簡介
定義
能量轉換過程中，輸出能量總是小於輸入能量能量轉換效率是指一個能量轉換設備所輸出可利用的能量，相對其輸入能量的比值。輸出可利用的能量可能是電能、機械功或是熱量。能量轉換效率沒有一致的定義，主要和輸出能量可利用的程度有關。
一般而言能量轉換效率是一個介於0到1之間的無量綱數字，有時也會用百分比表示。能量轉換效率不可能超過100%，因此永動機不存在。不過像熱泵之類的設備將熱由一處移到另一處，不是進行能量的轉換，其性能係數（Coefficient of performance）往往會超過100%。
以下的效率都屬於能量轉換效率。
電效率（Electrical efficiency），可用功率輸出及總耗電的比例。機械效率，由一種機械能（例如水的位能）轉換成另一種機械能或機械功。熱效率或燃料效率（Fuel efficiency），可用的熱或功輸出與輸入能量（或消耗燃料對應的能量）的比例。總效率，一般用在汽電共生的場合，可用的電能及熱能相對輸入能量的比例。照明效率，所產生電磁輻射在可見光範圍內的比例。
分類
以下各種效率都屬於能量轉換效率：
•電效率：可用功率輸出及總耗電的比例
•機械效率：由一種機械能（例如水的位能）轉換成另一種機械能或機械功
•熱效率或燃料效率，可用的熱或功輸出與輸入能量（或消耗燃料對應的能量）的比例。
•總效率：一般用在汽電共生的場合，可用的電能及熱能相對輸入能量的比例。
•照明效率：所產生電磁輻射在可見光範圍內的比例。
能量轉換
在能量轉換過程中，輸出的能量通常可分為易利用能量與難利用能量兩種。易利用能量即我們正欲求之的能量，難利用能量則是指在能量轉換過程中流失、散逸掉的能量。
在所有的能量利用過程中，能量的損耗都不可避免。
如果將完全燃燒後的天然氣所釋放出的化學能稱為 輸入能量，將水所吸收的那部分稱為 輸出有效能量，將散發到大氣、遺留在壺體中的那部分能量稱為 輸出無效能量，則根據能量守恆定律，可得出：
輸入能量=輸出有效能量+輸出無效能量
能量轉換效率η=輸出有效能量/輸入能量
（能量轉換效率常用希臘字母 “η” 來表示）
——— η 是第七位希臘字母Η 的小寫形式。該字母英文中記作Eta，音標['i:tə]，中文音譯作 “伊塔”。
任何情況下，η 的值都小於1。
提高能量利用中的轉化效率是節能問題的核心，是 可持續發展 的重要措施之一。
1、所有的能量在轉化和轉移的過程中都遵守能量守恆定律。
2、永動機的理論是不可能實現的。
3、能量轉化是有方向性的。
4、能量轉化的效率在任何情況下都小於1。
5、各種形式的能量，在一定條件下都可以相互轉化。
6、能量既不會被憑空創造，也不會被絕對消滅。當能量從一個物體轉移到另一個物體，或從一種形式轉化成另外一種形式時，能量的總量始終保持不變。
相關知識與數據
能量轉換效率計算的常見類型
提起效率，同學們一般都會想到簡單機械的機械效率，即有用功與總功的比值，其實效率在能量轉移或轉化過程中有著廣泛的套用。
使用能源的過程實際上就是能量轉移或轉化的過程，能源在一定條件下可以轉換成人們所需要的各種形式的能量。例如，煤燃燒後放出熱量，可以用來燒水、做飯、取暖；也可以用來生產蒸汽，推動蒸汽機轉換為機械能，或者推動汽輪發電機轉變為電能。電能又可以通過電動機、電燈或其它用電器轉換為機械能、光能或內能等。
一般情況下能源不可能全部轉化為人們需要得到的能量，所謂能量轉換效率就是人們需要得到的能量（即有用能量）與當初消耗總能量的比值， 計算公式為：能量轉換效率=輸出有用能量/輸入的總能量。
——— 當今社會能源緊缺，如何提高能源利用率是我們迫切需要解決的熱點問題，有關能量轉換效率的計算在考卷上屢見不鮮，現例舉如下：（共10道題）
1、【電熱水壺燒水】：如功率為100W的電熱水壺正常工作28分鐘，可將4Kg水從20℃加熱到100℃，其效率多大？
用電熱水壺燒水時水的溫度升高需要吸收熱量，水增加的 內能是我們需要的能量，屬於 有用能量，而電熱水壺消耗的電能是輸入的 總能量，所以此電熱水壺燒水的效率為：
η = Q/ W = cmΔt / Pt = 4.2 × 10 × 4 ×（100－20）/（100 × 28 × 60）= 80%
2、【鍋爐燒水】：如某鍋爐將100Kg水從32℃加熱到100℃，需要燃燒3.36Kg熱值為 3.4 × 10J / Kg 的無煙煤，其效率多大？
用鍋爐燒水時，水增加的內能是有用能量，而燃料完全燃燒放出的能量（即燃料的化學能）是輸入的總能量，所以此鍋爐燒水的效率為：
η = Q/ Q= cmΔt / qm= 4.2 × 10 × 100 ×（100－32）/（3.4 × 10 × 3.36）= 25%
3、【太陽能熱水器】：如有一總集熱面積為1.35m的熱水器10h可將100Kg水從20℃加熱到80℃，而每m每小時地球表面接收的太陽能為 3.6 × 10J，其效率多大？
太陽能熱水器工作時，水增加的內能是有用能量，輻射到集熱管的太陽能為輸入的總能量，此太陽能熱水器燒水的效率為：
η = Q/ Q= cmΔt / Q= 4.2 × 10 × 100 ×（80－20）/（3.6 × 10 × 1.35 × 10）= 51.85%
4、【熱機】：
（1）. S195柴油機標有 “0.27Kg / Kwh”，即它每消耗0.27Kg柴油可輸出1Kwh的有用能量（柴油熱值為 q = 3.3 × 10J / Kg），其效率多大？
熱機是把內能轉化為機械能的機器，其中獲得的機械能是屬於有用能量，而燃料完全燃燒放出的熱量是輸入的總能量，此柴油機的效率為：
η = W/ Q= 1Kwh / qm = 3.6 × 10 /（3.3 × 10 × 0.27）= 40.4%
（2）. 某新款汽車發動機輸出功率為69Kw，1h耗油20Kg（汽油熱值為 q = 4.6 × 10J / Kg），其效率多大？
此過程中，輸出的有用能量用 W有=P出·t 計算，此汽車發動機的效率為：
η = W/ Q= P·t / qm = 69 × 10 × 3600 /（4.6 × 10 × 20）= 27%
5、【電動機】：標有 “6v3w” 的電動機線圈內阻為3Ω，在不計摩擦的情況下正常工作其效率多大？
電動機工作時電能轉化為機械能和內能，如不計摩擦，此內能就是電動機線圈本身通電時產生的電熱，這樣獲得的機械能就等於消耗的電能減去產生的電熱。
此電動機正常工作時 電流 I = P / U = 3w / 6v = 0.5A，此電動機的效率為：
η = W/ W=（W－Q）/ W=（Pt－I Rt）/ Pt =（P－I R）/ P =（3－0.5 × 3）/ 3 = 75%
6、【太陽能電池】：某太陽能汽車，太陽光照射到它的電池板上的輻射總功率為8×10W，在晴朗的天氣，電池板對著太陽時產生的電壓為160v，並對車上的 電動機提供10A的電流，其效率多大？
太陽能電池是利用太陽能獲得電能的裝置，產生的電能屬於有用能量，而消耗的太陽能是 輸入總能量。此太陽能電池的效率為：
η = W/ Q= UIt / Pt = UI / P= 160 × 10 /（8 × 10 ）= 20%
7、【白熾燈】：一隻40W的白熾燈正常工作1秒鐘產生光能約8J，其效率多大？
白熾燈正常工作時電能轉化為光能和內能，其中獲得的光能是有用能量，而它消耗的電能是輸入總能量。此白熾燈發光的效率為：
