Кпд в физике это: КПД теплового двигателя — обозначение, формула и значения

Содержание

КПД теплового двигателя - обозначение, формула и значения

Понятие теплового двигателя

Такая машина работает по термодинамическому циклу. Это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую, используя первый и второй законы термодинамики, описывающих преобразование тепла в работу.

Процесс сжигания топлива включает в себя химическую реакцию, называемую сгоранием, при которой топливо сгорает, потребляя кислород из воздуха с образованием углекислого газа и пара. В процессе своей работы такие агрегаты загрязняют атмосферу, поскольку топливо не сгорает полностью, несгоревшие частицы уносятся в атмосферу с выхлопными или дымовыми газами.

Модификации тепловых машин:

  • Паровая машина;
  • машина Стирлинга;
  • двигатели внутреннего сгорания — бензиновый и дизельный;
  • газовая турбина;
  • паровая турбина;
  • авиационные реактивные двигатели.

Устройства внешнего и внутреннего сгорания

По принципу организации процесса сгорания топлива тепловые машины разделяются на два типа — внешнего и внутреннего сгорания. В первом варианте топливо сгорает снаружи, в специальной камере или топке, размещенных на удаленном расстоянии от основной части двигателя, создающего работу или обеспечивающего движение вала. В качестве примера можно привести паровой двигатель паровоза.

Уголь подается в топку котла, который нагревает воду, превращая ее в пар, поступающий в стальной цилиндр. В нем пар под большим давлением перемещает плотно прилегающий поршень. Движущийся поршень приводит в действие агрегат, к которому он прикреплен, благодаря чему движется локомотив.

В устройствах внутреннего сгорания топливо горит внутри его камеры. Например, в автомобильном двигателе устроено от четырех до шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин сгорает, выделяя тепловую энергию. Цилиндры «работают» попеременно, чтобы обеспечить стабильную мощность двигателя, приводящего в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели внешнего, потому что не теряется энергия, передаваемая теплом, полученным в цилиндре, все процессы протекают в одном корпусе.

Анализ теплового цикла

Тепловой цикл включает в себя четыре термодинамических базовых процесса. Вначале происходит преобразование состояния рабочего тела, а затем, возвращение его в исходное состояние: сжатие, получение тепла, расширение и отвод тепла.

Каждый из этих процессов осуществляется по следующей схеме, которая определяет условия реализации цикла:

  1. Изотермический — работа выполняется при постоянной температуре.
  2. Изобарический — рабочий цикл реализуется при постоянном давлении.
  3. Изометрический — тепловой процесс протекает при постоянном объеме
  4. Адиабатический — цикл осуществляется при постоянной энтропии.

Для того чтобы процесс был максимально приближен к обратимому, есть два способа перемещения поршня: изотермический — это означает, что тепло постепенно поступает или выходит из резервуара при температуре, бесконечно отличающейся от температуры газа в поршне, и адиабатический, при котором теплообмен вообще не происходит, газ действует, как пружина.

Таким образом, когда подводится тепло и газ расширяется, температура газа должна оставаться такой же, как и у источника тепла, при этом газ расширяется изотермически. Точно так же позже он будет сжиматься в цикле изотермически, с выделением тепла.

Чтобы выяснить эффективность, нужно проследить за полным циклом двигателя, выяснить, сколько он работает, сколько тепла забирается из топлива и сколько энергии теряется при подготовке к следующему циклу.

Характеристики теплового цикла, связанного с тепловым двигателем, обычно описываются с помощью двух диаграмм изменения состояния: диаграммы PV, показывающей соотношение давление-объем, и диаграммы TS, демонстрирующей пару температура-энтропия.

Для постоянной массы газа работа теплового двигателя представляет собой повторяющийся цикл, и его PV-диаграмма будет выглядеть замкнутой фигурой.

КПД тепловой машины

Тепловой двигатель Карно — это теоретическая модель идеального теплового двигателя, показывающая, как наилучший идеальный агрегат способен постоянно работать в цикле из четырех процессов, называемых циклом Карно.

Идеальный тепловой двигатель физика Карно работает на газовой среде, заключенной в цилиндре с поршнем. Газ берет энергию от источника тепла, расширяется и выталкивает поршень наружу. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с параметрами по давлению, объему и температуре, с которых начинал.

Карно показал, что максимальная эффективность, обозначаемая символом «η" - это коэффициент полезного действия, или КПД, может быть достигнута только тепловым двигателем Карно.

КПД теплового двигателя, можно определить формулой: η = (T h — T c) / T h или η = 1 — T c / T h, где:

  • η - эффективность работы теплового двигателя или КПД;
  • T h — температура горячего источника;
  • T c -температура холодного источника.

Заключение, к которому пришел Карно: эффективность двигателя, как реального, так и теоретического, зависит от максимальной Tmax и минимальной температуры среды Tmin, в которой он работает, и может быть описана формулой: η = (Tmax-Tmin) / Tmax

Другими словами, эффективный тепловой агрегат работает при максимально возможной разнице температур. Для этого нужно создать условия, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.

Для создания этих условий на практике, например, на тепловой станции, специально устанавливают градирни в виде большого водяного охладителя, для того чтобы максимально охлаждать конденсат от паровой турбины, в этом случае КПД станции значительно повышается, количество теплоты через парогенератор растет и снижается стоимость единицы выработки тепловой и электрической энергии.

Причины неэффективности

Нужно понимать — все существующие тепловые двигатели работают хуже, чем агрегат Карно, имеющий η = 1, что называют КПД теплового двигателя Карно. В этом смысле любая тепловая машина на практике является неэффективной, что можно объяснить тремя причинами:

  1. Необратимость процессов. Согласно принципу Карно, ни одно устройство не может быть более эффективным, чем теоретический цикл Карно, при условии работы в режиме с одинаковыми высокотемпературными и низкотемпературными источниками.
  2. Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах общая неэффективность реального цикла обусловлена потерями отдельных компонентов. В устройствах, таких как турбины, насосы и компрессоры, механическое трение, тепловые потери и потери в процессе сгорания определяют общий размер потерь и снижения эффективности.
  3. Несовершенство технологического процесса. Это существенный источник неэффективности, он возникает из-за вынужденного компромисса, который принимают инженеры при проектировании реального двигателя. Он должны учитывать стоимость и другие факторы при разработке и эксплуатации машинах.

