能量转化效率（输出能量相对其输入能量的比值）

简介

能量转换过程中，输出能量总是小于输入能量

能量转换效率

一般而言能量转换效率是一个介于0到1之间的无量纲数字，有时也会用百分比表示。能量转换效率不可能超过100%，因此永动机不存在。不过像热泵之类的设备将热由一处移到另一处，不是进行能量的转换，其性能系数（Coefficient of performance）往往会超过100%。

以下的效率都属于能量转换效率。

电效率（Electrical efficiency），可用功率输出及总耗电的比例。机械效率，由一种机械能（例如水的位能）转换成另一种机械能或机械功。热效率或燃料效率（Fuel efficiency），可用的热或功输出与输入能量（或消耗燃料对应的能量）的比例。总效率，一般用在汽电共生的场合，可用的电能及热能相对输入能量的比例。照明效率，所产生电磁辐射在可见光范围内的比例。

以下各种效率都属于能量转换效率：

• 电效率：可用功率输出及总耗电的比例

• 机械效率：由一种机械能（例如水的位能）转换成另一种机械能或机械功

• 热效率或燃料效率，可用的热或功输出与输入能量（或消耗燃料对应的能量）的比例。

• 总效率：一般用在汽电共生的场合，可用的电能及热能相对输入能量的比例。

• 照明效率：所产生电磁辐射在可见光范围内的比例。

在能量转换过程中，输出的能量通常可分为易利用能量与难利用能量两种。易利用能量即我们正欲求之的能量，难利用能量则是指在能量转换过程中流失、散逸掉的能量。

在所有的能量利用过程中，能量的损耗都不可避免。

如果将完全燃烧后的天然气所释放出的化学能称为

输入能量

输出有效能量

输出无效能量

输入能量=输出有效能量+输出无效能量

能量转换效率η=输出有效能量/输入能量

（能量转换效率常用希腊字母“η”来表示）

——— η 是第七位希腊字母Η 的小写形式。该字母英文中记作Eta，音标['i:tə]，中文音译作“伊塔”。

任何情况下，η 的值都小于1。

提高能量利用中的转化效率是节能问题的核心，是可持续发展的重要措施之一。

1、

2、

3、

4、

5、

6、

相关知识与数据

提起效率，同学们一般都会想到简单机械的机械效率，即有用功与总功的比值，其实效率在能量转移或转化过程中有着广泛的应用。

使用能源的过程实际上就是能量转移或转化的过程，能源在一定条件下可以转换成人们所需要的各种形式的能量。例如，煤燃烧后放出热量，可以用来烧水、做饭、取暖；也可以用来生产蒸汽，推动蒸汽机转换为机械能，或者推动汽轮发电机转变为电能。电能又可以通过电动机、电灯或其它用电器转换为机械能、光能或内能等。

