Verkningsgrad

Verkningsgrad är en dimensionslös storhet som betecknar hur effektivt ett system omvandlar energi till nyttigt arbete i någon form.

Termodynamik

Verkningsgraden betecknas inom termodynamiken vanligtvis med η (eta). Den är en kvantitet som anger hur mycket av ett systems energi som går att utvinna till användbart mekaniskt arbete.

Verkningsgraden definieras som kvoten mellan utvunnet arbete (W) och tillförd värmemängd (Q) genom sambandet

$\eta = \frac{W}{Q}$.

För gaser, där den tillförda värmemängden övergår till arbete genom att volymen expanderar eller kontraherar, ges den maximala (eller ideala) verkningsgraden av

$\eta = \frac{T_1 - T_2}{T_1}$,

där $T_1$ är temperatur före ändring och $T_2$ är temperatur efter förändring. Den största verkningsgraden ges således om systemet bara kan ändra sin temperatur.

Allmänt

I allmänhet betecknar verkningsgrad kvoten mellan utvunnen nyttoenergi, oavsett i vilken form, och tillförd energi, oavsett i vilken form. Verkningsgraden är i praktiken alltid mindre än 1 eftersom alla verkliga system har energiförluster i någon form. Ibland använder man kvoten mellan nyttig och tillförd effekt, vilket är ekvivalent.

Exempel

En vanlig lågenergilampa med effekten 16 watt avger synligt ljus med en effekt av cirka 12 watt (resten avges som värme). Verkningsgraden blir då

$\frac{12}{16}=0.75=75\%$

Verkningsgraden hos förbränningsmotorer kan aldrig vara större än ΔT/T, så att det är en fördel att ha en hög temperatur. Här finns det dock praktiska begränsningar i materialens hållfasthet och oönskad produktion av kväveoxider. Den teoretiska termodynamiska verkningsgraden uppnås endast under kvasistatiska processer. För en explosionsmotor blir verkningsgraden avsevärt lägre. En bensinmotor har under idealiska driftsförhållanden en verkningsgrad på ungefär 30% med hänseende till bränslets kemiska energi. Stora, långsamtgående dieselmotorer som används i större fartyg kan uppnå en verkningsgrad på cirka 50%. Elmotorer och generatorer har större verkningsgrad, 90-95% är normalt.

Verkningsgrader större än ett

Ibland ser man siffror på verkningsgrad större än ett på vissa apparater, till exempel värmepumpar som brukar ha en angiven "verkningsgrad" mellan två och tre. Då syftar verkningsgraden enbart på mängden utvunnen värme jämfört med enbart tillförd elektrisk energi. Resterande energi tas ur den omgivande luften/jorden/vattnet och den totala verkningsgraden för systemet blir till slut mindre än ett. Korrektare benämning i detta fall är värmefaktor.

Ett system som verkligen hade en verkningsgrad större än ett skulle vara en evighetsmaskin, och är alltså omöjligt.

Systemtänkande/samhällsperspektiv

Även om en apparat i sig har en till synes mycket hög verkningsgrad behöver det inte betyda att det är en energioptimal lösning. Ett elektriskt värmeelement har till exempel i princip 100 procents verkningsgrad, men elen skulle istället kunna användas för att driva en värmepump.