Реальные КПД у современных машин

На практике невозможно полностью преобразовать тепло в механическую энергию. Эффективность даже самых совершенных тепловых машин довольно низкая, обычно ниже 50%, а зачастую намного ниже. Тепловая эффективность различных машин, разработанных и используемых сегодня:

  1. В середине XX века типичный паровоз имел КПД около 6%. Это означает, что на каждые 100 МДж сгоревшего угля вырабатывается только 6 МДж механической энергии.
  2. Бензиновый автомобиль работает с КПД равным 25%. Около 75% отбрасывается в виде отработанного тепла.
  3. Класс дизельных автомобилей работает на 35%, поэтому такие модификации более эффективны.
  4. Судовые дизельные двигатели имеют КПД, превышающий 50%.
  5. Современные атомные электростанции имеют КПД порядка 33%, поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется затратить 3000 МВт тепловой энергии, получаемой в результате деления ядер урана. Следующий путь увеличения КПД — это повышение параметров перегретого пара в парогенераторах, что требует увеличения давления внутри котлов и ограничено возможностями металлургии. Современные возможности технологии позволяют получать перегретый пар высокого давления температурой 500−560 С.
  6. Угольные тепловые станции ТЭС с аналогичными параметрами перегретого пара с многоступенчатым подогревом на турбогенераторе могут достигать КПД 48%.

Человечество с момента изобретения паровой машины Джеймсом Уаттом в 1769 году борется за каждый дополнительный процент КПД.

Самое большее что удалось достигнуть — это современные газотурбинные установки с комбинированным циклом из двух циклов Брайтона и Ренкина, с максимальным КПД тепловой машины порядка 55%, в отличие от одного парового цикла на ТЭЦ, которая ограничена КПД 35−48%.


Формула ⚠️ полезной работы в физике для КПД: как найти, формула

Выбирая техническое устройство, всегда обращают внимание на эффективность его работы. Иными словами, насколько высока энергоэффективность. Получить ответ на этот вопрос можно, если произвести вычисление коэффициента его полезного действия. Тогда становится понятным, насколько затраченные усилия будут обеспечивать полезный результат работы.

Понятие КПД (коэффициента полезного действия)

Термин «КПД» широко используется не только среди профессионалов, но и в быту. Под ним понимают, насколько совершенная работа превышает полезную, т.е. ту, ради которой механизм или прибор приобретается.

Учеными разработана специальная формула, из которой следует, что КПД всегда меньше единицы. Чтобы рассчитать коэффициент, нужно полезную работу, выраженную в Джоулях, разделить на энергию, которая затрачена на эту работу. Поскольку энергия также выражается в Джоулях, конечная расчетная величина безразмерна.

Источник: mashintop.ru

Объяснить бытовым языком данное понятие можно так: энергия, выделяемая от плиты, на которой должен закипеть чайник, расходуется не только на его нагревание. Она должна нагреть саму посудину, воздух вокруг нее, сам нагревательный элемент. И только ее часть будет расходоваться на передачу воде. Чтобы сориентироваться, насколько долго будет закипать чайник одного объема на различного вида печах, нужно знать их КПД.

В поисках наиболее эффективного прибора не стоит стремиться к единице. Такого не бывает. Например, КПД атомной электростанции примерно равно 35%.

Происходит это по двум причинам:

  1. Исходя из закона сохранения энергии, получить больше работы, чем затрачено энергии, невозможно.
  2. Любая работа сопровождается определенными потерями, будь-то нагревание тары или преодоление сил трения при движении по поверхности.

Термин КПД применим практически к каждому процессу, в котором имеется затраченная и полезная работа.

Применение в различных сферах физики

Характеризуя КПД, следует учитывать, что он не является константой, поскольку в каждом случае свои особенности энергозатрат. С другой стороны, он не может быть установлен изолированно от конкретных процессов. Если рассмотреть работу электродвигателя, величина его КПД сложится исходя из преобразования энергии тока в механическую работу.

В данном случае КПД рассматривается не как соотношение полезной и общей работы, а как соотношение отдаваемой мощности и подводимой к рабочему механизму.

В формулу (η=P2/P1) должны быть включены P1 – первичная мощность и P2 – мощность прибора.

В качестве первого примера выведем формулу КПД для варианта определения с величинами работы и затраченной энергии (формула для определения КПД теплового двигателя). Условными обозначениями в ней будут являться:
Ап – работа полезная;

  • Q1 – количество энергии (или тепла), полученной от нагревающего устройства;
  • Q2 – количество энергии (или тепла), отданное в процессе деятельности;
  • Q1 – Q2 – та энергия (или тепло), которая пошла на процесс.

В итоге получится выражение:

 

Теперь выразим формулу через соотношение мощностей. Условные обозначения следующие:

Ротд – полезная (эффективная) мощность;

Рподв – номинальная мощность.

Формула будет выглядеть так:

 

Если затрата или передача энергии происходит неоднократно, общий КПД равен сумме КПД на каждом участке процесса:

 

Какой буквой обозначается, единицы измерения

В вышеприведенной формуле искомая величина коэффициента полезного действия обозначается буквой η, которая произносится "эта".

Для упрощения понимания величины, КПД чаще выражается в процентах.

Физическая формула КПД

С учетом изложенных выше особенностей и необходимости выражения результата в %, физические формулы приобретают усовершенствованный внешний вид:

 

или

 

Примеры расчета КПД

Формула применяется для расчетов коэффициентов машин различного типа.

Задача 1

Имеется 10 кг дров, теплота сгорания которых составляет 95 Дж/кг. При их сгорании в помещении объемом 75 м3 установилась температура 22оС (допускаем, что удельная теплоемкость воздуха равна 1,3 кДж/ кгхград).

