Коэффициент полезного действия (COP): формула и примеры расчета - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Пример 2: Автомобиль проехал 100 км. Вес автомобиля с пассажирами и багажом составляет 1400 кг. Он израсходовал 14 литров бензина. Найти: Эффективность работы двигателя.

Содержание

Что такое эффективность и как ее рассчитать по формуле

Слово “полезный” в физике – это эффект после сопротивления. Прекрасным примером является сопротивление металла на обрабатывающем станке, для крана – вес предмета. Например, эффективность обычной лампы накаливания составляет менее 5%, в то время как эффективность светодиодов гораздо выше. Это связано с тем, что большая часть используемой энергии идет на выработку тепла, а не света.

То же самое справедливо и для электроники, и этот фактор необходимо учитывать при проектировании печатных плат, электрических схем. Здесь важно учитывать проводящее сопротивление металла и использовать материалы с меньшим сопротивлением. В этой статье мы обсудим основные аспекты эффективности, как ее рассчитать, на что она влияет и основные возможности ее повышения.

Создавая механизмы, люди стараются повысить их эффективность, но механизмов с эффективностью, равной единице (или даже больше единицы), не существует.

Что такое эффективность

КПД машины или механизма является важной переменной, которая описывает энергоэффективность устройства. Эта концепция также используется в повседневной жизни. Например, когда человек говорит, что эффективность его усилий низкая, это означает, что усилий было приложено много, но результатов почти нет. Величина измеряет отношение полезной работы ко всей проделанной работе.

Согласно формуле, чтобы найти стоимость, необходимо полезную работу разделить на всю выполненную работу. Или полезная энергия делится на всю потребленную энергию. Этот коэффициент всегда меньше единицы. Работа и энергия измеряются в джоулях. Разделите джоули на джоули и получите безразмерную величину. Коэффициент полезного действия иногда называют энергоэффективностью прибора.

Если попытаться объяснить это простыми словами, то представьте, что мы кипятим чайник на плите. При сгорании газа выделяется определенное количество тепла. Часть этого тепла нагревает саму конфорку, плиту и окружающее пространство. Остальное идет на нагрев чайника и воды в нем. Чтобы рассчитать энергоэффективность этой плиты, разделите количество тепла, необходимое для нагрева воды до температуры кипения, на количество тепла, выделяемого при сгорании газа.

Это значение всегда меньше единицы. В случае с атомной электростанцией, например, он не превышает 35%. Это происходит потому, что электростанция представляет собой паровой двигатель, в котором пар, нагретый в результате ядерной реакции, вращает турбину. Большая часть энергии идет на обогрев окружающего пространства. Тот факт, что η не может быть равна 100%, следует из второго закона термодинамики.

Решение

Вопросы, связанные с тепловыми двигателями

Вопрос 1. Что такое тепловой двигатель?

Ответ. Тепловой двигатель – это машина, которая выполняет работу за счет подвода к ней энергии в процессе теплопередачи. Основными частями теплового двигателя являются нагреватель, охладитель и рабочий орган.

Вопрос 2. Приведите примеры тепловых двигателей.

Ответ. Первыми тепловыми двигателями, получившими широкое распространение, были паровые двигатели. Примерами современных тепловых двигателей являются:

ракетный двигатель;
Авиационный двигатель;
Газовая турбина.

Вопрос 3. Может ли КПД двигателя быть равен единице?

Ответ. Нет. Эффективность всегда меньше единицы (или меньше 100%). Существование двигателя с КПД, равным единице, противоречит первому закону термодинамики.

У настоящих двигателей КПД редко превышает 30%.

Вопрос 4. Что такое эффективность?

Ответ. КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение работы, выполненной двигателем, к количеству тепла, полученного от радиатора.

Вопрос 5. Что такое удельная теплота сгорания?

Ответ. Удельная теплота сгорания q – это физическая величина, показывающая, сколько тепла выделяется при сгорании топлива массой 1 кг. При решении задач КПД может быть определен мощностью двигателя N и количеством топлива, сжигаемого в единицу времени.

Наилучшие значения эффективности для холодильного оборудования имеют место в обратном цикле Карно: его холодильный коэффициент

Эта величина зависит от того, какая часть общей работы может быть преобразована в полезную работу. Прежде всего, это зависит от самого механизма или машины. Инженеры всего мира упорно работают над повышением эффективности машин. В случае электромобилей, например, коэффициент полезного действия очень высок – более 90%.

В отличие от этого, двигатель внутреннего сгорания, в силу своей конструкции, не может иметь η, близкую к 100 процентам. В конце концов, энергия топлива не действует непосредственно на вращающиеся колеса. Энергия рассеивается в каждой из шестеренок. В нем слишком много передач, и часть выхлопных газов все еще выходит через выхлопную трубу.

Однако при сравнении обычного котла с конденсационным, КПД последнего все равно рассчитывается на основе более низкой теплотворной способности, что дает значение, превышающее 100%.

