الكفاءة الحرارية

الديناميكا الحرارية
محرك كارنو الحراري الكلاسيكي
الفروع كلاسيكي إحصائية كيميائي الديناميكا الحرارية الكمومية التوازن  / عدم التوازن
القوانين صفر أولاً ثانية ثالث
الأنظمة نظام مغلق نظام مفتوح نظام معزول ولاية معادلة الحالة الغاز المثالي الغاز الحقيقي حالة المادة الطور (المادة) التوازن التحكم في مستوى الصوت الآلات الموسيقية العمليات متساوي الضغط متساوي الأضلاع متحاور أدياباتيك إيزنتروبيا إيزنثالبيك شبه ثابت متعدد الخواص التوسعة المجانية قابلية الانعكاس عدم الرجوع قابلية الرجوع إلى الوراء الدورات محركات حرارية مضخات الحرارة الكفاءة الحرارية
خصائص النظام ملحوظة: المتغيرات المترافقة مكتوبة بخط مائل مخططات العقارات خصائص مكثفة وواسعة النطاق وظائف العملية عمل حرارة وظائف الدولة درجة الحرارة  / الإنتروبيا  ( مقدمة ) الضغط  / الحجم الإمكانات الكيميائية  / عدد الجسيمات جودة البخار خصائص مخفضة
خصائص المواد قواعد بيانات العقارات السعة الحرارية النوعية  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ الانضغاطية  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ التمدد الحراري  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
المعادلات نظرية كارنو نظرية كلاوزيوس العلاقة الأساسية قانون الغاز المثالي علاقات ماكسويل العلاقات المتبادلة بين أونسيجر معادلات بريدجمان Table of thermodynamic equations
Potentials Free energy Free entropy Internal energy ${\displaystyle U(S,V)}$ Enthalpy ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Helmholtz free energy ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Gibbs free energy ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
History Culture History General Entropy Gas laws "Perpetual motion" machines Philosophy Entropy and time Entropy and life Brownian ratchet Maxwell's demon Heat death paradox Loschmidt's paradox Synergetics Theories Caloric theory Vis viva ("living force") Mechanical equivalent of heat Motive power Key publications An Inquiry Concerning the Source ... Friction On the Equilibrium of Heterogeneous Substances Reflections on the Motive Power of Fire Timelines Thermodynamics Heat engines Art Education Maxwell's thermodynamic surface Entropy as energy dispersal
Scientists Bernoulli Boltzmann Bridgman Carathéodory Carnot Clapeyron Clausius de Donder Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Kelvin Lewis Massieu Maxwell von Mayer Nernst Onsager Planck Rankine Smeaton Stahl Tait Thompson van der Waals Waterston
Other Nucleation Self-assembly Self-organization Order and disorder
Category
v t e

في الديناميكا الحرارية ، الكفاءة الحرارية ( ) هي مقياس أداء بلا أبعاد لجهاز يستخدم الطاقة الحرارية ، مثل محرك الاحتراق الداخلي ، والتوربين البخاري ، والمحرك البخاري ، والغلاية ، والفرن ، والثلاجة ، وأجهزة التكييف وما إلى ذلك. ${\displaystyle \eta _{\rm {th}}}$

بالنسبة للمحرك الحراري ، الكفاءة الحرارية هي نسبة صافي العمل الناتج إلى الحرارة المدخلة؛ في حالة المضخة الحرارية ، الكفاءة الحرارية (المعروفة باسم معامل الأداء أو COP) هي نسبة صافي الحرارة الناتجة (للتدفئة)، أو صافي الحرارة المزالة (للتبريد) إلى الطاقة المدخلة (العمل الخارجي). كفاءة المحرك الحراري كسرية حيث يكون الناتج دائمًا أقل من المدخل بينما يكون COP للمضخة الحرارية أكبر من 1. هذه القيم مقيدة أيضًا بنظرية كارنو .

