Calcolatrice di efficienza termica

L'efficienza termica è la frazione del calore assorbito da una sorgente calda che un motore termico converte in lavoro netto utile, di solito espressa in percentuale. Nella definizione classica del primo principio si misurano due grandezze energetiche per un ciclo o un intervallo di regime: il lavoro di uscita W erogato dal motore e il calore di ingresso Q_in prelevato dal serbatoio caldo. Il loro rapporto definisce η uguale a W diviso Q_in, oppure cento volte quel rapporto quando si preferisce la forma percentuale dei manuali, dei rapporti di laboratorio e dei cruscotti di impianto. Questa calcolatrice accetta quei due numeri, verifica che il calore di ingresso non sia zero e restituisce l'efficienza in percentuale, la frazione adimensionale e il calore complementare respinto al pozzo freddo sotto il bilancio di ciclo chiuso Q_out uguale a Q_in meno W. Un calore di ingresso nullo viene rifiutato con un errore di validazione chiaro perché la formula definitoria dividerebbe per zero e nessun motore fisico può riportare un'efficienza senza assorbire calore.

Come si definisce l'efficienza termica da lavoro e calore

Parta dall'idealizzazione classica del motore termico usata nella scuola secondaria e nel primo anno di termodinamica ingegneristica: un dispositivo che assorbe calore Q_in da una sorgente ad alta temperatura, respinge una parte di calore Q_out verso un pozzo freddo e fornisce lavoro netto W su un ciclo.

La conservazione dell'energia per un processo ciclico richiede che il lavoro netto sia uguale alla differenza tra il calore assorbito e quello respinto, quindi W è uguale a Q_in meno Q_out quando entrambi i calori si misurano come grandezze positive in ingresso e in uscita dal motore. L'efficienza termica si definisce allora come il lavoro utile per unità di calore acquistato dalla sorgente calda: η uguale a W su Q_in.

Moltiplicare per cento converte quella frazione in percentuale, forma in cui la maggior parte dei compiti, delle targhe e dei rapporti di prestazione di impianto presenta il numero. La calcolatrice implementa esattamente quella definizione algebrica. Non impone il limite superiore di Carnot dalle temperature assolute, non integra le irreversibilità lungo un percorso e non specializza la formula per i cicli Otto, Diesel, Brayton o Rankine che sostituiscono W e Q_in con espressioni di temperatura o di rapporto di compressione.

Quelle formule di ciclo sono intenti di ricerca diversi e meritano pagine proprie. Il lavoro può essere zero, il che produce efficienza nulla ed è un caso degenere valido. Un lavoro maggiore del calore di ingresso produce un'efficienza superiore al cento per cento, matematicamente ammessa e utile a segnalare errori di misura o un modello fuori dal semplice bilancio di motore termico.

Dove i calcoli di efficienza termica compaiono nel lavoro reale

I corsi di fisica delle scuole superiori e dell'università assegnano costantemente problemi di motori termici che forniscono lavoro di uscita e calore di ingresso e chiedono l'efficienza termica in percentuale, spesso prima di introdurre i limiti di Carnot o le formule specifiche di ciclo. I laboratori di ingegneria universitaria riducono il lavoro all'albero misurato e il calore rilasciato al calorimetro a un unico numero η prima di discutere l'exergia del secondo principio o le efficienze di componente.

Gli ingegneri di centrali e di cogenerazione verificano le affermazioni di targa ricavando η dai megawattora elettrici registrati e dal calore di combustibile nello stesso intervallo. Le celle di prova automobilistiche e aerospaziali confrontano il lavoro indicato o al freno con l'energia del combustibile per riportare l'efficienza termica indicata e al freno senza eseguire una simulazione di ciclo completa.

Se in seguito serve l'efficienza di Carnot da due temperature assolute, l'efficienza di ciclo Otto o Diesel dal rapporto di compressione e gamma, o la conversione di unità tra joule e BTU prima del passo del rapporto, le tratti come intenti di ricerca e landing distinti anziché sovraccaricare questa calcolatrice di efficienza termica.