Решение состоит из нескольких действий:

  1. 1300 Дж умножить на 75 (объем) и 22 (температуру). Получаем 2 145 кДж. Это то тепло, выраженное в кДж, которое поступило в воздух помещения.
  2. 10700000Дж умножаем на 10 (количество дров) =10х107 кДж.
  3. При делении полезного тепла и полного, выработанного обогревателем, получаем значение 2,5%. Это говорит о низкой эффективности прибора и большой затрате дров и необходимости внесения конструктивных изменений, например, оборудования возможности дымоходам нагревать не только воздух, но и предметы в помещении.

Задача 2

В доме установлен электробойлер объемом 80 литров. Нагревательный элемент имеет мощность 2 кВт. Было замечено, что для нагревания воды от 12оС до 70оС уходит 3 часа. Нужно определить КПД прибора.

Дополнительные данные: плотность воды составляет 1000 кг/м3, ее теплоемкость – 4200 Дж/кг*оС.

Решать задачу нужно по формуле:

\(\eta=Q_{пол}\div Q_{зат}\times100\%\)

\(Q_{зат}=N\times t=10800(сек)\)

\(Q_{пол}=c\times m\times(T_2-T_1)\)

\(m=\rho\times V\)

\(T_1=12\) oC

\(T_2=70\) oC

Конечная формула:

\(\eta=(c\times\rho\times V\times(T_2-T_1)\div N\times t)\times100\%=90\%\)

Задача 3

Температура воды, налитой в котел паровой машины, составляет 160оС. Температура холодильника – 10оС. Коэффициент полезного действия машины – 60%. В топке сжигается 200 кг угля. Его удельная теплота сгорания – 2,9 • 107 Дж/кг. О какой максимальной работе может идти речь для данной машины?

Решение следующее. Амакс возможна для идеальной тепловой машины, которая функционирует по циклу Карно. Ее КПД равно (Т12)/Т1. В этой формуле Т1 и Т2 – температуры нагревателя, холодильника.

Определяем КПД, пользуясь формулой: \( \eta\;=\;A\div Q_1\). В этой формуле А – работа тепловой машины, Q1 – теплота, полученная от нагревателя. С другой стороны, она равна \(\eta_1\times m\times q\).

\(Q_1\;=\;\eta_1\times m\times q\)

\((T_1-T_2)\div T_1=A\div\eta_1\times m\times g\)

Итоговая формула:

\(А\;=\;\eta_1\times m\times q\times(1\;-\;Т_2\div Т_1)\)

Подставив значение, получаем ответ: 1,2*109 Дж.

Что такое КПД? Понятие, определение, применение

Сегодня мы расскажем, что такое КПД (коэффициент полезного действия), как его вычислять, и где это понятие применяется.

Человек и механизм

Что объединяет стиральную машинку и консервный завод? Желание человека снять с себя необходимость делать все самостоятельно. До изобретения парового двигателя в распоряжении людей были только их мускулы. Они все делали сами: пахали, сеяли, готовили, добывали рыбу, ткали лен. Чтобы обеспечить выживание долгой зимой, каждый член крестьянской семьи работал светлое время суток с двух лет до самой смерти. Самые маленькие дети приглядывали за животными и были на подмоге (принеси, скажи, позови, отведи) у взрослых. Девочку впервые сажали за прялку в пять лет! Даже глубокие старики резали ложки и плели лапти, а самые пожилые и немощные бабушки сидели за ткацкими станками и прялками, если позволяло зрение. Им некогда было задумываться над тем, что такое звезды и почему они светят. Люди уставали: каждый день надо было идти и работать, невзирая на состояние здоровья, боль и моральный настрой. Естественно, человек хотел обрести помощников, которые хоть чуть-чуть разгрузили бы его натруженные плечи.

Смешное и странное

Самыми передовыми технологиями в те времена были лошадь и мельничное колесо. Но они делали всего лишь в два-три раза больше работы, чем человек. Но вот первые изобретатели начали придумывать приспособления, которые выглядели очень странно. В фильме «История вечной любви» Леонардо да Винчи приделал к ногам маленькие лодочки, чтобы ходить по воде. Это привело к нескольким смешным казусам, когда ученый плюхнулся в озеро прямо в одежде. Хотя этот эпизод всего лишь выдумка сценариста, наверняка подобные изобретения так и выглядели - комично и забавно.

Век XIX: железо и уголь

Но в середине XIX века все изменилось. Ученые осознали силу давления расширяющегося пара. Самыми главными товарами того времени стали железо для производства котлов и уголь для нагревания воды в них. Ученым того времени надо было понять, что такое КПД в физике пара и газа, и как его повысить.

Формула для коэффициента в общем случае такая:

η=A/Q

η – КПД, A – полезная работа, Q – затраченная энергия.

Работа и тепло

Коэффициент полезного действия (сокращенно КПД) – это безразмерная величина. Она определяется в процентах и вычисляется как соотношение затраченной энергии к полезной работе. Последний термин часто используют мамы нерадивых подростков, когда принуждают их делать что-то по дому. Но на самом деле это реальный результат затраченных усилий. То есть если КПД машины 20%, то она только одну пятую полученной энергии превращает в действие. Теперь при покупке автомобиля у читателя не должно возникнуть вопроса, что такое КПД двигателя.

Если коэффициент вычисляется в процентах, то формула такая:

η=100%*(A/Q)

η – КПД, A – полезная работа, Q – затраченная энергия.

Потери и реальность

Наверняка все эти рассуждения вызывают недоумение. Почему бы не изобрести машину, которая может использовать больше энергии топлива? Увы, реальный мир не таков. В школе дети решают задачи, в которых нет трения, все системы замкнуты, а излучение строго монохроматическое. Настоящие инженеры на заводах-производителях вынуждены учитывать присутствие всех этих факторов. Рассмотрим, например, что такое КПД теплового двигателя, и из чего этот коэффициент складывается.

Формула в данном случае выглядит так:

η=(Q1-Q2)/Q1

При этом Q1 – количество теплоты, которое двигатель получил от нагревания, а Q2 – количество теплоты, которое он отдал в окружающую среду (в общем случае это называется холодильником).

Топливо нагревается и расширяется, сила толкает поршень, который приводит в действие вращательный элемент. Но топливо содержится в каком-то сосуде. Нагреваясь, оно передает тепло и стенкам сосуда. Это приводит к потерям энергии. Чтобы поршень опустился, газ надо охладить. Для этого его часть выпускается в окружающую среду. И было бы хорошо, если все тепло газ отдал на полезную работу. Но, увы, он охлаждается очень медленно, поэтому наружу выходит еще горячий пар. Часть энергии тратится на то, чтобы нагреть воздух. Поршень движется в полом металлическом цилиндре. Его края плотно прилегают к стенкам, при движении вступают в действие силы трения. Поршень нагревает полый цилиндр, что тоже приводит к потере энергии. Поступательное движение стержня вверх-вниз передается на крутящий момент через ряд соединений, которые трутся друг об друга и нагреваются, то есть часть первичной энергии расходуется еще и на это.

Конечно, в заводских машинах все поверхности полируются до атомарного уровня, все металлы прочны и имеют наименьшую теплопроводность, а масло для смазывания поршней обладает наилучшими свойствами. Но в любом двигателе энергия бензина идет на нагрев частей, воздуха и трения.

Кастрюля и котел

Сейчас мы предлагаем разобраться в том, что такое КПД котла, и из чего он складывается. Любая хозяйка знает: если оставить воду кипеть в кастрюле под закрытой крышкой, то или вода будет капать на плиту, или крышка будет «танцевать». Любой современный котел устроен примерно так же:

  • тепло нагревает закрытую емкость, полную воды;
  • вода становится перегретым паром;
  • при расширении газо-водяная смесь вращает турбины или двигает поршни.

Так же, как и в двигателе, совершаются потери энергии на нагрев котла, труб и трение всех соединений, поэтому ни один механизм не может иметь КПД, равный 100%.

Формула для машин, которые работают по циклу Карно, выглядит как общая формула для теплового двигателя, только вместо количества теплоты – температура.

η=(Т12)/Т1.

Космическая станция

А если поместить механизм в космос? Бесплатная энергия Солнца доступна 24 часа в сутки, охлаждение любого газа возможно буквально до 0о по Кельвину почти мгновенно. Может быть, в космосе КПД производства было бы выше? Ответ неоднозначный: и да, и нет. Все эти факторы действительно могли бы существенно улучшить передачу энергии на полезную работу. Но доставить на нужную высоту даже тысячу тонн пока что неимоверно дорого. Даже если такая фабрика проработает пятьсот лет, она не окупит затраты на подъем оборудования, поэтому фантасты так активно эксплуатируют идею космического лифта - это значительно упростило бы задачу и сделало бы коммерчески выгодным перенос фабрик в космос.

расчёт(формулы) и от чего зависит

КПД – коэффициент полезного действия, одна из важнейших характеристик, определяющая эффективность работы устройства, относящее к трансформаторам. Рассмотрим особенности определения указанного показателя трансформатора с учётом принципа работы, конструкции данного электрооборудования и факторов, влияющих на эффективность эксплуатации.

Общие сведения о трансформаторах

Трансформатором называют электромагнитное устройство, преобразующим переменный ток с изменением значения напряжения. Принцип работы прибора предполагает использование электромагнитной индукции.

Аппарат состоит из следующих основных элементов:

  • первичной и вторичной обмоток;
  • сердечника, вокруг которого навиты обмотки.
Принцип работы трансформатора

Изменение характеристик достигается за счёт разного количества витков в обмотках на входе и выходе.

Ток на выходной катушке возбуждается за счёт создания магнитного потока при подаче напряжения на входные контакты.

Что такое КПД трансформатора и от чего зависит

Коэффициентом полезного действия (полная расшифровка данной аббревиатуры) называют отношение полезной электроэнергии к поданной на прибор.

Кроме энергии, показатель КПД может определяться расчётом по мощностным показателям при соотношении полезной величины к общей. Эта характеристика очень важна при выборе аппарата и определяет эффективность его использования.

Величина КПД зависит от потерь энергии, которые допускаются в процессе работы аппарата. Эти потери существуют следующего типа:

  • электрического – в проводниках катушек;
  • магнитного – в материале сердечника.

Величина указанных потерь при проектировании устройства зависит от следующих факторов:

  • габаритных размеров устройства и формы магнитной системы;
  • компактности катушек;
  • плотности составленных комплектов пластин в сердечнике;
  • диаметра провода в катушках.

Снижение потерь в агрегате достигается в процессе проектирования устройства, с применением для изготовления сердечника магнито-мягких ферромагнитных материалов. Электротехническая сталь набирается в тонкие пластины, изолированные друг относительно друга специальным слоем нанесённого лака.

В процессе эксплуатации эффективность аппарата определяется:

  • поданной нагрузкой;
  • диэлектрической средой – веществом, использованным в качестве диэлектрика;
  • равномерностью подачи нагрузки;
  • температурой масла в агрегате;
  • степенью нагрева катушек и сердечника.

Если в ходе работы агрегат постоянно недогружать или нарушать паспортные условия эксплуатации, помимо опасности выхода из строя это ведёт к снижению эффективности устройства.

Трансформатор, в отличие от электрических машин, практически не допускает механических потерь энергии, поскольку не включает движущихся узлов. Незначительный расход энергии возникает за счёт температурного нагрева устройства.

Методы определения КПД

КПД трансформатора можно подсчитать, с использованием нескольких методов. Данная величина зависит от суммарной мощности устройства, возрастая с увеличением указанного показателя. Значение эффективности колеблется в пределах от 0,8 до 0,92 при значении мощности от 10 до 300 кВт.