بشكل عام، كفاءة تحويل الطاقة هي النسبة بين الناتج المفيد لجهاز والمدخلات ، من حيث الطاقة . بالنسبة للكفاءة الحرارية، المدخلات، ، للجهاز هي الحرارة ، أو محتوى الحرارة للوقود المستهلك. الناتج المطلوب هو العمل الميكانيكي ، ، أو الحرارة، ، أو ربما كليهما. نظرًا لأن الحرارة المدخلة لها تكلفة مالية حقيقية عادةً، فإن التعريف العام الذي لا يُنسى للكفاءة الحرارية هو ^[1]${\displaystyle Q_{\rm {in}}}$${\displaystyle W_{\rm {out}}}$${\displaystyle Q_{\rm {out}}}$

$${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\equiv {\frac {\text{benefit}}{\text{cost}}}.}$$

وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، لا يمكن لطاقة الإخراج أن تتجاوز المدخلات، ووفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية لا يمكن أن تكون متساوية في عملية غير مثالية، لذا $${\displaystyle 0\leq \eta _{\rm {th}}<1}$$

عندما يتم التعبير عنها كنسبة مئوية، يجب أن تكون الكفاءة الحرارية بين 0٪ و 100٪. يجب أن تكون الكفاءة أقل من 100٪ لأن هناك عدم كفاءة مثل الاحتكاك وفقدان الحرارة التي تحول الطاقة إلى أشكال بديلة. على سبيل المثال، يعمل محرك سيارة البنزين النموذجي بكفاءة حوالي 25٪، وتصل ذروة محطة توليد الكهرباء الكبيرة التي تعمل بالفحم إلى حوالي 46٪. ومع ذلك، دفعت التطورات في لوائح رياضة السيارات الفورمولا 1 الفرق إلى تطوير وحدات طاقة عالية الكفاءة تبلغ ذروتها حوالي 45-50٪ من الكفاءة الحرارية. يبلغ أكبر محرك ديزل في العالم ذروته عند 51.7٪. في محطة الدورة المركبة ، تقترب الكفاءات الحرارية من 60٪. ^[2] يمكن استخدام هذه القيمة في العالم الحقيقي كرقم جدارة للجهاز.

بالنسبة للمحركات التي يتم فيها حرق الوقود، هناك نوعان من الكفاءة الحرارية: الكفاءة الحرارية المشار إليها والكفاءة الحرارية للفرامل. ^[3] هذا الشكل من الكفاءة مناسب فقط عند مقارنة أنواع أو أجهزة مماثلة.

بالنسبة للأنظمة الأخرى، تختلف تفاصيل حسابات الكفاءة، ولكن المدخلات غير البعدية لا تزال هي نفسها:
الكفاءة = طاقة الإخراج / طاقة الإدخال.

تحول المحركات الحرارية الطاقة الحرارية ، أو الحرارة، Q _إلى طاقة ميكانيكية ، أو عمل ، W _خارج . لا يمكنها القيام بهذه المهمة بشكل مثالي، لذلك لا يتم تحويل بعض طاقة الحرارة الداخلة إلى عمل، بل تتبدد كحرارة مهدرة Q _خارج < 0 في المناطق المحيطة:

${\displaystyle Q_{in}=|W_{\rm {out}}|+|Q_{\rm {out}}|}$

الكفاءة الحرارية للمحرك الحراري هي نسبة الطاقة الحرارية التي يتم تحويلها إلى عمل . يتم تعريف الكفاءة الحرارية على أنها

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\equiv {\frac {|W_{\rm {out}}|}{Q_{\rm {in}}}}={\frac {{Q_{\rm {in}}}-|Q_{\rm {out}}|}{Q_{\rm {in}}}}=1-{\frac {|Q_{\rm {out}}|}{Q_{\rm {in}}}}}$

كفاءة حتى أفضل المحركات الحرارية منخفضة؛ عادة ما تكون أقل من 50% وغالبًا ما تكون أقل بكثير. لذا فإن الطاقة المفقودة للبيئة بواسطة المحركات الحرارية هي إهدار كبير لموارد الطاقة. نظرًا لأن جزءًا كبيرًا من الوقود المنتج في جميع أنحاء العالم يذهب إلى تشغيل المحركات الحرارية، فربما يهدر ما يصل إلى نصف الطاقة المفيدة المنتجة في جميع أنحاء العالم في عدم كفاءة المحرك، على الرغم من أن مخططات التوليد المشترك والدورة المركبة وإعادة تدوير الطاقة الحديثة بدأت في استخدام هذه الحرارة لأغراض أخرى. يمكن أن يُعزى هذا الانخفاض في الكفاءة إلى ثلاثة أسباب. هناك حد نظري عام لكفاءة أي محرك حراري بسبب درجة الحرارة، يُسمى كفاءة كارنو. ثانيًا، تتمتع أنواع معينة من المحركات بحدود أدنى لكفاءتها بسبب عدم قابلية الرجوع المتأصلة لدورة المحرك التي تستخدمها. ثالثًا، يتسبب السلوك غير المثالي للمحركات الحقيقية، مثل الاحتكاك الميكانيكي والخسائر في عملية الاحتراق في المزيد من خسائر الكفاءة.

يضع القانون الثاني للديناميكا الحرارية حدًا أساسيًا على الكفاءة الحرارية لجميع المحركات الحرارية. حتى المحرك المثالي الخالي من الاحتكاك لا يمكنه تحويل ما يقرب من 100٪ من الحرارة الداخلة إلى عمل. العوامل المحددة هي درجة الحرارة التي تدخل عندها الحرارة إلى المحرك، ، ودرجة حرارة البيئة التي يستنفد فيها المحرك حرارته المهدرة، ، مقاسة بمقياس مطلق، مثل مقياس كلفن أو رانكين . من نظرية كارنو ، لأي محرك يعمل بين هاتين الدرجتين: ^[4]${\displaystyle T_{\rm {H}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {C}}\,}$

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq 1-{\frac {T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}}}}$

هذه القيمة الحدية تسمى كفاءة دورة كارنو لأنها كفاءة دورة محرك عكسية مثالية لا يمكن تحقيقها تسمى دورة كارنو . لا يمكن لأي جهاز يحول الحرارة إلى طاقة ميكانيكية، بغض النظر عن بنيته، أن يتجاوز هذه الكفاءة.

ومن الأمثلة على ذلك درجة حرارة البخار الساخن الذي يدخل إلى توربين محطة الطاقة البخارية ، أو درجة الحرارة التي يحترق عندها الوقود في محرك الاحتراق الداخلي . وعادةً ما تكون درجة الحرارة المحيطة حيث يوجد المحرك، أو درجة حرارة البحيرة أو النهر الذي يتم فيه تصريف الحرارة المهدرة. على سبيل المثال، إذا كان محرك السيارة يحرق البنزين عند درجة حرارة ودرجة الحرارة المحيطة هي ، فإن أقصى كفاءة ممكنة له هي: ${\displaystyle T_{\rm {H}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {C}}}$${\displaystyle T_{\rm {H}}=816^{\circ }{\text{C}}=1500^{\circ }{\text{F}}=1089{\text{K}}}$${\displaystyle T_{\rm {C}}=21^{\circ }{\text{C}}=70^{\circ }{\text{F}}=294{\text{K}}}$

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq \left(1-{\frac {294K}{1089K}}\right)100\%=73.0\%}$

يمكن ملاحظة أنه نظرًا لأن البيئة ثابتة، فإن الطريقة الوحيدة للمصمم لزيادة كفاءة كارنو للمحرك هي زيادة درجة الحرارة التي تضاف عندها الحرارة إلى المحرك. تزداد كفاءة المحركات الحرارية العادية أيضًا بشكل عام مع درجة حرارة التشغيل ، والمواد الهيكلية المتقدمة التي تسمح للمحركات بالعمل في درجات حرارة أعلى هي مجال بحث نشط. ${\displaystyle T_{\rm {C}}}$${\displaystyle T_{\rm {H}}}$

وبسبب الأسباب الأخرى المفصلة أدناه، فإن المحركات العملية تتمتع بكفاءة أقل بكثير من حد كارنو. على سبيل المثال، محرك السيارة المتوسط ​​الكفاءة أقل من 35%.

تنطبق نظرية كارنو على الدورات الديناميكية الحرارية، حيث يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي. يمكن للأجهزة التي تحول الطاقة الكيميائية للوقود مباشرة إلى عمل كهربائي، مثل خلايا الوقود ، أن تتجاوز كفاءة كارنو. ^{[5] [6]}

دورة كارنو قابلة للعكس وبالتالي تمثل الحد الأعلى لكفاءة دورة المحرك. دورات المحرك العملية غير قابلة للعكس وبالتالي يكون لها كفاءة أقل بطبيعتها من كفاءة كارنو عند تشغيلها بين نفس درجات الحرارة و . أحد العوامل التي تحدد الكفاءة هو كيفية إضافة الحرارة إلى سائل العمل في الدورة وكيفية إزالتها. تحقق دورة كارنو أقصى قدر من الكفاءة لأن كل الحرارة تضاف إلى سائل العمل عند أقصى درجة حرارة ، وتتم إزالتها عند أدنى درجة حرارة . على النقيض من ذلك، في محرك الاحتراق الداخلي، لا تقترب درجة حرارة خليط الوقود والهواء في الأسطوانة من ذروة درجة حرارتها عندما يبدأ الوقود في الاحتراق، ولا تصل إلى ذروة درجة الحرارة إلا عندما يتم استهلاك كل الوقود، وبالتالي فإن متوسط ​​درجة الحرارة التي تضاف عندها الحرارة تكون أقل، مما يقلل من الكفاءة. ${\displaystyle T_{\rm {H}}}$${\displaystyle T_{\rm {C}}}$${\displaystyle T_{\rm {H}}}$${\displaystyle T_{\rm {C}}}$

إن أحد أهم المعايير في كفاءة محركات الاحتراق هو نسبة الحرارة النوعية لخليط الهواء والوقود، γ . وتختلف هذه النسبة إلى حد ما باختلاف الوقود، ولكنها تقترب عمومًا من قيمة الهواء 1.4. وعادةً ما تُستخدم هذه القيمة القياسية في معادلات دورة المحرك أدناه، وعند إجراء هذا التقريب تُسمى الدورة دورة الهواء القياسية .