一般情况下能源不可能全部转化为人们需要得到的能量，所谓能量转换效率就是人们需要得到的能量（即有用能量）与当初消耗总能量的比值，

计算公式为：能量转换效率=输出有用能量/输入的总能量

——— 当今社会能源紧缺，如何提高能源利用率是我们迫切需要解决的热点问题，有关能量转换效率的计算在考卷上屡见不鲜，现例举如下：（共10道题）

1、【电热水壶烧水】：如功率为100W的电热水壶正常工作28分钟，可将4Kg水从20℃加热到100℃，其效率多大？

用电热水壶烧水时水的温度升高需要吸收热量，水增加的

内能

有用能量

总能量

η = Q/ W = cmΔt / Pt = 4.2 × 10 × 4 ×（100－20）/（100 × 28 × 60）= 80%

2、【锅炉烧水】：如某锅炉将100Kg水从32℃加热到100℃，需要燃烧3.36Kg热值为 3.4 × 10J / Kg 的

，其效率多大？

用锅炉烧水时，水增加的内能是有用能量，而燃料完全燃烧放出的能量（即燃料的化学能）是输入的总能量，所以此锅炉烧水的效率为：

η = Q/ Q= cmΔt / qm= 4.2 × 10 × 100 ×（100－32）/（3.4 × 10 × 3.36）= 25%

3、【

】：如有一总集热面积为1.35m的热水器10h可将100Kg水从20℃加热到80℃，而每m每小时地球表面接收的太阳能为 3.6 × 10J，其效率多大？

太阳能热水器工作时，水增加的内能是有用能量，辐射到集热管的太阳能为输入的总能量，此太阳能热水器烧水的效率为：

η = Q/ Q= cmΔt / Q= 4.2 × 10 × 100 ×（80－20）/（3.6 × 10 × 1.35 × 10）= 51.85%

4、【热机】：

（1）. S195柴油机标有“0.27Kg / Kwh”，即它每消耗0.27Kg

可输出

的有用能量（柴油热值为 q = 3.3 × 10J / Kg），其效率多大？

热机是把内能转化为机械能的机器，其中获得的机械能是属于有用能量，而燃料完全燃烧放出的热量是输入的总能量，此柴油机的效率为：

η = W/ Q= 1Kwh / qm = 3.6 × 10 /（3.3 × 10 × 0.27）= 40.4%

（2）. 某新款汽车发动机输出功率为69Kw，1h耗油20Kg（汽油热值为 q = 4.6 × 10J / Kg），其效率多大？

此过程中，输出的有用能量用 W有=P出·t 计算，此汽车发动机的效率为：

η = W/ Q= P·t / qm = 69 × 10 × 3600 /（4.6 × 10 × 20）= 27%

5、【电动机】：标有“

3w”的电动机线圈内阻为3Ω，在不计摩擦的情况下正常工作其效率多大？

电动机工作时电能转化为机械能和内能，如不计摩擦，此内能就是电动机线圈本身通电时产生的电热，这样获得的机械能就等于消耗的电能减去产生的电热。

此电动机正常工作时 电流 I = P / U = 3w / 6v = 0.5A，此电动机的效率为：

η = W/ W=（W－Q）/ W=（Pt－I Rt）/ Pt =（P－I R）/ P =（3－0.5 × 3）/ 3 = 75%

6、【

】：某

，太阳光照射到它的电池板上的辐射总功率为8×10W，在晴朗的天气，电池板对着太阳时产生的电压为160v，并对车上的 电动机提供10A的电流，其效率多大？

太阳能电池是利用太阳能获得电能的装置，产生的电能属于有用能量，而消耗的太阳能是 输入总能量。此太阳能电池的效率为：

η = W/ Q= UIt / Pt = UI / P= 160 × 10 /（8 × 10 ）= 20%

7、【白炽灯】：一只40W的白炽灯正常工作1秒钟产生光能约8J，其效率多大？

白炽灯正常工作时电能转化为光能和内能，其中获得的光能是有用能量，而它消耗的电能是输入总能量。此白炽灯发光的效率为：

η = W/ W= W/ Pt = 8 /（40 × 1）= 20%，

8、【火力发电】：某电厂燃烧1t无烟煤可发电92Kwh，其发电效率多大？

火力发电是将燃料的化学能转化为电能，所获得的电能即为有用能量，消耗的燃料的化学能就是输入总能量。其发电效率为：

η = W/ Q= 92 Kwh / qm = 92 × 3.6 × 10 /（3.4 × 10 × 10 ）= 10%

9、【高压输电】：有一台 110Kv、22Mw 的高压输电设备，输电线总电阻50Ω，其输电效率多大？

高压输电时，输出端（给用户提供）的电能就是有用能量，而输入端输入的电能就是输入总能量，两者的差距就是输电线本身消耗 的电能（即电热）。

高压输电过程中 电流 I = P / U = 22w × 10 /（110v × 10 ）= 200A，其输电效率为：

η = W/ W=（Pt－I Rt）/ Pt =（P－I R）/ P =（22 × 10 －200 × 50）/（22 × 10 ）= 90.9%

10、【

】：160V 10A 的电动车，在平直路面上匀速行驶，所受地面阻力为288N，1h行驶15Km，其效率多大？

电动车行驶时将电能转化为机械能，获得的机械能克服摩擦做功使车前进，所以它克服摩擦做的功就是有用能量，而消耗的电能为输入总能量。此电动车的效率为：

η = W/ W= f.S / UIt = 288 × 15 × 10 /（160 × 10 × 3600）= 75%

【 ——— 以上只是计算能量转换效率的常见类型，实际生活中有关能量转换效率的问题还有很多。】

燃料的燃烧热

HHV（高热值）

LHV（低热值）

燃料热值

能量转换效率

煤炭转化二次能源效率图

问：热能

转化成

方便使用

方便储存

答：

介质转换

还有不通过介质而用类似热电偶直接转化成电能的

温差热发电

“比较方便使用的”

而

“方便存储的能量形式”

提高能量转化效率，也就是 使能量尽可能少地转化为别的能量形式，而更单纯地转换为所需要的能量形式。要知道，能量的转化过程 越是直接，则转化效率就越高（路径简洁、过程简单的转化效率更高）。比如电动车就比汽油车效率高，因为电可以直接通过导线与马达相连，能量也不会过多地因电阻而流失，大多数都转换成了机械能，而汽油机则需要通过燃烧气体后气体膨胀来推动活塞，另外还有一大堆的轴承连接着齿轮。连接的部件越多、需要的步骤越多 就越容易流失能量，效率自然也就降低了。

能耗是非常热门的话题，能量转换也因此具有更加重要的意义。电子设备已经成为我们日常生活中必不可少的一部分，减少这些设备的能耗将具有非常重要的意义。新型的IC（Integrated Circuit，集成电路）技术既可以达到节能的目的，还可以以低成本保持所需的功能与性能。

