효율 계산기 (유효 출력 ÷ 입력, 손실)

효율 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리

이 계산기는 기계나 공정의 입력과 유효 출력으로 효율을 구하거나, 효율을 알 때 얻을 출력이나 필요한 입력을 거꾸로 계산합니다. 전동기, 보일러, 전원 장치, 엔진, 조명 등 에너지를 바꾸는 모든 장치에 쓸 수 있습니다.

계산 방법

η = 유효 출력 ÷ 입력 × 100%

손실 = 입력 − 출력, 손실 비율 = 100% − η

출력 = 입력 × η, 필요한 입력 = 출력 ÷ η

• 입력과 출력은 같은 단위여야 합니다. 에너지(J, kWh)든 일률(W, kW)이든 한쪽으로 통일합니다.
• '출력 1단위당 필요한 입력'은 1 ÷ η입니다.

원리

에너지는 보존되므로 들어간 에너지는 어딘가로 반드시 나옵니다. 원하는 형태로 나온 부분이 유효 출력이고, 나머지는 열·소리·진동·마찰로 바뀌어 손실이 됩니다. 들어가지 않은 에너지가 나올 수는 없으므로 에너지 변환 효율은 100%를 넘을 수 없습니다. 여러 단계가 직렬로 이어지면 각 단계가 자기 비율만큼만 넘겨주므로 전체 효율은 각 효율의 곱입니다. 효율 90%의 전동기가 70%의 펌프를 돌리면 63%가 됩니다.

예제 풀이

기본값인 효율 구하기, 입력 1,000, 유효 출력 850으로 계산합니다.

1. η = 850 ÷ 1,000 = 0.85 = 85%입니다.
2. 손실 = 1,000 − 850 = 150으로 입력의 15%입니다.
3. 출력 1단위당 필요한 입력 = 1 ÷ 0.85 = 1.176입니다.

결과 해석

효율이 높을수록 유효 출력 1단위를 얻는 데 드는 입력이 줄어듭니다. 대형 전동기나 변압기는 90%를 훨씬 넘는 경우가 많지만, 자동차 가솔린 엔진은 연료 에너지의 일부만 일로 바꿉니다. '출력 1단위당 입력' 값은 운전 비용을 따질 때 유용합니다. 1.176이라면 1kWh를 얻으려면 1.176kWh를 사야 하며, 나머지 0.176kWh는 대부분 열로 빠져나갑니다. 효율이 85%에서 90%로 오르면 손실은 15%에서 10%로 크게 줄어듭니다.

흔한 실수

• 입력은 kW, 출력은 마력처럼 단위를 섞는 경우
• 단계별 효율을 곱하지 않고 더하는 경우
• 히트펌프의 성능계수(COP)를 100%가 넘는 효율로 말하는 경우(열을 옮기는 장치라 다른 비율입니다)
• 부분 부하에서 명판 효율을 그대로 쓰는 경우

자주 묻는 질문

효율이 100%를 넘을 수 있습니까?

에너지 변환에서는 불가능합니다. 100%를 넘으면 측정 오류이거나 빠진 입력이 있는 것입니다.

사람 몸의 효율은 얼마입니까?

자전거 타기 같은 기계적 일에서는 대략 20~25%이며, 음식 에너지 대부분은 열이 됩니다.

시스템 전체 효율은 어떻게 구합니까?

각 단계의 효율을 소수로 바꿔 모두 곱하면 됩니다.

효율을 높이면 비용이 얼마나 줄어듭니까?

같은 출력을 얻는 데 필요한 입력은 1 ÷ η에 비례합니다. 효율이 80%에서 90%로 오르면 필요한 입력이 약 11% 줄어듭니다.

출처: OpenStax, College Physics 2e (2022), section 7.6 "Conservation of Energy"