Thermischer Wirkungsgrad
Der thermische Wirkungsgrad ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} 
) ist ein dimensionsloses Leistungsmaß für ein thermisches Gerät wie z.B. einen Verbrennungsmotor, einen Kessel oder eine Feuerung.
Die Eingabe, Q i n {\Anzeigestil Q_{\in}\,}
, in das Gerät ist Wärme oder der Wärmeinhalt eines verbrauchten Brennstoffs. Die gewünschte Ausgabe ist mechanische Arbeit, W o u t {\Displaystyle W_{out}\,}
, oder Wärme, Q o u t {\Displaystyle Q_{\out}\,}
, oder möglicherweise beides. Da die eingespeiste Wärme normalerweise mit realen finanziellen Kosten verbunden ist, lautet eine einprägsame, allgemeine Definition der thermischen Effizienz
η t h h ≡ Ausgabe Eingabe . {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{Output}}{\text{Input}}}. } 
Aus dem ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ergibt sich, dass der Output den Input nicht überschreiten darf, also
0 ≤ η t h ≤ 1.0. {\Anzeigestil 0\leq \eta _{th}\leq 1.0.} 
Als Prozentsatz ausgedrückt, muss der thermische Wirkungsgrad zwischen 0% und 100% liegen. Aufgrund von Ineffizienzen wie Reibung, Wärmeverlust und anderen Faktoren liegt der thermische Wirkungsgrad in der Regel weit unter 100%. Zum Beispiel arbeitet ein typischer Benzin-Automotor mit einem thermischen Wirkungsgrad von etwa 25%, und ein großes kohlebetriebenes Elektrokraftwerk erreicht einen Spitzenwert von etwa 36%. In einem Kombikraftwerk liegt der thermische Wirkungsgrad bei nahezu 60%.
Wärmekraftmaschinen
Bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist der thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine der Prozentsatz der Energie, der in Arbeit umgewandelt wird. Der thermische Wirkungsgrad ist definiert als
η t h ≡ W o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} 
,
oder über den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, um die produzierte Arbeit durch Abwärmeabgabe zu ersetzen,
η t h = 1 - Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {Q_{out}}}{Q_{in}}}} 
.
Wenn zum Beispiel 1000 Joule thermische Energie in 300 Joule mechanische Energie umgewandelt werden (wobei die restlichen 700 Joule als Abwärme abgeführt werden), beträgt der thermische Wirkungsgrad 30%.
Energieumwandlung
Für ein Energieumwandlungsgerät wie einen Kessel oder Ofen beträgt der thermische Wirkungsgrad
η t h ≡ Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} 
.
Für einen Kessel, der 210 kW (oder 700.000 BTU/h) Leistung pro 300 kW (oder 1.000.000 BTU/h) Wärmeäquivalent erzeugt, beträgt sein thermischer Wirkungsgrad 210/300 = 0,70 oder 70%. Dies bedeutet, dass 30 % der Energie an die Umwelt verloren gehen.
Ein elektrischer Widerstandsheizer hat einen thermischen Wirkungsgrad von 100 % oder sehr nahe 100 %, so dass zum Beispiel 1500 W Wärme für 1500 W elektrischen Input erzeugt werden. Beim Vergleich von Heizeinheiten, wie z.B. einer 100% effizienten elektrischen Widerstandsheizung mit einem 80% effizienten, mit Erdgas betriebenen Ofen, müssen die Energiepreise verglichen werden, um die niedrigeren Kosten zu ermitteln.
Wärmepumpen und Kühlschränke
Wärmepumpen, Kühlschränke und Klimaanlagen zum Beispiel bewegen Wärme, anstatt sie umzuwandeln, so dass andere Maßnahmen erforderlich sind, um ihre thermische Leistung zu beschreiben. Die gebräuchlichsten Messgrößen sind der Leistungskoeffizient (COP), der Energie-Effizienzgrad (EER) und der jahreszeitliche Energie-Effizienzgrad (SEER).
Die Effizienz einer Wärmepumpe (HP) und von Kühlschränken (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 {\Anzeigestil \Anzeigestil E_{HP}-E_{R}=1} 
Wenn die Temperaturen an beiden Enden der Wärmepumpe oder des Kühlschranks konstant und ihre Prozesse reversibel sind:
E H P = T H T H - T L {\darstellungsstil E_{HP}={\frac {T_{H}}}{T_{H}-T_{L}}}} 
E R = T L T T H - T L {\Anzeigestil E_{R}={\frac {T_{L}}{T_{H}-T_{L}}}} 
Energie-Effizienz
Der 'thermische Wirkungsgrad' wird manchmal auch als Energieeffizienz bezeichnet. In den Vereinigten Staaten ist der SEER im täglichen Gebrauch das gebräuchlichere Maß für die Energieeffizienz von Kühlgeräten sowie von Wärmepumpen im Heizbetrieb. Für Heizgeräte mit Energieumwandlung wird oft ihre höchste stationäre thermische Effizienz angegeben, z.B. "dieser Ofen ist 90% effizient", aber ein detaillierteres Maß für die jahreszeitliche Energieeffizienz ist die jährliche Brennstoffnutzungseffizienz (Annual Fuel Utilization Efficiency, AFUE).
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Fragen und Antworten
F: Was ist der thermische Wirkungsgrad?
A: Der thermische Wirkungsgrad ist ein dimensionsloses Maß für die Leistung eines thermischen Geräts, z.B. eines Verbrennungsmotors, eines Kessels oder eines Ofens. Er wird berechnet, indem man die Leistung durch die Leistung des Geräts dividiert.
F: Was sind einige Beispiele für thermische Geräte?
A: Beispiele für thermische Geräte sind Verbrennungsmotoren, Heizkessel und Öfen.
F: Was ist der Input für ein thermisches Gerät?
A: Der Input für ein thermisches Gerät ist Wärme oder der Wärmeinhalt eines Brennstoffs, der verbraucht wird.
F: Was ist die gewünschte Leistung eines thermischen Geräts?
A: Der gewünschte Output eines thermischen Geräts kann mechanische Arbeit, Wärme oder beides sein.
F: Wie kann man den thermischen Wirkungsgrad allgemein definieren?
A: Der thermische Wirkungsgrad kann allgemein als Output/Input definiert werden.
F: In welchem Bereich liegt der Wert für ηth?
A: Der Wert für ηth muss zwischen 0 und 1,0 liegen, wenn er in Prozent ausgedrückt wird, muss er zwischen 0% und 100% liegen.
F: Liegen die typischen Werte für ηth normalerweise nahe bei 100%?
A: Nein, aufgrund von Ineffizienzen wie Reibung und Wärmeverlust liegen die typischen Werte für ηth weit unter 100%. Zum Beispiel arbeiten Benzinmotoren in der Regel mit etwa 25%, während große kohlebefeuerte Stromerzeugungsanlagen Spitzenwerte von etwa 36% erreichen und Kombikraftwerke bis zu 60%.
