能量转化效率的相关知识与数据

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，水增加的内能是我们需要的能量，属于有用能量，而电热水壶消耗的电能是输入的总能量，所以此电热水壶烧水的效率为：
η = Q吸/ W = cmΔt / Pt = 42 × 103× 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336Kg热值为 34 × 107J / Kg 的无烟煤，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吸/ Q放= cmΔt / qm煤= 42 × 103× 100 ×（100－32）/（34 × 107× 336）= 25%
3、【太阳能热水器】：如有一总集热面积为135m2的热水器10h可将100Kg水从20℃加热到80℃，而每m2每小时地球表面接收的太阳能为 36 × 106J，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吸/ Q太阳= cmΔt / Q太阳= 42 × 103× 100 ×（80－20）/（36 × 106× 135 × 10）= 5185%
4、【热机】：
（1） S195柴油机标有 “027Kg / Kwh”，即它每消耗027Kg柴油可输出1Kwh的有用能量（柴油热值为 q = 33 × 107J / 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有/ Q放= 1Kwh / qm = 36 × 106/（33 × 107× 027）= 404%
（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 = 46 × 107J / 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有/ Q放= P出·t / qm = 69 × 103× 3600 /（46 × 107× 20）= 27%
5、【电动机】：标有 “6v3w” 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 = 05A，此电动机的效率为：
η = W机/ W总=（W总－Q）/ W总=（Pt－I2Rt）/ Pt =（P－I2R）/ P =（3－052× 3）/ 3 = 75%
6、【太阳能电池】：某太阳能汽车，太阳光照射到它的电池板上的辐射总功率为8×103W，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电/ Q太= UIt / P太t = UI / P太= 160 × 10 /（8 × 103）= 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光/ W电= W光/ 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电/ Q放= 92 Kwh / qm = 92 × 36 × 106/（34 × 107× 103）= 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 × 106/（110v × 103）= 200A，其输电效率为：
η = W有/ W总=（Pt－I2R线t）/ Pt =（P－I2R线）/ P =（22 × 106－2002× 50）/（22 × 106）= 909%
10、【电动车】：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有/ W总= fS / UIt = 288 × 15 × 103/（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。】 燃料的燃烧热可以以其HHV（高热值）或LHV（低热值）来表示，高热值的燃烧热是在燃烧后，生成物的水蒸气已凝结成液态时的燃烧热，因此加上水凝结时的潜热。低热值的燃烧热则是在燃烧后，生成物的水蒸气仍维持气态时的燃烧热，不考虑水凝结时的潜热。
燃料热值的选用会影响其能量转换效率的计算。在欧洲，一燃料可产生的能量是其低热值表示，不考虑水凝结时的潜热，以此为方式计算冷凝式锅炉的 “热效率”，其数值可能会超过100%，其原因是其工作原理会利用到部份水凝结时的潜热，但计算输入能量时未考虑此部份所造成，不违反热力学第一定律。在欧洲以外的国家，一燃料可产生的能量是其高热值表示，已考虑水凝结时的潜热，以此为基础 计算能量转换效率，其数字就不可能超过100%。
能量转换方式能量效率内燃机及外燃机10%～50%燃气涡轮发动机最大可到40%燃气涡轮发动机加上蒸汽涡轮发动机（复合循环）最大可到60%水力发动机最大可到90%风力发动机最大可到59%（理论上限）太阳能电池6%～40%
（和使用技术有关，一般的效率约15%，理论上限为85%～90%） 枪械～30%（300英寸的子弹）[03英寸≈762毫米]燃料电池最大可到85%水的电解50%～70%（理论上限为80%～94%）光合作用可达6%肌肉14%～27%电动机功率小于10瓦的小电动机：30%～60%；
功率在10瓦到200瓦之间的电动机：50%～90% ；
功率超过200瓦的电动机：99%以上。 家用冰箱低阶系统约为20%，高阶系统约为40～50%电灯泡5%～10%发光二极管最大可到35%萤光灯28%钠灯405%金属卤化物灯24%开关电源实务应用可以到95%电热水器90%～95%电热器约95% 问：热能怎样才能转化成其他比较方便使用或者方便储存的能量形式呢？比如电能、机械能。
答：主要以介质转换的方式为主。比如通过水这种介质，首先使水变成高温高压的水蒸气，然后将之用来驱动汽轮机或蒸汽机而变成机械能，最后汽轮机带动发电机转化为电能。还可以通过燃气这种介质，用各种热机（汽油机、柴油机、燃气轮机）将热能转化成机械能，如进一步用该机械能来带动发电机自然还可以转化为电能。
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，但效率低，无法大规模应用。
“比较方便使用的”首推电能，通过电动机很容易就可将电能转化成机械能，通过电热器件则很容易转化成热能、光能等。
而“方便存储的能量形式”主要应是以电池形式存在的化学能。 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：是能量在沿食物链流动的过程中，是逐级递减的。若以营养级为单位，能量在相邻的两个营养级之间的传递效率为10%～20%。
可用能量金字塔来表示，计算公式：能量传递效率=上一营养级的同化量/下一营养级的同化量×100%。
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：通常是流入人类中的能量占生产者能量的比值，或最高营养级能量占生产者能量的比值。或考虑分解者的参与以实现能量的多级利用。在一个生态系统中，食物链越短，能量的利用率就越高。同时，生态系统中的生物种类越多、营养结构越复杂，能量的利用率也就越高。
从研究对象上分析：能量传递效率是以营养级为研究对象的，而能量利用效率则是以最高营养级或人类为研究对象的。
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%。

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