Коэффициент полезного действия | Физика

При использовании механизма мы всегда делаем больше работы, чем необходимо для достижения поставленной цели. Различают полную или затраченную работу Аз и полезную работу Ап. Если, например, наша цель – поднять груз массой m на высоту h, то полезная работа – это та, которая получается только в результате преодоления силы тяжести, действующей на груз. При равномерном подъеме груза, когда сила, которую мы прикладываем, равна силе тяжести груза, работу можно рассчитать следующим образом:

Ap = Fth = mgh. (24.1)

Если мы используем блок или другой механизм для поднятия груза, мы должны преодолеть силу тяжести груза и трение в механизме. Например, используя движущийся блок, нам придется совершить дополнительную работу, чтобы поднять сам блок с помощью веревки и преодолеть силу трения в оси блока. Кроме того, мы всегда теряем на проезд (подробнее об этом ниже), что также влияет на работу. Все это приводит к тому, что работа, которую мы проводим, становится более полезной работой:

Полезная работа всегда составляет лишь малую часть от общего объема работы, выполняемой человеком с помощью машины.

Физическая величина, показывающая, сколько полезной работы приходится на всю выполненную работу, называется коэффициентом полезного действия машины.

Аббревиатура для КПД – коэффициент полезного действия.

Чтобы найти КПД механизма, разделите полезную работу на работу, совершаемую механизмом.

Эффективность часто выражается в процентах и обозначается греческой буквой η (читается “это”):

Поскольку числитель Ap в этой формуле всегда меньше знаменателя Az, эффективность всегда меньше 1 (или 100%).

При разработке механизмов целью является повышение их эффективности. Для этого они уменьшают трение в осях механизмов и их массу. В случаях, когда трение пренебрежимо мало, а используемые механизмы имеют пренебрежимо малую массу по сравнению с массой поднимаемого груза, КПД лишь немного меньше 1. В этом случае можно считать, что затраченная работа приблизительно равна полезной работе:

Обратите внимание, что с помощью простого механизма нельзя добиться никакого приращения.

Поскольку каждая работа в уравнении (24.3) может быть выражена как произведение соответствующей силы на пройденное расстояние, уравнение можно записать следующим образом:

Из этого следует, что,

Если мы набираем одинаковое количество силы с помощью машины, мы теряем одинаковое количество расстояния, и наоборот.

Этот закон называют “золотым правилом” механики. Его автор – древнегреческий ученый Герон Александрийский, живший в I веке нашей эры.

“Золотое правило механики” является приблизительным законом, так как в нем не учитывается работа по преодолению трения и силы тяжести частей используемых устройств. Тем не менее, он может быть очень полезен при анализе работы любого простого механизма.

Так, например, благодаря этому правилу мы можем сразу сказать, что рабочий на рисунке 47 должен опустить противоположный конец рычага на 20 см, чтобы поднять груз на 10 см, при этом сила увеличится в два раза. То же самое можно сказать и о рисунке 58. Когда рука человека, держащего канат, опускается на 20 см, груз, прикрепленный к движущемуся блоку, поднимается только на 10 см.

1. почему работа, постоянно совершаемая механизмами, больше, чем полезная работа? 2) Что называется коэффициентом полезного действия механизма? 3. может ли эффективность механизма быть равна 1 (или 100%)? Почему? 4) Как можно повысить эффективность? 5. каково “золотое правило” механики? Кто является его автором? 6. приведите примеры применения золотого правила механики в различных простых механизмах.

Повышение эффективности электрической машины возможно только за счет снижения потерь и контроля качества электросети.

Постоянные магниты как источники энергии для двигателей

Вторым интересным источником является постоянный магнит, который ниоткуда не получает энергию, и магнитное поле не расходуется даже при совершении работы. Например, если магнит притягивает что-то к себе, он совершает работу, и его магнитное поле не ослабевает. Это свойство уже много раз пытались использовать для создания так называемого вечного двигателя, но пока ничего более или менее нормального из этого не вышло. Любой механизм рано или поздно изнашивается, но сам источник, представляющий собой постоянный магнит, практически вечен.

Однако есть специалисты, которые утверждают, что постоянные магниты со временем теряют свою силу в результате старения. Это неправда, но даже если бы это было так, его можно было бы вернуть к жизни одним электромагнитным импульсом. Двигатель, который будет нуждаться в подзарядке каждые 10-20 лет, хотя и не может претендовать на вечность, но очень близок к ней.

Уже было предпринято множество попыток создать вечный двигатель на основе постоянных магнитов. На сегодняшний день, к сожалению, нет успешных решений. Однако, учитывая, что спрос на такие двигатели есть (он просто не может быть не таким), вполне возможно, что в недалеком будущем мы увидим что-то очень близкое к вечному двигателю, работающему на возобновляемой энергии.

Читайте далее: