열효율(thermal efficiency, ηth )은 주어진 열에너지 중 유효하게 이용된 열량의 비율을 말한다. 일반적으로 열기관에 공급된 연료의 발열량(연료가 폭발하여 생긴 수증기가 물이 되지 않은 상태에서 냉각했을 때 얻는 발열량. 저위발열량(低位發熱量)이라고 한다)에 대해서 유효한 일(work)이 된 비율을 말한다.
연료는 완전히 연소되는 것이 아니며, 실제로 열기관에 공급된 열량은 저위발열량보다 약간 적다. 주어진 열량의 일부분은 냉각으로, 다시 나머지 열량의 일부분은 배기로 잃어버려 유효한 일이 되는 것은 절반 이하이다. 열기관의 열효율은 사이클의 최고온도와 최저온도의 차가 클수록 좋아진다. 또 왕복운동 내연기관(往復運動內燃機關)에서는 연소 전의 압축이 높을수록 연소기간이 짧을수록 연소가 상사점(上死點 ; 피스톤의 상승한계)에서 일어날수록, 연료가 공기에 대해 적지 않을수록 열효율이 좋아진다. 또 가솔린기관에서는 부하가 크고 스로틀 밸브가 닫혀 있을수록 열효율이 좋아진다.
내연기관의 열효율은 30% 정도이고 배기손실도 30% 정도이므로 배기 에너지를 배기 터보과급기(過給機)에 의해 그 에너지의 일부를 동력으로 회수하여 효율을 높일 수 있는데, 50% 정도로 향상시킨 기관도 있다.
열효율은 내연기관, 증기터빈, 증기기관, 보일러, 요로, 냉장고, 공기조화기 등 열에너지를 사용하는 기기의 무차원량 정도의 측정이다.
열기관의 경우 열효율성은 순수 출력 대비 열 입력 비율이다. 열펌프의 경우 열효율(성능 계수라고 함)은 순수 열 출력(가열 시) 또는 제거된 순수 열(냉각 시) 대비 에너지 입력 비율이다.
일반적으로 에너지 보존 효율은 에너지 용어로 말하자면 유용한 장치 출력과 입력 사이의 비율이다. 열효율의 경우 장치에 대한 입력 Qin은 열 또는 소비되는 연료의 열 내용물이다. 얻고자 하는 출력은 기계적 일 Wout 또는 열 Qout 또는 그 둘일 가능성이 있다. 입력 열이 보통 실질적인 재정적 비용이기 때문에 기억하기 쉬운 일반적인 열 효율 정의는 다음과 같다.
ηth ≡benefit/cost.
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