Зная величину предельной мощности, можно определить значение КПД, используя специальные таблицы.

Непосредственное измерение

Формула для вычисления данного показателя может быть представлена в нескольких выражениях:

ɳ = (Р2/Р1)х100% = (Р1 – ΔР)/Р1х100% = 1 – ΔР/Р1х100%,

в которой:

  • ɳ — значение КПД;
  • Р2 и Р1 – соответственно величина полезной и потребляемой сетевой мощности;
  • ΔР – величина суммарных мощностных потерь.

Из указанной формулы видно, что значение показателя КПД не может превышать единицу.

После поэтапного преобразования приведённой формулы с учётом использования значений электротока, напряжения и угла между фазами, получается такое соотношение:

ɳ = U2хI2хcosφ2/ U2хI2хcosφ2 + Робм + Рс,

в которой:

  • U2 и I2 – соответственно, значение напряжения и тока во вторичной обмотке;
  • Робм и Рс – величина потерь в обмотках и сердечнике.

Представленная формула содержится в ГОСТе, описывающем определение данного показателя.

Расчёты КПД

Определение косвенным методом

Для приборов, обладающих большой эффективностью работы, при величине КПД, превышающем 0,96, точный расчёт не всегда оказывается возможным. Поэтому данное значение определяется при помощи косвенного метода, предполагающего оценку мощностных показателей в первичной катушке, вторичной и допущенных потерь.

Оценивая характеристики трансформатора, следует отметить высокую эффективность использования указанного оборудования, обусловленную его конструктивными особенностями.

Более подробно про КПД трансформатора можете прочитать здесь(откроется в новой вкладе, читать со страницы 14):Открыть файл

Определение КПД замкнутого цикла - Физика дома

Задачи на определение КПД замкнутого цикла пользуются неизменной популярностью на экзаменах по физике, также как и другие графические задачи по термодинамике. Эта задача будет полезна и тем, кто сдаёт физику в этом году,  и тем учащимся, кто хочет научиться решать подобные задачи.

На p-V диаграмме изображен замкнутый цикл, проводимый с одноатомным идеальным газом. Определить КПД (коэффициент полезного действия) этого цикла.

КПД (коэффициент полезного действия) замкнутого цикла определяется по формулам для вычисления КПД теплового двигателя.

Причём, можно воспользоваться первой формулой, а можно воспользоваться второй. Разница состоит в том, что Q1 — это количество теплоты, которое получает рабочее тело (идеальный газ ) за цикл от нагревателя, а Q2 — это энергия, отдаваемая за цикл холодильнику.

По графику, представленному в задаче надо четко определить, на каких участках газ энергию получает, а на каких — отдаёт. Так как график дан в координатах pV, то сделать можно это начертив изотермы через все указанные состояния.

Ну а далее с помощью понятий, изучаемых в термодинамике (работа газа и внутренняя энергия), первого закона термодинамики и уравнения состояния идеального газа (уравнения Менделеева — Клапейрона) определяем работу газа за цикл и рассчитываем, в зависимости от выбранной формулы, либо Q1 либо Q2.

Подставляя величины в формулу, определяем КПД замкнутого цикла.

На сайте Вы можете посмотреть решение еще одной задачи по этой теме.

 

Вы можете оставить комментарий, или поставить трэкбек со своего сайта.

Написать комментарий

расшифровка и обозначение, примеры расчётов

Каждый механизм, совершающий работу, затрачивает на её выполнение определённую энергию. Её разница с потребляемой для этого мощностью называется коэффициентом полезного действия. Для физики формула, определяющая это значение, является фундаментальной. С её помощью рассчитывают эффективность энергетических процессов. Можно утверждать, что этот параметр занимает важное место в характеристиках любого технического устройства.

Общие сведения и определения

Энергия — это характеристика, являющаяся скалярной величиной и служащая мерой различного перемещения и взаимодействия материи при переходе в ту или иную форму. С фундаментальной точки зрения, она состоит из импульса и его момента, связанных с неоднородностью времени. В физике понятие «энергия» применяется для замкнутых систем.

Как было установлено опытным путём из-за независимости физических законов от момента времени, энергия не исчезает и не появляется из ничего, она просто есть и переходит из одного состояния в другое. Это утверждение называется Законом сохранения. В математике это правило эквивалентно системе дифференциальных уравнений, описывающих их динамику и обладающих первым интегралом движения, симметричного относительно сдвига во времени.

Чтобы система совершила работу, она должна получить энергию снаружи. То есть на неё должен воздействовать импульс. Но не вся получаемая энергия идёт на достижение нужной цели. По факту она разделяется на два вида:

  • затрачиваемая — полная величина, которая была взята извне;
  • полезная — та, что не затрачивается на преодоление различных сил.

Например, пусть необходимо поднять груз. Другими словами, совершить работу. Для того чтобы достичь заданной цели, нужно преодолеть ряд сил: тяжести, трения. Эти затраты и считаются неполезными. Так, для механических устройств энергия затрачивается на преодоление сил, возникающих при контакте поверхностей, в электричестве — на сопротивление проводников. Вот такого типа потери и называют затратными.

В соответствии с Законом сохранения, взятая системой энергия не может просто исчезнуть. Поэтому и рассчитывают, какое количество её было трансформировано в другую «побочную» форму. Если общую работу обозначить за A, то можно записать равенство: A = Aп + Aз, где Aз — работа затраченная, а Aп — полезная. Так как идеальных систем не существует, то всегда Aз > Aп.

Научное общество с давних времён занимается проблемой уравнивания этих величин. Периодически появляются сведения об изобретении «вечного двигателя». Это устройство, у которого вся потребляемая энергия идёт на выполнение полезного действия. К сожалению, сегодняшние возможности и знания не позволяют полностью исключить затраты. Поэтому все такие изобретения являются ложными, а перед учёными стоит задача свести потери к минимуму.

