كفاءة حرارية

الطاقة الخارجة دائما أقل من الطاقة الدخلة

في العموم فإن كفاءة تحويل الطاقة هي النسبة بين الخرج المستفاد منه والدخل. في الكفاءة الحرارية فإن الدخل يكون الحرارة ${\displaystyle Q_{in}}$ أو كمية الحرارة الموجود بالوقود المستهلك. الخرج المرغوب به يكون الشغل الميكانيكي ${\displaystyle W_{out}}$ أو ${\displaystyle Q_{out}}$ أو كلاهما. يمكننا التعبير عن الكفاءة الحرارية بالعلاقة التالية حيث أن الحرارة الداخلة يكون لها تكلفة مالية فتكون العلاقة:[1]

${\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{benefit}}{\text{cost}}}.}$

ومن القانون الأول للديناميكا الحراية، فإن الكفاءة الحرارية تتراوح بين الصفر والواحد حيث أنه لا يمكن تحويل كل الحرارة الداخلة إلى شغل:

${\displaystyle 0\leq \eta _{th}<1}$

إذا كنا نعبر عنها بالنسبة المئوية فإنها تتراوح بين 0% و 100%. تكون الكفاءة أقل من 100% حيث أن هناك ما ييقلل من الكفاءة مثل الاحتكاك والحرارة المفقودة التي تحول الطاقة إلى أشكال مختلفة. على سبيل المثال هناك محرك يعمل بالجازولين ويعمل عند كفاءة حوالي 25%. مثل آخر لمحطة تنتج الكهرباء باستخادم محرك كبير يعمل بالفحم تكون كفاءته حوالي 46%. عند النظر إلى أكبر محرك ديزل بالعالم فإننا نجد أن كفاءته القصوى هي 51.7%. في محطات الدورات المركبة تصل الكفاءة الحرارية إلى 60%.[2]

بالنسبة إلى المحركات التي يحترق بها الوقود فإنه يوجد نوعبن من الكفاءات: الكفاءة الحرارية الكلية المتولدة بداخل الأسطوانة والكفاءة الحرارية الفرملية والتي تصل إلى العمود. الفرق بينها هي المفاقيد التي تحدث في الأولى حتى نصل إلى الثانية. عند المقارنة بين الكفاءات فإننا يجب أن نقارنها لأجهزة متمائلة.[3]

يتمثل عمل المحركات الحرارية في تحويل الطاقة الحرارية Q_{in إلى شغل ميكانيكي Wout. هذه المحركات لا تقوم بهذه الوظيفة بصورة كاملة حيث أن بعض الحرارة الداخلة للمحرك لا تتحول إلى شغل وتمسى بالحرارة المهدرة Qout إلى البيئة المحيطة.}

${\displaystyle Q_{in}=W_{out}+Q_{out}\,}$

الكفاءة الحرارية للمحركات الحرارية هي النسبة المتحولة من الحرارة إلى شغل. الكفاءة الحرارية تمثلها العلاقة:

${\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}={\frac {{Q_{in}}-Q_{out}}{Q_{in}}}=1-{\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}}$

تكون قيمة الكفاءة الحرارية لأفضل المحركات الحرارية أقل من 50%. لذلك فإن الحرارة المهدرة إلي البيئة المحيطة هي شئ أساسي في تلك المحركات. بما أن الوقود المنتج حول العالم يذهب معظمه لإدارة تلك الحركات فإنه جزأ كبير من الطاقة المنتجة تضيع في تلك المحركات على الرغم من استخدام الدورات المركبة وتدوير الطاقة للاستفادة منها في أغراض أخرى. هناك كفاءة نظرية تسمي كفاءة كارنو وهي النوع الأول من الكفاءات. الثانية، بعض المرحاكت يكون لها كفاءة منخفضة وذلك بسبب أن دورة المحرك المستخدو هي دورة لا انعكاسية. الثالثة وهي تنتج عن السلوك غير المثالي للمحركات الحقيقية مثل الاحتكاك الميكانيكي والمفاقيد داخل عمليات الاحتراق.