• دورة أوتو: السيارات دورة أوتو هو اسم الدورة المستخدمة في محركات الاحتراق الداخلي ذات الشرارة مثل محركات السيارات التي تعمل بالبنزين والهيدروجين . تعتمد كفاءتها النظرية على نسبة الانضغاط r للمحرك ونسبة الحرارة النوعية γ للغاز في غرفة الاحتراق. ^{[4] : 558} وبالتالي، تزداد الكفاءة مع نسبة الانضغاط. ومع ذلك، فإن نسبة الانضغاط لمحركات دورة أوتو محدودة بالحاجة إلى منع الاحتراق غير المنضبط المعروف باسم الطرق . تتمتع المحركات الحديثة بنسب انضغاط في النطاق من 8 إلى 11، مما يؤدي إلى كفاءة دورة مثالية تتراوح من 56٪ إلى 61٪. $${\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}}$$
• دورة الديزل: الشاحنات والقطارات في دورة الديزل المستخدمة في محركات الشاحنات والقطارات التي تعمل بالديزل ، يتم إشعال الوقود بالضغط في الأسطوانة. تعتمد كفاءة دورة الديزل على r و γ مثل دورة أوتو، وأيضًا على نسبة القطع ، r _c ، وهي نسبة حجم الأسطوانة في بداية ونهاية عملية الاحتراق: ^[4] تكون دورة الديزل أقل كفاءة من دورة أوتو عند استخدام نفس نسبة الضغط. ومع ذلك، فإن محركات الديزل العملية أكثر كفاءة بنسبة 30٪ - 35٪ من محركات البنزين. ^[7] وذلك لأنه نظرًا لعدم إدخال الوقود إلى غرفة الاحتراق حتى يكون مطلوبًا للاشتعال، فإن نسبة الضغط لا تقتصر على الحاجة إلى تجنب الطرق، لذلك يتم استخدام نسب أعلى من تلك الموجودة في محركات الاشتعال بالشرارة.$${\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {r^{1-\gamma }(r_{\rm {c}}^{\gamma }-1)}{\gamma (r_{\rm {c}}-1)}}}$$
• دورة رانكين: محطات الطاقة البخارية دورة رانكين هي الدورة المستخدمة في محطات الطاقة البخارية التوربينية. يتم إنتاج الغالبية العظمى من الطاقة الكهربائية في العالم بهذه الدورة. نظرًا لأن السائل العامل في الدورة، الماء، يتحول من سائل إلى بخار ثم يعود أثناء الدورة، فإن كفاءتها تعتمد على الخصائص الديناميكية الحرارية للماء. يمكن أن تصل الكفاءة الحرارية لمحطات التوربينات البخارية الحديثة ذات دورات إعادة التسخين إلى 47٪، وفي محطات الدورة المركبة ، حيث يتم تشغيل التوربين البخاري بحرارة العادم من توربين غازي، يمكن أن تقترب من 60٪. ^[4]
• دورة برايتون: التوربينات الغازية والمحركات النفاثة دورة برايتون هي الدورة المستخدمة في التوربينات الغازية والمحركات النفاثة . وتتكون من ضاغط يزيد من ضغط الهواء الداخل، ثم يضاف الوقود باستمرار إلى التدفق ويحرق، وتتمدد غازات العادم الساخنة في التوربين. وتعتمد الكفاءة إلى حد كبير على نسبة الضغط داخل غرفة الاحتراق p ₂ إلى الضغط خارج p ₁ ^[4] $${\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {1-\gamma }{\gamma }}}$$

لا ينبغي للمرء أن يخلط بين الكفاءة الحرارية والكفاءات الأخرى المستخدمة عند مناقشة المحركات. تعتمد صيغ الكفاءة المذكورة أعلاه على نماذج رياضية مثالية بسيطة للمحركات، بدون احتكاك وسوائل عاملة تتبع قواعد ترموديناميكية بسيطة تسمى قانون الغاز المثالي . تحتوي المحركات الحقيقية على العديد من الانحرافات عن السلوك المثالي الذي يهدر الطاقة، مما يقلل من الكفاءة الفعلية إلى ما دون القيم النظرية المذكورة أعلاه. الأمثلة هي:

• احتكاك الأجزاء المتحركة
• احتراق غير فعال
• فقدان الحرارة من غرفة الاحتراق
• خروج السائل العامل عن الخواص الديناميكية الحرارية للغاز المثالي
• مقاومة هوائية للهواء المتحرك خلال المحرك
• الطاقة التي تستخدمها المعدات المساعدة مثل مضخات النفط والمياه.
• ضواغط و توربينات غير فعالة
• توقيت الصمام غير مثالي

يمكن أخذ هذه العوامل في الاعتبار عند تحليل الدورات الديناميكية الحرارية، إلا أن مناقشة كيفية القيام بذلك تقع خارج نطاق هذه المقالة.

بالنسبة لجهاز يحول الطاقة من شكل آخر إلى طاقة حرارية (مثل السخان الكهربائي أو الغلاية أو الفرن)، فإن الكفاءة الحرارية هي

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\equiv {\frac {|Q_{\rm {out}}|}{Q_{\rm {in}}}}}$

حيث تكون الكميات عبارة عن قيم مكافئة للحرارة. ${\displaystyle Q}$

وبالتالي، بالنسبة للغلاية التي تنتج 210 كيلو وات (أو 700000 وحدة حرارية بريطانية/ساعة) من الطاقة لكل 300 كيلو وات (أو 1000000 وحدة حرارية بريطانية/ساعة) من الطاقة المكافئة للحرارة، فإن كفاءتها الحرارية تساوي 210/300 = 0.70، أو 70%. وهذا يعني أن 30% من الطاقة تُفقد في البيئة.

