ما المقصود بالكفاءة الحرارية؟
تقيس الكفاءة الحرارية (\(\eta\)) مدى نجاح المحرك الحراري في تحويل الطاقة الحرارية (الحرارة الداخلة) إلى شغل ميكانيكي مفيد. وهي نسبة مجردة من الأبعاد، وغالبًا ما يُعبَّر عنها بالنسبة المئوية. لا يبلغ أي محرك حقيقي كفاءة 100% لأن جزءًا من الحرارة يُطرَد دائمًا إلى مستودع بارد، تمامًا كما يفرض القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
كيفية استخدام الحاسبة
أدخِل الحرارة الداخلة Qin (الطاقة المُغذّاة للمحرك، مثل الناتجة عن احتراق الوقود)، والحرارة المطرودة Qout (الطاقة المفقودة إلى المحيط أو المستودع البارد)، وكلاهما بوحدة الجول. تعطيك الحاسبة الكفاءة كنسبة وكنسبة مئوية، إلى جانب صافي الشغل المنتج.
شرح المعادلة
صافي الشغل المنتج هو الفرق بين الطاقة الداخلة والطاقة الخارجة: $$W_{net} = Q_{in} - Q_{out}$$ أما الكفاءة فهي النسبة من الحرارة الداخلة التي تحوّلت إلى شغل: $$\eta = \frac{W_{net}}{Q_{in}} = 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$$ اضرب الناتج في 100 للتعبير عنه بالنسبة المئوية.
مثال محلول
افترض أن محركًا يمتص 1000 جول من الحرارة ويطرد 600 جول. عندئذٍ يكون $$W_{net} = 1000 - 600 = 400 \text{ جول}$$ وتكون $$\eta = \frac{400}{1000} = 0.40$$ أي 40%. وهذا يعني أن 40% من الحرارة المُغذّاة تتحول إلى شغل مفيد، بينما يُطرَد 60% منها.
الأسئلة الشائعة
هل يمكن أن تتجاوز الكفاءة 100%؟ لا. تكون Qout أكبر من الصفر دائمًا في أي محرك حقيقي، لذا تبقى \(\eta\) أقل من 1 (100%) على الدوام.
ما الوحدات التي ينبغي استخدامها؟ تصلح أي وحدة طاقة متّسقة (الجول أو الكيلوجول أو الوحدة الحرارية البريطانية BTU) ما دام كلا المُدخَلين يستخدم الوحدة نفسها — فالكفاءة مجردة من الأبعاد.
ما علاقة هذا بكفاءة كارنو؟ كفاءة كارنو (\(1 - T_{cold}/T_{hot}\)) هي الحد الأقصى النظري. أما الكفاءة الفعلية المحسوبة هنا من قيم الحرارة المقيسة فتكون دائمًا أقل من أو تساوي كفاءة كارنو.
