Il rendimento termodinamico (o efficienza termodinamica), in una conversione di energia, è il rapporto tra il lavoro meccanico compiuto e l'energia fornita al sistema (, energia assorbita da parte del sistema dall'ambiente esterno verso l'interno del sistema).
Il rendimento è espresso come valore compreso tra zero e uno o sotto forma di percentuale:
Il rendimento di primo principio, o semplicemente rendimento, è un numero adimensionale che caratterizza l'efficienza del processo di conversione della forma di energia in ingresso in quella di uscita.
Si consideri una macchina termica, cioè l'esempio più semplice di interazione tra sistemi. Si supponga che essa sia caratterizzata da:
A seconda del verso dei flussi di lavoro e calore della macchina termica, è possibile distinguerla in due diverse tipologie che sono macchina motrice e macchina operatrice.
Nelle Macchine Motrici ciò che si vuole ottenere è lavoro, grazie all'utilizzo di calore caldo .
Il bilancio energetico ed entropico di una macchina motrice sono:
Dalla risoluzione del sistema, si ottengono due soluzioni differenti a seconda che si stia trattando un caso reversibile o meno.
Caso ideale, o reversibile:
Caso reale, o irreversibile:
È quindi possibile introdurre anche il concetto di lavoro perso, che rappresenta la parte di energia che il sistema reale non è in grado di convertire in lavoro utile:
Il bilancio energetico ed entropico di una macchina operatrice sono:
Nel caso di macchina operatrice bisogna considerare il tipo di funzionamento. Infatti questo può essere a pompa di calore o frigorifero.
Nelle Macchine Operatrici ciò che si vuole ottenere è calore, grazie all'utilizzo di lavoro. In particolare nella pompa di calore si vuole ottenere , cioè calore caldo, mentre nel frigorifero si vuole ottenere cioè calore freddo.
Il rendimento per le macchine frigorifere è:
Dalla risoluzione del sistema si ottengono soluzioni differenti a seconda che il sistema sia reversibile, o meno.
Caso ideale, o reversibile:
Il rendimento reversibile del frigorifero, può assumere valori compresi nell'intervallo In particolare assume:
Caso reale, o irreversibile:
Il rendimento per le pompe di calore è:
Caso ideale, o reversibile:
Il rendimento reversibile della pompa di calore, può assumere valori compresi nell'intervallo In particolare assume:
Caso reale, o irreversibile:
Il rendimento di secondo principio rappresenta la capacità di un processo reale di tendere alle prestazioni di funzionamento di un processo ideale o reversibile.
Poiché allora
Il rendimento di secondo principio può essere anche unitario, nel caso in cui la macchina considerata sia già essa stessa una macchina reversibile.
dove Pu è la potenza utile ottenuta, è la portata di combustibile e Hi è il potere calorifico inferiore.
Lo stesso argomento in dettaglio: Ciclo di Carnot.
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Per la macchina termica, Carnot ha scoperto che il rendimento della macchina di Carnot è funzione delle temperature assolute delle sorgenti tra cui essa lavora:
dove T1 > T2.
Il secondo principio della termodinamica sancisce l'impossibilità teorica di realizzare un sistema con rendimento maggiore al rendimento di Carnot che, laddove T2 assumesse il valore di 0 K(= -273 °C) sarebbe uguale a 1, come per altro sarebbe anche nel caso in cui T1 fosse infinito.
Lo stesso argomento in dettaglio: Rendimento isoentropico.
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Il rendimento isoentropico in un compressore centrifugo per fluidi comprimibili vale: