熱効率（\eta_{th} \,）は、内燃機関、ボイラー、炉などの熱機器の性能を示す無次元量です。一般に「投入されたエネルギー（熱）に対して、どれだけ有用な仕事または所望の熱出力に変換できたか」を表します。

定義と基本式

装置への入力は通常、燃料の持つ熱（吸収される熱）で表されます（画像は元の表記を保持しています）。入力熱は Q_{in} \, と表されることが多く、所望の出力は機械的な仕事 W_{out} \, や、熱出力 Q_{out} \,、またはその両方で表されます。

一般的な熱効率の定義は次の式で与えられます（元のイメージ表現を保持）：

\eta_{th} \equiv \frac{\text{Output}}{\text{Input}}.

熱機関（熱を仕事に変換する装置）に対しては、出力は入力より大きくなり得ないため、熱力学の第一・第二法則から熱効率は次の範囲に制限されます：0 \le \eta_{th} \le 1.0.

パーセンテージで表すと、熱効率は0%〜100%の間になります。実際には摩擦、熱伝導・放射による損失、排熱、未燃焼ガスなどの非可逆過程のため、100%に到達することはほとんどありません。

熱機関における代表的な式

熱機関で入力熱 Qin の一部が仕事 Wout に変換され、残りが廃熱 Qout として捨てられる場合、熱効率は

  • ηth = Wout / Qin
  • または同様に ηth = 1 − Qout / Qin

と書けます。

理論上の上限：カルノー効率

可逆的な理想熱機関（カルノー機関）に対しては、温度差に基づく上限が与えられます。

カルノー効率 ηCarnot = 1 − TC / TH（T は絶対温度（K））

これにより、たとえ可逆過程であっても、温度差が有限である限り効率は100%にならないことが分かります。現実の機器では不可逆損失があるため、実効効率はさらに低くなります。

実用例と計算例

内燃機関（自動車エンジン）の例
典型的なガソリン車の熱効率は約25%程度です。簡単な計算例：

  • ガソリンの発熱量（低位発熱量）を約34 MJ/Lとする。
  • 1 Lの燃料でエンジンが機械的に8.5 MJの仕事を出すとすると、η = 8.5 / 34 ≒ 0.25 → 25%。

実際にはエンジンの回転数や負荷、点火時期、熱管理などで効率は変わります。さらに「示度効率（indicated）」と「ブレーキ効率（brake、実出力を測る）」のように測り方の違いがあります。

発電所（火力発電所）の例
発電所では「熱効率」や「ヒートレート（heat rate）」という指標がよく使われます。ヒートレートは「発電1 kWh当たりに投入された熱量（通常kJ/kWh）」で表され、熱効率は次で求められます：

η = 3600（kJ/kWh） ÷ ヒートレート（kJ/kWh）

例：

  • 従来型の石炭火力発電所：ヒートレート ≒ 10,000 kJ/kWh → η ≒ 3600/10000 = 0.36 → 36%
  • 最新のコンバインドサイクル（CC）プラント：ヒートレート ≒ 6,000 kJ/kWh → η ≒ 3600/6000 = 0.60 → 60%

損失要因と改善手段

  • 熱損失（冷却・排気として捨てられる熱）
  • 摩擦や摩耗による機械損失
  • 化学的に完全に燃えないことによる未燃焼損失
  • 燃焼過程や伝熱の非可逆性によるエントロピー増大

これらを低減するために、高温高圧化、再熱・再生熱融合、排熱回収、ターボ過給やインタークーラー、燃焼制御（空燃比最適化）などの技術が用いられます。コンバインドサイクルは、ガスタービンの排熱で蒸気タービンを駆動して効率を高める代表的な方式です。

注意点・関連概念

  • ヒートポンプや冷凍機のCOP（性能係数）は1を超えることがあり、熱効率とは意味が異なります。COPは外部から取り入れた仕事に対して移送される熱量の比であり、熱源の利用方法が違うため直接比較できません。
  • 第二法則効率（エクセルギー効率）：単純な熱効率だけでなく、エネルギーの質を考慮した評価（エクセルギー）を用いることもあります。これにより、同じ熱量でも高温側で得られる価値が高いことを反映できます。
  • 電気設備や暖房機器などでは、用途やシステム全体を含めたライフサイクル視点で効率を評価することが重要です。

まとめ

熱効率は投入エネルギーに対する有用出力の割合を示す基本的な指標で、η = 出力 / 入力（= 1 − Qout/Qin）で表されます。第二法則による上限（カルノー効率）と実機の不可逆損失により、実効効率は通常100%よりかなり低くなります。内燃機関では数十パーセント、従来型火力発電では30数％、コンバインドサイクルでは60%近くの値が代表的です。改善には熱回収や高温化などの技術が用いられます。