η = W/ W= W/ Pt = 8 /（40 × 1）= 20%，
8、【火力發電】：某電廠燃燒1t無煙煤可發電92Kwh，其發電效率多大？
火力發電是將燃料的化學能轉化為電能，所獲得的電能即為有用能量，消耗的燃料的化學能就是輸入總能量。其發電效率為：
η = W/ Q= 92 Kwh / qm = 92 × 3.6 × 10 /（3.4 × 10 × 10 ）= 10%
9、【高壓輸電】：有一台 110Kv、22Mw 的高壓輸電設備，輸電線總電阻50Ω，其輸電效率多大？
高壓輸電時，輸出端（給用戶提供）的電能就是有用能量，而輸入端輸入的電能就是輸入總能量，兩者的差距就是輸電線本身消耗 的電能（即電熱）。
高壓輸電過程中 電流 I = P / U = 22w × 10 /（110v × 10 ）= 200A，其輸電效率為：
η = W/ W=（Pt－I Rt）/ Pt =（P－I R）/ P =（22 × 10 －200 × 50）/（22 × 10 ）= 90.9%
10、【電動車】：160V 10A 的電動車，在平直路面上勻速行駛，所受地面阻力為288N，1h行駛15Km，其效率多大？
電動車行駛時將電能轉化為機械能，獲得的機械能克服摩擦做功使車前進，所以它克服摩擦做的功就是有用能量，而消耗的電能為輸入總能量。此電動車的效率為：
η = W/ W= f.S / UIt = 288 × 15 × 10 /（160 × 10 × 3600）= 75%
【 ——— 以上只是計算能量轉換效率的常見類型，實際生活中有關能量轉換效率的問題還有很多。】
燃料熱值與效率
燃料的 燃燒熱可以以其 HHV（ 高熱值 ）或 LHV （低熱值）來表示，高熱值的燃燒熱是在燃燒後，生成物的水蒸氣已凝結成液態時的燃燒熱，因此加上水凝結時的潛熱。低熱值的燃燒熱則是在燃燒後，生成物的水蒸氣仍維持氣態時的燃燒熱，不考慮水凝結時的潛熱。
燃料熱值的選用會影響其 能量轉換效率的計算。在歐洲，一燃料可產生的能量是其低熱值表示，不考慮水凝結時的潛熱，以此為方式計算冷凝式鍋爐的 “熱效率”，其數值可能會超過100%，其原因是其工作原理會利用到部份水凝結時的潛熱，但計算輸入能量時未考慮此部份所造成，不違反熱力學第一定律。在歐洲以外的國家，一燃料可產生的能量是其高熱值表示，已考慮水凝結時的潛熱，以此為基礎 計算能量轉換效率，其數字就不可能超過100%。
煤炭轉化二次能源效率圖不同能量轉換方式的效率
| 能量轉換方式 | 能量效率 |
| 內燃機及外燃機 | 10%～50% |
| 燃氣渦輪發動機 | 最大可到40% |
| 燃氣渦輪發動機加上蒸汽渦輪發動機（複合循環） | 最大可到60% |
| 水力發動機 | 最大可到90% |
| 風力發動機 | 最大可到59%（理論上限） |
| 太陽能電池 | 6%～40% （和使用技術有關，一般的效率約15%，理論上限為85%～90%） |
| 槍械 | ～30%（.300英寸的子彈）[0.3英寸≈7.62毫米] |
| 燃料電池 | 最大可到85% |
| 水的電解 | 50%～70%（理論上限為80%～94%） |
| 光合作用 | 可達6% |
| 肌肉 | 14%～27% |
| 電動機 | 功率小於10瓦的小電動機：30%～60%； 功率在10瓦到200瓦之間的電動機：50%～90% ； 功率超過200瓦的電動機：99%以上。 |
| 家用冰櫃 | 低階系統約為20%，高階系統約為40～50% |
| 電燈泡 | 5%～10% |
| 發光二極體 | 最大可到35% |
| 螢光燈 | 28% |
| 鈉燈 | 40.5% |
| 金屬鹵化物燈 | 24% |
| 開關電源 | 實務套用可以到95% |
| 電熱水器 | 90%～95% |
| 電熱器 | 約95% |
熱能怎樣轉化成其他能量？
問： 熱能怎樣才能 轉化成其他比較 方便使用或者 方便儲存的 能量形式呢？比如電能、機械能。
答：主要以 介質轉換的方式為主。比如通過水這種介質，首先使水變成高溫高壓的水蒸氣，然後將之用來驅動汽輪機或蒸汽機而變成機械能，最後汽輪機帶動發電機轉化為電能。還可以通過燃氣這種介質，用各種熱機（汽油機、柴油機、燃氣輪機）將熱能轉化成機械能，如進一步用該機械能來帶動發電機自然還可以轉化為電能。
還有不通過介質而用類似 熱電偶直接轉化成電能的 溫差熱發電，但效率低，無法大規模套用。
“比較方便使用的”首推電能，通過電動機很容易就可將電能轉化成機械能，通過電熱器件則很容易轉化成熱能、光能等。
而 “方便存儲的能量形式”主要應是以電池形式存在的化學能。
提高能量轉化效率問題的核心
提高能量轉化效率，也就是 使能量儘可能少地轉化為別的能量形式，而更單純地轉換為所需要的能量形式。要知道，能量的轉化過程 越是直接，則轉化效率就越高（路徑簡潔、過程簡單的轉化效率更高）。比如電動車就比汽油車效率高，因為電可以直接通過導線與馬達相連，能量也不會過多地因電阻而流失，大多數都轉換成了機械能，而汽油機則需要通過燃燒氣體後氣體膨脹來推動活塞，另外還有一大堆的軸承連線著齒輪。連線的部件越多、需要的步驟越多 就越容易流失能量，效率自然也就降低了。
能量轉換與能耗
能耗是非常熱門的話題，能量轉換也因此具有更加重要的意義。電子設備已經成為我們日常生活中必不可少的一部分，減少這些設備的能耗將具有非常重要的意義。新型的IC（Integrated Circuit，積體電路）技術既可以達到節能的目的，還可以以低成本保持所需的功能與性能。
假設現有一台發電機，該發電機由電力驅動，並生產出電能。現請插上電，開動發電機，然後將所生產出的電能全部儲存起來。當這台發電機運行了一段時間之後，電錶顯示共耗費了10度電，但檢查了儲存起來的電量卻只有9度，那么，該電力驅動型發電機的能量轉化效率就是9/10，即90%。當然，現實世界中是不可能用電力來驅動發電機的，這裡只是為了便於闡述而打個比方。
新熱電材料 能量轉換率實現倍增
中新網2008年7月25日電：日本大阪大學和美國俄亥俄州立大學等組成的研究小組成功將“熱電材料”的能量轉換率提高了一倍。
美國《科學》雜誌電子版於 (2008年7月)25日登載了相關論文。
據日本共同社(2008年7月)25日報導，熱電材料是一種能將熱能轉化為電能的半導體，在汽車引擎等數百度高溫工作環境中的能量轉換率最高。 由於引擎會向外散發大量熱，用這種材料覆蓋包裹引擎可將熱能轉化為電能而加以有效利用。
大阪大學助教黑崎健表示：“這項技術以前的效率低下，甚至無法達到實用水平。…… 而今，隨著該技術的成熟，已經可以將其套用到環保汽車等領域。” 研究小組在一種叫做鉛碲的物質里添加了鉈後 成功開發出了新材料。以前添加的都是鈉，而在使用鉈後 使電子結構發生了變化，能量轉換率提高了一倍。今後需要解決的是鉈的高成本問題和確保鉛的安全性。據黑崎介紹，研究人員還考慮將新熱電材料用作太空探測器的動力源。
生態系統與自然系統中的能量轉換
在生態系統中，能量存在於食物鏈的各個營養級之間。在不斷地流動和轉化的過程中，某一營養級的生物攝取的能量或同化量，占前一營養級生物換算或能量的生物量百分率。1942年由林德曼提出，他認為從一個營養級到另一個營養級的能量轉換率為10%，則生產效率順營養級逐級遞減，即每通過一個營養級，能量減少90%。如果這個數值比例失調，就意味著生態系統中生物之間的數量平衡遭到破壞。也就是說能量轉換的效率對於生態的作用也不容忽視。
