Verkningsgrad
Den termiska verkningsgraden ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} 
) är ett dimensionslöst prestandamått för en termisk anordning, t.ex. en förbränningsmotor, en panna eller en ugn.
Det som matas in i anordningen, Q i n {\displaystyle Q_{in}\,}
, är värme eller värmeinnehållet i ett bränsle som förbrukas. Det önskade resultatet är mekaniskt arbete, W o u t {\displaystyle W_{out}\,}
, eller värme, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,}
, eller möjligen båda. Eftersom den tillförda värmen normalt har en reell ekonomisk kostnad är en minnesvärd, allmän definition av termisk verkningsgrad följande
η t h ≡ Utgång Ingång . {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{Output}}{\text{Input}}}. } 
Enligt termodynamikens första och andra lag kan produktionen inte överstiga vad som matas in, så
0 ≤ η t h ≤ 1,0. {\displaystyle 0\leq \eta _{th}\leq 1.0.} 
När den termiska effektiviteten uttrycks i procent måste den ligga mellan 0 och 100 %. På grund av ineffektivitet som friktion, värmeförluster och andra faktorer är den termiska effektiviteten vanligtvis mycket lägre än 100 %. En typisk bensinmotor i en bil har till exempel en termisk verkningsgrad på cirka 25 %, och ett stort koleldat elkraftverk har en maximal verkningsgrad på cirka 36 %. I en kombicykelanläggning är den termiska verkningsgraden nära 60 %.
Värmemotorer
När värmeenergi omvandlas till mekanisk energi är den termiska verkningsgraden för en värmekraftmotor den procentandel av energin som omvandlas till arbete. Den termiska verkningsgraden definieras som
η t h ≡ W o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} 
,
eller genom termodynamikens första lag för att ersätta det producerade arbetet med spillvärme,
η t h = 1 - Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} 
.
Om till exempel 1 000 joule värmeenergi omvandlas till 300 joule mekanisk energi (medan de återstående 700 joule går till spillvärme) är den termiska verkningsgraden 30 %.
Energiomvandling
För en energiomvandlingsanordning som en panna eller ugn är den termiska verkningsgraden följande
η t h ≡ Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} 
.
För en panna som producerar 210 kW (eller 700 000 BTU/h) för varje 300 kW (eller 1 000 000 BTU/h) värmeekvivalent tillförd effekt är den termiska verkningsgraden 210/300 = 0,70, eller 70 %. Detta innebär att 30 % av energin går förlorad till miljön.
En elektrisk motståndsvärmare har en värmeeffektivitet på 100 % eller mycket nära 100 %, vilket innebär att till exempel 1500 W värme produceras för 1500 W elektrisk tillförd effekt. När man jämför uppvärmningsenheter, t.ex. en 100 % effektiv elektrisk värmare med motstånd mot en 80 % effektiv naturgaseldad ugn, måste man jämföra energipriserna för att hitta den lägsta kostnaden.
Värmepumpar och kylskåp
Värmepumpar, kylskåp och luftkonditioneringsapparater, till exempel, flyttar värme snarare än omvandlar den, så det behövs andra mått för att beskriva deras termiska prestanda. De vanligaste måtten är prestandakoefficienten (COP), energieffektivitetskvoten (EER) och säsongsbaserad energieffektivitetskvot (SEER).
Effektiviteten hos en värmepump (HP) och kylskåp (R)*:
E H P = | Q H | | W | {\displaystyle E_{HP}={\frac {|Q_{H}|}{|W|}}}} 
E R = | Q L | W | {\displaystyle E_{R}={\frac {|Q_{L}|}{|W|}}} 
E H P - E R = 1 {\displaystyle \displaystyle E_{HP}-E_{R}=1} 
Om temperaturen i värmepumpens eller kylskåpets båda ändar är konstant och processerna reversibla:
E H P = T H T H T H - T L {\displaystyle 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}}}} 
Energieffektivitet
Den termiska effektiviteten kallas ibland för energieffektivitet. I USA är SEER i dagligt bruk det vanligaste måttet på energieffektivitet för kylanordningar och för värmepumpar i värmeläge. För uppvärmningsanordningar med energiomvandling anges ofta deras maximala termiska effektivitet i stationärt tillstånd, t.ex. "den här ugnen har en effektivitet på 90 %", men ett mer detaljerat mått på säsongsbaserad energieffektivitet är den årliga bränsleutnyttjandegraden (AFUE).
Relaterade sidor
Frågor och svar
F: Vad är värmeeffektivitet?
S: Termisk verkningsgrad är ett dimensionslöst prestandamått för en termisk anordning, t.ex. en förbränningsmotor, panna eller ugn. Den beräknas genom att man dividerar utgången med insatsen för anordningen.
F: Vilka är några exempel på termiska anordningar?
S: Exempel på termiska anordningar är förbränningsmotorer, pannor och ugnar.
F: Vad är insatsen i en termisk anordning?
S: Insatsen till en termisk anordning är värme eller värmeinnehållet i ett bränsle som förbrukas.
F: Vad är den önskade produktionen från en termisk anordning?
S: Det önskade resultatet från en termisk anordning kan vara mekaniskt arbete, värme eller både och.
F: Hur kan vi definiera termisk effektivitet i allmänna termer?
S: Den termiska effektiviteten kan generellt definieras som output/input.
F: Inom vilket intervall ligger värdet för ηth?
S: Värdet för ηth måste ligga mellan 0 och 1,0 när det uttrycks i procent måste det ligga mellan 0 och 100 %.
F: Är typiska värden för ηth vanligtvis nära 100 %?
S: Nej, på grund av ineffektivitet som friktion och värmeförlust är typiska värden för ηth mycket lägre än 100 %. Exempelvis drivs bensinbilsmotorer vanligtvis vid cirka 25 % medan stora koleldade elkraftverk når sin topp vid cirka 36 %, med kombikraftverk som närmar sig 60 %.
