Rendement (physique)

L'efficacité thermique ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ) est une mesure de performance sans dimension d'un dispositif thermique tel qu'un moteur à combustion interne, une chaudière ou un four, par exemple.

L'entrée, de type Q i n Q_{in}\,} $Q_{in} \,$ , de l'appareil est la chaleur, ou la teneur en chaleur d'un combustible consommé. La sortie souhaitée est le travail mécanique, W o u t , $W_{out} \,$ ou la chaleur, Q o u t $Q_{out} \,$ , ou éventuellement les deux. Étant donné que l'apport de chaleur a normalement un coût financier réel, une définition générique mémorable du rendement thermique est

η t h ≡ Output Input . . } $\eta_{th} \equiv \frac{\text{Output}}{\text{Input}}.$

Selon la première et la deuxième loi de la thermodynamique, la sortie ne peut pas dépasser l'entrée, donc

0 ≤ η t h ≤ 1.0. 0\leq \eta _{th}\leq 1.0.} $0 \le \eta_{th} \le 1.0.$

Exprimée en pourcentage, l'efficacité thermique doit être comprise entre 0 et 100 %. En raison d'inefficacités telles que la friction, la perte de chaleur et d'autres facteurs, les rendements thermiques sont généralement bien inférieurs à 100 %. Par exemple, un moteur d'automobile à essence typique fonctionne avec un rendement thermique d'environ 25 %, et une grande centrale électrique alimentée au charbon atteint un rendement maximum d'environ 36 %. Dans une centrale à cycle combiné, le rendement thermique approche les 60 %.

Moteurs thermiques

Lors de la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique, le rendement thermique d'un moteur thermique est le pourcentage d'énergie qui est transformé en travail. Le rendement thermique est défini comme

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

ou via la première loi de la thermodynamique pour substituer le rejet de la chaleur résiduelle au travail produit,

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

Par exemple, lorsque 1000 joules d'énergie thermique sont transformés en 300 joules d'énergie mécanique (les 700 joules restants étant dissipés sous forme de chaleur résiduelle), le rendement thermique est de 30%.

Conversion de l'énergie

Pour un dispositif de conversion d'énergie comme une chaudière ou un four, le rendement thermique est

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

Ainsi, pour une chaudière qui produit 210 kW (ou 700 000 BTU/h) de puissance pour chaque 300 kW (ou 1 000 000 BTU/h) d'apport de chaleur, son rendement thermique est de 210/300 = 0,70, soit 70%. Cela signifie que les 30% de l'énergie sont perdus pour l'environnement.

Un chauffage à résistance électrique a un rendement thermique de 100 % ou très proche, ce qui signifie, par exemple, que 1500W de chaleur sont produits pour 1500W d'entrée électrique. Lorsque l'on compare des appareils de chauffage, tels qu'un chauffage à résistance électrique dont le rendement est de 100 % à un fourneau alimenté au gaz naturel dont le rendement est de 80 %, il faut comparer les prix de l'énergie pour trouver le coût le plus bas.

Pompes à chaleur et réfrigérateurs

Les pompes à chaleur, les réfrigérateurs et les climatiseurs, par exemple, déplacent la chaleur, plutôt que de la convertir, de sorte que d'autres mesures sont nécessaires pour décrire leurs performances thermiques. Les mesures courantes sont le coefficient de performance (COP), le taux d'efficacité énergétique (EER) et le taux d'efficacité énergétique saisonnier (SEER).

L'efficacité d'une pompe à chaleur (HP) et des réfrigérateurs (R)* :
E H P = | Q H | | W | {\displaystyle E_{HP}={\frac {|Q_{H}|}{|W|}}} $E_{HP}=\frac{|Q_H|}{|W|}$

E R = | Q L | | W | {\displaystyle E_{R}={\frac {|Q_{L}|}{|W|}}} $E_{R}=\frac{|Q_L|}{|W|}$

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

Si les températures aux deux extrémités de la pompe à chaleur ou du réfrigérateur sont constantes et leurs processus réversibles :

E H P = T H T H - T L {\displaystyle E_{HP}={\frac {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=haute (température/source de chaleur), L=faible (température/source de chaleur)

Efficacité énergétique

Le "rendement thermique" est parfois appelé "rendement énergétique". Aux États-Unis, dans l'usage quotidien, le SEER est la mesure la plus courante de l'efficacité énergétique des appareils de refroidissement, ainsi que des pompes à chaleur lorsqu'elles sont en mode chauffage. Pour les appareils de chauffage à conversion d'énergie, leur efficacité thermique maximale en régime permanent est souvent indiquée, par exemple, "ce four est efficace à 90 %", mais une mesure plus détaillée de l'efficacité énergétique saisonnière est l'efficacité annuelle de l'utilisation du combustible (AFUE).

Pages connexes

Thermodynamique

Questions et réponses

Q : Qu'est-ce que l'efficacité thermique ?

R : Le rendement thermique est une mesure de performance sans dimension d'un dispositif thermique tel qu'un moteur à combustion interne, une chaudière ou un four. Elle est calculée en divisant la production par l'entrée de l'appareil.

Q : Quels sont des exemples de dispositifs thermiques ?

R : Les moteurs à combustion interne, les chaudières et les fours sont des exemples de dispositifs thermiques.

Q : Quelle est l'entrée d'un dispositif thermique ?

R : L'intrant d'un dispositif thermique est la chaleur ou le contenu thermique d'un combustible qui est consommé.

Q : Quel est le rendement souhaité d'un dispositif thermique ?

R : Le résultat souhaité d'un dispositif thermique peut être un travail mécanique, de la chaleur ou les deux.

Q : Comment peut-on définir l'efficacité thermique en termes généraux ?

R : L'efficacité thermique peut être définie de manière générale comme le rapport entre le rendement et l'entrée.

Q : Dans quelle fourchette se situe la valeur de ηth ?

R : La valeur de ηth doit être comprise entre 0 et 1,0 ; exprimée en pourcentage, elle doit être comprise entre 0 et 100 %.

Q : Les valeurs typiques de ηth sont-elles généralement proches de 100 % ?

R : Non, en raison d'inefficacités telles que le frottement et la perte de chaleur, les valeurs typiques de ηth sont bien inférieures à 100 %. Par exemple, les moteurs automobiles à essence fonctionnent généralement à environ 25 %, tandis que les grandes centrales électriques alimentées au charbon culminent à environ 36 %, les centrales à cycle combiné approchant les 60 %.