假设现有一台发电机，该发电机由电力驱动，并生产出电能。现请插上电，开动发电机，然后将所生产出的电能全部储存起来。当这台发电机运行了一段时间之后，电表显示共耗费了10度电，但检查了储存起来的电量却只有9度，那么，该电力驱动型发电机的能量转化效率就是9/10，即90%。当然，现实世界中是不可能用电力来驱动发电机的，这里只是为了便于阐述而打个比方。

中新网2008年7月25日电：日本大阪大学和美国俄亥俄州立大学等组成的研究小组成功将“热电材料”的能量转换率提高了一倍。

美国《科学》杂志电子版于 (2008年7月)25日登载了相关论文。

据日本共同社(2008年7月)25日报道，热电材料是一种能将热能转化为电能的半导体，在汽车引擎等数百度高温工作环境中的能量转换率最高。由于引擎会向外散发大量热，用这种材料覆盖包裹引擎可将热能转化为电能而加以有效利用。

大阪大学助教黑崎健表示：“这项技术以前的效率低下，甚至无法达到实用水平。…… 而今，随着该技术的成熟，已经可以将其应用到环保汽车等领域。”研究小组在一种叫做铅碲的物质里添加了铊后 成功开发出了新材料。以前添加的都是钠，而在使用铊后 使电子结构发生了变化，能量转换率提高了一倍。今后需要解决的是铊的高成本问题和确保铅的安全性。据黑崎介绍，研究人员还考虑将新热电材料用作太空探测器的动力源。

在生态系统中，能量存在于食物链的各个营养级之间。在不断地流动和转化的过程中，某一营养级的生物摄取的能量或同化量，占前一营养级生物换算或能量的生物量百分率。1942年由林德曼提出，他认为从一个营养级到另一个营养级的能量转换率为10%，则生产效率顺营养级逐级递减，即每通过一个营养级，能量减少90%。如果这个数值比例失调，就意味着生态系统中生物之间的数量平衡遭到破坏。也就是说能量转换的效率对于生态的作用也不容忽视。

在自然系统中，能量存在的形式主要为：热能、电能、内能、光能、声能、化学能、机械能、电磁能、原子能、生物能等集中形式，它们主要是通过一些机器设备来进行从“此种能”到“彼种能”的转变。

能量传递效率

：

可用能量金字塔来表示，

计算公式：

能量传递效率计算：

能量传递效率=下一营养级的同化量/本级的同化量；

对于简单的生态系统，能量传递效率一般在10%～20%之间；

对于复杂的生态系统，能量传递效率一般小于10%（如：初生演替，次生演替）。

能量利用效率：

从研究对象上分析：

生物同化量的概念：

指某一营养级从外环境中得到的全部化学能。它可表现为：这一营养级的呼吸消耗量、这一营养级流向下个营养级的能量、这一营养级流向分解者的能量、这一营养级的未被利用量。

1、对于生产者（一般为绿色植物）来说是指在光合作用中所固定的日光能，即总初级生产量(GP)。

2、对于消费者（一般为动物）来说，同化量表示消化道吸收到的能量（吃进的食物不一定都能吸收，故并非进食能量），粪便不算在同化量里，但呼吸消耗的能量算。

3、对于分解者（一般为腐生生物）来说是指细胞外的吸收能量。

生物同化量的基本计算：

同化量 = 摄入上一营养级的能量 - 粪便中的能量

同化量 = 自身生长、发育和繁殖量 + 呼吸消化量

同化量 = 呼吸消耗以热能形式散失的能量 + 流向下个营养级的能量 + 流向分解者的能量 + 未被利用的能量

能量不但有数量多少的问题，而且还有品质高低的问题。也正是由于能量的品质有高有低，才有了过程的方向性和热力学第二定律。电能和机械能可以完全转换为机械功，属于较高品质能量；热能只有部分可以转换为机械功，能量品质较低。随着能量传导，能量的数目可能不变，但能量品质只能下降，在极限条件下，品质不变，这称之为能量贬值原理，是热二律更为一般、更为概括的说法。

能量品质有高有低，可以从其可被利用的价值来看：煤、石油、天然气等能源储存的能量是高品质的，因为它们含的能量是高度有用的，可以转为机械能、电能等供人类使用。而高品质的能量被耗散时，被降级为不大可用的形式，如内能。因此，能量耗散虽不会使能量的总量减少，但能源会减少，所以我们必须节约能源。

能量转换效率存在于能量转换之间，而这关乎能量品质的高低。比如说电能，它的能量品质就很高，它转换为任意形式的能量都可以达到很高的转换效率。而如果用超导体传输电能，甚至还可实现100%的能量转换。

而其他的比如热能，其转换为机械能或者电能就不可能达到100%的转换效率，因为热力学第二定律限制了其转换效率（热无法百分之百转为功）。热电厂发电，其热电转化效率也只有45%左右，平均来看，这相当于近2/3的能量都损失掉了。因此，热能的能量品质自然就比电能低。

在没有其他变化时，能量转换效率不会超过100%。但在某些特殊环境下，燃料电池可以突破100%。