Soojuslik kasutegur ( η t h \displaystyle \eta _{th}\,}
) on soojusseadme, näiteks sisepõlemismootori, katla või ahju mõõtmeta näitaja.
Seadme sisendiks Q i n {\displaystyle Q_in}\,}
on soojus ehk tarbitava kütuse soojussisaldus. Soovitud väljund on mehaaniline töö, W o u t {\displaystyle W_{out}\,}
, või soojus, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,}
, või võimalusel mõlemad. Kuna sisendküttel on tavaliselt reaalne rahaline kulu, on soojusliku kasuteguri meeldejääv üldine määratlus järgmine
η t h ≡ Väljund Sisend . {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{Output}}{\text{Input}}}. } 
Termodünaamika esimesest ja teisest seadusest lähtudes ei saa väljund ületada seda, mis on sisendiks, nii et
0 ≤ η t h ≤ 1,0. {\displaystyle 0\leq \eta _{th}\leq 1.0.} 
Protsendina väljendatuna peab soojuslik kasutegur olema vahemikus 0% kuni 100%. Ebatõhususe, näiteks hõõrdumise, soojuskadude ja muude tegurite tõttu on soojuslik kasutegur tavaliselt palju väiksem kui 100%. Näiteks tüüpiline bensiinimootor töötab umbes 25% soojuslikul kasuteguril ja suur kivisöekütusel töötav elektrijaam töötab maksimaalselt umbes 36%-l. Kombineeritud tsükliga elektrijaamade soojuslik kasutegur on ligikaudu 60%.
Valemid ja praktilised arvutused
Konkreetselt saab soojuslikku kasutegurit arvutada vastavalt seadme tüüpilisele väljundile:
- Kui eesmärgiks on mehaaniline töö (näiteks mootor): η_th = W_out / Q_in, kus W_out on kasulik töö ja Q_in on sisendsoojus (kJ või J).
- Kui eesmärgiks on soojuse edastamine (näiteks katel või ahi): η_th = Q_out / Q_in, kus Q_out on kütuse või protsessi poolt väljundina antav kasulik soojushulk.
Lihtne arvutusnäide: kui mootorile antakse 1000 kJ soojusenergiat ja sellest tekib 250 kJ mehaanilist tööd, siis η_th = 250 / 1000 = 0,25 ehk 25%.
Carnot' teoreetiline piir ja temperatuurid
Teine seadus annab maksimumteoreetilise efektiivsuse pöörises alati pöördseadme (või soojusmasina) jaoks, mida nimetatakse Carnot' kasuteguriks:
η_Carnot = 1 − T_c / T_h, kus T_h ja T_c on kõrge ja madala temperatuuriga reservuaaride absoluuttemperatuurid (Kelvinites).
See piir tähistab ideaalset pöörist ilma kõikide pöördumatuste ja kadudeta. Reaalsetes seadmetes on Carnot' väärtus alati kõrgem kui tegelik kasutegur, sest reaalsetes protsessides esinevad soojuskadud, irreversiivsus ja tehnilised piirangud. Näiteks kui T_h = 1000 K ja T_c = 300 K, siis η_Carnot = 1 − 300/1000 = 0,7 ehk 70% teoreetiline maksimum.
Tüüpilised väärtused ja võrreldavad näited
- Bensiinimootorid (sõiduautod): ~20–35% sõltuvalt koormusest ja tehnoloogiast.
- Diiselmootorid: sageli natuke suurem, ~30–45% tänu kõrgemale kompressioonile ja paremale osaaja juhtimisele.
- Suured kivisöe- või gaasiturbiinil töötavad soojuselektrijaamad (ühe tsükliga): ~30–40%.
- Kombineeritud tsükliga (CCGT) elektrijaamad: kuni ~60% tänu järelkuumutuse ja aurutsükli efektiivsele kasutusele.
- Küttekolded ja katlad: sõltuvalt konstruktsioonist 70–95% (suurtes veekettsüsteemides ja hästi isoleeritud süsteemides võib jääda kõrgeks).
Mõisted, mida tähele panna
- Tõhusus vs COP: Soojuspumbad ja jahutusseadmed ei pruugi olla mõistlikud väljendada klassikalise soojusliku kasuteguriga — nende efektiivsust mõõdetakse sageli koefitsiendiga COP (Coefficient of Performance), mis võib olla suurem kui 1, kuna see liigutab olemasolevat soojust, mitte ei muuda kogu sisendenergiat soojuseks.
- Elektrienergia ja termiline energia: paljud süsteemid toodavad esmalt elektrit, mis on siis osa teisendustest ja kanda on mitu etappi — iga etapp vähendab koguefektiivsust.
- Eksergia: soojushulga kvaliteet (käesoleva energia võime teha tööd) on oluline — sama kuumuse hulk ei ole alati võrdselt väärtuslik, sõltuvalt temperatuuritasemetest.
Kuidas suurendada soojuslikku kasutegurit
- Kaasaegsed lahendused: kombinatsioon-tsüklid (gaasi ja auruturbine), järelkuumutid ja paremad kontuurid.
- Kaod: vähendada soojuskadusid isolatsiooni, tihendite ja heade korstna/torustiku lahendustega.
- Hooldus: regulaarne hooldus, õige kütuse-õhu suhe, õige põlemine ja filtrite vahetamine parandavad efektiivsust.
- Energia taaskasutus: soojuse taaskasutusventiilid, soojusvahetid ja hälvete vähendamine protsessides.
- Elektriseadmetel: paremad generaatorid ja vähem mehaanilist hõõrdumist.
Mõõtmine ja praktika
Soojusliku kasuteguri hindamisel tuleb hoolikalt mõõta nii sisendenergia (kütuse kalorisisaldus või sisendsoojus) kui ka väljund (kasulik töö või väljastatud soojushulk). Mõõtmisviga ja eeldused (nt soojuse jaotumine, varjategurid) võivad tulemusi märgatavalt mõjutada. Tootmises ja inseneripraktikas kasutatakse sageli korrigeeritud ja standardiseeritud katseprotseduure, et võrrelda seadmete kasutegureid võrreldavatel tingimustel.
Kokkuvõte
Soojuslik kasutegur on lihtne, kuid oluline näitaja, mis väljendab, milline osa sisendsoojusest muutub kasulikuks väljundiks. Tegelikkuses mõjutavad kasutegurit termodünaamilised piirangud (nt Carnot'i piir), tehnilised kaod ja seadme konstruktsioon. Parendused tulevad nii protsessi optimeerimisest kui ka soojuse taaskasutuse ja paremate tehnoloogiate rakendamisest.