يتمتع سخان المقاومة الكهربائية بكفاءة حرارية تقترب من 100%. ^[8] عند مقارنة وحدات التسخين، مثل سخان المقاومة الكهربائية عالي الكفاءة بفرن يعمل بالغاز الطبيعي بكفاءة 80%، يلزم إجراء تحليل اقتصادي لتحديد الخيار الأكثر فعالية من حيث التكلفة.

القيمة الحرارية للوقود هي كمية الحرارة المنبعثة أثناء تفاعل طارد للحرارة ( مثل الاحتراق ) وهي سمة لكل مادة. يتم قياسها بوحدات الطاقة لكل وحدة من المادة، وعادة ما تكون الكتلة ، مثل: كيلوجول/كجم، جول / مول .

يتم التعبير عن القيمة الحرارية للوقود على أنها HHV أو LHV أو GHV للتمييز بين معالجة حرارة تغيرات الطور:

• يتم تحديد القيمة الحرارية الأعلى ( HHV ) عن طريق إعادة جميع منتجات الاحتراق إلى درجة حرارة ما قبل الاحتراق الأصلية، وخاصة تكثيف أي بخار يتم إنتاجه. وهذا هو نفس الحرارة الديناميكية الحرارية للاحتراق .
• يتم تحديد القيمة الحرارية المنخفضة ( LHV ) (أو القيمة الحرارية الصافية ) عن طريق طرح حرارة تبخر بخار الماء من القيمة الحرارية الأعلى. وبالتالي فإن الطاقة المطلوبة لتبخير الماء لا تتحقق على شكل حرارة.
• تتضمن القيمة الحرارية الإجمالية الماء الموجود في العادم والذي يخرج على شكل بخار، كما تتضمن الماء السائل الموجود في الوقود قبل الاحتراق. هذه القيمة مهمة للوقود مثل الخشب أو الفحم ، والذي يحتوي عادةً على كمية معينة من الماء قبل الاحتراق.

يؤثر التعريف المستخدم للقيمة الحرارية بشكل كبير على أي كفاءة مذكورة. إن عدم تحديد ما إذا كانت الكفاءة هي HHV أو LHV يجعل مثل هذه الأرقام مضللة للغاية.

تستخدم المضخات الحرارية والثلاجات ومكيفات الهواء الشغل لنقل الحرارة من مكان أبرد إلى مكان أدفأ، لذا فإن وظيفتها هي عكس المحرك الحراري. يتم تحويل طاقة الشغل ( W in ₎ المطبقة عليها إلى حرارة، ومجموع هذه الطاقة والطاقة الحرارية المأخوذة من الخزان البارد ( Q _C ) يساوي مقدار الطاقة الحرارية الكلية المنبعثة إلى الخزان الساخن (| Q _H |)

${\displaystyle |Q_{\rm {H}}|=Q_{\rm {C}}+W_{\rm {in}}}$

يتم قياس كفاءتها من خلال معامل الأداء (COP). يتم قياس المضخات الحرارية من خلال الكفاءة التي تطلق بها الحرارة إلى الخزان الساخن، COP _{للتدفئة} ؛ يتم قياس الثلاجات ومكيفات الهواء من خلال الكفاءة التي تأخذ بها الحرارة من المساحة الباردة، COP _{للتبريد} :

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }\equiv {\frac {|Q_{\rm {H}}|}{W_{\rm {in}}}}={\frac {Q_{\rm {C}}+W_{\rm {in}}}{W_{\rm {in}}}}=\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }+1\,}$

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }\equiv {\frac {Q_{\rm {C}}}{W_{\rm {in}}}}\,}$

السبب وراء استخدام مصطلح "معامل الأداء" بدلاً من "الكفاءة" هو أنه نظرًا لأن هذه الأجهزة تنقل الحرارة، وليس تخلقها، فإن كمية الحرارة التي تنقلها يمكن أن تكون أكبر من العمل المدخل، وبالتالي يمكن أن يكون معامل الأداء أكبر من 1 (100%). وبالتالي، يمكن أن تكون المضخات الحرارية طريقة أكثر كفاءة للتدفئة من مجرد تحويل العمل المدخل إلى حرارة، كما هو الحال في السخان الكهربائي أو الفرن.

نظرًا لأنها محركات حرارية، فإن هذه الأجهزة محدودة أيضًا بنظرية كارنو . القيمة الحدية لـ "كفاءة" كارنو لهذه العمليات، مع المساواة التي يمكن تحقيقها نظريًا فقط مع دورة "عكسية" مثالية، هي:

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }\leq {\frac {T_{\rm {H}}}{T_{\rm {H}}-T_{\rm {C}}}}=\mathrm {COP} _{\mathrm {heating,Carnot} }}$

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }\leq {\frac {T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}-T_{\rm {C}}}}=\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling,Carnot} }}$

إن نفس الجهاز المستخدم بين نفس درجات الحرارة يكون أكثر كفاءة عندما يتم اعتباره مضخة حرارية مقارنة باعتبار ذلك ثلاجة، حيث

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }=\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }+1}$

يرجع ذلك إلى أنه عند التسخين، يتحول العمل المستخدم لتشغيل الجهاز إلى حرارة ويضاف إلى التأثير المطلوب، بينما إذا كان التأثير المطلوب هو التبريد فإن الحرارة الناتجة عن العمل المدخل هي مجرد منتج ثانوي غير مرغوب فيه. في بعض الأحيان، يتم استخدام مصطلح الكفاءة لنسبة معامل الأداء المحقق إلى معامل أداء كارنو، والذي لا يمكن أن يتجاوز 100٪. ^[9]

يُطلق على "الكفاءة الحرارية" أحيانًا اسم كفاءة الطاقة . في الولايات المتحدة، في الاستخدام اليومي، يُعد معامل كفاءة الطاقة الموسمية (SEER) هو المقياس الأكثر شيوعًا لكفاءة الطاقة لأجهزة التبريد، وكذلك لمضخات الحرارة عندما تكون في وضع التدفئة. بالنسبة لأجهزة التدفئة التي تعمل بتحويل الطاقة، غالبًا ما يتم ذكر كفاءتها الحرارية القصوى في الحالة المستقرة، على سبيل المثال، "هذا الفرن فعال بنسبة 90٪"، ولكن المقياس الأكثر تفصيلاً لفعالية الطاقة الموسمية هو كفاءة استخدام الوقود السنوية (AFUE). ^[10]

يتمثل دور المبادل الحراري في نقل الحرارة بين وسطين، لذا فإن أداء المبادل الحراري يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالطاقة أو الكفاءة الحرارية. ^[11] المبادل الحراري ذو التدفق المعاكس هو النوع الأكثر كفاءة من المبادلات الحرارية في نقل الطاقة الحرارية من دائرة إلى أخرى ^{[ بحاجة لمصدر ]} ومع ذلك، للحصول على صورة أكثر اكتمالاً لكفاءة المبادل الحراري، يجب مراعاة الاعتبارات الحرارية . عادة ما تكون الكفاءة الحرارية لمحرك الاحتراق الداخلي أعلى من كفاءة محركات الاحتراق الخارجي.

• دورة كالينا
• الكفاءة الكهربائية
• الكفاءة الميكانيكية
• محرك حراري
• الائتمان الضريبي الفيدرالي للأسقف من أجل كفاءة الطاقة (الولايات المتحدة)
• انخفاض قيمة التدفئة
• تكلفة الكهرباء حسب المصدر
• قيمة تسخين أعلى
• كفاءة تحويل الطاقة