Нахождение полезного действия

Если затраченную работу увеличить в несколько раз, то на это же число возрастёт и взятая полезная энергия. Если бы механизм был идеальный, то их отношение равнялось единице. Но так как в реальности оно всегда меньше, то соотношение Ап к Аз используется для описания качества. Этому параметру и присвоили название КПД. Расшифровка этой аббревиатуры звучит как «коэффициент полезного действия».

Другими словами, если нужно найти КПД по формуле, то следует просто вычислить отношение: η = Ап / Аз. Для обозначения характеристики применяют букву греческого алфавита η (эта). Таким образом, полезным действием называют физическую величину, равную отношению работы, выполненной самим механизмом, к затраченной энергии по приведению его в действие. Измерять КПД принято в процентах.

Если система тел способна совершить работу, то говорят, что она обладает энергией. Измеряется она в джоулях. Существует несколько видов энергии, с помощью которых можно определять работу, а значит, и вычислять КПД. Наиболее часто приходится исследовать две энергии:

  1. Потенциальную — ею называется энергия взаимодействия тел или частей одной физической частицы. Её вычисление зависит от принятой системы. Для тела, поднятого над землёй, она будет равна: Eп = mgh. То есть приобретённая потенциальная энергия — это полезная работа. Например, её сообщают телу при поднятии его по наклонной плоскости.
  2. Кинетическую — это та энергия, которой обладает движущееся тело. Она пропорциональна массе тела и квадрату его скорости: Ек = mv2 / 2.

Следует отметить, что при расчёте работы, связанной с потенциальной энергией, имеет значение уровень, от которого она отсчитывается.

На первый взгляд кажется, что эта ситуация приводит к неоднозначностям. Но это не так, потому что работа равняется не самой энергии, а её изменению. При этом существует закономерность, что уменьшение потенциальной энергии приводит к увеличению кинетической. Это правило действует и в обратную сторону.

Тепловые и электродвигатели

Тепловыми машинами называют механизмы, которые преобразовывают внутреннюю энергию в механическую работу. Это ветряные и водяные мельницы, устройства, работающие от всевозможного топлива. К основным частям любого теплового двигателя относят:

  • нагреватель — приспособление с высокой температурой по отношению к окружающей среде;
  • рабочее тело — часть, непосредственно выполняющая поставленную задачу, например, газ или пар;
  • охладитель.

Количество теплоты, полученной от нагревателя телом, будет равно совершённой работе плюс изменение внутренней энергии: Q = A + Δ U. Максимальное КПД такого устройства будет, когда ΔU = 0. Внутренняя энергия газов зависит от температуры. Значит, при совершении работы она не должна изменяться. Другими словами, происходящий процесс должен быть изотермическим.

Становится понятным, что для повышения КПД нужно, чтобы работа по сжатию была меньше той, которую совершает тело при расширении. Достичь это можно охлаждением: A = Q1 — Q2. В это время часть энергии будет возвращаться в систему. Значит, КПД равно: η = (Q1 — Q2) / Q1. При этом наибольший коэффициент находится по формуле: η = (T1 — T2) / T2, где T1 и T2 — температуры нагревателя и охладителя соответственно.

У электродвигателей потери энергии обусловлены нагреванием проводников при прохождении по ним электрического тока, а также воздействием паразитных магнитных потоков. Кроме этого, дополнительный расход энергии может затрачиваться на механические потери, вызванные элементами двигателя.

У электромашины КПД может изменяться от 10% до 99%. Находят его через следующее отношение: η = P2 / P1, где P2 — механическая мощность, а P — подводимая к двигателю. Нужно отметить, что эффективность эксплуатации двигателя сильно упадёт, если его применять для обеспечения движения механизма, обладающего более низким коэффициентом полезной энергии.

Повышение КПД электрической машины возможно путём использования качественных деталей, например, подшипников качения, крыльчаток с уменьшенным сопротивлением воздуху. Для снижения нагрева применяют сверхпроводники, обладающие малым сопротивлением. Магнитные потери уменьшают применением электромагнитной стали с высокой степенью изоляции.

Решение задач

Любое вычисление коэффициента полезного действия сводится к нахождению отношений работы. Так как это безразмерная величина, ответ записывают в процентах. Существует ряд типовых задач, позволяющих лучше разобраться в теории и понять, для чего можно использовать знания на практике. Вот некоторые из них:

  1. На стройке с помощью рычажного механизма паллету массой 190 кг подняли на один метр. При этом длинное плечо опустилось на два метра. Найти КПД, учитывая, что приложенная сила к рычагу составила 1000 ньютон. Для решения этого задания нужно рассчитать полную и полезную работу. Так как общая энергия характеризуется силой, которая была приложена к плечу рычага, то найти её можно из выражения: Аз = F * S = 1000 Н/кг * 2 м = 2000 Дж. В то же время полезная работа — это та, что позволила поднять груз. Находится она следующим образом: Ап = mgh = 190 кг * 1 м * 10 Н/кг = 1900 Дж. Отсюда искомая сила равна: n = 1900 Дж / 2000 Дж = 0,95 * 100 = 95%.
  2. Производительность насоса составляет 300 литров в минуту при подаче воды на 20 метров. Найти, какая мощность мотора, если КПД устройства составляет 80%. Для того чтобы выполнить расчёт, понадобится знать плотность воды. Она составляет 1000 кг / м3. Решать эту задачу нужно следующим образом. Полезная работа при поднятии воды насосом равняется: Aп = P * s1 = mgh, где m — масса воды, которую можно найти, зная плотность и объём. Тогда Ап = p * V * h = 1000 кг / м3 * 0,3 м3 * 20 м = 60 000 Дж. Полную же затраченную энергию можно найти по формуле: Аз = n * t. Отсюда: n = Ап / Аз = Ап / n * t = 60 000 Дж / 0,8 * 60с = 1250 Вт.
  3. Куб массой 200 кг поднимают по наклонной доске. Высота отклонения от горизонтальной линии составляет полтора метра, а длина пути — десять метров. Определить необходимую силу, если КПД составляет 60%. Полезная работа в этом случае находится из произведения веса куба и высоты: Aп = mgh. Полная же энергия рассчитывается так: Аз = F * l. Эти выражения можно подставить в формулу нахождения КПД и из неё уже выразить искомую силу: F = mgh / n = (200 кг * 10 Н/кг * 1,5 м) / (0,6 * 10 м) = 3000 / 6 = 500 Н.

