Termički stepen iskorištenja

Stepen iskorištenja ($\eta _{t}\,$) jeste bezdimenzionalna (procentualna) vrijednost koja pokazuje kolika je iskoristivost neke toplotne mašine, kao što su kotlovi, turbine, SUS motori i drugo. Primjenjuje se obično u tehničkim naukama za određivanje procenta korisnosti neke mašine ili procesa, te da bi se na osnovu toga dao zaključak da li je sistem koji se ispituje ekonomski opravdan.

Ulazna veličina, ($Q_{ul}\,$), koja se nalazi u nazivniku razlomka, je energija koja se unosi u proces, npr. toplota koju može osloboditi gorivo u radnom procesu motora.

Izlazna veličina, koja se nalazi u brojniku, biti će mehanički rad ($W_{izl}\,$), i/ili izlazna toplota ($Q_{izl}\,$). Kako sva uložena ili potrošena energija ima svoju cijenu, možemo omjer postaviti na slijedeći način:

$\eta _{t}\equiv {\frac {\text{koliko se dobije}}{\text{koliko se utrosi}}}$

Također možemo postaviti i omjer koji će nam još tačnije odrediti stepen iskorištenja:

$\eta _{t}\equiv {\frac {Q_{izl}}{Q_{ul}}}$

Kako je dobivena energija ili rad uvijek manji od uloženog, tada vrijedi:

$0\leq \eta _{t}\leq 1.0.$

Ova vrijednost ($\eta _{t}\,$) se često izražava u postotcima (od 0 do 100%).

Zbog raznih gubitaka toplote (najčešće kroz razne varijante trenja) stvarna vrijednost stepena iskorištenja je mnogo manja od 100%. Kako pri svakom pretvaranju energije iz jednog oblika u drugi postoji određen gubitak, prava uporedba stepena iskorištenja može se izvršiti samo ukoliko se uzmu u obzir svi gubici od primarnog oblika energije pa do potrošača. Općenito možemo tvrditi da je stepen iskorištenja manji što je više posrednika u sistemu. Njegova veličina je oko 25% za benzinske automobilske motore, 35% za termoelektrane, a najiskoristiviji uređaj danas su veliki brodski motori, koji su probili granicu ukupnog stepena iskorištenja preko 50%.

Toplotne mašine

Glavni članak: Toplotne mašine

Kada pretvaramo toplotnu energiju u mehaničku, stepen iskorištenja toplotne mašine je broj koji nam govori koliki dio topline ($Q_{ul}\,$), koju unesemo u proces, se pretvara u mehanički rad ($W_{izl}\,$). Shodno tome, stepen toplotnog iskorištenja se definiše kao:

$\eta _{t}\equiv {\frac {W_{izl}}{Q_{ul}}}$

Carnotov proces

Drugi zakon termodinamike odredio je osnovne granice stepena iskorištenja toplotnih mašina. Čak i za idealanu mašinu, u idealnim uvjetima, bez trenja i bez toplotnih gubitaka, dobiveni rad nikada neće i ne može biti jednak uloženoj toploti, čak ni blizu toga. Ograničavajući faktori su temperatura s kojom toplota ulazi u toplotnu mašinu ($T_{Q}\,$), i temperatura okoline u koju stroj ispušta svoju otpadnu toplotu ($T_{A}\,$).

Ove temperature se mjere u stepenima Kelvina ili stupenima Rankina.

Iz Carnotova zakona za svaki stroj koji radi između tih temperatura vrijedi:

$\eta _{t}\leq {\frac {T_{Q}-T_{A}}{T_{Q}}}\,$

ili prikazano u drukčijem obliku:

$\eta _{t}\leq 1-{\frac {T_{A}}{T_{Q}}}\,$

Ove ograničavajuće vrijednosti zovu se vrijednosti Carnotova ciklusa, a njen stepen iskorištenja je nedostižan, tj. idealan. Niti jedna mašina današnjice, bez obzira na namjenu, izvedbu i sve ostalo, ne može dostići ovaj stepen iskorištenja. Projekti i "inovacije" kojima se, navodno, dobija više energije od uložene ili koji rade "bez utroška energije" zovu se perpetum mobile i neostvarivi su.

U praksi stvarne toplotne mašine zaostaju znatno za ovim stepenom iskorištenja. Kako se ova teorema primjenjuje samo na toplotne mašine koji pretvaraju toplotnu energiju goriva uz sagorijevanje istog, neke mašine, koje ne vrše sagorijevanje, imaju stepen toplotnog djelovanja veći od Carnotovog. Tu je primjer gorivih ćelija koje imaju veći toplotni stepen djelovanja od Carnotovog, međutim, to je primjenjivo samo pri pretvaranju energije iz gorive ćelije u rad.