Hyötysuhde

Kone K tarvitsee energiaa toimiakseen. Osa energiasta menee hukkaan.

Hyötysuhde (tunnus $\eta$) on fysikaalinen dimensioton suure, joka voidaan ymmärtää koneen tehokkuusasteena. Toisin sanoin, jos koneeseen syötetään tietty määrä energiaa, niin hyötysuhde kertoo suhdelukuna kuinka suuri osa siitä energiasta voidaan hyödyntää koneen varsinaista tarkoitusperää varten. Esimerkiksi kun ihminen työntää laatikkoa ylös lankkua pitkin, voidaan se ymmärtää seuraavasti: lankku on kone (tässä tapauksessa kalteva taso), jonka avulla voidaan muuttaa kappaleen potentiaalienergiaa. Koneeseen on syötettävä sopivalla tavalla energiaa (ihminen työntää), mutta kaikki energia ei muutu potentiaalienergiaksi. Osa energiasta muuttuu kitkan vaikutuksesta lämpöenergiaksi, joten koneen tarkoituksen kannalta tämä on hukkaan heitettyä energiaa.

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 $W_1 -W_2$.

Huomaa, että tämän määritelmän myötä ei selviä, mitä tarkoitetaan koneen tekemällä työllä. Esimerkiksi kone, joka tuottaa 30 %:lla siihen syötetystä energiasta lämpöä ja lopulla leluja, voidaan tulkita 100 % tehokkaaksi, jos konetta käytetään myös tehtaan lämmitykseen. Käytännössä mekaaninen hyötysuhde on aina välillä [0,1). Ideaalisessa tapauksessa η=1 koneesta ei tulisi lainkaan sivutuotteita ja 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 ja $Q_2$ 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.

On helppo huomata, että suurin mahdollinen hyötykerroin saadaan, kun $Q_2 = 0$ eli kaikki lämpöenergia kyetään hyödyntämään. Tämä on mahdollista vain, jos alemman lämpövaraston lämpötila on 0 K (absoluuttinen nollapiste). Käytännössä terminen hyötysuhde on usein alle 50 %.

Katso myös

• Kone
• Energia