Hyötysuhde

Kone K tarvitsee energiaa toimiakseen. Osa energiasta menee hukkaan.

Hyötysuhde (tunnus $\eta$) on fysikaalinen dimensioton suure, joka kertoo suhdelukuna, kuinka suuri osa järjestelmään syötetystä energiasta voidaan hyödyntää varsinaista tarkoitusta varten.

Esimerkiksi kun ihminen työntää laatikkoa ylös kaltevaa lankkua pitkin, kaikki energia ei muutu potentiaalienergiaksi. Osa energiasta muuttuu kitkan vaikutuksesta lämpöenergiaksi, joka on tarkoituksen kannalta hukkaan heitettyä energiaa. Tällöin hyötysuhde on laatikon saaman potentiaalienergian ja ihmisen käyttämän työntöenergian suhde.

Hyötysuhde määritellään hieman eri tavoin riippuen koneen rakenteesta. Käsitellään seuraavaksi mekaanisen koneen ja lämpövoimakoneen hyötysuhteita:

Mekaaninen hyötysuhde

Mekaaninen hyötysuhde $\eta$ (eeta) määritellään:

$\eta ={\frac {W_{2}}{W_{1}}}={\frac {P_{2}}{P_{1}}}$,

missä $W_{1}$ on koneeseen syötetty työ ja $W_{2}$ on koneen tekemä työ sekä $P_{1}$ on koneeseen tuleva teho ja $P_{2}$ koneesta ulos tuleva teho. Tilannetta on havainnollistettu yllä olevassa kuvassa, missä kone K tarvitsee työn $W_{1}$, jotta se tekisi työn $W_{2}$. Kone hukkaa energian $W_{1}-W_{2}$.

Tästä määritelmästä ei selviä, mitä tarkoitetaan koneen tekemällä työllä. Esimerkiksi kone, joka tuottaa 30 prosentilla siihen syötetystä energiasta lämpöä ja lopulla leluja, voidaan tulkita sataprosenttisen tehokkaaksi, jos konetta käytetään myös tehtaan lämmitykseen. Käytännössä mekaaninen hyötysuhde on aina välillä [0,1). Ihannetapauksessa η=1 koneesta ei tulisi lainkaan sivutuotteita, vaan kaikki energia voitaisiin hyödyntää koneen varsinaiseen tarkoitukseen.

Millään koneella ei voi olla hyötysuhdetta η > 1, sillä energiaperiaatteen mukaan universumin energiamäärä on vakio. Muussa tapauksessa kone voisi tuottaa itselleen energiaa omaa käyntiään varten ja vielä sen jälkeen tuottaa jotain muuta tuotetta. Tämä olisi jonkinlainen ikiliikkuja.

Terminen hyötysuhde

Terminen hyötysuhde määritellään

$\eta ={\frac {W}{Q_{1}}}$,

missä $W$ on koneesta saatava työ kun siihen syötetään lämpöenergia $Q_{1}$ lämpövarastosta. Tämä voidaan kirjoittaa myös muodossa

$\eta ={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}}$,

missä $Q_{2}$ on koneesta siirretty lämpöenergia kylmään varastoon. Lämpövarastona voisi toimia esimerkiksi hiilipannu ja kylmävarastona tyypillisesti ulkoilma tai vesi. Aluksi voi vaikuttaa siltä, että tämä määritelmä ei olisi samanhenkinen kuin mekaanisen hyötykertoimen määritelmä. Jos asia kuitenkin tulkitaan siten, että kaikki lämpö, mitä ei hyödynnetä koneessa, on hukkaan heitettyä, niin huomataan, että periaate on sama. Tässä on siis otettu kantaa siihen, mikä on koneen tarkoitus, päinvastoin kuin lelukone-esimerkissä.

Yhtälöstä nähdään suoraan, että suurin mahdollinen hyötykerroin saadaan, kun $Q_{2}=0$ eli kaikki lämpöenergia kyetään hyödyntämään. Tämä ei ole mahdollista, koska alemman lämpövaraston lämpötila pitäisi olla 0 K (absoluuttinen nollapiste), jota ei pystytä saavuttamaan. Käytännössä terminen hyötysuhde on usein alle puolet.

Katso myös

• Kone
• Energia