Таким образом, при решении задач необходимо сначала правильно определить полезную и полную работу. Для этого нужно разобраться, с какой целью используется тот или иной механизм. Ведь за всю энергию принимается та, которая совершается самим устройством.\

Эффективность: MCQ уровня O по физике - ответы на вопросы викторины

Эффективность O Уровень Физики Вопросы с несколькими вариантами ответов (MCQ), ответы на викторину по физике на уровне PDF для изучения онлайн-курса физики уровня O. Изучите энергию, работу и мощность с множественным выбором вопросов и ответов (MCQ), вопросы викторины «Эффективность O Level Physics» и ответы на онлайн-курсы колледжа. Изучите энергию и единицы, мощность в подготовке к экзамену по физике для лучшего онлайн-класса подготовки к ACT.

«Мощность грузовика составляет 4500 Дж, а его эффективность составляет 50%, входная энергия, обеспечиваемая грузовику, - это« Вопросы с множественным выбором (MCQ) по эффективности: o физический уровень с вариантами выбора 5000 Дж, 900 Дж, 9000 Дж и 500 j для онлайн-курсов колледжа.Практический тест на получение стипендии, эффективность онлайн-обучения или вопросы викторины по физике для конкурсных экзаменов по специальностям физики для онлайн-колледжей, которые предлагают программы сертификации. Эффективность: O Level Physics Video

MCQ по эффективности O Level Physics Скачать PDF

MCQ: мощность грузовика составляет 4500 Дж, а его КПД составляет 50%, потребляемая энергия, подаваемая грузовику, составляет

.
  1. 5000 Дж
  2. 900 Дж
  3. 9000 Дж
  4. 500 Дж

MCQ: На типичной электростанции, среди ряда передач и преобразований энергии, около 70% потребляемой энергии теряется в виде тепловой энергии, КПД такой электростанции составляет около

.
  1. 0.3
  2. 0,4
  3. 0,7
  4. 1

MCQ: автомобиль потребляет общую энергию 2500 Дж, а мощность составляет 750 Дж. КПД автомобиля составляет

.
  1. 50%
  2. 30%
  3. 25%
  4. 80%

MCQ: Формула эффективности -

  1. (вход / выход энергии) × 100
  2. (вход энергии / выход энергии) × 100
  3. (полезная входная / выходная энергия) × 100
  4. (полезная выходная энергия / общая потребляемая энергия) × 100

MCQ: Эффективность машины измеряется с помощью

  1. (выход потраченной энергии ⁄ потребляемая энергия) × 100%
  2. (потребляемая энергия ⁄ выходная энергия) × 100%
  3. (полезная выходная энергия ⁄ потребляемая энергия) × 100%
  4. (Потребляемая энергия ⁄ Полезная энергия на выходе) × 100%

GCSE PHYSICS Equations - Полный список для печати

GCSE PHYSICS Equations - Полный список для печати - GCSE SCIENCE

Это список уравнений, которые могут вам понадобиться для
ваш экзамен по физике GCSE. Щелкните ссылку для дополнительной информации.
Внизу страницы есть ссылки на уравнения
которые разные экзаменационные комиссии использовали в прошлом.
Эти ссылки переведут вас на страницу который вы можете распечатать
, если хотите, чтобы вы могли изменить эти уравнения.


Электричество

P = V x I. мощность = напряжение x текущий.

В = I x R. напряжение = ток x сопротивление.

Q = I x t. заряд = ток x время.

E = V x Q. энергия = напряжение x заряд.

E = V x I x t. энергия = напряжение x ток x время.

Общая стоимость = количество единиц x стоимость за Блок.


Энергия

КПД (%) = (полезная энергия на выходе ÷ полная энергия дюйм) x 100.

GPE = mgh. GPE = масса x сила тяжести x высота.

KE = ½ мВ 2 . Кинетический Энергия = 0,5 x масса x скорость 2 .

W = F x d. Работа сделано = сила x расстояние.

W = E. работа сделана = переданная энергия.

P = E ÷ t. мощность = энергия ÷ время.

E = c x м х θ. энергия = удельная теплоемкость x масса x изменение температуры.


Силы и Движение

с = д ÷ т. скорость = расстояние ÷ время.

а = (v-u) ÷ t. ускорение = изменение по скорости ÷ времени.

F = м x а. Сила = масса x ускорение.

w = m x g. вес = масса x сила тяжести.

р = м х в. импульс = масса x скорость.

(мВ - mu) = F x т.изменение в импульс = Сила x время.

d = m v. Плотность = масса ÷ объем.

р = F ÷ a. давление = сила ÷ площадь.

м = F x d. момент = сила x перпендикулярное расстояние от стержень.


Волны

v = f x λ. скорость = частота x

Тема 2: Механика - IB Physics

См. Руководство по этой теме.

2.1 - Движение

  • Расстояние и перемещение

Расстояние Рабочий объем
Скаляр Вектор
Скалярная величина, которая измеряет расстояние между двумя местоположениями на определенном пути. Векторная величина, определяемая длиной и направлением отрезка линии, соединяющего начальную и конечную позиции объекта.

Скорость Скорость
Скаляр Вектор
Скорость изменения расстояния во времени. Скорость изменения смещения во времени.

Скорость - это мера, зависящая от движения наблюдателя. Относительная скорость A и B равна векторному вычитанию скорости B из скорости A.2.

График вытеснения-времени

Градиент наклона указывает скорость.

Прямые линии подразумевают постоянную скорость.

График скорости-времени

Градиент наклона указывает ускорение.

Прямые наклонные линии означают постоянное ускорение или замедление.