五大類能量 轉換互化圖（非完全圖）在自然系統中，能量存在的形式主要為：熱能、電能、內能、光能、聲能、化學能、機械能、電磁能、原子能、生物能等集中形式，它們主要是通過一些機器設備來進行從 “此種能” 到 “彼種能” 的轉變。
生物能量的傳遞與利用
能量傳遞效率：是能量在沿食物鏈流動的過程中，是逐級遞減的。若以營養級為單位，能量在相鄰的兩個營養級之間的傳遞效率為10%～20%。
可用能量金字塔來表示， 計算公式：能量傳遞效率=上一營養級的同化量/下一營養級的同化量×100%。
能量傳遞效率計算：
能量傳遞效率=下一營養級的同化量/本級的同化量；
對於簡單的生態系統，能量傳遞效率一般在10%～20%之間；
對於複雜的生態系統，能量傳遞效率一般小於10%（如：初生演替，次生演替）。
能量利用效率：通常是流入人類中的能量占生產者能量的比值，或最高營養級能量占生產者能量的比值。或考慮分解者的參與以實現能量的多級利用。在一個生態系統中，食物鏈越短，能量的利用率就越高。同時，生態系統中的生物種類越多、營養結構越複雜，能量的利用率也就越高。
從研究對象上分析：能量傳遞效率是以營養級為研究對象的，而能量利用效率則是以最高營養級或人類為研究對象的。
生物同化量的概念：
同化量圖解指某一營養級從外環境中得到的全部化學能。它可表現為：這一營養級的呼吸消耗量、這一營養級流向下個營養級的能量、這一營養級流向分解者的能量、這一營養級的未被利用量。
1、對於生產者（一般為綠色植物）來說是指在光合作用中所固定的日光能，即總初級生產量(GP)。
2、對於消費者（一般為動物）來說，同化量表示消化道吸收到的能量（吃進的食物不一定都能吸收，故並非進食能量），糞便不算在同化量里，但呼吸消耗的能量算。
3、對於分解者（一般為腐生生物）來說是指細胞外的吸收能量。
生物同化量的基本計算：
同化量 = 攝入上一營養級的能量 - 糞便中的能量
同化量 = 自身生長、發育和繁殖量 + 呼吸消化量
同化量 = 呼吸消耗以熱能形式散失的能量 + 流向下個營養級的能量 + 流向分解者的能量 + 未被利用的能量
能量品質
能量不但有數量多少的問題，而且還有品質高低的問題。也正是由於能量的品質有高有低，才有了過程的方向性和熱力學第二定律。電能和機械能可以完全轉換為機械功，屬於較高品質能量；熱能只有部分可以轉換為機械功，能量品質較低。隨著能量傳導，能量的數目可能不變，但能量品質只能下降，在極限條件下，品質不變，這稱之為能量貶值原理，是熱二律更為一般、更為概括的說法。
能量品質有高有低，可以從其可被利用的價值來看：煤、石油、天然氣等能源儲存的能量是高品質的，因為它們含的能量是高度有用的，可以轉為機械能、電能等供人類使用。而高品質的能量被耗散時，被降級為不大可用的形式，如內能。因此，能量耗散雖不會使能量的總量減少，但能源會減少，所以我們必須節約能源。
能量轉換效率存在於能量轉換之間，而這關乎能量品質的高低。比如說電能，它的能量品質就很高，它轉換為任意形式的能量都可以達到很高的轉換效率。而如果用超導體傳輸電能，甚至還可實現100%的能量轉換。
而其他的比如熱能，其轉換為機械能或者電能就不可能達到100%的轉換效率，因為熱力學第二定律限制了其轉換效率（熱無法百分之百轉為功）。熱電廠發電，其熱電轉化效率也只有45%左右，平均來看，這相當於近2/3的能量都損失掉了。因此，熱能的能量品質自然就比電能低。
在沒有其他變化時，能量轉換效率不會超過100%。但在某些特殊環境下，燃料電池可以突破100%。