بالنسبة إلى الأجهزة التي تحول الطاقة من شكل إلى طاقة حرارية مثل سخان كهربي، غلاية أو الفرن فإن الكفاءة الحرارية:

${\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}}$

حيث Q هي قيم الحرارة الداخلة والخارجة.

بالنظر إلى الغلاية التي تنتج 210 كيلو وات عندما يكون الدخل 300 كيلو وات، فإن الكفاءة الحرارية هي 210/300 وتساوي .7 أو 70%. هذا يعني أن هناك حرارة مهدرة نسبتها 30%.

تقترب كفاءة السخان الكهربي من 100%.[8] عند المقارنة بين الوحدات المختلفة مثل السخان الكهربي مع الفرن المستخدم للغاز الطبيعي والذي كفاءته تساوي 80% فإنه لا بد من دراسة عامل التكلفة لكل منها نظرا لاقتراب كفائتهم.

تستخدم المضخات الحرارية، الثلاجة ومبرد الهواء لنقل الحرارة من الجزء البارد إلى الأعلى في درجة الحرارة لذا فإن وظيفتها عكس وظيفة المحرك الحراري. تتحول طاقة الشغل (W_in) المضاف إليها إلى حرارة ويتساوى مجموع هذه الطاقة والطاقة الحرارية المنتقلة من الخزان البارد (Q_C) مع كمية الحرارية الكلية المضافة للخزان الحراري الساخن Q_H.

${\displaystyle Q_{H}=Q_{C}+W_{in}\,}$

تقاس الكفاءة من خلال معامل الأداء. تقاس كفاءة المضخات الحرارية التي بها يتم إضافة الحرارة إلى الخزان الحراري الساخن بـ COP_{heating بينما كفاءة الثلاجة ومكيف الهواؤ والتي يتم إزالة الحرارة من الجزأ البارد بـ COPcooling.}

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }\equiv {\frac {Q_{H}}{W_{in}}}\,}$

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }\equiv {\frac {Q_{C}}{W_{in}}}\,}$

السبب وراء عدم استخدام لفظ الكفاءة هو أن معامل الأداء يمكن أن يكون أكبر من 100% حيث أن هذه الأجهزة تقوم بنقل الحرارة وليس توليدها ولذلك فإن كمية الحرارة المنقولة يمكن أن تكون أكبر من الشغل الداخل.

بتطبيق نظرية كارنو على المحركات الحراية فيكون يكون لها قيمة عظمى لا يمكن أن تتعداها وهي كفاءة كارنو وتساوي:

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }\leq {\frac {T_{H}}{T_{H}-T_{C}}}\,}$

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }\leq {\frac {T_{C}}{T_{H}-T_{C}}}\,}$

عند استخدام جهاز كمضخة حرارية فإن كفاءته تكون أكبر من استخدامه كثلاجة عند عمله عند نفس درجات الحرارة.

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }-\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }=1\,}$

السرعة التي يحدث عندها أقصي عزم دوران وأقصي كفاءة حجمية تكون السرعة التي يحدث عندها أقصي كفاءة حرارية.

الكفاءة هي من المصطلحات الدارجة في الترموديناميكا. ونذكر عدة كفاءات منها :

• كفاءة الاحتراق : وتعرف بأنها الحرارة المتولدة من احتراق وقود بالنسبة لقيمته الحرارية (محتواه الحراري).
• كفاءة مولد : هي النسبة بين الطاقة الكهربائية الناتجة إلى الطاقة الميكانيكية المستخدمة .
• كفاءة إضاءة: هي كمية الضوء الناتج باللومن لكل واط من الطاقة الكهربائية المستخدمة .
• كفاءة محرك: هي النسبة بين كمية الحركة الميكانيكية الناتجة و الطاقة الكهربائية المستخدمة .

• معدل الحرارة
• دورة كارنو
• كفاءة تحويل الطاقة
• محرك احتراق داخلي
• تسخين كهربائي
• محطة حرارية
• نقطة الإقتراب
• معامل الأداء
• كفاءة كهربائية

• بوابة الفيزياء
• بوابة طاقة