Единица измерения кпд в физике: Страница не найдена — Ремонт220

100 ballov.kz образовательный портал для подготовки к ЕНТ и КТА

В 2021 году казахстанские школьники будут сдавать по-новому Единое национальное тестирование. Помимо того, что главный школьный экзамен будет проходить электронно, выпускникам предоставят возможность испытать свою удачу дважды. Корреспондент zakon.kz побеседовал с вице-министром образования и науки Мирасом Дауленовым и узнал, к чему готовиться будущим абитуриентам.

— О переводе ЕНТ на электронный формат говорилось не раз. И вот, с 2021 года тестирование начнут проводить по-новому. Мирас Мухтарович, расскажите, как это будет?

— По содержанию все остается по-прежнему, но меняется формат. Если раньше школьник садился за парту и ему выдавали бумажный вариант книжки и лист ответа, то теперь тест будут сдавать за компьютером в электронном формате. У каждого выпускника будет свое место, огороженное оргстеклом.

Зарегистрироваться можно будет электронно на сайте Национального центра тестирования.

Но, удобство в том, что школьник сам сможет выбрать дату, время и место сдачи тестирования.

Кроме того, в этом году ЕНТ для претендующих на грант будет длиться три месяца, и в течение 100 дней сдать его можно будет два раза.

— Расскажите поподробнее?

— В марте пройдет тестирование для желающих поступить на платной основе, а для претендующих на грант мы ввели новые правила. Школьник, чтобы поступить на грант, по желанию может сдать ЕНТ два раза в апреле, мае или в июне, а наилучший результат отправить на конкурс. Но есть ограничение — два раза в один день сдавать тест нельзя. К примеру, если ты сдал ЕНТ в апреле, то потом повторно можно пересдать его через несколько дней или в мае, июне. Мы рекомендуем все-таки брать небольшой перерыв, чтобы еще лучше подготовиться. Но в любом случае это выбор школьника.

— Система оценивания останется прежней?

— Количество предметов остается прежним — три обязательных предмета и два на выбор.

Если в бумажном формате закрашенный вариант ответа уже нельзя было исправить, то в электронном формате школьник сможет вернуться к вопросу и поменять ответ, но до того, как завершил тест.

Самое главное — результаты теста можно будет получить сразу же после нажатия кнопки «завершить тестирование». Раньше уходило очень много времени на проверку ответов, дети и родители переживали, ждали вечера, чтобы узнать результат. Сейчас мы все автоматизировали и набранное количество баллов будет выведено на экран сразу же после завершения тестирования.
Максимальное количество баллов остается прежним — 140.

— А апелляция?

— Если сдающий не будет согласен с какими-то вопросами, посчитает их некорректными, то он сразу же на месте сможет подать заявку на апелляцию. Не нужно будет ждать следующего дня, идти в центр тестирования, вуз или школу, все это будет электронно.

— С учетом того, что школьникам не придется вручную закрашивать листы ответов, будет ли изменено время сдачи тестирования?

— Мы решили оставить прежнее время — 240 минут. Но теперь, как вы отметили, школьникам не нужно будет тратить час на то, чтобы правильно закрасить лист ответов, они спокойно смогут использовать это время на решение задач.

— Не секрет, что в некоторых селах и отдаленных населенных пунктах не хватает компьютеров. Как сельские школьники будут сдавать ЕНТ по новому формату?

— Задача в том, чтобы правильно выбрать время и дату тестирования. Центры тестирования есть во всех регионах, в Нур-Султане, Алматы и Шымкенте их несколько. Школьники, проживающие в отдаленных населенных пунктах, как и раньше смогут приехать в город, где есть эти центры, и сдать тестирование.

— На сколько процентов будет обновлена база вопросов?

— База вопросов ежегодно обновляется как минимум на 30%. В этом году мы добавили контекстные задания, то что школьники всегда просили. Мы уделили большое внимание истории Казахстана и всемирной истории — исключили практически все даты. Для нас главное не зазубривание дат, а понимание значения исторических событий. Но по каждому предмету будут контекстные вопросы.

— По вашему мнению система справится с возможными хакерскими атаками, взломами?

— Информационная безопасность — это первостепенный и приоритетный вопрос. Центральный аппарат всей системы находится в Нур-Султане. Связь с региональными центрами сдачи ЕНТ проводится по закрытому VPN-каналу. Коды правильных ответов только в Национальном центре тестирования.

Кроме того, дополнительно через ГТС КНБ (Государственная техническая служба) все тесты проходят проверку на предмет возможного вмешательства. Здесь все не просто, это специальные защищенные каналы связи.

— А что с санитарными требованиями? Нужно ли будет школьникам сдавать ПЦР-тест перед ЕНТ?

— ПЦР-тест сдавать не нужно будет. Требование по маскам будет. При необходимости Центр национального тестирования будет выдавать маски школьникам во время сдачи ЕНТ. И, конечно же, будем измерять температуру. Социальная дистанция будет соблюдаться в каждой аудитории.

— Сколько человек будет сидеть в одной аудитории?

— Участники ЕНТ не за семь дней будут сдавать тестирование, как это было раньше, а в течение трех месяцев. Поэтому по заполняемости аудитории вопросов не будет.

— Будут ли ужесточены требования по дисциплине, запрещенным предметам?

— Мы уделяем большое внимание академической честности. На входе в центры тестирования, как и в предыдущие годы, будут стоять металлоискатели. Перечень запрещенных предметов остается прежним — телефоны, шпаргалки и прочее. Но, помимо фронтальной камеры, которая будет транслировать происходящее в аудитории, над каждым столом будет установлена еще одна камера. Она же будет использоваться в качестве идентификации школьника — как Face ID. Сел, зарегистрировался и приступил к заданиям. Мы применеям систему прокторинга.

Понятно, что каждое движение абитуриента нам будет видно. Если во время сдачи ЕНТ обнаружим, что сдающий использовал телефон или шпаргалку, то тестирование автоматически будет прекращено, система отключится.

— А наблюдатели будут присутствовать во время сдачи тестирования?

— Когда в бумажном формате проводили ЕНТ, мы привлекали очень много дежурных. В одной аудитории было по 3-4 человека. При электронной сдаче такого не будет, максимум один наблюдатель, потому что все будет видно по камерам.

— По вашим наблюдениям школьники стали меньше использовать запрещенные предметы, к примеру, пользоваться телефонами?

— Практика показывает, что школьники стали ответственнее относиться к ЕНТ. Если в 2019 году на 120 тыс. школьников мы изъяли 120 тыс. запрещенных предметов, по сути у каждого сдающего был телефон. То в прошлом году мы на 120 тыс. школьников обнаружили всего 2,5 тыс. телефонов, и у всех были аннулированы результаты.

Напомню, что в 2020 году мы также начали использовать систему искусственного интеллекта. Это анализ видеозаписей, который проводится после тестирования. Так, в прошлом году 100 абитуриентов лишились грантов за то, что во время сдачи ЕНТ использовали запрещенные предметы.

— Сколько средств выделено на проведение ЕНТ в этом году?

Если раньше на ЕНТ требовалось 1,5 млрд тенге из-за распечатки книжек и листов ответов, то сейчас расходы значительно сокращены за счет перехода на электронный формат. Они будут, но несущественные.

— Все-таки почему именно в 2021 году было принято решение проводить ЕНТ в электронном формате. Это как-то связано с пандемией?

— Это не связано с пандемией. Просто нужно переходить на качественно новый уровень. Мы апробировали данный формат на педагогах школ, вы знаете, что они сдают квалификационный тест, на магистрантах, так почему бы не использовать этот же формат при сдаче ЕНТ. Тем более, что это удобно, и для школьников теперь будет много плюсов.

Коэффициент полезного действия (кпд) — формулы, обозначение, расчет

КПД: понятие коэффициента полезного действия

Представьте, что вы пришли на работу в офис, выпили кофе, поболтали с коллегами, посмотрели в окно, пообедали, еще посмотрели в окно — вот и день прошел. Если вы не сделали ни одного дела по работе, то можно считать, что ваш коэффициент полезного действия равен нулю.

В обратной ситуации, когда вы сделали все запланированное — КПД равен 100%.

По сути, КПД — это процент полезной работы от работы затраченной.

Вычисляется по формуле:

Формула КПД η = (Aполезная/Aзатраченная) * 100% η — коэффициент полезного действия [%] Aполезная — полезная работа [Дж] Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

Есть такое философское эссе Альбера Камю «Миф о Сизифе». Оно основано на легенде о неком Сизифе, который был наказан за обман. Его приговорили после смерти вечно таскать огромный булыжник вверх на гору, откуда этот булыжник скатывался, после чего Сизиф тащил его обратно в гору.

То есть он делал совершенно бесполезное дело с нулевым КПД. Есть даже выражение «Сизифов труд», которое описывает какое-либо бесполезное действие.

Давайте пофантазируем и представим, что Сизифа помиловали и камень с горы не скатился. Тогда, во-первых, Камю бы не написал об этом эссе, потому что никакого бесполезного труда не было. А во-вторых, КПД в таком случае был бы не нулевым.

Полезная работа в этом случае равна приобретенной булыжником потенциальной энергии. Потенциальная энергия прямо пропорционально зависит от высоты: чем выше расположено тело, тем больше его потенциальная энергия. То есть, чем выше Сизиф прикатил камень, тем больше потенциальная энергия, а значит и полезная работа.

Потенциальная энергия Еп = mg Еп — потенциальная энергия [Дж] m — масса тела [кг] g — ускорение свободного падения [м/с^2] h — высота [м] На планете Земля g ≃ 9,8 м/с^2

Затраченная работа здесь — это механическая работа Сизифа. Механическая работа зависит от приложенной силы и пути, на протяжении которого эта сила была приложена.

Механическая работа А = FS A — механическая работа [Дж] F — приложенная сила [Н] S — путь [м]

И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная? Все очень просто! Задаем два вопроса: За счет чего происходит процесс? Ради какого результата? В примере выше процесс происходит ради того, чтобы тело поднялось на какую-то высоту, а значит — приобрело потенциальную энергию (для физики это синонимы). Происходит процесс за счет энергии, затраченной Сизифом — вот и затраченная работа.

КПД в механике

Главный секрет заключается в том, что эта формула подойдет для всех видов КПД.

Запоминаем!

КПД не может быть больше 100%. В реальной жизни и 100 не встречается, но больше сотни даже в задачах нет. Это значит, что если в задаче получается значение больше 100%, то мы в ответ пишем 100. И никак иначе.

КПД η = (Aполезная/Aзатраченная) * 100% η — коэффициент полезного действия [%] Aполезная — полезная работа [Дж] Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

Дальше мы просто заменяем полезную и затраченную работы на те величины, которые ими являются. 2

За счет чего процесс происходит?

За счет мальчика, он же тянет санки. Значит затраченная работа равна механической работе

Механическая работа А = FS A — механическая работа [Дж] F — приложенная сила [Н] S — путь [м]

Заменим формуле КПД полезную работу на потенциальную энергию, а затраченную — на механическую работу:

η = Eп/A * 100% = mgh/FS * 100%

Подставим значения:

η = 4*9,8*2/15*12 * 100% = 78,4/180 * 100% ≃ 43,6 %

Ответ: КПД процесса приблизительно равен 43,6 %

КПД в термодинамике

В термодинамике КПД — очень важная величина. Она полностью определяет эффективность такой штуки, как тепловая машина.

• Тепловой двигатель (машина) – это устройство, которое совершает механическую работу циклически за счет энергии, поступающей к нему в ходе теплопередачи.

Схема теплового двигателя выглядит так:

У теплового двигателя обязательно есть нагреватель, который (не может быть!) нагревает рабочее тело, передавая ему количество теплоты Q1 или Qнагревателя (оба варианта верны, это зависит лишь от учебника, в котором вы нашли формулу).

• Рабочее тело — это тело, на котором завязан процесс (чаще всего это газ). Оно расширяется при подводе к нему теплоты и сжимается при охлаждении. Часть переданного Q1 уходит на механическую работу A. Из-за этого производится движение.

Оставшееся количество теплоты Q2 или Qхолодильника отводится к холодильнику, после чего возвращается к нагревателю и процесс повторяется.

КПД такой тепловой машины будет равен:

КПД тепловой машины η = (Aполезная/Qнагревателя) * 100% η — коэффициент полезного действия [%] Aполезная — полезная работа (механическая) [Дж] Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя[Дж]

Если мы выразим полезную (механическую) работу через Qнагревателя и Qхолодильника, мы получим:

A = Qнагревателя — Qхолодильника.

Подставим в числитель и получим такой вариант формулы.

КПД тепловой машины η = Qнагревателя — Qхолодильника/Qнагревателя * 100% η — коэффициент полезного действия [%] Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя[Дж] Qхолодильника — количество теплоты, отданное холодильнику [Дж]

А возможно ли создать тепловую машину, которая будет работать только за счет охлаждения одного тела? Точно нет! Если у нас не будет нагревателя, то просто нечего будет передавать на механическую работу. Любой такой процесс — когда энергия не приходит из ниоткуда — означал бы возможность существования вечного двигателя. Поскольку свидетельств такого процесса в мире не существует, то мы можем сделать вывод: вечный двигатель невозможен. Это второе начало термодинамики.

Запишем его, чтобы не забыть:

Невозможно создать периодическую тепловую машину за счет охлаждения одного тела без изменений в других телах.

Задача

Найти КПД тепловой машины, если рабочее тело получило от нагревателя 20кДж, а отдало холодильнику 10 кДж.

Решение:

Возьмем формулу для расчета КПД:

η = Qнагревателя — Qхолодильника/Qнагревателя * 100%

Подставим значения:

η = 20 — 10/20 *100% = 50%

Ответ: КПД тепловой машины равен 50%

Идеальная тепловая машина: цикл Карно

Давайте еще чуть-чуть пофантазируем: какая она — идеальная тепловая машина. Кажется, что это та, у которой КПД равен 100%.

На самом деле понятие «идеальная тепловая машина» уже существует. Это тепловая машина, у которой в качестве рабочего тела взят идеальный газ. Такая тепловая машина работает по циклу Карно. Зависимость давления от объема в этом цикле выглядит следующим образом

А КПД для цикла Карно можно найти через температуры нагревателя и холодильника.

КПД цикла Карно η = Tнагревателя — Tхолодильника /Tнагревателя *100% η — коэффициент полезного действия [%] Tнагревателя — температура нагревателя[Дж] Tхолодильника — температура холодильника [Дж]

КПД в электродинамике

Мы каждый день пользуемся различными электронными устройствами: от чайника до смартфона, от компьютера до робота-пылесоса — и у каждого устройства можно определить, насколько оно эффективно выполняет задачу, для которой оно предназначено, просто посчитав КПД.

Вспомним формулу:

КПД η = Aполезная/Aзатраченная *100% η — коэффициент полезного действия [%] Aполезная — полезная работа [Дж] Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

Для электрических цепей тоже есть нюансы. Давайте разбираться на примере задачи.

Задачка, чтобы разобраться

Найти КПД электрического чайника, если вода в нем приобрела 22176 Дж тепла за 2 минуты, напряжение в сети — 220 В, а сила тока в чайнике 1,4 А.

Решение:

Цель электрического чайника — вскипятить воду. То есть его полезная работа — это количество теплоты, которое пошло на нагревание воды. Оно нам известно, но формулу вспомнить все равно полезно 😉

Количество теплоты, затраченное на нагревание Q = cm(tконечная-tначальная) Q — количество теплоты [Дж] c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса [кг] tконечная — конечная температура [˚C] tначальная — начальная температура [˚C]

Работает чайник, потому что в розетку подключен. 2)/R *t = UIt

A — работа электрического тока [Дж]

I — сила тока [А]

U — напряжение [В]

R — сопротивление [Ом]

t — время [c]

То есть в данном случае формула КПД будет иметь вид:

η = Q/A *100% = Q/UIt *100%

Переводим минуты в секунды — 2 минуты = 120 секунд. Теперь намм известны все значения, поэтому подставим их:

η = 22176/220*1,4*120 *100% = 60%

Ответ: КПД чайника равен 60%.

Давайте выведем еще одну формулу для КПД, которая часто пригождается для электрических цепей, но применима ко всему. Для этого нужна формула работы через мощность:

Работа электрического тока A = Pt A — работа электрического тока [Дж] P — мощность [Вт] t — время [c]

Подставим эту формулу в числитель и в знаменатель, учитывая, что мощность разная — полезная и затраченная. Поскольку мы всегда говорим об одном процессе, то есть полезная и затраченная работа ограничены одним и тем же промежутком времени, можно сократить время и получить формулу КПД через мощность.

КПД η = Pполезная/Pзатраченная *100% η — коэффициент полезного действия [%] Pполезная — полезная мощность [Дж] Pзатраченная — затраченная мощность [Дж]

---

---

 

Захватывающие задачки, интерактивная платформа, личный трекер прогресса и поддержка внимательных учителей — вот формула Skysmart для высоких результатов в учебе.

Приходите на бесплатный вводный урок по физике: покажем, как у нас все устроено и наметим индивидуальную программу обучения.

Работа, мощность, энергия — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Механическая работа

К оглавлению…

Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы. Работой, совершаемой постоянной силой F, называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла между векторами силы F и перемещения S:

Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительна (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 ньютон на перемещении 1 метр в направлении действия силы.

Если же сила изменяется с течением времени, то для нахождения работы строят график зависимости силы от перемещения и находят площадь фигуры под графиком – это и есть работа:

Примером силы, модуль которой зависит от координаты (перемещения), может служить сила упругости пружины, подчиняющаяся закону Гука (F_упр = kx).

 

Мощность

К оглавлению…

Работа силы, совершаемая в единицу времени, называется мощностью. Мощность P (иногда обозначают буквой N) – физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа:

По этой формуле рассчитывается средняя мощность, т.е. мощность обобщенно характеризующая процесс. Итак, работу можно выражать и через мощность: A = Pt (если конечно известна мощность и время совершения работы). Единица мощности называется ватт (Вт) или 1 джоуль за 1 секунду. Если движение равномерное, то:

По этой формуле мы можем рассчитать мгновенную мощность (мощность в данный момент времени), если вместо скорости подставим в формулу значение мгновенной скорости. Как узнать, какую мощность считать? Если в задаче спрашивают мощность в момент времени или в какой-то точке пространства, то считается мгновенная. Если спрашивают про мощность за какой-то промежуток времени или участок пути, то ищите среднюю мощность.

КПД – коэффициент полезного действия, равен отношению полезной работы к затраченной, либо же полезной мощности к затраченной:

Какая работа полезная, а какая затраченная определяется из условия конкретной задачи путем логического рассуждения. К примеру, если подъемный кран совершает работу по подъему груза на некоторую высоту, то полезной будет работа по поднятию груза (так как именно ради нее создан кран), а затраченной – работа, совершенная электродвигателем крана.

Итак, полезная и затраченная мощность не имеют строгого определения, и находятся логическим рассуждением. В каждой задаче мы сами должны определить, что в этой задаче было целью совершения работы (полезная работа или мощность), а что было механизмом или способом совершения всей работы (затраченная мощность или работа).

В общем случае КПД показывает, как эффективно механизм преобразует один вид энергии в другой. Если мощность со временем изменяется, то работу находят как площадь фигуры под графиком зависимости мощности от времени:

 

Кинетическая энергия

К оглавлению…

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела (энергией движения):

То есть если автомобиль массой 2000 кг движется со скоростью 10 м/с, то он обладает кинетической энергией равной Е_к = 100 кДж и способен совершить работу в 100 кДж. Эта энергия может превратиться в тепловую (при торможении автомобиля нагревается резина колес, дорога и тормозные диски) или может быть потрачена на деформацию автомобиля и тела, с которым автомобиль столкнулся (при аварии). При вычислении кинетической энергии не имеет значения куда движется автомобиль, так как энергия, как и работа, величина скалярная.

Тело обладает энергией, если способно совершить работу. Например, движущееся тело обладает кинетической энергией, т. е. энергией движения, и способно совершать работу по деформации тел или придания ускорения телам, с которыми произойдёт столкновение.

Физический смысл кинетической энергии: для того чтобы покоящееся тело массой m стало двигаться со скоростью v необходимо совершить работу равную полученному значению кинетической энергии. Если тело массой m движется со скоростью v, то для его остановки необходимо совершить работу равную его первоначальной кинетической энергии. При торможении кинетическая энергия в основном (кроме случаев соударения, когда энергия идет на деформации) «забирается» силой трения.

Теорема о кинетической энергии: работа равнодействующей силы равна изменению кинетической энергии тела:

Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения. Применять данную теорему удобно в задачах на разгон и торможение тела.

 

Потенциальная энергия

К оглавлению…

Наряду с кинетической энергией или энергией движения в физике важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями (так называемые консервативные силы). Работа таких сил на замкнутой траектории равна нулю. Таким свойством обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести Земли рассчитывается по формуле:

Физический смысл потенциальной энергии тела: потенциальная энергия равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень (h – расстояние от центра тяжести тела до нулевого уровня). Если тело обладает потенциальной энергией, значит оно способно совершить работу при падении этого тела с высоты h до нулевого уровня. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

Часто в задачах на энергию приходится находить работу по поднятию (переворачиванию, доставанию из ямы) тела. Во всех этих случаях нужно рассматривать перемещение не самого тела, а только его центра тяжести.

Потенциальная энергия Ep зависит от выбора нулевого уровня, то есть от выбора начала координат оси OY. В каждой задаче нулевой уровень выбирается из соображения удобства. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение при перемещении тела из одного положения в другое. Это изменение не зависит от выбора нулевого уровня.

Потенциальная энергия растянутой пружины рассчитывается по формуле:

где: k – жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Растяжение или сжатие х надо рассчитывать от недеформированного состояния тела.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией. Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x₁, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x₂ сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком (так как сила упругости всегда направлена против деформации тела):

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.

Работа силы трения зависит от пройденного пути (такой вид сил, чья работа зависит от траектории и пройденного пути называется: диссипативные силы). Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

 

Коэффициент полезного действия

К оглавлению…

Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой (формула уже приведена выше).

КПД можно рассчитывать как через работу, так и через мощность. Полезная и затраченная работа (мощность) всегда определяются путем простых логических рассуждений.

В электрических двигателях КПД – отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника. В тепловых двигателях – отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты. В электрических трансформаторах – отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из–за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т.п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД характеризует как эффективно работает машина или механизм. КПД тепловых электростанций достигает 35–40%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением – 40–50%, динамомашин и генераторов большой мощности – 95%, трансформаторов – 98%.

Задачу, в которой нужно найти КПД или он известен, надо начать с логического рассуждения – какая работа является полезной, а какая затраченной.

 

Закон сохранения механической энергии

К оглавлению…

Полной механической энергией называется сумма кинетической энергии (т.е. энергии движения) и потенциальной (т.е. энергии взаимодействия тел силами тяготения и упругости):

Если механическая энергия не переходит в другие формы, например, во внутреннюю (тепловую) энергию, то сумма кинетической и потенциальной энергии остаётся неизменной. Если же механическая энергия переходит в тепловую, то изменение механической энергии равно работе силы трения или потерям энергии, или количеству выделившегося тепла и так далее, другими словами изменение полной механической энергии равно работе внешних сил:

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему (т.е. такую в которой не действует внешних сил, и их работа соответственно равна нолю) и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной:

Это утверждение выражает закон сохранения энергии (ЗСЭ) в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой силами упругости и тяготения. Во всех задачах на закон сохранения энергии всегда будет как минимум два состояния системы тел. Закон гласит, что суммарная энергия первого состояния будет равна суммарной энергии второго состояния.

Алгоритм решения задач на закон сохранения энергии:

1. Найти точки начального и конечного положения тела.
2. Записать какой или какими энергиями обладает тело в данных точках.
3. Приравнять начальную и конечную энергию тела.
4. Добавить другие необходимые уравнения из предыдущих тем по физике.
5. Решить полученное уравнение или систему уравнений математическими методами.

Важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими силами действуют силы трения или силы сопротивления среды. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание). Таким образом энергия в целом (т.е. не только механическая) в любом случае сохраняется.

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую. Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии.

 

Разные задачи на работу

К оглавлению…

Если в задаче требуется найти механическую работу, то сначала выберите способ её нахождения:

1. Работу можно найти по формуле: A = FS∙cosα. Найдите силу, совершающую работу, и величину перемещения тела под действием этой силы в выбранной системе отсчёта. Обратите внимание, что угол должен быть выбран между векторами силы и перемещения.
2. Работу внешней силы можно найти, как разность механической энергии в конечной и начальной ситуациях. Механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела.
3. Работу по подъёму тела с постоянной скоростью можно найти по формуле: A = mgh, где h – высота, на которую поднимается центр тяжести тела.
4. Работу можно найти как произведение мощности на время, т.е. по формуле: A = Pt.
5. Работу можно найти, как площадь фигуры под графиком зависимости силы от перемещения или мощности от времени.

 

Закон сохранения энергии и динамика вращательного движения

К оглавлению…

Задачи этой темы являются достаточно сложными математически, но при знании подхода решаются по совершенно стандартному алгоритму. Во всех задачах Вам придется рассматривать вращение тела в вертикальной плоскости. Решение будет сводиться к следующей последовательности действий:

1. Надо определить интересующую Вас точку (ту точку, в которой необходимо определить скорость тела, силу натяжения нити, вес и так далее).
2. Записать в этой точке второй закон Ньютона, учитывая, что тело вращается, то есть у него есть центростремительное ускорение.
3. Записать закон сохранения механической энергии так, чтобы в нем присутствовала скорость тела в той самой интересной точке, а также характеристики состояния тела в каком-нибудь состоянии про которое что-то известно.
4. В зависимости от условия выразить скорость в квадрате из одного уравнения и подставить в другое.
5. Провести остальные необходимые математические операции для получения окончательного результата.

При решении задач надо помнить, что:

• Условие прохождения верхней точки при вращении на нити с минимальной скоростью – сила реакции опоры N в верхней точке равна 0. Такое же условие выполняется при прохождении верхней точки мертвой петли.
• При вращении на стержне условие прохождения всей окружности: минимальная скорость в верхней точке равна 0.
• Условие отрыва тела от поверхности сферы – сила реакции опоры в точке отрыва равна нулю.

 

Неупругие соударения

К оглавлению…

Закон сохранения механической энергии и закон сохранения импульса позволяют находить решения механических задач в тех случаях, когда неизвестны действующие силы. Примером такого рода задач является ударное взаимодействие тел.

Ударом (или столкновением) принято называть кратковременное взаимодействие тел, в результате которого их скорости испытывают значительные изменения. Во время столкновения тел между ними действуют кратковременные ударные силы, величина которых, как правило, неизвестна. Поэтому нельзя рассматривать ударное взаимодействие непосредственно с помощью законов Ньютона. Применение законов сохранения энергии и импульса во многих случаях позволяет исключить из рассмотрения сам процесс столкновения и получить связь между скоростями тел до и после столкновения, минуя все промежуточные значения этих величин.

С ударным взаимодействием тел нередко приходится иметь дело в обыденной жизни, в технике и в физике (особенно в физике атома и элементарных частиц). В механике часто используются две модели ударного взаимодействия – абсолютно упругий и абсолютно неупругий удары.

Абсолютно неупругим ударом называют такое ударное взаимодействие, при котором тела соединяются (слипаются) друг с другом и движутся дальше как одно тело.

При абсолютно неупругом ударе механическая энергия не сохраняется. Она частично или полностью переходит во внутреннюю энергию тел (нагревание). Для описания любых ударов Вам нужно записать и закон сохранения импульса, и закон сохранения механической энергии с учетом выделяющейся теплоты (предварительно крайне желательно сделать рисунок).

 

Абсолютно упругий удар

К оглавлению…

Абсолютно упругим ударом называется столкновение, при котором сохраняется механическая энергия системы тел. Во многих случаях столкновения атомов, молекул и элементарных частиц подчиняются законам абсолютно упругого удара. При абсолютно упругом ударе наряду с законом сохранения импульса выполняется закон сохранения механической энергии. Простым примером абсолютно упругого столкновения может быть центральный удар двух бильярдных шаров, один из которых до столкновения находился в состоянии покоя.

Центральным ударом шаров называют соударение, при котором скорости шаров до и после удара направлены по линии центров. Таким образом, пользуясь законами сохранения механической энергии и импульса, можно определить скорости шаров после столкновения, если известны их скорости до столкновения. Центральный удар очень редко реализуется на практике, особенно если речь идет о столкновениях атомов или молекул. При нецентральном упругом соударении скорости частиц (шаров) до и после столкновения не направлены по одной прямой.

Частным случаем нецентрального упругого удара может служить соударения двух бильярдных шаров одинаковой массы, один из которых до соударения был неподвижен, а скорость второго была направлена не по линии центров шаров. В этом случае векторы скоростей шаров после упругого соударения всегда направлены перпендикулярно друг к другу.

 

Законы сохранения. Сложные задачи

К оглавлению…

Несколько тел

В некоторых задачах на закон сохранения энергии тросы с помощью которых перемещаются некие объекты могут иметь массу (т.е. не быть невесомыми, как Вы могли уже привыкнуть). В этом случае работу по перемещению таких тросов (а именно их центров тяжести) также нужно учитывать.

Если два тела, соединённые невесомым стержнем, вращаются в вертикальной плоскости, то:

1. выбирают нулевой уровень для расчёта потенциальной энергии, например на уровне оси вращения или на уровне самой нижней точки нахождения одного из грузов и обязательно делают чертёж;
2. записывают закон сохранения механической энергии, в котором в левой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в начальной ситуации, а в правой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в конечной ситуации;
3. учитывают, что угловые скорости тел одинаковы, тогда линейные скорости тел пропорциональны радиусам вращения;
4. при необходимости записывают второй закон Ньютона для каждого из тел в отдельности.

Разрыв снаряда

В случае разрыва снаряда выделяется энергия взрывчатых веществ. Чтобы найти эту энергию надо от суммы механических энергий осколков после взрыва отнять механическую энергию снаряда до взрыва. Также будем использовать закон сохранения импульса, записанный, в виде теоремы косинусов (векторный метод) или в виде проекций на выбранные оси.

Столкновения с тяжёлой плитой

Пусть навстречу тяжёлой плите, которая движется со скоростью v, движется лёгкий шарик массой m со скоростью u_н. Так как импульс шарика много меньше импульса плиты, то после удара скорость плиты не изменится, и она будет продолжать движение с той же скоростью и в том же направлении. В результате упругого удара, шарик отлетит от плиты. Здесь важно понять, что не поменяется скорость шарика относительно плиты. В таком случае, для конечной скорости шарика получим:

Таким образом, скорость шарика после удара увеличивается на удвоенную скорость стены. Аналогичное рассуждение для случая, когда до удара шарик и плита двигались в одном направлении, приводит к результату согласно которому скорость шарика уменьшается на удвоенную скорость стены:

Задачи о максимальных и минимальных значениях энергии сталкивающихся шаров

В задачах такого типа главное понять, что потенциальная энергия упругой деформации шаров максимальна, если кинетическая энергия их движения минимальна – это следует из закона сохранения механической энергии. Сумма кинетических энергий шаров минимальна в тот момент, когда скорости шаров будут одинаковы по величине и направлены в одном направлении. В этот момент относительная скорость шаров равна нулю, а деформация и связанная с ней потенциальная энергия максимальна.

Каковы единицы измерения КПД — Школьные Знания.com

Знайти загальний опір у колі якщо R1=800,R2=R3=200,R4=R5=1000.R-?

Какую работу совершает двигатель мощностью 70 кВт за 18 минут?

У автомобиля закончился бензин. Водитель автомобиля, прилагая силу величиной 75Н, толкает его до бензоколонки, находящейся на расстоянии 134 м.

Ученик в экспериментальной работе использовал плоскопараллельную пластинку, изготовленнуюиз стекла. При измерениях угол падения луча составил 60°, а у … гол преломления в 2 раза меньше.Вычислите показатель преломления стекла.​

позначте, яка робота була виконана при піднятті вантажу масою 0 5 кг на висоту 4 м.​

Решите 2 задачи по физике. 7 класс.1) Человек, при перемещении тела, развивая силу тяги 1000Н, совершает работу 500Дж. Какой путь проходит тело?2) Как … ую мощность развивает человек, поднимающий ведро воды весом 120Н из колодца глубиной 20м за 15с?​

На рисунке указаны. Положение главной оптической оси линзы, предмет и фокусное расстояние. а) Постройте изображение предмета b) Вычислите расстояние о … т линзы до объекта, если оптическая сила линзы +15 дтр, а высота изображения в 5 раза больше высоты предмета. c) Вычислите расстояние от линзы до изображения​.

знайти загальний опір у колі якщо R1=800,R2=R3=200,R4=R5=1000.R-?

5. Заряд составных частей атома5.1. Имеет ли ядро атома электрический заряд?Ответ: да или нет5.2. Если ядро атома имеет заряд, то какой знак заряда у … ядра электрического иона.Ответ: ________________________ 6. Отражение от плоского зеркалаВо дворе, на горизонтально лежащее плоское зеркало, падает луч света от солнца. Надо найти чему равен угол падения, если известно угол между падающим и отраженным лучами, γ = 78о.7. Опиши изображение предметаПредмет (зеленая палка) находится между фокусом (F) и линзой. Каким получится изображение, даваемый линзой? Опишите полученное изображение.8. Анализ величин, входящих в закон Джоуля—Ленца.Используя Закон Джоуля-Ленца выяснить, если в проводнике увеличилось количество выделяемого теплоты в 4 раза, во сколько раз __________ силу тока.Ответ: написать, уменьшилась или увеличилась сила тока и во сколько раз.9. Направление тока в проводнике, вокруг которого существует магнитное полеОпредели направление тока в проводнике, зная только направление линий магнитное поля. Ответ: _________________________ 10. Вычисление силы токаВычисли силу тока, зная, что за 18 секунд через светодиодную лампочку протекает заряд, равный 2,5 Кл.11. Нагревание деталиКакое количество теплоты понадобилось, для того чтобы нагреть деталь из алюминия массой 100 г на 25 градусов. Удельная теплоёмкость алюминия равна 920 Дж/(кг·оС).12. Сила токаВнутри электрического чайника есть нагревательный элемент, сопротивление которого равна 85 Ом. Вычисли силу тока в нагревательном элементе, если она подключена в сеть напряжением 220 В. Ответ округли до сотых.13. МощностьНадо найти мощность микроволновки, если она подключена в сеть напряжением 220 В, а сила тока равна 4,3 А.14. Фокусное расстояниеОпределите фокусное расстояние линз с оптической силой 8 диоптрий. Ответ выразите в сантиметрах.15. Определи количество теплотыЕсть ведро, в ведре вода, литра два. Надо определить, какое количество теплоты выделится при превращении воды в лёд. Удельная теплота кристаллизации воды равна 3,4·105 Дж/кг, плотность воды = 1000 кг/м3. Ответ выразить в МДж.16. Определи КПД двигателя кранаС помощью крана поднимают строительные материалы массой 356 кг на крышу здания высотой 9 м. Надо определить КПД двигателя крана, если выделилось 128 кДж. при сгорании топлива. Ускорение свободного падения считать равным 10 Н/кг.​

. При піднятті важелем вантажу масою 10 кг на висоту 1 м виконано роботу, що дорівнює 200 Дж. Визначте ККД важеля (у %)

Материалы к вступительным испытаниям по физике Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного

Физика и физические методы изучения природы

Физика — наука о природе. Физические тела и явления. Наблюдение и описание физических явлений. Физический эксперимент. Моделирование явлений и объектов природы.

Физические величины и их измерение. Точность и погрешность измерений. Международная система единиц.

Физические законы и закономерности. Физика и техника. Научный метод познания. Роль физики в формировании естественнонаучной грамотности.

Механические явления

Механическое движение. Материальная точка как модель физического тела. Относительность механического движения. Система отсчета. Физические величины, необходимые для описания движения и взаимосвязь между ними (путь, перемещение, скорость, ускорение, время движения). Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение. Равномерное движение по окружности. Первый закон Ньютона и инерция. Масса тела. Плотность вещества. Сила. Единицы силы. Второй закон Ньютона. Третий закон Ньютона. Свободное падение тел. Сила тяжести. Закон всемирного тяготения. Сила упругости. Закон Гука. Вес тела. Невесомость. Связь между силой тяжести и массой тела. Динамометр. Равнодействующая сила. Сила трения. Трение скольжения. Трение покоя. Трение в природе и технике.

Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Механическая работа. Мощность. Энергия. Потенциальная и кинетическая энергия. Превращение одного вида механической энергии в другой. Закон сохранения полной механической энергии.

Простые механизмы. Условия равновесия твердого тела, имеющего закрепленную ось движения. Момент силы. Центр тяжести тела. Рычаг. Равновесие сил на рычаге. Рычаги в технике, быту и природе. Подвижные и неподвижные блоки. Равенство работ при использовании простых механизмов («Золотое правило механики»). Коэффициент полезного действия механизма.

Давление твердых тел. Единицы измерения давления. Способы изменения давления. Давление жидкостей и газов Закон Паскаля. Давление жидкости на дно и стенки сосуда. Сообщающиеся сосуды. Вес воздуха. Атмосферное давление. Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли. Барометр-анероид. Атмосферное давление на различных высотах. Гидравлические механизмы (пресс, насос). Давление жидкости и газа на погруженное в них тело. Архимедова сила. Плавание тел и судов Воздухоплавание.

Механические колебания. Период, частота, амплитуда колебаний. Резонанс. Механические волны в однородных средах. Длина волны. Звук как механическая волна. Громкость и высота тона звука.

Тепловые явления

Строение вещества. Атомы и молекулы. Тепловое движение атомов и молекул. Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах. Броуновское движение. Взаимодействие (притяжение и отталкивание) молекул. Агрегатные состояния вещества. Различие в строении твердых тел, жидкостей и газов.

Тепловое равновесие. Температура. Связь температуры со скоростью хаотического движения частиц. Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии тела. Теплопроводность. Конвекция. Излучение. Примеры теплопередачи в природе и технике. Количество теплоты. Удельная теплоемкость. Удельная теплота сгорания топлива. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах. Плавление и отвердевание кристаллических тел. Удельная теплота плавления. Испарение и конденсация. Поглощение энергии при испарении жидкости и выделение ее при конденсации пара. Кипение. Зависимость температуры кипения от давления. Удельная теплота парообразования и конденсации. Влажность воздуха. Работа газа при расширении. Преобразования энергии в тепловых машинах (паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель). КПД тепловой машины. Экологические проблемы использования тепловых машин.

Электромагнитные явления

Электризация физических тел. Взаимодействие заряженных тел. Два рода электрических зарядов. Делимость электрического заряда. Элементарный электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Проводники, полупроводники и изоляторы электричества. Электроскоп. Электрическое поле как особый вид материи. Напряженность электрического поля. Действие электрического поля на электрические заряды. Конденсатор. Энергия электрического поля конденсатора.

Электрический ток. Источники электрического тока. Электрическая цепь и ее составные части. Направление и действия электрического тока. Носители электрических зарядов в металлах. Сила тока. Электрическое напряжение. Электрическое сопротивление проводников. Единицы сопротивления.

Зависимость силы тока от напряжения. Закон Ома для участка цепи. Удельное сопротивление. Реостаты. Последовательное соединение проводников. Параллельное соединение проводников.

Работа электрического поля по перемещению электрических зарядов. Мощность электрического тока. Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля — Ленца. Электрические нагревательные и осветительные приборы. Короткое замыкание.

Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Магнитное поле тока. Опыт Эрстеда. Магнитное поле постоянных магнитов. Магнитное поле Земли. Электромагнит. Магнитное поле катушки с током. Применение электромагнитов. Действие магнитного поля на проводник с током и движущуюся заряженную частицу. Сила Ампера и сила Лоренца. Электродвигатель. Явление электромагнитной индукция. Опыты Фарадея.

Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Электрогенератор. Переменный ток. Трансформатор. Передача электрической энергии на расстояние. Электромагнитные волны и их свойства. Принципы радиосвязи и телевидения. Влияние электромагнитных излучений на живые организмы.

Свет – электромагнитная волна. Скорость света. Источники света. Закон прямолинейного распространение света. Закон отражения света. Плоское зеркало. Закон преломления света. Линзы. Фокусное расстояние и оптическая сила линзы. Изображение предмета в зеркале и линзе. Глаз как оптическая система. Дисперсия света.

Квантовые явления

Строение атомов. Планетарная модель атома. Квантовый характер поглощения и испускания света атомами. Линейчатые спектры.

 Опыты Резерфорда.

Состав атомного ядра. Протон, нейтрон и электрон. Закон Эйнштейна о пропорциональности массы и энергии.

Дефект масс и энергия связи атомных ядер.

Радиоактивность. Период полураспада. Альфа-излучение.

Бета-излучение

Гамма-излучение. Ядерные реакции. Источники энергии Солнца и звезд. Ядерная энергетика. Дозиметрия.

Работа, энергия, мощность | Физика

Работа и энергия

Если некоторая сила F будет действовать на тело на всем протяжении пути S, то мы сможем вычислить работу A, которую совершает данная сила. Работу можно найти, если силу F умножить на пройденное расстояние S: A = F * S. Единицей измерения работы является джоуль (Дж).

Работа по подъему груза → Потенциальная энергия

При подъеме какого-нибудь тела проделанная работа будет равна силе тяжести, умноженной на высоту подъема: W_H = F_G * s.

Поднимая тело на некоторую высоту, мы можем преобразовать работу в энергию. Эта энергия называется потенциальной.

Работа сил упругости → Потенциальная энергия упругости

Натягивая лук, мы совершаем работу, равную силе тяги, умноженной на расстояние, на которое была оттянута стрела: W_S = F_S * s.

Натянув лук, мы сохраним энергию. Эта энергия называется потенциальной энергией упругих сил.

Изменение ускорения → Кинетическая энергия

Если транспортное средство увеличивает скорость, это значит, что была проделана работа, направленная на создание и изменение ускорения движения: W_B = F_B * s = m * a * s.

Энергия, сохраненная в виде движения, называется кинетической.

Работа сил трения → Тепловая энергия

Когда мы перемещаем тело, то работа будет равна силе тяги, умноженной на путь: W_R = F_R * s.

Если тело перемещается по неровной поверхности, то появится трение, которое будет причиной возникновения тепла. Таким образом, силы трения совершают работу по преобразованию энергии движения в тепловую энергию.

Мощность

Мощность показывает, насколько быстро совершается работа. Поэтому мощность равна совершенной работе, деленной на время, затраченное на эту работу: P = W / t.

Мощность измеряется в ваттах (Вт).

1 Вт равен 1 Дж, деленному на 1 секунду.

Закон сохранения энергии

Энергия может превращаться из одного вида в другой и, самое главное, никакая часть энергии не может пропасть бесследно.

Возьмем обыкновенный мяч и на его примере рассмотрим, каким образом различные виды энергии и работы превращаются в другие. Для начала мяч должен упасть.

Во время падения мяч движется с определенным ускорением. Его первоначальная потенциальная энергия превратится в кинетическую энергию движения. Из-за сопротивления воздуха часть кинетической энергии перейдет во внутреннюю энергию, и следовательно, температура воздуха внутри мяча поднимется. В сумме энергия останется неизменной.

При сжатии мяча с ним будет проделан другой вид работы. Энергия движения мяча превратится в энергию сжатия.

В тот момент, когда мяч принимает первоначальную форму, энергия сжатия снова превратится в кинетическую энергию, при этом часть энергии выделится в виде тепла.

Мячик подпрыгивает, и кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию.

Но мячик не может подпрыгнуть на первоначальную высоту, так как часть энергии уже превратилась в тепло и выделилась в воздух.

Мячик будет прыгать до тех пор, пока не остановится на земле. Энергия, которой мяч обладал в начале, превратится во внутреннюю энергию тела и затем рассеется в виде тепла в воздухе.

Если бросите с определенной высоты мяч и дождетесь пока он вернется в состояние равновесия, то вся потенциальная энергия перейдет в тепловую энергию.

Коэффициент полезного действия

Действие различных машин основано на превращении одного вида энергии в другой. Возьмем, например, автомобиль, в котором химическая энергия бензина превращается в кинетическую энергию движения. При этом возникают различные виды невостребованной энергии, например, тепловая энергия и энергия трения. Та часть первоначальной энергии, которая превратилась в нужный вид энергии, показывает продуктивность действия машины и называется коэффициентом полезного действия (КПД) машины. В обыкновенном автомобиле КПД составляет примерно 20-30 процентов.

КПД плоскости, блока, рычага

В этой статье научимся определять КПД наклонной плоскости, блоков и рычагов.

КПД неподвижного блока равен отношению полезной работы к затраченной, высоту подъема можно сократить:

   

Подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза, поэтому для него

   

КПД рычага равен, аналогично, отношению полезной работы к затраченной:

   

КПД наклонной плоскости равен:

   

И по-прежнему это то же отношение полезной работы к затраченной.

Задача 1. С помощью подвижного блока поднимают груз весом 400 Н на высоту 4 м, действуя на веревку с силой 220 Н. Чему равен КПД блока?

Так как блок по условию подвижный, то дает выигрыш в силе в 2 раза:

   

Ответ: 91%.

Задача 2. С помощью рычага груз массой 150 кг подняли на высоту 0,2 м. При этом к длинному плечу была приложена сила 600 Н, под действием которой конец этого плеча опустился на 0,6 м. Найдите КПД рычага.

   

Ответ: 83 %
Задача 3. С помощью рычага, КПД которого 80%, подняли груз массой 120 кг на высоту 40 см. На какое` расстояние опустилось длинное плечо рычага, если к нему была приложена сила 500 Н?

КПД рычага:

   

Отсюда

   

Ответ: 1,2 м.
Задача 4. Определить КПД наклонной плоскости при подъеме тела, если учащийся с помощью динамометра и линейки получил такие результаты: вес тела 1,4 Н; высота плоскости 0,2 м; длина плоскости 0,56 м; сила, приложенная к телу, 1 Н.

   

Ответ: 50%.

Задача 5.  Бетонную плиту объемом 0,5 м поднимают из воды с помощью подвижного блока. Какую силу необходимо прикладывать, когда плиту поднимают в воде и над поверхностью воды?

Плотность бетона равна кг/м.

Найдем массу бетонной плиты: кг. Вес плиты 11 кН. Поэтому, если блок подвижный, то достаточно развивать силу 5,5 кН, чтобы поднять эту плиту на воздухе с помощью подвижного блока. В воде нам будет помогать сила Архимеда:

   

Таким образом, в воде вес плиты станет меньше на 5000 Н и станет равен 6000 Н. Поэтому достаточно 3000 Н для подъема плиты в воде при помощи такого блока.

Ответ: 5,5 кН на воздухе, 3 кН в воде.

Задача 6. По наклонной плоскости длиной 5 м и высотой 1,5 м поднимают равномерно груз массой 180 кг. Какую силу нужно приложить к грузу, если КПД плоскости 60%?

КПД наклонной плоскости равен:

   

Откуда

   

Ответ: 900 Н.

Задача 7. Какую работу необходимо совершить для подъема гранитной плиты объемом 4 м на высоту 2 м с помощью механизма с КПД 60%?

Полезная работа равна

   

КПД механизма равен:

   

Полная работа тогда

   

Ответ: 347 кДж.

Задача 8. С помощью подвижного блока поднимают груз массой 75 кг на высоту 10 м. КПД равен 60%. Определить полезную работу и силу, необходимую для подъема груза.
КПД подвижного блока:

   

Отсюда

   

   

Ответ: Дж, Н.

Эффективность (физика): определение, формула и примеры

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Эми Дусто

Эффективность — это способ описания количества полезных выходных данных , которые процесс или машина может произвести в процентах от вход , необходимый для его работы. Другими словами, он сравнивает, сколько энергии используется для выполнения работы, с тем, сколько теряется или тратится впустую для окружающей среды. Чем эффективнее машина, тем меньше тратится энергии.

Например, если тепловой двигатель способен приводить в движение 75 процентов получаемого топлива, а 25 процентов теряется в виде тепла в процессе, это будет 75 процентов эффективности. Из исходных 100 процентов топлива 75 процентов было произведено как полезная работа.

Тепловые двигатели

В физике термин тепловые двигатели может относиться к нескольким типам машин или процессов. Формально тепловой двигатель — это любая термодинамическая система, преобразующая тепловую энергию в механическую энергию или движение.

Базовый рецепт теплового двигателя включает в себя следующее:

• Тепловая баня или какой-либо тип высокотемпературного источника тепла
• Низкотемпературный холодный резервуар, в который отводится тепло
  
• Сам двигатель , который поглощает тепло из горячего резервуара для создания некоторой формы расширения системы, которая воздействует на окружающую среду (например, вращает двигатель), а затем выделяет тепловую энергию в холодный резервуар, когда он возвращается в исходное состояние.
  

Например, в автомобиле горящее топливо является источником тепла, среда вокруг автомобиля является резервуаром холода, а двигатель внутреннего сгорания выполняет работу по преобразованию тепла в выхлопные газы, когда он перемещает поршни и вращает коленчатый вал, позволяющий машине двигаться.

Энергоэффективность теплового двигателя

Эффективность теплового двигателя — это отношение полезной работы, выполняемой системой (также называемой полезной энергией или выходной энергией системы), к тепловой энергии, добавленной к системе. (входная энергия).

Это показатель того, насколько хорошо тепловой двигатель превращает тепловую энергию в механическую работу.

Если Вт — это работа, Q — добавленное тепло, и оба значения указаны в единицах СИ для энергии: джоули.

Поскольку КПД — это коэффициент, он всегда выражается в процентах или в виде значения от 0 (нет КПД) до 1 (общий КПД — вся входная энергия преобразуется в полезную выходную мощность). Эффективность никогда не может быть больше 1 или 100 процентов, потому что это нарушило бы закон сохранения энергии, если бы количество выходной энергии было больше, чем вложенная энергия! Это означало бы, что энергия создается из ничего, что невозможно в этой вселенной.

КПД Карно

Цикл Карно — это термодинамический цикл с максимально возможной эффективностью. Поскольку никакие процессы в природе не являются полностью обратимыми — часть энергии всегда теряется в виде тепла благодаря второму закону термодинамики — цикл Карно описывает идеальный тепловой двигатель . Другими словами, никто не мог его построить.

Ценность цикла Карно заключается в установке верхних границ того, насколько эффективным может быть любой действующий двигатель.Она выражается в единицах измерения СИ — единиц Кельвина — T _h и T _c , соответственно, в резервуарах горячей и холодной энергии.

Его также можно выразить через Q _h и Q _c , добавленное и отдаваемое тепло, соответственно, в джоулях.

Как рассчитать эффективность работы

Обновлено 20 сентября 2019 г.

Автор: S.Hussain Ather

Все, что принимает входные данные и производит выходные, будь то электрический генератор или простая система шкивов, можно измерить по тому, насколько хорошо оно использует вложенную в него работу. Формула эффективности работы поможет вам количественно оценить это и оценить эффективность любой машины.

Формула эффективности работы

Формула для расчета эффективности работы — это отношение выходных к исходным , выраженное в процентах. Для машины вы можете определить объем работы, вложенной в машину, в зависимости от того, как она работает.Обычно вы можете рассчитать работу, умножив силу на расстояние для движения.

Убедитесь, что вы правильно рассчитываете ввод и вывод машины или объекта, который выполняет работу, а также учитываете другие факторы, такие как человек, управляющий машиной.

Формула эффективности работы: эффективность = выход / вход , и вы можете умножить результат на 100, чтобы получить эффективность работы в процентах. Это используется в различных методах измерения энергии и работы, будь то производство энергии или эффективность машин.

Пример расчета эффективности работы

Канат шкива, который оттягивает груз весом 10 фунтов на 1 фут от земли из-за того, что человек прилагает 6 фунтов силы, чтобы тянуть канат шкива 2 фута, имеет эти специфические входные и выходные силы. Человеческая сила, входящая сила, выполняет 6 фунтов работы на 2 фута или 12 футов фунта работы. Движение машины, выходная сила, тогда составляет 10 фунтов умножить на 1 фут работы или 10 фут-фунтов работы.

Эффективность работы — это отношение выпуска к затратам в процентной форме.Это будет 10/12 или 0,83. Умножьте это на 100, чтобы преобразовать в процент, который даст эффективность работы 83 процента.

Определение эффективности работы Физика

Отношение результатов работы к затратам используется как мера эффективности во многих областях физики и техники. Исследователи считают полезным описать процентное соотношение продуктов и расходных материалов для процесса, чтобы определить, как сэкономить энергию, мощность или другие ограниченные количества.

Определение отношения вывода к вводу дает вам представление о том, насколько эффективна система, процесс, метод, конвейер или что-то еще, что используется.

При анализе термодинамики тепловых двигателей, например, полезный выход работы, который тепловой двигатель, такой как тепловой двигатель Карно, может измерять, работу, которую двигатель может выполнять как выходную, с высокотемпературным теплом, которое двигатель использует в качестве входа.

Формула эффективности работы на практике

Физики и инженеры используют эффективность труда при определении того, насколько производительными и энергосберегающими являются процессы для электрических цепей (электрический КПД), тепловых двигателей (тепловой КПД), радиоактивных процессов (радиационная эффективность) и других процессов. в том числе квантовая механика (квантовая эффективность).

Простое соотношение выходных и входных данных означает, что ученые и инженеры могут использовать свои упрощенные универсальные математические формулы для достижения любого необходимого уровня эффективности или цели. Например, вы можете использовать отношение мощности, излучаемой антенной, к мощности, которую она поглощает на своих выводах, при обнаружении радиочастот в качестве меры эффективности.

Эффективность чаще выражается в процентах, поскольку она напрямую сравнивает два фактора, вход и выход. Однако есть случаи, в которых эффективность может быть измерена без процента, например удельный импульс , импульс, деленный на массу для ракеты, с учетом того, как она использует ракетное топливо или топливо, а также сопротивление воздуха и другие силы.Конкретный импульс дает физикам и инженерам определить тягу, КПД и меры использования топлива при проектировании двигателя.

Эффективность и расчеты — Физика рассказа

Простой вид двигателя

Один вид двигателя — это сложная сборка проводов, магнитов, осей, щеток и коммутаторов. Существует много различных конструкций электродвигателей (например,грамм. щеточный постоянный ток, шаговый постоянный ток, синхронный переменный ток) и значительные навыки используются для адаптации конструкции к конкретной задаче. Это может быть приложение с особенно высоким крутящим моментом, возможно, для создания больших ускорений для электрического спортивного автомобиля, или приложение, в котором рабочая мощность очень мала, но очень мало энергии может быть потрачено впустую, например, в автомобиле на солнечной энергии.

Намного более простой вид можно получить, разработав описание с точки зрения запасов энергии или мощности в проводящих путях.

Рабочая мощность и максимальная мощность

У двигателей много рабочих мощностей.Даже в быту можно найти моторы, предназначенные для перемешивания одежды в стиральной машине, приготовления супа, измельчения кофе или вращения жесткого диска портативного музыкального плеера. В последнем примере требуется точное движение, но, возможно, ненадолго. Воспроизведение музыки зависело от точного вращения синглов с 78 об / мин (оборотов в минуту) через стабильную высокую скорость для аудио CD-ROM до стабильно высокой скорости для жестких дисков (7200 об / мин обычно доступны на момент написания. ).Возможно, плееры с флэш-памятью вытеснят как жесткие диски, так и портативные аудиокассетные плееры, поскольку им нужны очень точные двигатели, чтобы протягивать ленту по голове со скоростью 178 дюймов в секунду. Тем не менее, если роботы будут играть какую-либо роль в будущем, инженерам будет очень необходимо проектировать двигатели с диапазоном точности и номинальной мощности.

Но есть более простая точка зрения (а физикам нравятся более простые точки зрения), которая дает руководство для всей этой инженерной мысли. Двигатель — это просто устройство, предназначенное для переключения с электрического пути на механический, поэтому это своего рода преобразователь.Идеальный двигатель переключит всю мощность — без потерь.

Используйте аккумулятор для привода двигателя, который поднимает поддон (например, на автопогрузчике). Затем описание устройства / пути обеспечивает полезный уровень детализации для одного стратегического представления инженерных требований. Еще более абстрактное представление дает описание магазинов, которое еще меньше касается , как? , а так даже больше ориентировался на сколько? .

Идеальное и несовершенное переключение с одного пути на другой

Инженеры очень озабочены настоящими двигателями, которые не идеальны.Совершенство — это всего лишь недостижимая цель: инженерия — это правильный компромисс.

Любой двигатель имеет значительную длину провода, в котором есть ток и на котором есть разность потенциалов, величина ограничена этим соотношением: V = R × I . Следовательно, эти провода двигателя будут нагреваться. Таким образом, более реалистичный вид двигателя — это устройство, которое переключается с электрического пути на механический рабочий путь и на путь нагрева частицами.

Менее расточительный, более эффективный двигатель — это двигатель, у которого большая часть мощности уходит в механический рабочий путь.

Так как двигатели светятся не очень сильно, то нагревом от пути излучения можно пренебречь; Другими словами, на этом пути для большинства двигателей не так много энергии, пока они не выйдут за пределы своей проектной мощности, что часто приводит к сгоранию двигателя . Это происходит, когда мощность, переключаемая с входного (электрического) пути, превышает три выходных пути (механическая обработка, нагрев частицами, нагрев излучением).Сдвинутая энергия превышает смещенную, а запас тепла увеличивается, поэтому проволока становится все горячее и горячее, пока в конце концов не расплавится.

Как посчитать скопления в магазинах в результате подъема

Обратно к мотору автопогрузчика, поднимающего поддон. Как мотор работает, так аккумулятор разряжается и груз поднимается. Чем быстрее поднимается груз, тем с большей скоростью химические вещества вступают в реакцию в аккумуляторе, и поэтому он разряжается с большей скоростью.

Двигатель переключается с электрического пути — энергия, передаваемая из химического накопителя батареи, в гравитационный накопитель, накапливается с течением времени.

Мощность в электрическом тракте (заданная током и разностью потенциалов, как и раньше) и время устанавливают накопление.

Мощность в двух направлениях

Энергия, переданная в гравитационный накопитель, зависит как от силы (масса × напряженность гравитационного поля), так и от расстояния — здесь от высоты.Вы можете проверить эти связи в темах SPT: Forces и SPT: Energy. Таким образом, вы можете рассчитать энергию, смещенную в гравитационный накопитель, накапливающуюся при изменении высоты. Усилие фиксируется содержимым поддона, который поднимает вилочный погрузчик.

Энергия, накопленная в гравитационном накопителе в результате изменения высоты, может быть вычислена как масса × напряженность гравитационного поля × изменение высоты. Проверить это имеет смысл, используя единицы: килограмм × ньютон килограмм ^-1 × метр, что упрощается до: ньютон × метр.Переходя от единиц к количеству, это сила × расстояние.

Вычисляет энергию (подробнее см. Тему SPT: Energy).

Эти два накопления из-за электрических и механических путей будут равны, если двигатель идеален. Мы часто используем эту упрощенную модель, потому что она часто является хорошим руководством к действию. Но для реальных двигателей некоторая часть энергии неизбежно будет перемещена в тепловые накопители, поэтому накопление, рассчитанное на основе электрического пути, будет равно энергии, перемещенной в гравитационный накопитель и в эти тепловые накопители.

Эффективность человеческого тела — Физика тела: движение к метаболизму

Это сканирование с помощью фМРТ показывает повышенный уровень потребления энергии в зрительном центре мозга. Здесь пациента просили узнавать лица. Изображение предоставлено NIH через Wikimedia Commons

Все функции организма, от мышления до подъема тяжестей, требуют энергии. Многие мелкие мышечные движения, сопровождающие любую спокойную деятельность, от сна до чесания головы, в конечном итоге становятся тепловой энергией, как и менее заметные мышечные действия сердца, легких и пищеварительного тракта. Уровень , с которым организм использует энергию пищи для поддержания жизни и выполнения различных действий, называется скоростью метаболизма. Общий коэффициент преобразования энергии человека в состоянии покоя называется скоростью основного обмена (BMR) и делится между различными системами в организме, как показано в следующей таблице:

Скорость основного обмена (BMR)

Орган	Мощность, потребляемая в состоянии покоя (Вт)	Потребление кислорода (мл / мин)	Процент от BMR
Печень и селезенка	23	67	27
Мозг	16	47	19
Скелетная мышца	15	45	18
Почка	9	26	10
Сердце	6	17	7
Прочее	16	48	19
Итого	85 Вт	250 мл / мин	100%

Наибольшая доля энергии поступает в печень и селезенку, а затем в мозг. Около 75% калорий, сжигаемых за день, идет на эти основные функции. Полные 25% всей основной метаболической энергии, потребляемой организмом, используется для поддержания электрических потенциалов во всех живых клетках. (Нервные клетки используют этот электрический потенциал в нервных импульсах.) Эта биоэлектрическая энергия в конечном итоге становится в основном тепловой энергией, но некоторая часть используется для питания химических процессов, таких как в почках и печени, а также при производстве жира. BMR — это функция возраста, пола, общей массы тела и количества мышечной массы (которая сжигает больше калорий, чем телесный жир).Благодаря этому последнему фактору у спортсменов больше BMR. Конечно, во время интенсивных упражнений потребление энергии скелетными мышцами и сердцем заметно возрастает. Следующая диаграмма суммирует основные энергетические функции человеческого тела.

Самые основные функции человеческого тела сопоставлены с основными концепциями, рассматриваемыми в этом учебнике (химическая потенциальная энергия на самом деле является формой электрической потенциальной энергии, но мы не будем специально обсуждать электрическую потенциальную энергию в этом учебнике, поэтому мы разделили их. )

Тепло

Тело способно накапливать химическую потенциальную энергию и тепловую энергию внутри. Помня, что тепловая энергия — это просто кинетическая энергия атомов и молекул, мы признаем, что эти два типа энергии хранятся микроскопически и внутри тела. Поэтому мы часто объединяем эти два типа микроскопической энергии во внутреннюю энергию (). Когда объект теплее, чем его окружение, тогда тепловая энергия будет передаваться от объекта к окружению, но если объект холоднее, чем его окружение, тогда тепловая энергия будет передаваться объекту из его окружения.Количество тепловой энергии, передаваемой из-за разницы температур, часто называют теплом (). Когда тепло передается из тела в окружающую среду, мы говорим, что это тепло выхлопных газов, как показано на предыдущем рисунке. Мы узнаем больше о том, как связаны температура и теплопередача, в следующем разделе.

Энергосбережение

Принцип сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Следовательно, если тело выполняет полезную работу по передаче механической энергии своему окружению () или передаче тепловой энергии в окружающую среду в виде тепла, тогда эта энергия должна исходить из внутренней энергии тела.Мы наблюдаем это повсюду в природе как Первый закон термодинамики:

.

(1)

Тепловые двигатели

Ваше тело использует химическую потенциальную энергию, хранящуюся внутри, для выполнения работы, и этот процесс также генерирует тепловую энергию, которую вы выделяете как выхлопное тепло. Двигатели внутреннего сгорания, которыми оснащено большинство автомобилей, работают аналогичным образом, преобразуя химическую потенциальную энергию топлива в тепловую энергию посредством сгорания, затем преобразуя часть тепловой энергии в полезную работу и сбрасывая часть в тепло выхлопных газов.Ваше тело способно высвобождать химическую потенциальную энергию из вашей пищи без возгорания, что хорошо, потому что вы не можете использовать тепловую энергию вашей внутренней энергии для выполнения работы. Машины, которые могут использовать тепловую энергию для работы, например двигатель внутреннего сгорания, известны как тепловые двигатели. Тепловые двигатели по-прежнему подчиняются Первому закону термодинамики, поэтому любое тепло выхлопных газов должно быть тепловой энергией, которая не использовалась для работы. Тепловая энергия, которую можно использовать для работы, а не тратить впустую в виде тепла выхлопных газов, определяет эффективность теплового двигателя.

Эффективность человеческого тела в преобразовании химической потенциальной энергии в полезную работу известна как механическая эффективность тела. Мы часто вычисляем механический КПД тела в процентах:

(2)

Механическая эффективность тела ограничена, потому что энергия, используемая для метаболических процессов, не может использоваться для полезной работы. Дополнительная тепловая энергия, генерируемая в ходе химических реакций, приводящих в действие мышечные сокращения наряду с трением в суставах и других тканях, еще больше снижает эффективность людей. .

«Увы, наши тела не 100 % эффективны в преобразовании энергии пищи в механическую продукцию. Но при КПД около 25 % и мы на удивление хороши, учитывая, что большинство автомобилей составляет около 20 % , а кукурузное поле Айовы эффективно преобразовывает поступающий солнечный свет в химическое хранилище [потенциальной энергии] только около 1,5 % . ” Для превосходного обсуждения механической эффективности человека и сравнения с другими машинами и источниками топлива см. MPG of a Human Тома Мерфи, источника предыдущей цитаты.

Повседневный пример: энергия для подъема по лестнице

Если предположить, что механический КПД при подъеме по лестнице составляет 20%, насколько уменьшится ваша внутренняя энергия, когда человек весом 65 кг и поднимается по лестнице высотой 15 м ? Сколько тепловой энергии человек передает в окружающую среду в виде тепла выхлопных газов?

Во-первых, давайте вычислим изменение гравитационной потенциальной энергии:

Человек действительно работал над преобразованием химической потенциальной энергии своего тела в механическую энергию, в частности, в потенциальную гравитационную энергию. Однако их эффективность составляет всего 20%, а это означает, что только 1/5 химической потенциальной энергии, которую они используют, идет на полезную работу. Следовательно, изменение химической потенциальной энергии должно быть в 5 раз больше, чем мощность механической работы

.

Используемая химическая потенциальная энергия возникла из внутренней энергии человека, поэтому:

Мы можем использовать Первый закон термодинамики, чтобы найти тепловую энергию, исчерпываемую человеком:

(3)

Перестановка на:

Мы обнаружили, что тепло отрицательно, что имеет смысл, потому что человек истощает тепловую энергию из тела в окружающую среду, поднимаясь по лестнице.

В качестве альтернативы, мы могли бы сразу знать, что выхлопное тепло должно составлять 4/5 от общей потери внутренней энергии, потому что только 1/5 идет на выполнение полезной работы. Итак, тепло выхлопа должно быть:

По историческим причинам мы часто измеряем тепловую энергию и тепло в единицах калорий ( кал ), а не в джоулях. На калорию 4,184 джоулей. Мы измеряем химическую потенциальную энергию, хранящуюся в пище, в единицах 1000 калорий, или килокалорий ( ккал, ), и иногда мы записываем килокалории как калории ( Cal ) с заглавной буквы C вместо строчной буквы c .Например, бублик с 350 кал содержит 350 ккал или 350 000 кал . Если перевести в Джоули, это будет в бублике.

Примеры на каждый день

Какую долю бублика вам нужно съесть, чтобы восполнить потерю внутренней энергии (в виде химической потенциальной энергии) 47 775 Дж , которую мы рассчитали в предыдущем повседневном примере с подъемом по лестнице?

Есть 1,464,400 J / бублик

Следовательно нам нужно съесть:

Пульсоксиметр — это прибор, который измеряет количество кислорода в крови.Оксиметры можно использовать для определения скорости метаболизма человека, то есть скорости преобразования пищевой энергии в другую форму. Такие измерения могут указывать на уровень спортивной подготовки, а также на наличие определенных медицинских проблем. (кредит: UusiAjaja, Wikimedia Commons)

Пищеварительный процесс — это в основном процесс окисления пищи, поэтому потребление энергии прямо пропорционально потреблению кислорода. Таким образом, мы можем определить реальную энергию, потребляемую во время различных видов деятельности, измеряя использование кислорода.В следующей таблице показаны уровни потребления кислорода и соответствующей энергии для различных видов деятельности.

Нормы потребления энергии и кислорода в среднем для мужчин 76 кг

Активность	Энергопотребление в ваттах	Расход кислорода в литрах O 2 / мин
Спящий	83	0,24
Сидят в состоянии покоя	120	0. 34
Стоя расслабленно	125	0,36
Сидят в классе	210	0.60
Ходьба (5 км / ч)	280	0,80
Езда на велосипеде (13–18 км / ч)	400	1,14
Дрожь	425	1,21
Игра в теннис	440	1,26
Плавание брассом	475	1.36
Катание на коньках (14,5 км / ч)	545	1,56
Подъем по лестнице (116 об / мин)	685	1,96
Езда на велосипеде (21 км / ч)	700	2,00
Бег по пересеченной местности	740	2,12
Играющий в баскетбол	800	2,28
Велоспорт, профессиональный гонщик	1855	5. 30
Спринт	2415	6,90

Примеры на каждый день: снова восхождение по лестнице

В предыдущих примерах мы предполагали, что наша механическая эффективность при подъеме по лестнице составляет 20%. Давайте воспользуемся данными из приведенной выше таблицы, чтобы проверить это предположение. Данные в таблице приведены для человека весом 76 кг и , который поднимается по 116 ступеням в минуту. Давайте посчитаем скорость, с которой этот человек выполнял механическую работу, поднимаясь по лестнице, и сравним скорость, с которой он израсходовал внутреннюю энергию (первоначально из пищи).

Минимальная стандартная высота ступеньки в США составляет 6,0 дюймов (0,15 м ), тогда потенциальная гравитационная энергия человека весом 76 кг будет увеличиваться на 130 Дж с каждым шагом, как рассчитано ниже:

При подъеме по 116 ступеням в минуту скорость использования энергии или мощности будет:

Согласно нашей таблице данных, тело использует 685 W для подъема по лестнице с такой скоростью. Подсчитаем КПД:

В процентном отношении этот человек имеет 32% механической эффективности при подъеме по лестнице.Возможно, мы недооценили в предыдущих примерах, когда предполагали, что эффективность подъема по лестнице составляет 20%.

Мы часто говорим о «сжигании» калорий, чтобы похудеть, но что это на самом деле означает с научной точки зрения ?. Во-первых, мы действительно имеем в виду потерю массы, потому что это мера того, сколько веществ находится в нашем теле, а вес зависит от того, где вы находитесь (на Луне все по-другому). Во-вторых, наши тела не могут просто обмениваться массой и энергией — это разные физические величины и даже не одинаковые единицы.Так как же нам похудеть, тренируясь? На самом деле мы не удаляем атомы и молекулы, из которых состоят такие ткани тела, как жир, «сжигая» их. Вместо этого мы расщепляем молекулы жира на более мелкие молекулы, а затем разрываем связи внутри этих молекул, высвобождая потенциальную химическую энергию, которую мы в конечном итоге преобразуем в работу и отводим тепло. Атомы и более мелкие молекулы, образовавшиеся в результате разрыва связей, объединяются, образуя углекислый газ и водяной пар (CO ₂ и H ₂ O), и мы выдыхаем их.Мы также выделяем небольшое количество H ₂ O с потом и мочой. Процесс похож на сжигание дров в костре — в итоге у вас остается намного меньше массы золы, чем у оригинальных дров. Куда делась остальная масса? В воздух как CO ₂ и H ₂ O. То же самое верно и для топлива, сжигаемого вашей машиной. Подробнее об этой концепции смотрите в первом видео ниже. Поистине удивительный факт заключается в том, что ваше тело завершает этот химический процесс без чрезмерных температур, связанных с сжиганием древесины или топлива, которые могут повредить ваши ткани.Уловка организма заключается в использовании ферментов, которые представляют собой узкоспециализированные молекулы, которые действуют как катализаторы для повышения скорости и эффективности химических реакций, как описано и анимировано в начале второго видео ниже.

Подобно эффективности тела, эффективность любого энергетического процесса может быть описана как количество энергии, преобразованной из входной формы в желаемую форму, деленное на исходное входное количество.Следующая диаграмма показывает эффективность различных систем при преобразовании энергии в различные формы. Диаграмма не учитывает стоимость, риск опасности или воздействие на окружающую среду, связанное с требуемым топливом, строительством, техническим обслуживанием и побочными продуктами каждой системы.

Эффективность человеческого тела по сравнению с другими системами

Система	Форма входной энергии	Желаемая форма вывода	Макс. эффективность
Человеческое тело	Химический потенциал	Механический	25%
Автомобильный двигатель	Химический потенциал	Механический	25%
Турбинные электростанции, работающие на угле / нефти / газе	Химический потенциал	Электрооборудование	47%
Газовые электростанции комбинированного цикла	Химический потенциал	Электрооборудование	58%
Биомасса / Биогаз	кинетическая	Электрооборудование	40%
Ядерная	кинетическая	Электрооборудование	36%
Солнечно-фотоэлектрическая электростанция	Солнечный свет (электромагнитный)	Электрооборудование	15%
Солнечно-тепловая электростанция	Солнечный свет (электромагнитный)	Электрооборудование	23%
Гидроэлектростанции и приливные электростанции	Гравитационный потенциал	Электрооборудование	90% +

Проверьте вкладку энергетических систем в этом моделировании, чтобы визуализировать различные системы преобразования энергии

Energy and Power Units: основы

[pagebreak: Energy and Power Units: Basics]

Если вы изучаете зеленые технологии, особенно возобновляемые источники энергии, вы не можете не столкнуться с такими утверждениями:

• КЛЛ мощностью 26 Вт производит свет, эквивалентный Лампа накаливания мощностью 100 Вт.
• Энергетическая ценность галлона этанола варьируется от 75 700 БТЕ до 84 000 БТЕ.
• Toyota Prius Hybrid Synergy Drive включает в себя 67-сильный электродвигатель.

Но что такое ватты, БТЕ и лошадиные силы? Что они измеряют и как они относятся к возобновляемой энергии? Например, сколько ватт вырабатывает ветряная турбина и в скольких домах будет эта мощность? Сколько БТЕ требуется для обогрева среднего дома и сколько для этого требуется природного газа?

Прежде чем вы сможете ответить на такие вопросы, вы должны овладеть некоторыми основными понятиями и словарным запасом:

• Что такое энергия и мощность и как они соотносятся друг с другом?
• Какие стандартные единицы энергии и мощности используют ученые?
• Какие традиционные единицы используются в промышленности и как они соотносятся со стандартными единицами измерения?
• Как различные блоки применимы к таким приложениям, как освещение, отопление и транспорт?

Этот отчет представляет собой краткий обзор энергии, мощности и единиц, используемых для их измерения. Но не волнуйтесь; это не физика в старших классах снова и снова. Это больше похоже на курс Берлитца по энергетической речи — достаточно, чтобы вы могли прочитать меню и, возможно, подслушать местных жителей.

Вот список содержания:

— Боб Беллман — внештатный писатель по технологиям и консультант по маркетингу.

[pagebreak: SI: Международная система единиц]

На протяжении веков ученые шли разными путями, исследуя энергию и мощь. Таким образом, каждый вид энергии — электрическая, механическая, химическая, тепловая и ядерная — приобрел свою собственную систему измерения, и каждая отрасль, связанная с энергетикой, разработала свою собственную терминологию.Автосалоны говорят о лошадиных силах. Подрядчики HVAC устанавливают тонны и БТЕ. Электроэнергетика поставляет киловатт-часы. Ученые относятся к ньютонам и джоулям.

В 1960 году Международная система единиц (СИ) была получена из метрической системы, чтобы обеспечить стандартный словарь для всего физического. СИ построена на семи основных единицах (см. Таблицу 1), из которых могут быть выведены все другие физические величины. В таблице 2 перечислены некоторые стандартные производные единицы. Например, ньютон (производная единица силы) определяется как один килограмм (базовая единица массы), ускоренный со скоростью один метр (базовая единица длины) в секунду (базовая единица времени) в квадрате.В таблице 3 перечислены некоторые стандартные префиксы, используемые для обозначения кратных и дробных единиц. Например, мегаватт (МВт) равен миллиону (10 ⁶ ) ватт; Милливатт (мВт) составляет одну тысячную (10 ^-3 ) ватта.

Отрасли, связанные с энергетикой, начинают использовать терминологию СИ, но традиционные термины по-прежнему доминируют. Многие автомобильные компании теперь указывают мощность двигателя в киловаттах, но в скобках после номинальной мощности: 187 л.с. (140 кВт). Начиная с краткого руководства по энергии, мощности и силе, в следующих нескольких разделах рассматриваются единицы, наиболее часто используемые в приложениях возобновляемой энергии.

Таблица 1: Базовые единицы СИ

Таблица 2: Некоторые производные единицы СИ

Таблица 3: Некоторые множители СИ

[разрыв страницы: Энергия 101: Джоули, Ватты и Ньютоны]

Проще говоря, энергия — это емкость выполнить работу ( W ) — все, от запуска автомобиля до обогрева дома и освещения комнаты. Многие формы работы предполагают преобразование энергии. Лампочка преобразует электрическую энергию в тепловую и световую. Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию в тепловую и механическую.Динамо-машина превращает механическую энергию в тепловую и электрическую.

Решения в области возобновляемых источников энергии используют источники энергии, которые не будут исчерпаны этими преобразованиями, и снижают потребление энергии, делая преобразования более эффективными. Фотоэлектрические (PV) панели вырабатывают электричество из солнечного света вместо сжигания невозобновляемых ископаемых видов топлива. Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) потребляют меньше энергии, чем лампы накаливания, поскольку они преобразуют больше электричества в свет и меньше — в тепло.

Поскольку энергия и работа — две стороны одной медали, они измеряются в одних и тех же единицах. Единица измерения энергии / работы в системе СИ — джоуль и (Дж), названная в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818 — 1889). Джоуль открыл связь между теплотой и механической работой, что привело к развитию законов термодинамики.

Один джоуль равен работе, совершаемой силой в один ньютон, перемещающей объект на один метр (Дж = Н · м). Это примерно столько энергии, сколько требуется, чтобы поднять небольшое яблоко на один метр против силы тяжести Земли.Один джоуль также равен энергии, необходимой для перемещения электрического заряда в один кулон через разность электрических потенциалов в один вольт (J = C · V).

Мощность (P) — это скорость передачи или преобразования энергии. Таким образом, мощность равна работе, разделенной на время (P = Вт / т). Единица мощности в системе СИ — ватт и (Вт) в честь шотландского изобретателя Джеймса Ватта (1736 — 1819). Усовершенствования Ватта в паровой машине помогли запустить промышленную революцию. По иронии судьбы, сам Ватт ввел термин «лошадиные силы», чтобы охарактеризовать преимущества своего парового двигателя.

Один ватт равен одному джоулю в секунду (Вт = Дж / с). Человек, поднимающийся по лестнице, работает с мощностью около 200 Вт. В электрических приложениях один ватт равен одному вольту, умноженному на один ампер (Вт = В · А). Лампы накаливания используют электрическую энергию мощностью от 40 до 150 Вт.

Force редко упоминается в разговорах о возобновляемых источниках энергии, за исключением ненаучного смысла: «Высокая цена бензина заставляет меня ходить на работу пешком». Тем не менее сила — важное понятие. Физики выделили четыре фундаментальных силы или взаимодействия: электромагнитная сила действует между электрическими зарядами, гравитационная сила действует между массами, а сильные и слабые силы удерживают вместе атомные ядра.Толчок и притяжение этих сил проявляются как энергия. Например, электромагнитная сила тянет электроны через проводник, создавая электрический ток. Гравитация тянет воду через турбины на гидроэлектростанции.

Силовая единица СИ — ньютон (Н) в честь английского физика сэра Исаака Ньютона (1643 — 1727). Многие считают, что Ньютон как личность оказал наибольшее влияние на историю науки, опередив даже Альберта Эйнштейна. Единица измерения Ньютон — это сила, которая ускоряет массу в один килограмм со скоростью один метр в секунду в квадрате (N = кг · м / с ² ).Сила земного притяжения на человека весом 70 кг (154 фунта) составляет около 686 ньютонов.

[pagebreak: Механическая энергия: фут-фунты и лошадиные силы]

Из всех форм энергии механическую энергию, вероятно, легче всего понять — просто попробуйте поднять тяжелый чемодан. Таким образом, традиционной единицей механической энергии является фут-фунт (фут-фунт), количество работы, необходимое для перемещения объекта весом один фунт на расстояние в один фут. Один фут-фунт равен примерно 1,36 Дж. Метрическая аналогия фут-фунта — ньютон-метр (Н · м).Один ньютон-метр равен одному джоуля.

Вероятно, наиболее знакомая единица измерения механической мощности — л.с., (л.с.), задуманная Джеймсом Ваттом в 1782 году, чтобы выставить свой паровой двигатель среди конкурентов. Ватт определил, что «идеальная» шахтная пони может поднять 33000-фунтовое ведро с углем на один фут за одну минуту, и соответственно определил механическую мощность.

Хотя 33000 фут-фунт / мин звучит много, мощность в лошадиных силах относительно небольшая, примерно 746 Вт. Тостер-печь потребляет около 1000 Вт (1.3 л.с.), а на мощной газонокосилке только для того, чтобы раскрутить лезвие, требуется не менее 5 л.с. Четырехцилиндровый двигатель седана Honda Accord 2007 года выпуска развивает мощность 166 л.с. 12-цилиндровый двигатель нового Rolls-Royce Phantom выдает 453 л.с.

Greentech-компании решают проблемы механической энергии по нескольким направлениям. Биотопливо, гибридные бензиновые / электрические двигатели, подключаемые гибриды и другие технологии сокращают количество парниковых газов, образующихся при создании механической энергии. Они также помогают отучить автомобили и другую технику от ископаемого топлива.В гибридном двигателе Toyota Prius используется меньше бензина, чем в обычном двигателе, поскольку его мощность внутреннего сгорания составляет всего 76 л.с.

Исследование материалов способствует дальнейшему снижению затрат на механическую энергию. Помните, работа равна весу, умноженному на расстояние. До 50 процентов Boeing 787 Dreamliner изготовлено из легких композитных материалов. Это, наряду с повышенным КПД двигателя, позволяет 787 использовать на 20 процентов меньше топлива, чем другие самолеты аналогичного размера.

[pagebreak: Электрическая энергия: вольты, амперы и киловатты]

Электрическая энергия менее интуитивна, чем механическая энергия, потому что она действует незаметно.Ближайшим аналогом подъема тяжелого чемодана является сила, которую вы чувствуете, когда играете с магнитами.

Электрическая энергия основана на притяжении и отталкивании заряженных частиц, т. Е. На электромагнитной силе. Сила зарядов и расстояние между частицами вместе создают разность электрических потенциалов или напряжение. В электрических приложениях напряжение тянет электроны через проводник, чтобы создать ток, в отличие от силы тяжести, тянущей молекулы воды по трубе.

Стандартная единица электрического заряда — кулон (Кл). Шарль-Огюстен де Кулон (1736–1806) был французским физиком, открывшим связь между электрическими зарядами, расстоянием и силой. Кулон — это количество заряда, переносимое током в один ампер за одну секунду (C = A · s), и это удивительно большая единица. Сила отталкивания между двумя зарядами +1 кулон, находящимися на расстоянии одного метра друг от друга, составляет 9 x 10 9 Н, или более миллиона тонн! Таким образом, заряд чаще всего измеряется в микро- или нанокулонах.

Стандартная единица электрического потенциала — вольт (В), в честь графа Алессандро Вольта (1745 — 1827), известного разработкой электрической батареи. Вольт эквивалентен одному джоулю энергии на кулон заряда (V = Дж / Кл). Бытовая электрическая сеть в США обычно составляет 110 В, хотя 220 В может использоваться для тяжелой бытовой техники. Обычный аккумулятор фонарика выдает 1,5 В, а мощность молнии может составлять около 100 МВ. Линии дальней связи работают от 110 до 1200 кВ.

Стандартная единица измерения электрического тока — ампер, (А) или ампер. Французский физик Андре-Мари Ампер (1775–1836) был одним из главных первооткрывателей электромагнетизма. Один ампер равен перемещению одного кулона заряда в секунду (A = C / s). Большинство бытовых цепей потребляют менее 15 А.

Большая часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого топлива. Фотоэлектрические, ветряные турбины и другие технологии предлагают чистые возобновляемые альтернативы, но им предстоит пройти долгий путь, чтобы заменить существующие генерирующие установки.В 2006 году электростанции, работающие на ископаемом топливе, в США произвели 2874 миллиарда кВтч, а атомные станции — 787 миллиардов кВтч. Все вместе взятые возобновляемые источники энергии произвели 385 миллиардов кВтч, что составляет менее 10 процентов от общего производства в США.

Отчасти проблема заключается в масштабе. Крупная установка, работающая на нефти, газе или угле, вырабатывает от 2 до 3 ГВт на полную мощность. Большинство концентрирующих солнечных установок вырабатывают десятки мегаватт, в то время как современная ветряная турбина вырабатывает около 3 МВт. Предлагаемый проект Cape Wind требует 130 турбин, чтобы обеспечить всего три четверти электроэнергии Кейп-Код.Типичная домашняя фотоэлектрическая система, подключенная к электросети, вырабатывает менее 6 кВт.

С другой стороны, доступно множество возобновляемых источников энергии, если мы просто сможем понять, как их использовать. Количество энергии солнечного света, падающего на один квадратный метр поверхности Земли, составляет примерно один кВт в секунду или 3600 кВт в час. Холодильники и тостеры потребляют от 1,0 до 1,5 кВт каждая. Лампы накаливания потребляют от 40 до 150 Вт, а КЛЛ излучают такое же количество света мощностью от 10 до 40 Вт.S. home потребляет около 1000 кВтч в месяц, малая часть солнечной энергии, которая попадает на его крышу.

[pagebreak: Тепловая энергия: БТЕ, калории и тонны]

Тепловая энергия — это содержание энергии в системе, связанное с повышением или понижением температуры объекта. Тепло — это поток тепловой энергии между двумя объектами, вызванный разницей в температуре. Возьмите чашку горячего кофе в холодный день, и вы ощутите действие тепловой энергии.

Британская тепловая единица (БТЕ или БТЕ) обычно используется для описания содержания энергии в топливе и мощности систем отопления и охлаждения.Одна БТЕ — это количество энергии, необходимое для повышения температуры одного фунта воды на один градус по Фаренгейту. Существует несколько различных определений BTU, основанных на начальной температуре воды, но в целом одна BTU равна примерно 1055 Дж, примерно 780 фут-фунтам и примерно 0,3 ватт-часам.

При сгорании химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию или тепло. Выход топочного мазута № 2 составляет около 138 000 БТЕ на галлон. Сжигание фунта угля дает около 15 000 БТЕ; сжигание кубического фута природного газа, около 1000 БТЕ.Для обогрева дома площадью 2 000 квадратных футов в Новой Англии требуется примерно 95 000 БТЕ / ч.

Одной из проблем, с которыми сталкиваются сторонники биотоплива, является более низкое энергосодержание этанола по сравнению с бензином. Галлон бензина содержит около 115 000 БТЕ, а галлон этанола — около 80 000 БТЕ. Таким образом, при сжигании этанола образуется меньше механической энергии, чем при сжигании бензина, и автомобили проезжают меньше миль на галлон. С топливом E10 (10 процентов этанола, 90 процентов бензина) сокращение пробега незначительно.С E85 (85 процентов этанола, 15 процентов бензина) водители видят сокращение пробега как минимум на 15 процентов. Некоторые автопроизводители устанавливают топливные баки большего размера, поэтому ассортимент их автомобилей с гибким топливом аналогичен бензиновым.

К другим единицам тепловой энергии относятся калория, терм и квадратик. small или грамм калорий. (cal) — это количество энергии, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия. большой или килограмм калорий (ккал) — это энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма воды на 1 ° C.Как и БТЕ, калорийность имеет разные значения в зависимости от начальной температуры воды. В среднем одна кал составляет около 4,18 Дж, а одна ккал — около 4,18 кДж или почти 4 БТЕ. Пищевые калории основаны на килограммах калорий.

therm (thm) равен 100 000 БТЕ и приблизительно равен количеству энергии, выделяемой при сжигании 100 кубических футов природного газа.

quad равен квадриллиону (1015) БТЕ и используется при обсуждении энергетического бюджета целых стран.В 1950 году США потребили 34,6 квадрата энергии. К 1970 году общее потребление выросло до 67,8 квадратов; к 1990 г. — 84,7 четверных; а к 2006 г. — 99,9 четверных. Количество возобновляемых источников энергии — гидроэнергии и биомассы — в 1950 году составляло 8,6 процента. К 2006 году потребление возобновляемых источников энергии — гидроэнергии, биомассы, геотермальной, солнечной и ветровой энергии — упало до 6,9 процента от общего объема.

Тепловая мощность измеряется в БТЕ в час (БТЕ / ч), часто сокращенно просто БТЕ. Большинство номинальных значений нагрева и охлаждения в БТЕ — действительно БТЕ / ч.Один ватт равен примерно 3,41 БТЕ / ч. Одна лошадиная сила составляет более 2500 БТЕ / ч.

Мощность охлаждения часто оценивается в тонну . Одна тонна охлаждения — это количество энергии, необходимое для растопления одной тонны льда за 24 часа и равное 12000 БТЕ / ч. Типичная домашняя центральная система кондиционирования воздуха рассчитана на мощность от 4 до 5 тонн (от 48 000 до 60 000 БТЕ / ч). Комнатные кондиционеры работают от 5000 до 15000 БТЕ / ч.

В настоящее время Министерство энергетики США применяет 13-й сезонный стандарт энергоэффективности (SEER) для новых центральных кондиционеров в жилых помещениях.SEER определяется как общая мощность охлаждения в БТЕ, деленная на общую потребляемую энергию в ватт-часах (SEER = БТЕ / Вт · ч). Повышая стандарт SEER с 10 до 13, Министерство энергетики ожидает, что США сэкономят 4,2 квадрата энергии в период с 2006 по 2030 год с параллельным сокращением выбросов парниковых газов.

[разрыв страницы: Сравнение единиц измерения и коэффициенты преобразования]

Из-за своего разнообразного наследия блоки энергии и мощности сильно различаются по размеру. На Рисунке 1 показаны энергетические единицы, а на Рисунке 2 — силовые агрегаты.Обратите внимание, что вертикальный масштаб на обоих графиках логарифмический; каждая горизонтальная линия представляет собой десятикратное увеличение по сравнению с линией ниже.

Рисунок 1: Сравнение единиц энергии

Рисунок 2: Сравнение единиц мощности

В таблицах 4 и 5 перечислены коэффициенты преобразования между выбранными единицами энергии и мощности.

Таблица 4: Выбранные единицы измерения энергии и коэффициенты преобразования

Таблица 5: Выбранные единицы мощности и коэффициенты преобразования

формула эффективности физика

Эффективность трансформатора напрямую влияет на его характеристики и старение.Может быть, это еще и энергия, энергия, которую вы должны предоставить в качестве работы, чтобы загрузить катапульту и подготовить ее к запуску. Определение непрерывного улучшения с примерами. Импульс рассчитывается по формуле: P = m (масса) x v (скорость) 2. • Импульс — это произведение массы и скорости тела. Нажимая «Принять» или продолжая использовать сайт, вы соглашаетесь на использование файлов cookie. = 23,3%. = 87,5%. = {Объем работы / Затраты работы} × 100%. Это дает нам возможность дать некоторые идеи о том, как подходить к подобным проблемам в целом, что может оказаться более полезным.Схематично это можно представить как: Затем, если «эффективность» означает то, что мы предполагали, вы можете произвести расчет. Эффективность машины = объем работы / затраты на работу ». Вопросы поэтапной практики по энергоэффективности. = [1 — 293 K 813 K] × 100% = 64% Из формулы КПД Карно можно сделать вывод, что максимум 64% топливной энергии может идти на выработку. Поскольку W = Q1 — Q2, КПД также может… Следовательно, КПД составляет 87,5%. Формулы для импульса, импульса и силы относительно частицы, движущейся в трех измерениях, следующие (здесь сила, импульс и скорость являются векторами): 1.Формула эффективности: эффективность = (переданная полезная энергия / поставленная энергия) x 100. Вычислить энергию мяча несложно. Энергоэффективность огнестрельного оружия. Ресурс подготовлен для AQA Trilogy Energy — урок по расчету эффективности. sp — эффективность 90 процентов. Что вы пытаетесь получить от катапульты? Итак, для целей … ну, я рассчитал это и получил 90% Посетите наш сайт, Copyright 2002-2021 Simplicable. Мощность работы = 350 джоулей. Как мы говорим в наших правилах вопросов, мы не отвечаем на домашние задания.), Майк В. (отправлено без проверки, пока Ли не вернется). Коэффициенты эффективности измеряют способность компании эффективно использовать свои активы и управлять своими обязательствами в текущем периоде или в краткосрочной перспективе. Найдите мои рабочие тетради здесь: https://www.freesciencelessons.co.uk/workbooks В этом видео мы рассмотрим, что подразумевается под эффективностью передачи энергии. Все права защищены. Масса запускаемого нами теннисного мяча составляет 57 г, а расстояние по горизонтали, которое он преодолел, составляет 16 метров. Результатом будет число от 0% до 100%.Другие статьи, где обсуждается КПД: Автомобиль: Трансмиссия: КПД автомобильного двигателя наиболее высок, когда нагрузка на двигатель высока, а дроссельная заслонка почти полностью открыта. ) двигателя определяется как отношение W / Q1, т. е. доля Q1, которая преобразуется в работу. Сообщайте о нарушениях. Уравнение эффективности, которое связывает механическое преимущество и соотношение скоростей идеальной машины. Файлы cookie помогают нам работать с нашим сайтом. Вибрация и нагрев ногтя — две возможные причины потери энергии.Для двигателя Карно уравнение эффективности по температуре [eff = 1+ (Tc / Th)]. На умеренных скоростях по ровному асфальту мощность, необходимая для приведения в движение автомобиля, составляет лишь малую часть этой мощности. Да. p.s. GCSE Physics Revision Science Section, охватывающая эффективность и уравнение мощности и эффективности. = 350/400 * 100. Мой учитель физики хочет, чтобы мы вычислили эффективность наших катапультов. эффективность = (полезная энергия / входная энергия) × 100 Например, солнечная панель, которая вырабатывает 300 Вт электроэнергии из 1500 Вт солнечного света: эффективность = (300/1500) × 100 = 20% Ответы и ответы по теме Вводная физика Домашнее задание Справка Новости по Phys.орг. Здесь мы действительно не знаем, что подразумевается под эффективностью катапульты. Определение стоимости сложности с примерами. Для фактического КПД уравнение W / Q или работа / обогрев. Формула эффективности Эффективность — это предотвращение потерь в любой системе, часто отображается как процент от объема работы к затраченной энергии. Измерения на входе и выходе трансформатора не выполняются в условиях нагрузки, поскольку показания ваттметра неизбежно имеют погрешности в 1–2%. Я так и сделал, но попал в сотни.При нормальных условиях вождения… Однако, для иллюстрации, вот энергетический баланс типичного маленького автомобиля… Он забирает тепло из резервуара, затем выполняет некоторую работу, например, перемещает поршень, поднимает вес и т. Д. И, наконец, отводит часть тепловой энергии в раковина. Определите энергию, подаваемую на него как входную, если его КПД составляет 40%. (К сожалению, эти коэффициенты полезного действия часто выражаются в каких-то странных единицах измерения, в которых электрическая энергия измеряется в единицах, отличных от единиц тепловой энергии. Ответ «сотни» граммов совпадает с ответом «доли» килограмма.Решение: Дано: Вложенная работа = 400 джоулей. Важно отметить, что эффективность любой машины или устройства всегда будет меньше 100 процентов. Если в классе что-то не наладилось, возможно, ваш учитель мог бы продолжить здесь. Энергоэффективность — вот как рассчитать производительность на 3 примерах. Это примечание дает нам информацию о механическом преимуществе, соотношении скоростей и эффективности. Все права защищены. Хотя кредиторская задолженность — это пассивы, а не активы, • Вы можете рассчитать процентную эффективность, взяв, сколько энергии вы получили, разделив на то, с чего вы начали, и умножив на 100%.Управленческий подход, который исследует ограничения, сдерживающие деятельность организации. = 40%. Рассчитайте эффективность. Формула для расчета эффективности = объем работы / затраты труда * 100. Определение управленческой экономики с примерами. Проверка единиц действительно важна, чтобы увидеть, имеет ли ответ смысл. Мы не знаем, что здесь имеется в виду, но это просто пример того, что кто-то может иметь в виду. Может быть, это энергия мяча. Эффективность удара молота составила 40%. Список методов и методов измерения эффективности.Определение плановых затрат с примерами. Эффективность системы — это процент энергии, переданной из первоначального хранилища, которая попадает в заданную форму; Эффективность можно рассчитать с помощью следующего уравнения: Эффективность также можно записать в единицах мощности) энергии в секунду): Вы, вероятно, слышали слова «энергоэффективность» в связи с использованием энергоэффективных приборов для получения финансовой и экологической выгоды. Обычно «эффективность» означает, сколько чего-то вы получаете на то, сколько чего-то вам нужно поставить.Хорошим результатом для этого может быть, например, «4,3». Это будет означать, что оплаты 1 Джоуля электроэнергии достаточно, чтобы выкачать 4,3 Джоуля тепла из вашего дома. Если машина потребляет 50 Дж (Джоулей) и выдает 45 Дж, какова ее эффективность? Список слов, которые можно использовать как противоположность вежливости. Воспроизведение материалов, размещенных на этом сайте, в любой форме без явного разрешения запрещено. С термодинамической точки зрения огнестрельное оружие — это особый тип поршневого двигателя или, в общем, тепловой двигатель, в котором пуля выполняет функцию поршня.Чтобы получить эффективность холодильника Карно, вам нужно будет начать с вашего первого уравнения [eff = (Qc / W)], заменить W на (Qh-Qc), а затем проделать ту же процедуру, что и Sal, где [Qc = nRTc (ln (VA / VB))] и [Qh = nRTh (ln (VD / VC))]. Эффективность простой машины определяется как отношение полезной работы, выполненной машиной (выходная работа), к общей работе, вложенной в машину (входная работа). Предусмотрена схема Markscheme (в тот же набор включены вопросы Foundation). — КПД (выраженный в процентах), Eout — выходная энергия (в Джоулях), и; Ein — это вложенная энергия (также в Джоулях).Например, под «эффективностью» кондиционера часто понимают отношение энергии, которую он выкачивает из комнаты, к энергии, которую он потребляет из электрической розетки. 45/50 = 0,9×100 = 90 Та формула, которую вы упомянули, «умножьте массу на расстояние, а затем разделите это на длину руки», дает в качестве ответа некоторую массу. Во всяком случае, эта формула кажется очень странной для «эффективности», но может быть именно тем, о чем просят по причинам, которые нам недоступны. Эффективность очень часто используется в приложениях для передачи тепла, поскольку потери тепла — это… Эффективность часто измеряется как отношение полезной выходной мощности к общему вкладу, которое может быть выражено математической формулой r = P / C, где P — количество произведенной полезной продукции («продукта») на количество C («стоимость») потребленных ресурсов.Я не знаю, как загружается ваша катапульта, но, если у вас есть более подробное описание, возможно, вы сможете выяснить, сколько работы вам пришлось сделать, чтобы ее загрузить. Эффективность преобразования энергии огнестрельного оружия сильно зависит от его конструкции, особенно от его калибра и длины ствола. Итак, в этом случае вам нужно разделить энергию, полученную мячом, на энергию, которую вы вложили, чтобы получить эффективность. Определение пропускной способности с примерами. Она посоветовала умножить массу на расстояние, а затем разделить на длину руки.Пример 2. © 2010-2020 Simplicable. В этом случае мы также недостаточно хорошо понимаем, о чем спрашивают, чтобы ответить. я сделал Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее тепло в работу. Трансформаторы образуют важнейшее звено между системами питания и нагрузкой. Листы предназначены для копирования двух на страницу формата А4. она дала нам формулу, но она не работает. Обзор лимонного цвета с палитрой. Как рассчитать КПД машины на примерах. Обзор зеленого цвета с большой палитрой названных зеленых цветов.Прежде чем ответить на любой вопрос, вы должны понять, что это значит. Возможно, учитель дал вам какие-то указания, как это вычислить. На фабрике по производству одежды мы ежедневно рассчитываем эффективность линии, чтобы проверить и измерить ее производительность. Этот материал нельзя публиковать, транслировать, переписывать, распространять или переводить. Вероятно, в вашем ответе есть какие-то единицы, может быть, килограммы. Для ответов с единицами измерения очень важны единицы. Мера эффективности процессов и машин.Мы думаем, что прошло достаточно времени, чтобы можно было безобидно сказать, что вы сделали это правильно. Если вам понравилась эта страница, добавьте в закладки Simplicable. Оборачиваемость кредиторской задолженности. Самые популярные статьи о Simplicable за последние сутки. Тамара сделала хорошее дело, побудив предыдущего читателя поработать над этим, следуя ее примеру. Для больших силовых трансформаторов с очень низкими потерями КПД может достигать 99,7%. Набор критериев, который обычно применяется к бизнес-целям.Есть Основа (обозначена L) и Высший набор. Однако в науке энергоэффективность становится немного более технической. Разница между эффективностью и производительностью. Часто КПД — это чистое число без единиц. Попытка решения Я не уверен, с чего начать эту проблему, и любая помощь была бы очень приятной! КПД = (полезная энергия на выходе ÷ общая энергия на входе) × 100 (для процентного КПД) КПД лампы накаливания составляет 10 ÷ 100 = 0,10 (или 10%). Что бы вы поставили? Разница между временем выполнения заказа и временем цикла объяснена на примере.КПД трансформатора, как правило, находится в диапазоне от 95 до 99%. Тепловой двигатель выдает в качестве полезной работы 500 Дж тепловой энергии. В этом посте мы узнаем уравнение эффективности, которое связывает механическое преимущество и соотношение скоростей идеальной машины. Известный американский писатель Билл Брайсон однажды сказал: «На самом деле физика — это не что иное, как поиск предельной простоты, но пока все, что у нас есть, — это своего рода элегантный беспорядок». наук, который пытается описать всю природу с помощью тысяч математических формул.Компромисс между эффективностью и качеством. Определение эффективности с примерами. Определение операционной эффективности с примерами. Эта энергия обычно измеряется в Джоулях (Дж). Что я делаю неправильно? Палитра всех цветов видимого спектра. Итак, если вы вложите 10 Джоулей и получите 4 Джоуля, у вас будет:% КПД = (4 Дж) / (10 Дж) * 100% = 40%. = {140/600} × 100%. Определение скорости пробега с примерами расчетов. 2) Конкретный химический процесс имеет энергоэффективность всего 3.00%. © 1994-2021 Попечительский совет Университета Иллинойса :: Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн. Длина руки составляет 0,6 метра (2 фута). \ textnormal {Эффективность Карно} = \ frac {T_h — T_c} {T_h} Его также можно выразить в терминах Q h и Q c, добавленного тепла и отданного тепла… Список методов и концепций управленческого учета. Обзор времени такта с формулой расчета и примером.

Измерение и анализ мощности электродвигателя

Билл Гэтеридж, менеджер по продукции, Power Measuring Instruments, Yokogawa Corporation of America

Часть 1: Основные измерения электрической мощности

Электродвигатели — это электромеханические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую.Несмотря на различия в размере и типе, все электродвигатели работают примерно одинаково: электрический ток, протекающий через катушку с проволокой в ​​магнитном поле, создает силу, которая вращает катушку, создавая крутящий момент.

Понимание выработки электроэнергии, потерь мощности и различных типов измеряемой мощности может быть пугающим, поэтому давайте начнем с обзора основных измерений электрической и механической мощности.

Что такое мощность? В самом простом виде мощность — это работа, выполняемая в течение определенного периода времени.В двигателе мощность передается на нагрузку путем преобразования электрической энергии в соответствии со следующими законами науки.

В электрических системах напряжение — это сила, необходимая для перемещения электронов. Ток — это скорость потока заряда в секунду через материал, к которому приложено определенное напряжение. Умножив напряжение на соответствующий ток, можно определить мощность.

P = V * I, где мощность (P) в ваттах, напряжение (V) в вольтах, а ток (I) в амперах

Ватт (Вт) — единица мощности, определяемая как один джоуль в секунду.Для источника постоянного тока вычисление представляет собой просто умножение напряжения на ток: W = V x A. Однако определение мощности в ваттах для источника переменного тока должно включать коэффициент мощности (PF), поэтому W = V x A x PF для переменного тока. системы.

Коэффициент мощности представляет собой безразмерное отношение в диапазоне от -1 до 1 и представляет собой количество реальной мощности, выполняемой при работе с нагрузкой. При коэффициенте мощности меньше единицы, что почти всегда имеет место, будут потери в реальной мощности. Это связано с тем, что напряжение и ток в цепи переменного тока имеют синусоидальную природу, а амплитуда тока и напряжения в цепи переменного тока постоянно смещается и обычно не идеально совмещена.

Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на ток (P = V * I), мощность является максимальной, когда напряжение и ток выстраиваются вместе, так что пики и нулевые точки на сигналах напряжения и тока возникают одновременно. Это типично для простой резистивной нагрузки. В этой ситуации две формы сигналов находятся «в фазе» друг с другом, а коэффициент мощности будет равен 1. Это редкий случай, поскольку почти все нагрузки не просто обладают идеальным сопротивлением.

Два сигнала считаются «не в фазе» или «сдвинутыми по фазе», если два сигнала не коррелируют от точки к точке.Это может быть вызвано индуктивными или нелинейными нагрузками. В этой ситуации коэффициент мощности будет меньше 1, и реальная мощность будет меньше.

Из-за возможных колебаний тока и напряжения в цепях переменного тока мощность измеряется несколькими различными способами.

Реальная или истинная мощность — это фактическая мощность, используемая в цепи, и измеряется в ваттах. В цифровых анализаторах мощности используются методы оцифровки сигналов входящего напряжения и тока для расчета истинной мощности в соответствии с методом, показанным на Рисунке 1.

В этом примере мгновенное напряжение умножается на мгновенный ток (I), а затем интегрируется за определенный период времени (t). Истинный расчет мощности будет работать с любым типом сигнала независимо от коэффициента мощности (рисунок 2).

Гармоники создают дополнительную сложность. Несмотря на то, что электрическая сеть номинально работает на частоте 60 Гц, существует много других частот или гармоник, которые потенциально могут существовать в цепи, а также может присутствовать составляющая постоянного или постоянного тока.Общая мощность рассчитывается путем рассмотрения и суммирования всего содержимого, включая гармоники.

Методы расчета, показанные на Рисунке 2, используются для обеспечения истинного измерения мощности и истинных измерений среднеквадратичного значения для любого типа сигнала, включая все гармонические составляющие, вплоть до полосы пропускания прибора.

Измерение мощности

Далее мы посмотрим, как на самом деле измерить мощность в данной цепи. Ваттметр — это прибор, который использует напряжение и ток для определения мощности в ваттах.Теория Блонделя утверждает, что общая мощность измеряется минимум на один ваттметр меньше, чем количество проводов. Например, однофазная двухпроводная схема будет использовать один ваттметр с одним измерением напряжения и одним измерением тока.

Однофазная трехпроводная двухфазная система часто встречается в проводке общего корпуса. Эти системы требуют двух ваттметров для измерения мощности.

В большинстве промышленных двигателей используются трехфазные трехпроводные схемы, которые измеряются двумя ваттметрами.Таким же образом потребуются три ваттметра для трехфазной четырехпроводной схемы, при этом четвертый провод является нейтралью.

На рисунке 3 показана трехфазная трехпроводная система с нагрузкой, подключенной с использованием метода измерения двух ваттметров. Измеряются два линейных напряжения и два связанных фазных тока (с помощью ваттметров Wa и Wc). Четыре измерения (линейный и фазный ток и напряжение) используются для достижения общего измерения.

Поскольку этот метод требует контроля только двух токов и двух напряжений вместо трех, установка и конфигурация проводки упрощаются.Он также может точно измерять мощность в сбалансированной или несбалансированной системе. Его гибкость и низкая стоимость установки делают его подходящим для производственных испытаний, когда требуется измерение только мощности или нескольких других параметров.

Для инженерных и научно-исследовательских работ лучше всего подходит трехфазный трехпроводной метод с тремя ваттметрами, поскольку он предоставляет дополнительную информацию, которая может использоваться для балансировки нагрузки и определения истинного коэффициента мощности. В этом методе используются все три напряжения и все три тока.Измеряются все три напряжения (от a до b, от b до c, от c до a), и контролируются все три тока.

Рис. 4. При проектировании двигателей и приводов ключевым моментом является просмотр всех трех значений напряжения и тока, что делает метод трех ваттметров на рисунке выше лучшим выбором.

Измерение коэффициента мощности

При определении коэффициента мощности для синусоидальных волн коэффициент мощности равен косинусу угла между напряжением и током (Cos Ø). Это определяется как коэффициент мощности «смещения» и подходит только для синусоидальных волн.Для всех других форм сигналов (несинусоидальных волн) коэффициент мощности определяется как активная мощность в ваттах, деленная на полную мощность в напряжении-амперах. Это называется «истинным» коэффициентом мощности и может использоваться для всех форм сигналов, как синусоидальных, так и несинусоидальных.

Однако, если нагрузка несимметрична (фазные токи разные), это может привести к ошибке при вычислении коэффициента мощности, поскольку в расчете используются только два измерения ВА. Два VA усредняются, потому что предполагается, что они равны; однако, если это не так, будет получен ошибочный результат.

Следовательно, лучше всего использовать метод трех ваттметров для несимметричных нагрузок, поскольку он обеспечит правильный расчет коэффициента мощности как для сбалансированных, так и для несбалансированных нагрузок.

Анализаторы мощности

от Yokogawa и некоторых других компаний используют описанный выше метод, который называется методом подключения 3V-3A (три напряжения и три тока). Это лучший метод для инженерных и проектных работ, поскольку он обеспечивает правильные измерения общего коэффициента мощности и ВА для симметричной или несимметричной трехпроводной системы.

Основные измерения механической мощности

В электродвигателе механическая мощность определяется как скорость, умноженная на крутящий момент. Механическая мощность обычно определяется как киловатты (кВт) или лошадиные силы (л.с.), причем один ватт равен одному джоулю в секунду или одному ньютон-метру в секунду.

Лошадиная сила — это работа, выполняемая за единицу времени. Один л.с. равен 33 000 фунт-футов в минуту. Преобразование л.с. в ватты достигается с использованием этого соотношения: 1 л.с. = 745,69987 Вт.Однако преобразование часто упрощается за счет использования 746 Вт на л.с. (Рисунок 9).

Для асинхронных двигателей переменного тока фактическая скорость вращения ротора — это скорость вращения вала (ротора), обычно измеряемая с помощью тахометра. Синхронная скорость — это скорость вращения магнитного поля статора, рассчитанная как 120-кратная частота сети, деленная на количество полюсов в двигателе. Синхронная скорость — это теоретическая максимальная скорость двигателя, но ротор всегда будет вращаться немного медленнее, чем синхронная скорость из-за потерь, и эта разница скоростей определяется как скольжение.

Скольжение — это разница в скорости ротора и синхронной скорости. Для определения процента скольжения используется простой процентный расчет синхронной скорости минус скорость ротора, деленная на синхронную скорость.

КПД можно выразить в простейшей форме как отношение выходной мощности к общей входной мощности или КПД = выходная мощность / входная мощность. Для двигателя с электрическим приводом выходная мощность является механической, в то время как входная мощность является электрической, поэтому уравнение эффективности выглядит следующим образом: КПД = механическая мощность / входная электрическая мощность.

Часть 2: Выбор приборов для измерения и анализа мощности электродвигателя

Различные ассоциации разработали стандарты тестирования, которые определяют точность приборов, необходимых для соответствия их стандарту: IEEE 112 2004, NVLAP 160 и CSA C390. Все три включают стандарты для измерения входной мощности, напряжения и тока, датчиков крутящего момента, скорости двигателя и т. Д. Трансформаторы тока (CT) и трансформаторы напряжения (PT) являются одними из основных контрольно-измерительных приборов, используемых для выполнения этих измерений.

Соответствующие стандарты очень похожи, за некоторыми исключениями. Допустимые инструментальные ошибки для стандартов IEEE 112 2004 и NVLAP 150 идентичны; однако CSA C390 2006 имеет некоторые отличия в отношении температуры и показаний.

Например, требования к входной мощности для CSA C390 2006 составляют ± 0,5% от показания и должны включать ошибки CT и PT, тогда как для IEEE 112 2004 и NVLAP 150 требуется только ± 0,5% от полной шкалы.

Датчики тока

Датчики тока обычно требуются для тестирования, потому что сильный ток не может быть подан непосредственно в измерительное оборудование.Существует множество датчиков, подходящих для конкретных приложений. Накладные датчики можно использовать с анализаторами мощности. Также можно использовать пробники для осциллографа, но при использовании этих пробников следует соблюдать осторожность, чтобы убедиться, что прибор не подвергается воздействию высоких токов.

Для трансформаторов тока подводящий провод может быть подключен через окно (трансформаторы тока обычно имеют форму пончика или продолговатую, с отверстием или внутренней частью, называемым окном), или слаботочные соединения могут быть выполнены с клеммами в верхней части устройство.Шунты обычно используются для приложений постоянного тока, но не переменного тока или искаженных частот, хотя их можно использовать для синхронных двигателей с частотой до нескольких сотен Гц. Доступны специализированные трансформаторы тока, которые хорошо работают на высоких частотах, которые чаще встречаются в осветительных приборах, а не в двигателях и приводах.

Yokogawa вместе с LEM Instruments разработали уникальную систему трансформаторов тока, которая обеспечивает высокую точность в диапазоне от постоянного тока до кГц. Это трансформатор активного типа, использующий блок кондиционирования источника питания и обеспечивающий точность около 0.05 до 0,02% от показания. Этот тип системы трансформаторов тока обеспечивает очень высокую точность измерений, особенно для частотно-регулируемых приводов, которая может изменяться от 0 Гц до рабочей скорости подключенного двигателя.

Трансформаторы напряжения просто преобразуют напряжение с одного уровня на другой. В измерительных приложениях иногда требуются понижающие трансформаторы для снижения напряжения, подаваемого на измерительный прибор, хотя многие приборы могут работать с относительно высокими напряжениями и не требуют понижающего трансформатора.

Измерительные трансформаторы обычно представляют собой комбинацию трансформатора тока и трансформатора напряжения и могут уменьшить количество требуемых преобразователей в некоторых измерительных приложениях.

Рекомендации и меры предосторожности при выборе

При принятии решения, какое устройство использовать, первым вопросом является частотный диапазон измеряемых параметров. Для синусоидальных волн постоянного тока можно использовать шунты постоянного тока, которые обеспечивают высокую точность и простую установку. Для приложений переменного и постоянного тока можно использовать эффект Холла или измерительный трансформатор активного типа.Технология эффекта Холла имеет более низкий уровень точности, в то время как активный тип обеспечивает большую точность. Различные измерительные трансформаторы могут работать на высоких частотах 30 Гц и более, но их нельзя использовать для постоянного тока.

Следующее соображение — требуемый уровень точности. Для измерительного трансформатора это обычно указывается как точность передаточного числа. Фазовый сдвиг — еще один важный фактор, и он очень важен, потому что многие трансформаторы предназначены только для измерения тока и не имеют компенсации фазового сдвига.

Фазовый сдвиг в основном зависит от коэффициента мощности для измерения мощности и, таким образом, влияет на расчет мощности. Например, трансформатор тока, который имеет максимальный фазовый сдвиг 2 ° как часть своей спецификации, внесет ошибку косинуса (2 °) или ошибку 0,06%. Пользователь должен решить, приемлем ли этот процент ошибок для приложения.

Источником тока является трансформатор тока. Согласно закону Ома, напряжение (E) равно току через проводник (I), умноженному на сопротивление (R) проводника в единицах Ом.Открытие вторичной обмотки трансформатора тока эффективно увеличивает сопротивление до бесконечности. Это означает, что внутренний ток насыщает катушку, напряжение также стремится к бесконечности, и устройство повреждается или разрушается. Что еще хуже, трансформатор тока со случайно разомкнутой вторичной обмоткой может серьезно травмировать рабочих.

Никогда не размыкайте вторичную обмотку трансформатора тока. Пользователи могут получить серьезные травмы, а CT может быть поврежден или разрушен.

Совместимость приборов

Для определения совместимости прибора необходимо определить выходной уровень ТТ.Клеммные и другие трансформаторы тока обычно имеют выходную мощность, указанную в милливольтах на ампер, миллиампер на ампер или ампер. Типичный выходной ток измерительного ТТ может быть указан в диапазоне от 0 до 5 ампер.

Необходимо учитывать импеданс и нагрузку на ТТ, которые являются факторами, на которые влияет количество проводов, используемых для подключения ТТ к прибору. Эта проводка является сопротивлением или нагрузкой на прибор и, следовательно, может повлиять на измерения.

Пробники

при неправильном использовании могут создавать собственный набор проблем.Многие пробники осциллографа рассчитаны на работу с входным сопротивлением осциллографа, но диапазоны входного сопротивления анализатора мощности могут отличаться, и это необходимо учитывать.

Еще один аспект, который следует учитывать при определении совместимости прибора, — это физические требования к устройству. Размер необходимо учитывать вместе с типом трансформатора тока, например, зажимного или кольцевого типа, каждый из которых будет лучше работать в конкретной ситуации.

Пример системы трехфазного двигателя

Теперь мы рассмотрим типичное трехфазное трехпроводное измерение мощности двигателя с использованием метода двух ваттметров.Теорема Блонделя утверждает, что количество требуемых измерительных элементов на единицу меньше количества токонесущих проводников. Это позволяет измерять мощность в трехфазной трехпроводной системе с использованием двух преобразователей при отсутствии нейтрали. Однако, когда есть нейтраль, используются три преобразователя, поскольку теперь имеется четыре проводника.

Трехфазное питание используется в основном в коммерческих и промышленных средах, особенно для питания двигателей и приводов, поскольку более экономично эксплуатировать большое оборудование с трехфазным питанием.Для расчета трехфазной мощности напряжение каждой фазы умножается на ток каждой фазы, который затем умножается на коэффициент мощности, и это значение умножается на квадратный корень из трех (квадратный корень из 3 равен равно 1,732).

Для измерения трехфазной мощности, потребляемой нагруженным двигателем, подключается анализатор мощности. На рисунке 1 показано типичное соединение с дисплеем, на котором показаны все три напряжения, все три тока, общая мощность и коэффициент мощности.

На рисунке 2 показано трехфазное трехпроводное измерение мощности, выполненное с использованием метода двух ваттметров.Перечислены все три тока и напряжения, а также общие ВА и ВАР. Эта конфигурация может отображать отдельные показания мощности фазы, но их не следует использовать напрямую, потому что для этого метода измерения только полная мощность является точным показанием.

В основном, при использовании метода двух ваттметров в трехпроводной трехфазной системе невозможно измерить мощность отдельной фазы или измерить какие-либо параметры фазы, включая коэффициенты мощности фазы. Однако можно измерить все параметры фазы.

Для трехфазного двигателя с трехпроводным соединением в треугольник можно измерять линейные напряжения и токи отдельных фаз. Поскольку нейтрали нет, измерять фазные напряжения невозможно. Эта ситуация приводит к некоторым показаниям, которые необходимо пояснить.

Глядя на отображение формы сигнала на Рисунке 3, можно увидеть линейные напряжения Vab, Vbc и Vac. Линейные напряжения, наблюдаемые прибором, в сбалансированной системе разнесены на 60 °. Токи — это фазные токи, которые приборы видят на расстоянии 120 ° друг от друга.

Другое представление этой системы изображено на векторной диаграмме Phasor, показанной на рисунке 4. Треугольник в верхней части этого рисунка показывает измерения линейного напряжения черным цветом, значения фазного напряжения — красным (но это теоретические потому что нейтрали нет), а фазные токи синим цветом.

В нижней части рисунка показаны разности фаз между напряжениями и токами. Опять же, обратите внимание, что линейные напряжения разнесены на 60 °, а фазные токи разнесены на 120 °.Еще одна деталь заключается в том, что если бы верхняя диаграмма представляла чисто резистивную нагрузку, то синие токи были бы синхронизированы с красными напряжениями. Однако при индуктивной нагрузке (например, в двигателе) синие векторы тока не совпадают по фазе с напряжениями.

Кроме того, для этого метода измерения на нижней диаграмме векторы тока всегда будут иметь дополнительный сдвиг на 30 ° от напряжений. Суть в том, что правильно настроенный анализатор мощности учтет все эти условия.

Что делать, если фазная мощность и фазовый коэффициент мощности должны быть точно измерены в трехфазной трехпроводной системе, а не просто приблизительно? На рисунке 5 показан метод, позволяющий измерять фазовые параметры трехфазного трехпроводного двигателя путем создания плавающей нейтрали.

Однако у этой техники есть ограничения. Он будет хорошо работать на входе асинхронного двигателя, синхронного двигателя или аналогичного двигателя без привода с регулируемой скоростью. Следует соблюдать осторожность при использовании этого метода в системе привода с регулируемой скоростью, поскольку высокочастотные искаженные формы сигналов и гармоники могут привести к несогласованным измерениям.

Более того, метод плавающей нейтрали работает только для оборудования с сигналами синусоидального типа. С помощью привода с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) можно включить линейный фильтр 500 Гц (фильтр нижних частот), который затем позволит отображать показания для основной частоты, но не для общей частоты.

Трехпроводные и четырехпроводные измерения мощности

Важно понимать, что мощность будет считываться одинаково независимо от того, измерена ли она трехфазным трехпроводным или трехфазным четырехпроводным методом.Однако при трехфазном четырехпроводном соединении измеряемые значения напряжения представляют собой фазные напряжения от линии к нейтрали.

Рисунок 6 — снимок экрана анализатора мощности, который показывает, насколько похожи показания мощности и коэффициента мощности для привода с ШИМ, работающего с двигателем, сравнивая трехфазный трехпроводной вход с фильтром 500 Гц с трехфазным четырехпроводным. вход с плавающей нейтралью.

В альтернативном решении используется функция измерения дельты, которая есть в анализаторах мощности Yokogawa.Функция измерения дельты использует мгновенные измерения линейного напряжения и фазного тока для получения истинного межфазного напряжения, даже если фазы не сбалансированы. Это возможно благодаря вычислению векторной амплитуды внутри процессора. Эта функция также обеспечивает измерения фазной мощности в трехпроводной цепи. Решение для измерения дельты также обеспечивает ток нейтрали.

Часть 3: Измерения электрической мощности для трехфазного двигателя переменного тока

Полное тестирование системы привода и двигателя на основе ШИМ (широтно-импульсной модуляции) представляет собой трехэтапный процесс.Шаг 1 — это точное измерение входной и выходной мощности привода с ШИМ переменной скоростью для определения эффективности привода и потерь мощности. Шаг 2 — это точное измерение входной мощности двигателя, а шаг 3 — точное измерение механической мощности двигателя.

Оптимальный метод — объединить все три шага с помощью одного анализатора мощности, чтобы исключить временной сдвиг. Это также обеспечивает отличные расчеты эффективности в едином программно-аппаратном решении.

Рисунок 7: Этот снимок экрана анализатора мощности показывает, как функцию измерения дельты можно использовать для получения истинных показаний и мощности фазы, даже если фазы не сбалансированы.

Некоторые анализаторы мощности имеют опцию двигателя, в которой сигналы скорости и момента могут быть интегрированы таким образом. Эти анализаторы мощности могут измерять электрическую мощность и механическую мощность и отправлять данные на ПК с запущенным программным обеспечением от оригинального производителя анализатора или заказным программным обеспечением от системного интегратора.

Измерения привода ШИМ для двигателей переменного тока

При использовании частотно-регулируемого привода с ШИМ для управления двигателем часто бывает необходимо измерить как входной, так и выходной сигнал частотно-регулируемого привода с помощью шестифазного анализатора мощности.Эта установка может не только измерять трехфазную мощность, она также может измерять мощность постоянного или однофазного тока. См. Рисунок 1.

В зависимости от анализатора режим настройки будет выполняться в нормальном или среднеквадратическом режиме. Конфигурация проводки должна соответствовать применению, например, трехфазный вход и трехфазный выход.

Любой линейный фильтр или фильтр нижних частот должны быть отключены, поскольку фильтрация затрудняет измерения. Однако фильтр пересечения нуля или частотный фильтр должен быть включен, потому что он будет фильтровать высокочастотный шум, чтобы можно было измерить основную частоту.Это измерение необходимо при отслеживании частоты привода.

На рис. 2 показан сигнал выходного напряжения ШИМ с сильно искаженным напряжением, срезанными высокими частотами и с большим количеством шумов на токовой стороне, что затрудняет измерение. Высокочастотное переключение сигнала напряжения создает сильно искаженную форму волны с высоким содержанием гармоник. Частота варьируется от 0 Гц до рабочей скорости.

Для такого зашумленного сигнала нужны специальные датчики тока для измерения.Для точных измерений мощности с ШИМ также необходимы анализаторы мощности с широкой полосой пропускания, способные измерять эти сложные сигналы.

На рисунке 3 показан пример содержания гармоник напряжения на выходе ШИМ. Присутствуют частоты биений, а содержание гармоник напряжения превышает 500 порядков (примерно 30 кГц). Большая часть гармоник приходится на нижние частоты на токовой стороне.

Проблемы измерения привода двигателя с ШИМ

Напряжение инвертора обычно измеряется одним из двух способов.Можно использовать истинное среднеквадратичное измерение, которое включает полное содержание гармоник. Однако, поскольку основная форма волны — это в первую очередь то, что способствует крутящему моменту двигателя, можно выполнить и использовать более простые измерения. В большинстве приложений требуется только измерение основной формы волны.

Существует два основных метода измерения основной амплитуды волны напряжения. Первый и самый простой — использовать фильтр нижних частот для удаления высоких частот. Если в анализаторе мощности есть этот фильтр, просто включите его.Правильная фильтрация даст среднеквадратичное значение напряжения основной частоты инвертора. Однако этот тип фильтрации не обеспечивает истинного измерения полной мощности, поэтому фильтрация — не самый требовательный метод.

Второй метод — это метод измерения выпрямленного среднего, который выдает среднеквадратичное значение напряжения основной волны без фильтрации с использованием определения среднего значения напряжения, масштабированного до среднеквадратичного напряжения. Алгоритм выпрямленного среднего среднего за цикл обеспечит эквивалент основного напряжения, который будет очень близок к среднеквадратичному значению основной волны.

С помощью этого метода можно измерить полную мощность, общий ток и напряжение основной гармоники.

Измерение амплитуды основной волны с помощью гармонического анализа

Функцию гармонического анализа можно использовать для определения истинного основного напряжения с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) для определения амплитуды каждой гармонической составляющей, включая основную волну. Это дает точное измерение среднеквадратичного напряжения основной волны. Новейшие анализаторы мощности могут выполнять одновременные измерения истинных среднеквадратичных значений и гармонических составляющих.

На рисунке 4 Urms2 (среднеквадратичное значение на выходе ШИМ) является очень большим числом, а F2 (среднее значение основной гармоники) несколько ниже. Значение Urms3 (фильтрация основного) дает аналогичный результат. Наконец, U2 (1) получается из анализа гармоник или вычислений FFT основной гармоники. F2, Urms3 и U2 (1) дают очень близкие результаты, но расчет U2 (1) FFT считается наиболее точным.

Инверторный ток обычно измеряется только одним способом, и это как истинный среднеквадратичный сигнал, потому что все гармонические токи способствуют повышению температуры в двигателе и ответственны за него, поэтому необходимо измерять все.

Еще одно важное измерение связано с приводом В / Гц (Вольт-на-Герц). Привод с ШИМ должен поддерживать постоянное соотношение В / Гц по сравнению с рабочей скоростью двигателя. Анализатор мощности может рассчитывать В / Гц, используя среднеквадратичное значение или значение основного напряжения. Определенная пользователем математическая функция анализатора используется для построения уравнения для этого измерения.

Измерение напряжения шины постоянного тока

Напряжение на шине постоянного тока в ШИМ может быть измерено для проверки условий повышенного и пониженного напряжения.Это измерение может быть выполнено внутри привода на клеммах конденсаторной батареи. Однако более простой способ — использовать отображение формы сигнала анализатора мощности с измерением курсора.

При отображении формы сигнала с помощью курсорного измерения необходимо убедиться, что курсор не находится прямо над небольшими выступами на дисплее. Вместо этого курсор должен находиться поперек осциллограммы, чтобы выполнить точное измерение. На рисунке 5 показано измерение напряжения ШИМ с высокоскоростным переключением.Курсор устанавливается для чтения значения, например 302,81 В.

Измерение механической мощности

Механическая мощность измеряется как скорость двигателя, умноженная на крутящий момент двигателя. На рынке существует множество различных типов датчиков скорости и крутящего момента, которые работают с различными двигателями. Хотя анализаторы Yokogawa могут взаимодействовать с большинством датчиков скорости и крутящего момента, все же целесообразно подтверждать совместимость в каждом случае. Эти датчики могут использоваться для предоставления информации о механических измерениях для расчета измерений механической мощности в анализаторе мощности.

Многие датчики поставляются с интерфейсной электроникой для правильной обработки сигнала для работы с анализаторами мощности или другим оборудованием. Условный сигнал может быть аналоговым выходом или выходом последовательной связи, который идет на ПК и его прикладное системное программное обеспечение.

Одним из вариантов измерения механической мощности является использование как датчика, так и соответствующего измерительного прибора от данного производителя. Такой подход имеет преимущества, поскольку датчики будут точно согласованы с прибором.Будут доступны показатели крутящего момента, скорости и мощности, и, вероятно, будут варианты подключения к ПК вместе с соответствующим прикладным программным обеспечением.

Более интегрированный подход изображен на Рисунке 6. В этой конфигурации выходы сигналов скорости и крутящего момента от измерительных приборов датчика подключаются непосредственно к входам скорости и крутящего момента анализатора мощности. Это дает большое преимущество, заключающееся в том, что измерения электрической и механической мощности могут оцениваться одновременно, а расчеты эффективности могут выполняться непрерывно.

КПД двигателя, привода и системы

КПД инвертора в простейшей форме рассчитывается как выходная мощность, деленная на входную мощность, и выражается в процентах. Один из методов, используемых для измерения входной и выходной мощности, заключается в простом подключении измерителей мощности на входе и выходе, при этом показания двух измерителей используются для расчета эффективности.

Более комплексным методом является использование анализатора мощности с несколькими входами для одновременного измерения входа и выхода, как показано на рисунке 1.Это приводит к более точному расчету эффективности, поскольку в нем используется один анализатор мощности для устранения потенциальных ошибок, вызванных измерениями временного сдвига.

С помощью внутренних математических вычислений, предоставляемых анализатором, можно настроить очень простое вычисление через меню для расчета потерь привода и эффективности привода.

Какой метод мне следует использовать?

IEEE 112 — это промышленный стандарт США для испытаний двигателей, в котором описаны несколько методов.На рисунке 7 показан дисплей анализатора мощности, поддерживающий «Метод A» стандарта IEEE 112, в котором вся механическая мощность делится на общую мощность, потребляемую двигателем. Стандарт определяет многие параметры, помимо измерений тока и напряжения двигателя, и предоставляет инструкции по проведению общепринятых испытаний многофазных и асинхронных двигателей и генераторов и составлению отчетов по ним. Кроме того, стандарт содержит 11 методов испытаний, чтобы определить, как проводить измерения эффективности двигателей.

Метод испытаний A — ввод-вывод, определенный в IEEE 112: КПД рассчитывается как отношение выходной мощности измерения к измеренной входной мощности после корректировки температуры и динамометра, если применимо.Испытания проводятся при номинальной нагрузке с помощью механического тормоза или динамометра. Этот рейтинг должен быть ограничен двигателями с номинальной полной нагрузкой не более 1 кВт.

Метод испытаний B — ввод-вывод с разделением потерь: В методе B выполняются измерения как входной, так и выходной мощности, но различные потери разделяются. Большинство этих потерь просто производят тепло, которое должно рассеиваться двигателем в сборе, и представляют собой энергию, недоступную для выполнения работы. Этот метод является признанным стандартом тестирования U.S. автомобилестроение для двигателей с полной нагрузкой от 1 до 300 кВт.

Хотя оба метода A и B работают, метод B требует большого количества приборов и обычно выполняется только производителями двигателей. Поскольку большинство производителей используют метод B, а большинство пользователей предпочитают метод A, расчеты эффективности между ними могут отличаться. Данные производителей двигателей и приводов могут использовать разные скорости двигателя, испытательные нагрузки или другие условия испытаний.

Заключение

При измерении мощности электродвигателя необходимо учитывать множество факторов, например, полный и истинный коэффициент мощности.Эти измерения включают сложные уравнения, поэтому большинство компаний используют анализаторы мощности для автоматического получения результатов.

После принятия решения об использовании анализатора мощности необходимо принять решение о частотном диапазоне и уровне точности. Совместимость приборов — еще один важный аспект безопасного получения точных показаний, особенно с трансформаторами тока, и это та область, где необходимо учитывать ввод / опции анализатора. При правильных входных сигналах датчиков измерения механической мощности также можно проводить с помощью анализатора мощности.Выбор правильных датчиков скорости и крутящего момента — это первый шаг в определении механической мощности.

Некоторые анализаторы мощности также позволяют выполнять измерения с широтно-импульсной модуляцией. Однако настройка анализатора для измерения ШИМ также требует знания о том, как токи и напряжения будут влиять на измерения мощности.

Прецизионный высокочастотный анализатор мощности — важный инструмент для измерения как механической, так и электрической мощности. Его функции анализа и показания могут помочь улучшить работу и даже продлить срок службы двигателя.Выбор подходящего анализатора и его правильная реализация требуют знаний; однако при правильном использовании данные анализатора мощности предоставят точные и очень ценные данные.