Calculadora de eficiência térmica

A eficiência térmica é a fração do calor absorvido de uma fonte quente que um motor térmico converte em trabalho líquido útil, em geral expressa em porcentagem. Na definição clássica da primeira lei medem-se duas grandezas de energia em um ciclo ou intervalo de regime: o trabalho de saída W entregue pelo motor e o calor de entrada Q_in retirado do reservatório quente. A razão define η igual a W dividido por Q_in, ou cem vezes essa razão quando se prefere a forma percentual dos manuais, relatórios de laboratório e painéis de planta. Esta calculadora aceita esses dois números, valida que o calor de entrada não seja zero e devolve a eficiência em porcentagem, a fração adimensional e o calor complementar rejeitado ao sumidouro frio sob o balanço de ciclo fechado Q_out igual a Q_in menos W. Calor de entrada nulo é rejeitado com erro de validação claro porque a fórmula definidora dividiria por zero e nenhum motor físico pode reportar eficiência sem absorver calor.

Como a eficiência térmica se define a partir do trabalho e do calor

Parta da idealização clássica do motor térmico usada no ensino médio e no primeiro ano de termodinâmica de engenharia: um dispositivo que absorve calor Q_in de uma fonte a alta temperatura, rejeita parte do calor Q_out a um sumidouro frio e entrega trabalho líquido W em um ciclo.

A conservação de energia em processo cíclico exige que o trabalho líquido seja a diferença entre o calor absorvido e o rejeitado, de modo que W seja igual a Q_in menos Q_out quando ambos os calores são medidos como magnitudes positivas de entrada e saída do motor. A eficiência térmica define-se então como o trabalho útil por unidade de calor comprado da fonte quente: η igual a W sobre Q_in.

Multiplicar por cem converte essa fração em porcentagem, forma em que a maioria das respostas de lição de casa, placas de identificação e relatórios de desempenho de planta apresentam o número. A calculadora implementa exatamente essa definição algébrica. Não impõe o limite superior de Carnot a partir de temperaturas absolutas, não integra irreversibilidades ao longo de um caminho e não especializa a fórmula para os ciclos Otto, Diesel, Brayton ou Rankine que substituem W e Q_in por expressões de temperatura ou de taxa de compressão.

Essas fórmulas de ciclo são intenções de busca distintas e merecem páginas próprias. O trabalho pode ser zero, o que produz eficiência nula e é um caso degenerado válido. Trabalho maior que o calor de entrada produz eficiência acima de cem por cento, o que é matematicamente permitido e pode sinalizar erro de medição ou um modelo fora do balanço simples de motor térmico.

Onde os cálculos de eficiência térmica aparecem no trabalho real

Cursos de física do ensino médio e da faculdade atribuem com frequência problemas de motores térmicos que dão trabalho de saída e calor de entrada e pedem a eficiência térmica em porcentagem, muitas vezes antes de apresentar limites de Carnot ou fórmulas específicas de ciclo. Laboratórios de engenharia universitária reduzem o trabalho de eixo medido e o calor liberado no calorímetro a um único número η antes de discutir disponibilidade da segunda lei ou eficiências de componente.

Engenheiros de usinas e de cogeração conferem as alegações de placa extraindo η a partir de megawatt-hora elétricos registrados e do calor de combustível no mesmo intervalo. Células de ensaio automotivas e aeroespaciais comparam trabalho indicado ou de freio com a energia do combustível para reportar eficiência térmica indicada e de freio sem executar uma simulação completa de ciclo.

Se mais tarde você precisar da eficiência de Carnot a partir de duas temperaturas absolutas, da eficiência de ciclo Otto ou Diesel a partir da taxa de compressão e gamma, ou da conversão de unidades entre joules e BTU antes do passo da razão, trate isso como intenções de busca e páginas separadas em vez de sobrecarregar esta calculadora de eficiência térmica.