L’efficacité thermique est une mesure de l’énergie de sortie divisée par l’énergie d’entrée dans un système. Il doit être compris entre 0% et 100%. Un niveau de 100 % signifierait que toute l’énergie mise dans un système sort, bien que sous une forme différente. Les moteurs thermiques et les réfrigérateurs ont tous deux des rendements thermiques associés, bien qu’ils tentent d’atteindre des objectifs opposés. Les rendements thermiques réels sont généralement nettement inférieurs à 100 % pour diverses raisons.
Dans un moteur à essence, l’énergie d’entrée est stockée dans les liaisons chimiques d’un hydrocarbure. Une molécule d’hydrocarbure est entièrement constituée d’hydrogène et de carbone. Lorsque ces molécules sont combinées avec de l’oxygène, elles peuvent réagir chimiquement et former du monoxyde de carbone et de l’eau ; en substance, la molécule d’hydrocarbure est divisée et combinée avec des atomes d’oxygène. La partie de cette réaction qui est utile à un moteur, cependant, est la chaleur qui est libérée. La chaleur dégagée par la combustion de l’essence est l’énergie d’entrée pertinente dans l’efficacité thermique.
L’énergie de sortie dans le calcul de l’efficacité d’un moteur n’est pas la chaleur, mais le travail mécanique. En physique, le travail est la quantité d’énergie transférée par une force agissant à distance. Pousser une boîte sur un tapis sur une certaine distance nécessite une quantité finie de travail ; celle-ci est égale au produit de la distance parcourue et de la force moyenne exercée. De la même manière, un moteur à essence fonctionne lorsqu’il déplace les roues d’une voiture.
Dans le cas d’un réfrigérateur ou d’un climatiseur, la relation chaleur-travail est inversée. Le résultat souhaité dans cette situation est d’éliminer la chaleur d’un système et de la rejeter dans l’environnement extérieur. L’entrée disponible, par conséquent, est un travail mécanique, qui est souvent fourni par un compresseur électrique. Le calcul de l’efficacité, cependant, nécessite toujours de diviser l’énergie de sortie par l’énergie d’entrée. La différence avec un moteur à essence, bien sûr, est que la sortie est de la chaleur et l’entrée est du travail.
Un moteur automobile typique a un rendement thermique inférieur à 35 %. Ce nombre semble faible pour deux raisons importantes. Tout d’abord, il existe une limite supérieure théorique sur l’efficacité thermique de tout moteur thermique qui a à voir avec la température du système par rapport à la température de l’environnement. Plus la différence de température est élevée, plus l’efficacité maximale qu’un moteur idéal et sans friction peut atteindre est élevée. C’est ce qu’on appelle l’efficacité de Carnot.
La deuxième raison pour laquelle les moteurs de voiture ont un rendement apparemment faible est que les moteurs ne peuvent pas être conçus pour se comporter de manière idéale. Les frottements entre les pièces mobiles tendent constamment à ralentir le moteur. Une partie de la chaleur s’échappe de la chambre de combustion et devient inutile pour le moteur. Le carburant ne brûle pas toujours à la température la plus élevée atteinte, ce qui réduit la quantité de chaleur dégagée. Pour ces raisons, l’efficacité thermique dans les appareils du monde réel a tendance à être bien inférieure à 100 %.