Eficiência térmica

A eficiência térmica ( η t h a ________________eta ____________ \eta_{th} \,) é uma medida de desempenho sem dimensão de um dispositivo térmico como um motor de combustão interna, uma caldeira, ou uma fornalha, por exemplo.

A entrada, Q i n {\displaystyle Q_{\displaystyle Q_{\displaystyle Q_{\displaystyle Q_{\displaystyle Q_{\displaystyle Q_\displaystyle}Q_{in} \,, para o dispositivo é o calor, ou o conteúdo térmico de um combustível consumido. A saída desejada é trabalho mecânico, W o u t {\displaystyle W_{\displaystyle Q_\displaystyle Q_\displaystyle Q_\displaystyle, {\displaystyle Q_\displaystyle Q_\displaystyleW_{out} \,Q_{out} \,, ou possivelmente ambos. Porque o calor de entrada tem normalmente um custo financeiro real, uma definição memorável e genérica de eficiência térmica é

η t h ≡ Saída Entrada . Estilo de exibição _eta _equiv {\i} {\i1}{\i1}extxtra _Extra _Extra _Extra } \eta_{th} \equiv \frac{\text{Output}}{\text{Input}}.

A partir da primeira e segunda leis da termodinâmica, a saída não pode exceder o que é entrado, portanto

0 ≤ η t h ≤ 1.0. Estilo de jogo 0\\\a _\a _\a 1.0.} 0 \le \eta_{th} \le 1.0.

Quando expressa em percentagem, a eficiência térmica deve situar-se entre 0% e 100%. Devido a ineficiências tais como atrito, perda de calor e outros factores, as eficiências térmicas são tipicamente muito inferiores a 100%. Por exemplo, um motor automóvel a gasolina típico funciona a cerca de 25% de eficiência térmica, e uma grande central eléctrica alimentada a carvão atinge picos de cerca de 36%. Numa central de ciclo combinado, as eficiências térmicas aproximam-se dos 60%.

Motores de calor

Quando se transforma energia térmica em energia mecânica, a eficiência térmica de um motor térmico é a percentagem de energia que é transformada em trabalho. A eficiência térmica é definida como

η t h ≡ W o u t Q i n {\i1}displaystyle {\i}{Q_{\i}{\i1}{\i1}{\i1}w_{\i}}}} \eta_{th} \equiv \frac{W_{out}}{Q_{in}},

ou através da primeira lei da termodinâmica para substituir a rejeição de calor residual pelo trabalho produzido,

η t h = 1 - Q o u t Q i n {\\i1}{Q_{\i}}{Q_{\i0}{Q_{\i}}{Q_{\i1}{\i1}displaystyle \eta_{th} = 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}}.

Por exemplo, quando 1000 joules de energia térmica são transformados em 300 joules de energia mecânica (com os restantes 700 joules dissipados como calor residual), a eficiência térmica é de 30%.

Conversão de energia

Para um dispositivo de conversão de energia como uma caldeira ou um forno, a eficiência térmica é

η t h ≡ Q o u t Q i n {\i1}displaystyle {\i} {Q_{\i1}{Q_{\i}}{Q_{em}}}} \eta_{th} \equiv \frac{Q_{out}}{Q_{in}}.

Assim, para uma caldeira que produz 210 kW (ou 700.000 BTU/h) para cada 300 kW (ou 1.000.000 BTU/h) de entrada equivalente ao calor, a sua eficiência térmica é 210/300 = 0,70, ou 70%. Isto significa que os 30% da energia são perdidos para o ambiente.

Um aquecedor de resistência eléctrica tem uma eficiência térmica de 100% ou muito próxima dos 100%, assim, por exemplo, 1500W de calor são produzidos para 1500W de entrada eléctrica. Ao comparar unidades de aquecimento, tais como um aquecedor de resistência eléctrica 100% eficiente com um forno a gás natural 80% eficiente, os preços da energia devem ser comparados para se encontrar o custo mais baixo.

Bombas de calor e Frigoríficos

As bombas de calor, frigoríficos e aparelhos de ar condicionado, por exemplo, movem o calor, em vez de o converterem, pelo que são necessárias outras medidas para descrever o seu desempenho térmico. As medidas comuns são o coeficiente de desempenho (COP), o rácio de eficiência energética (EER), e o rácio de eficiência energética sazonal (SEER).

A Eficiência de uma Bomba de Calor (HP) e Refrigeradores (R)*:
E H P = | Q H | | W | | {\i1} {\i1} {\i1} |Q_{H}}{\i1}{\i1}}{\i1}S E_{HP}=\frac{|Q_H|}{|W|}

E R = | Q L | | W | | {\i1} {\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}S E_{R}=\frac{|Q_L|}{|W|}

E H P - E R = 1 {\\i1}- E_{\i}-E_{\i}=1} \displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1

Se as temperaturas em ambas as extremidades da Bomba de Calor ou Frigorífico forem constantes e os seus processos reversíveis:

E H P = T H T H H - T L {\\i1}={\i1}{T_{H}}{T_{H}-T_{L}}}} E_{HP}=\frac{T_H}{T_H - T_L}

E R = T L T H - T L {\displaystyle E_{R}={\frac {T_{L}}{T_{H}-T_{L}}}} E_{R}=\frac{T_L}{T_H - T_L}

*H=elevada (temperatura/fonte de calor), L=baixa (temperatura/fonte de calor)

Eficiência energética

A 'eficiência térmica' é por vezes chamada de eficiência energética. Nos Estados Unidos, no uso diário, o SEER é a medida mais comum de eficiência energética para dispositivos de refrigeração, bem como para bombas de calor quando em modo de aquecimento. Para dispositivos de aquecimento por conversão de energia, o seu pico de eficiência térmica em estado estável é frequentemente declarado, por exemplo, "este forno é 90% eficiente", mas uma medida mais detalhada da eficiência energética sazonal é a Eficiência Anual de Utilização de Combustível (AFUE).

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