุและมีอันตรกิริยากันจากระยะห่างได้