Область под линиями показывает изменение смещения.

График времени разгона

Горизонтальные линии подразумевают постоянное ускорение.

Область под линиями показывает изменение скорости.

  • Уравнения движения для равномерного ускорения

s = рабочий объем u = начальная скорость v = конечная скорость a = ускорение t = затраченное время

Если ускорение постоянное (равномерное), можно использовать следующие уравнения

Говорят, что объект подвергается движению снаряда, когда он следует изогнутой траектории из-за влияния силы тяжести. 2

  • Снаряд достигает максимальной высоты при нулевой вертикальной скорости
  • Траектория симметричная
  • Наличие сопротивления воздуха изменяет траекторию полета снаряда на следующие

    • Максимальная высота снаряда меньше
    • Дальность полета снаряда короче
    • Траектория несимметричная
    • Сопротивление жидкости и конечная скорость

    Сопротивление воздуха ограничивает максимальную скорость, которую объект может получить при свободном падении.Например:

    • Если вы выпрыгнете из самолета и будете свободно падать, вы почувствуете восходящую силу, оказываемую на вас окружающим воздухом из-за сопротивления воздуха.
    • По мере того как вы падаете все быстрее и быстрее из-за силы тяжести, эта восходящая сила, создаваемая воздухом, становится все больше и больше, пока она не уравновесит ваш вес. В этот момент действующая на вас чистая сила становится равной нулю, и вы больше не ускоряетесь.
    • Эта конкретная скорость, с которой вы прекращаете ускоряться во время свободного падения, называется конечной скоростью.

    2.2 - Силы

    • Объекты как точечные частицы

    Силы изменяют скорость или форму объектов.

    Единица силы - ньютон (Н).

    Объекты представлены в виде точечной массы, что позволяет отображать силы в виде стрелок на диаграммах свободного тела.

    На схеме свободного тела силы, действующие на объект, представлены в виде стрелок, исходящих от точечной массы.

    Длина и направление стрелок соответствуют величине и направлению сил, действующих на исследуемое тело.

    Определение равнодействующей силы

    1. Разложите все действующие силы на горизонтальные и вертикальные составляющие
    2. Сложите горизонтальные компоненты
    3. Сложите вертикальные компоненты
    4. Объедините сумму горизонтальных компонентов и сумму вертикальных компонентов
    • Трансляционное равновесие

    Тело считается находящимся в поступательном равновесии, если чистая сила, действующая на тело, равна нулю.Это означает, что тело либо находится в состоянии покоя, либо движется с постоянной скоростью. Например:

    • Масса в состоянии покоя
    • Лифт движется вверх с постоянной скоростью
    • Парашютист достигает предельной скорости
    • Законы движения Ньютона

    Первый закон Ньютона (Закон инерции) гласит, что тело остается в покое или движется с постоянной скоростью по прямой линии, если на него не действует внешняя сила. (Чистая сила = 0)

    Второй закон Ньютона гласит, что результирующая сила прямо пропорциональна ускорению и массе.(F = ma)

    Третий закон Ньютона гласит, что если тело A воздействует на тело B, то тело B прикладывает силу той же величины, но в направлении, противоположном телу A.

    Эта пара сил называется парой действие-противодействие, которая должна действовать на два разных тела.

    Трение - это неконсервативная сила, препятствующая движению. Если нет движения, то не будет силы, вызванной трением.

    Для двух твердых поверхностей, движущихся друг по другу, на трение будет влиять природа (шероховатость и т. Д.) Этих двух поверхностей.Однако площадь поверхности и скорость объекта не влияют на трение.

    Также существует два типа трения для твердых поверхностей: трение покоя и кинетическое трение. Статическое трение - это то, что мешает объектам начать движение. Кинетическое трение - это то, что замедляет движущиеся объекты. Статическое трение всегда больше кинетического.

    Эти два типа трения определяются индивидуально своими константами µs и µk соответственно.

    Силы трения также зависят от нормальной силы, прилагаемой к поверхности, что приводит к силе трения (статической) = <мкс * нормальная сила для неподвижных объектов и сила трения (статическая) = мкс * нормальная сила для объектов, которые движутся.

    2.3 - Работа, энергия и мощность

    Кинетическая энергия (KE) - это энергия тела, возникающая в результате его движения, и определяется уравнением

    • Гравитационная потенциальная энергия

    Гравитационная потенциальная энергия (GPE) объекта изменяется с его высотой и определяется уравнением

    Упругая энергия - это потенциальная энергия, запасенная в результате деформации упругого объекта, например, растяжения пружины, и выражается уравнением

    • Работа, выполняемая как передача энергии

    Выполненная работа измеряет передачу энергии за счет силы и является скалярной величиной.

    Работа, совершаемая W силой F над объектом, определяется уравнением

    На графике "сила-смещение" проделанная работа - это площадь под кривой.

    • Мощность как скорость передачи энергии

    Мощность (P) - это выполненная работа или выход энергии за время, определяемый уравнением:

    Для постоянной силы, действующей на объект с постоянной скоростью, мощность определяется уравнением: P = Fv.

    • Принцип сохранения энергии

    Энергию нельзя ни создать, ни уничтожить; его можно только изменить из одной формы в другую. Например:

    • Электрический нагреватель преобразует электрическую энергию в тепловую.
    • Падающий объект преобразует потенциальную энергию в кинетическую.

    Полная энергия изолированного тела остается постоянной. Другими словами, ΔKE + ΔPE = 0

    Эффективность - это отношение полезной выходной энергии к вложенной энергии в процентах, определяемое уравнением

    2.4 - Импульс и импульс

    • Второй закон Ньютона, выраженный скоростью изменения количества движения

    Импульс (p) задается уравнением

    Импульс (p) - это вектор с тем же направлением, что и скорость объекта.

    Изменение количества движения объекта называется импульсом.

    Преобразование формулы, описывающей второй закон Ньютона, приводит к следующему выражению

    • Графики импульса и силы-времени

    Импульс задается областью графика силы-времени.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *