Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД ) - характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии , полученному системой; обозначается обычно η («эта») . η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах . Математически определение КПД может быть записано в виде:

X 100 %,

где А - полезная работа, а Q - затраченная энергия.

В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.

КПД теплово́го дви́гателя - отношение совершённой полезной работы двигателя , к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле

где - количество теплоты , полученное от нагревателя, - количество теплоты, отданное холодильнику. Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах горячего источника T 1 и холодного T 2 , обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно ; этот предельный КПД равен

Не все показатели, характеризующие эффективность энергетических процессов, соответствуют вышеприведённому описанию. Даже если они традиционно или ошибочно называются «», они могут иметь другие свойства, в частности, превышать 100 %.

КПД котлов

Основная статья: Тепловой баланс котла

КПД котлов на органическом топливе традиционно рассчитывается по низшей теплоте сгорания ; при этом предполагается, что влага продуктов сгорания покидает котёл в виде перегретого пара . В конденсационных котлах эта влага конденсируется, теплота конденсации полезно используется. При расчёте КПД по низшей теплоте сгорания он в итоге может получиться больше единицы. В данном случае корректнее было бы считать его по высшей теплоте сгорания , учитывающей теплоту конденсации пара; однако при этом показатели такого котла трудно сравнивать с данными о других установках.

Тепловые насосы и холодильные машины

Достоинством тепловых насосов как нагревательной техники является возможность иногда получать больше теплоты, чем расходуется энергии на их работу; аналогичным образом холодильная машина может отвести от охлаждаемого конца больше теплоты, чем затрачивается на организацию процесса.

Эффективность таких тепловых машин характеризуют холодильный коэффициент (для холодильных машин) или коэффициент трансформации (для тепловых насосов)

где - тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах) или передаваемое к горячему (в тепловых насосах); - затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия). Наилучшими показателями производительности для таких машин обладает обратный цикл Карно: в нём холодильный коэффициент

где , - температуры горячего и холодного концов, . Данная величина, очевидно, может быть сколь угодно велика; хотя практически к ней трудно приблизиться, холодильный коэффициент всё же может превосходить единицу. Это не противоречит первому началу термодинамики , поскольку, кроме принимаемой в расчёт энергии A (напр. электрической), в тепло Q идёт и энергия, отбираемая от холодного источника.

Литература

• Пёрышкин А. В. Физика. 8 класс. - Дрофа, 2005. - 191 с. - 50 000 экз. - ISBN 5-7107-9459-7 .

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Turbo Pascal
• КПД

Смотреть что такое "" в других словарях:

коэффициент полезного действия - Отношение отдаваемой мощности к потребляемой активной мощности. [ОСТ 45.55 99] коэффициент полезного действия КПД Величина, характеризующая совершенство процессов превращения, преобразования или передачи энергии, являющаяся отношением полезной… … Справочник технического переводчика

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ - или коэффициент отдачи (Efficiency) характеристика качества работы любой машины или аппарата со стороны ее экономичности. Под К. П. Д. подразумевается отношение количества полученной от машины работы или энергии от аппарата к тому количеству… … Морской словарь

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ - (к.п.д.), показатель эффективности действия механизма, определяемый как отношение работы, совершаемой механизмом, к работе, затраченной на его функционирование. К.п.д. обычно выражают в процентах. Идеальный механизм должен был бы иметь к.п.д =… … Научно-технический энциклопедический словарь

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ Современная энциклопедия

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ - (кпд) характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования энергии; определяется отношением полезно использованной энергии (превращенной в работу при циклическом процессе) к суммарному количеству энергии,… … Большой Энциклопедический словарь

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ - (кпд), характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением т) полезно использованной энергии (Wпол) к суммарному кол ву энергии (Wсум), полученному системой; h=Wпол… … Физическая энциклопедия

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ - (кпд) отношение полезно используемой энергии W п, напр. в виде работы, к общему кол ву энергии W, получаемой системой (машиной или двигателем), W п/W. Из за неизбежных потерь энергии на трение и др. неравновесные процессы для реальных систем… … Физическая энциклопедия

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ - отношение полезно затрачиваемой работы или получаемой энергии ко всей затраченной работе или соответственно потребляемой энергии. Напр., К. п. д. электродвигателя отношение механ. мощности, им отдаваемой, к подводимой к нему электр. мощности; К.… … Технический железнодорожный словарь

коэффициент полезного действия - сущ., кол во синонимов: 8 кпд (4) отдача (27) плодотворность (10) … Словарь синонимов

Коэффициент полезного действия - – величина, характеризующая совершенство любой системы по отношению к какому либо протекающему в ней процессу превращения или передачи энергии, определяемая как отношение полезной работы, к работе, затраченной на приведение в действие.… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Коэффициент полезного действия - (кпд), числовая характеристика энергетической эффективности какого либо устройства или машины (в том числе тепловой машины). Кпд определяется отношением полезно использованной энергии (т.е. превращенной в работу) к суммарному количеству энергии,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Коэффициент полезного действия показывает отношение пригодной работы, которая выполняется механизмом либо устройством, к затраченной. Зачастую за затраченную работу принимают число энергии, которое потребляет устройство для того, дабы исполнить работу.

Вам понадобится

• – автомобиль;
• – термометр;
• – калькулятор.

Инструкция

2. При расчете КПД теплового мотора, пригодной работой считайте механическую работу, исполненную механизмом. За затраченную работу берите число теплоты, выделяемое сгоревшим топливом, которое является источником энергии для мотора.

3. Пример. Средняя сила тяги мотора автомобиля составляет 882 Н. На 100 км пути он потребляет 7 кг бензина. Определите КПД его мотора. Вначале обнаружьте пригодную работу. Она равна произведению силы F на расстояние S, преодолеваемое телом под ее воздействием Ап=F?S. Определите число теплоты, которое выделится при сжигании 7 кг бензина, это и будет затраченная работа Аз=Q=q?m, где q – удельная теплота сгорания топлива, для бензина она равна 42?10^6 Дж/кг, а m – масса этого топлива. КПД мотора будет равен КПД=(F?S)/(q?m)?100%= (882?100000)/(42?10^6?7)?100%=30%.

4. В всеобщем случае дабы обнаружить КПД, всякий тепловой машины (мотора внутреннего сгорания, парового мотора, турбины и т.д.), где работа выполняется газом, имеет показатель полезного действия равный разности теплоты отданной нагревателем Q1 и полученной холодильником Q2, обнаружьте разность теплоты нагревателя и холодильника, и поделите на теплоту нагревателя КПД= (Q1-Q2)/Q1. Тут КПД измеряется в дольных единицах от 0 до 1, дабы перевести итог в проценты, умножьте его на 100.

5. Дабы получить КПД безукоризненной тепловой машины (машины Карно), обнаружьте отношение разности температур нагревателя Т1 и холодильника Т2 к температуре нагревателя КПД=(Т1-Т2)/Т1. Это предельно допустимый КПД для определенного типа тепловой машины с заданными температурами нагревателя и холодильника.

6. Для электродвигателя обнаружьте затраченную работу как произведение мощности на время ее выполнения. Скажем, если электродвигатель крана мощностью 3,2 кВт поднимает груз массой 800 кг на высоту 3,6 м за 10 с, то его КПД равен отношению пригодной работы Ап=m?g?h, где m – масса груза, g?10 м/с? убыстрение свободного падения, h – высота на которую подняли груз, и затраченной работы Аз=Р?t, где Р – мощность мотора, t – время его работы. Получите формулу для определения КПД=Ап/Аз?100%=(m?g?h)/(Р?t) ?100%=%=(800?10?3,6)/(3200?10) ?100%=90%.

Показатель пригодного действия (КПД) – это показатель производительности какой либо системы, будь то мотор автомобиля, машина либо другой механизм. Он показывает, как результативно данная система использует получаемую энергию. Вычислить КПД дюже легко.

Инструкция

1. Почаще каждого КПД вычисляется из соотношения пригодно применяемой системой энергии ко каждой суммарно полученной энергии в определенный интервал времени. Стоит подметить, что КПД не имеет определенных единиц измерения. Впрочем, в школьной программе эту величину измеряют в процентах. Данный показатель, исходя из выше указанных данных, вычисляется по формуле:? = (A/Q)*100%, где? (“эта”) – это желанный КПД, A – пригодная работа системы, Q – суммированные затраты энергии, A и Q измеряются в Джоулях.

2. Указанный выше метод вычисления КПД не является исключительным, потому что пригодная работа системы (A) вычисляется по формуле:A = Po-Pi, где Po – подведенная системе энергия извне, Pi – потери энергии при работе системы. Развернув числитель указанной выше формулы, ее дозволено записать в дальнейшем виде:? = ((Po-Pi)/Po)*100%.

3. Дабы вычисление КПД было больше внятным и наглядным, дозволено разглядеть примеры.Пример 1: Пригодная работа системы равна 75 Дж, сумма затраченной для ее работы энергии составляет 100 Дж, требуется обнаружить КПД данной системы. Для решения этой задачи примените самую первую формулу:? = 75/100 = 0.75 либо 75%Ответ: КПД предложенной системы составляет 75%.

4. Пример 2: Подводимая для работы мотора энергия составляет 100 Дж, потери энергии при работе этого мотора 25 Дж, нужно вычислить КПД. Для решения предложенной задачи воспользуйтесь 2-й формулой подсчета желанного показателя:? = (100-25)/100 = 0.75 либо 75%. Результаты в обоих примерах получились идентичные, чай во втором случае были больше детально разобраны данные числителя.

Обратите внимание!
Многие типы современных моторов (скажем, ракетный мотор либо турбовоздушный) имеют несколько ступеней своей работы, и для всей ступени существует свой КПД, тот, что исчисляется по всякий из указанных формул. Но дабы обнаружить всеобщий показатель, понадобится перемножить все знаменитые КПД на всех этапах работы данного мотора:? = ?1*?2*?3*…*?.

Полезный совет
КПД не может быть огромнее единице, чай во время работы всякий системы неминуемо появляются потери энергии.

Попутные перевозки представляют собой разновидность транспортных перевозок, состоящую в загрузке транспортного средства, осуществляющего холостой пробег. Обстановки, когда транспорт вынужден передвигаться без груза, встречаются довольно зачастую, причем, как до, так и позже позже выполнения намеченного транспортного заказа. Для предприятия вероятность взять добавочный груз обозначает, как минимум, снижение финансовых потерь.

Инструкция

1. Оцените результативность применения попутных грузоперевозок реально для вашего предприятия. Значимым моментом, тот, что следует уяснить, является тот факт, что попутный груз может быть перевезен в то время, когда транспорт вынужденно перемещается порожняком позже осуществления первичной (стержневой) транспортной заявки. Если в деятельности вашего предприятия такие обстановки встречаются регулярно, отважно выбирайте такой метод оптимизации перевозок.

2. Оцените, какой попутный груз по массе и габаритам может перевезти ваше транспортное средство. Попутный груз может быть экономически выигрышным даже в том случае, если часть грузового пространства вашего автомобиля окажется не занятой.

3. Продумайте, из каких точек основного маршрута вы сумеете взять попутный груз. Комфортнее каждого, если такой груз вы можете получить в финальной точке планового маршрута и довезти его до места, где расположено ваше транспортное предприятие. Но такая обстановка может встретиться не неизменно. Следственно разглядите также вероятность некоторого отклонения от маршрута, просчитав, разумеется, экономическую рациональность такого метаморфозы.

4. Узнаете, не требуется ли обратная перевозка груза предприятию, в которое вы делаете плановую грузоперевозку. В этом случае значительно проще договориться о цене вопроса и обеспечить безопасность добавочного взаимовыгодного сотрудничества.

5. Обнаружьте несколько специализированных интернет-порталов, предоставляющих информационные службы в сфере грузоперевозок. Как водится, сайты таких компаний имеют соответствующие разделы, разрешающие разыскать попутный груз на пути вашего следования и оставить соответствующую заявку. В большинстве случаев применение такой вероятности требует, как минимум, регистрации на сайте. Будет совершенно, если информационный источник имеет встроенные вероятности для логистического обзора встречных предложений.

6. Не пренебрегайте сборными перевозками, когда в выбранном направлении на одном виде транспорта перевозятся грузы малого габарита от разных клиентов. При этом транспорт должен делать челночные маршруты по выбранным направлениям.

Обратите внимание!
Обнаружить попутный груз – абсолютно нетрудно! Основная задача работы нашего обслуживания – поиск разных загрузок, тот, что пользователи могут осуществлять не только =с максимальным для себя удобством, но и идеально даром. При помощи нашей системы, работа которой основывается на применении современных информационных спецтехнологий, обнаружить груз дозволено дюже легко.

Полезный совет
Видимо, что Вы решили купить либо взять в аренду огромный грузовой автомобиль, с подмогой которого Вы намерены зарабатывать деньги, путем перевозок грузов по России, СНГ и Европе. Все равно, наймете Вы водителя либо сами будете на нем ездить, Вам понадобятся заказчики, то есть грузы для перевозки. Тогда Вы обязательно задумаетесь либо теснее задумались, где и как обнаружить грузы для своего грузового автомобиля?

Дабы обнаружить показатель пригодного действия всякого двигателя , надобно пригодную работу поделить на затраченную и умножить на 100 процентов. Для теплового двигателя обнаружьте данную величину по отношению мощности, умноженной на продолжительность работы, к теплу, выделившемуся при сгорании топлива. Теоретически КПД теплового двигателя определяется по соотношению температур холодильника и нагревателя. Для электрических моторов обнаружьте отношение его мощности к мощности потребляемого тока.

Вам понадобится

• паспорт мотора внутреннего сгорания (ДВС), термометр, тестер

Инструкция

1. Определение КПД ДВС Обнаружьте в технической документации данного определенного двигателя его мощность. Залейте в его бак некоторое число топлива и запустите мотор, дабы он проработал некоторое время на полных циклах, развивая максимальную мощность, указанную в паспорте. С подмогой секундомера засеките время работы двигателя , выразив его в секундах. Через некоторое время остановите мотор, и слейте остатки топлива. Отняв от исходного объема залитого топлива финальный объем, обнаружьте объем израсходованного топлива. Применяя таблицу, обнаружьте его плотность и умножьте на объем, получив массу израсходованного топлива m=? V. Массу выразите в килограммах. В зависимости от вида топлива (бензин либо дизельное горючее), определите по таблице его удельную теплоту сгорания. Для определения КПД максимальную мощность умножьте на время работы двигателя и на 100%, а итог ступенчато поделите на его массу и удельную теплоту сгорания КПД =P t 100%/(q m).

2. Для совершенной тепловой машины, дозволено применить формулу Карно. Для этого узнайте температуру сгорания топлива и измерьте температуру холодильника (выхлопных газов) особым термометром. Переведите температуру, измеренную в градусах Цельсия в безусловную шкалу, для чего к значению прибавьте число 273. Для определения КПД от числа 1 отнимите отношение температур холодильника и нагревателя (температуру сгорания топлива) КПД =(1-Тхол/Тнаг) 100%. Данный вариант расчета КПД не рассматривает механическое трение и теплообмен с внешней средой.

3. Определение КПД электродвигателя Узнайте номинальную мощность электродвигателя , по технической документации. Подключите его к источнику тока, добившись максимальных циклов вала, и с подмогой тестера измерьте значение напряжения на нем и силу тока в цепи. Для определения КПД заявленную в документации мощность, поделите на произведение силы тока на напряжение, итог умножьте на 100% КПД =P 100%/(I U).

Видео по теме

Обратите внимание!
Во всех расчетах КПД должен быть поменьше 100%.

Для обзора обычной динамики населения социологам нужно определить всеобщие коэффициенты . Основными из них являются показатели рождаемости, смертности, брачности и натурального прихода. Опираясь на них, дозволено составить демографическую картину в данный момент времени.

Инструкция

1. Обратите внимание на то, что всеобщий показатель представляет собой относительный показатель. Так, число родившихся за определенный период, скажем, за год, будет отличаться от всеобщего показателя рождаемости. Связано это с тем, что при его нахождении учитываются данные об всеобщем числе населения. Это делает допустимым сопоставление текущих итогов изысканий с итогами прошлых лет.

2. Определите расчетный период. Скажем, дабы обнаружить показатель брачности, нужно определить, за какой временной период число заключенных браков вас волнует. Так, данные за последнее полугодие будут в существенной мере отличаться от тех, которые вы получите при определении пятилетнего временного промежутка. Рассматривайте, что расчетный период при вычислении всеобщего показателя указывается в годах.

3. Определите всеобщую количество населения. Сходственного рода данные дозволено получить, обратившись к данным переписи населения. Для определения всеобщих показателей рождаемости, смертности, брачности и разводимости вам потребуется обнаружить произведение всеобщей численности населения и расчетного периода. Получившееся число запишите в знаменатель.

4. Поставьте на место числителя безусловный показатель, соответствующий желанному относительному. Скажем, если перед вами стоит задача определить всеобщий показатель рождаемости, то на месте числителя должно находиться число, отражающее всеобщее число рожденных детей за волнующий вас период. Если вашей целью является определение яруса смертности либо брачности, то на место числителя поставьте число усопших в расчетный период либо число вступивших в брак, соответственно.

5. Умножьте получившееся число на 1000. Это и будет желанный вами всеобщий показатель. Если же перед вами стоит задача обнаружить всеобщий показатель прихода, то вычтите из показателя рождаемости показатель смертности.

Видео по теме

Под словом «работа» воспринимается раньше каждого действие, которая дает человеку средства к существованию. Иными словами, за нее он получает физическое вознаграждение. Тем не менее, люди готовы в свое свободное время либо даром, либо за чисто символическую плату участвовать также в социально-пригодной работе, направленной на поддержка нуждающимся, благоустройство дворов и улиц, озеленение и т.д. Число таких добровольцев наверно было бы еще огромным, но они нередко не знают, где могут потребоваться их службы.

Инструкция

1. Один из самых знаменитых видов социально-пригодной работы – благотворительность. Она включает в себя подмога нуждающимся, общественно незащищенным группам населения: инвалидам, престарелым, беспризорным. Словом, каждым тем, кто по какой-то причине оказался в тяжелой жизненной обстановки.

2. Добровольцам, желающим принять посильное участие в оказание такой помощи, следует обратиться в ближайшие филантропические организации либо отделы общественной помощи. Можете навести справки в ближайшей церкви – священнослужитель наверно знает, кто из его паствы исключительно нуждается в поддержке.

3. Также вы можете проявить инициативу дословно по месту жительства – в многоквартирном доме наверно живут одинокие пенсионерки, инвалиды либо матери-одиночки, у которых весь рубль на счету. Окажите им посильную подмога. Она совсем не неукоснительно должна заключаться в денежном пожертвовании – дозволено, скажем, время от времени ходить в магазин за продуктами либо в аптеку за лекарствами.

4. Много людей желает принять участие в благоустройстве родного города. Им стоит связаться с соответствующими конструкциями здешнего муниципалитета, скажем, теми, которые отвечают за уборку территорий, озеленение. Работа наверно найдется. Помимо того, дозволено, скажем, по собственной инициативе разбить клумбу под окнами дома, посадить цветы.

5. Есть люди, дюже любящие звериных, желающие подмогнуть безнадзорным собакам и кошкам. Если вы относитесь к этой категории, свяжитесь с местными организациями зоозащитников либо с обладателями пристанищ для звериных. Ну а если вы живете в огромном городе, где есть зоопарки, узнайте у администрации, не необходимы ли помощники по уходу за звериными. Как водится, такие предложения помощи встречают с благодарностью.

6. Невозможно забывать и о воспитании подрастающего поколения. Если энтузиаст-доброволец сумеет, скажем, вести занятия в каком-либо школьном кружке либо центре культуры и творчества, он принесет этим огромную пользу. Словом, социально-пригодной работы для неравнодушных людей найдется много, на всякий вкус и вероятности. Было бы желание.

Совет 7: Что такое показатель увлажнения и как его рассчитать

Показатель увлажнения – показатель, используемый для определения параметров микроклимата. Рассчитать его дозволено, имея информацию о выпадении осадков в регионе в течение довольно долгого периода.

Показатель увлажнения

Коэффициент увлажнения представляет собой особый показатель, разработанный экспертами в области метеорологии для оценки степени влажности микроклимата в том либо другом регионе. При этом было принято во внимание, что микроклимат представляет собой многолетнюю отзыв погодных условий в данной местности. Следственно рассматривать показатель увлажнения также было решено в долгих временных рамках: как водится, данный показатель рассчитывается на основе данных, собранных в течение года.Таким образом, показатель увлажнения показывает, насколько огромно число осадков, выпадающих в течение этого периода в рассматриваемом регионе. Это, в свою очередь, является одним из основных факторов, определяющих превалирующий тип растительности в этой местности.

Расчет показателя увлажнения

Формула расчета показателя увлажнения выглядит дальнейшим образом: K = R / E. В указанной формуле символом K обозначен собственно показатель увлажнения, а символом R – число осадков, вывалившихся в данной местности в течение года, выраженное в миллиметрах. Наконец, символом E обозначается число осадков, которое испарилось с поверхности земли, за тот же период времени. Указанное число осадков, которое также выражается в миллиметрах, зависит от типа почвы, температуры в данном регионе в определенный период времени и других факторов. Следственно невзирая на кажущуюся простоту приведенной формулы, расчет показателя увлажнения требует проведения большого числа заблаговременных измерений при помощи точных приборов и может быть осуществлен только силами довольно огромного коллектива метеорологов.В свою очередь, значение показателя увлажнения на определенной территории, рассматривающее все эти показатели, как водится, дозволяет с высокой степенью достоверности определить, какой тип растительности является преобладающим в этом регионе. Так, если показатель увлажнения превышает 1, это говорит о высоком ярусе влажности на данной территории, что влечет за собой преимущество таких типов растительности как тайга, тундра либо лесотундра. Довольный ярус влажности соответствует показателю увлажнения, равному 1, и, как водится, характеризуется преобладанием смешанных либо широколиственных лесов. Показатель увлажнения в пределах от 0,6 до 1 характерен для лесостепных массивов, от 0,3 до 0,6 – для степей, от 0,1 до 0,3 – для полупустынных территорий, а от 0 до 0,1 – для пустынь.

Видео по теме

Известно, что вечный двигатель невозможен. Это связано с тем, что для любого механизма справедливо утверждение: совершённая с помощью этого механизма полная работа (в том числе на нагревание механизма и окружающей среды, на преодоление силы трения) всегда больше полезной работы.

Например, больше половины работы двигателя внутреннего сгорания совершается впустую тратится на нагревание составных частей двигателя; некоторое количество теплоты уносят выхлопные газы.

Часто необходимо оценивать эффективность механизма, целесообразность его использования. Поэтому, чтобы рассчитывать, какая часть от совершённой работы тратится впустую и какая часть с пользой, вводится специальная физическая величина, которая показывает эффективность механизма.

Эта величина называется коэффициентом полезного действия механизма

Коэффициент полезного действия механизма равен отношению полезной работы к полной работе. Очевидно, коэффициент полезного действия всегда меньше единицы. Эту величину часто выражают в процентах. Обычно её обозначают греческой буквой η (читается «эта»). Сокращённо коэффициент полезного действия записывают КПД.

η = (А_полн /А_полезн) * 100 %,

где η КПД, А_полн полная работа, А_полезн полезная работа.

Среди двигателей наибольший коэффициент полезного действия имеет электрический двигатель (до 98 %). Коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания 20 % - 40 %, паровой турбины примерно 30 %.

Отметим, что для увеличения коэффициента полезного действия механизма часто стараются уменьшить силу трения. Это можно сделать, используя различные смазки или шарикоподшипники, в которых трение скольжения заменяется трением качения.

Примеры расчета КПД

Рассмотрим пример. Велосипедист массой 55 кг поднялся на велосипеде массой 5 кг на холм, высота которого 10 м, совершив при этом работу 8 кДж. Найдите коэффициент полезного действия велосипеда. Трение качения колёс о дорогу не учитывайте.

Решение. Найдём общую массу велосипеда и велосипедиста:

m = 55 кг + 5 кг = 60 кг

Найдем их общий вес:

P = mg = 60 кг * 10 Н/кг = 600 Н

Найдём работу, совершённую на подъём велосипеда и велосипедиста:

Aполезн = РS = 600 Н * 10 м = 6 кДж

Найдём КПД велосипеда:

А_полн /А_полезн * 100 % = 6 кДж / 8 кДж * 100 % = 75 %

Ответ: КПД велосипеда равен 75 %.

Рассмотрим ещё один пример. На конец плеча рычага подвешено тело массой m. К другому плечу прилагают силу F, направленную вниз, и его конец опускается на h. Найдите, насколько поднялось тело, если коэффициент полезного действия рычага равен η %.

Решение. Найдём работу, совершённую силой F:

η % от этой работы совершено на то, чтобы поднять тело массой m. Следовательно, на поднятие тела затрачено Fhη / 100. Так как вес тела равен mg, тело поднялось на высоту Fhη / 100 / mg.

Современные реалии предполагают широкую эксплуатацию тепловых двигателей. Многочисленные попытки замены их на электродвигатели пока претерпевают неудачу. Проблемы, связанные с накоплением электроэнергии в автономных системах, решаются с большим трудом.

Все еще актуальны проблемы технологии изготовления аккумуляторов электроэнергии с учетом их длительного использования. Скоростные характеристики электромобилей далеки от таковых у авто на двигателях внутреннего сгорания.

Первые шаги по созданию гибридных двигателей позволяют существенно уменьшить вредные выбросы в мегаполисах, решая экологические проблемы.

Немного истории

Возможность превращения энергии пара в энергию движения была известна еще в древности. 130 год до нашей эры: Философ Герон Александрийский представил на суд зрителей паровую игрушку - эолипил. Сфера, заполненная паром, приходила во вращение под действием исходящих из нее струй. Этот прототип современных паровых турбин в те времена не нашел применения.

Долгие годы и века разработки философа считались лишь забавной игрушкой. В 1629 г. итальянец Д. Бранки создал активную турбину. Пар приводил в движение диск, снабженный лопатками.

С этого момента началось бурное развитие паровых машин.

Тепловая машина

Превращение топлива в энергию движения частей машин и механизмов используется в тепловых машинах.

Основные части машин: нагреватель (система получения энергии извне), рабочее тело (совершает полезное действие), холодильник.

Нагреватель предназначен для того, чтобы рабочее тело накопило достаточный запас внутренней энергии для совершения полезной работы. Холодильник отводит излишки энергии.

Основной характеристикой эффективности называют КПД тепловых машин. Эта величина показывает, какая часть затраченной на нагревание энергии расходуется на совершение полезной работы. Чем выше КПД, тем выгоднее работа машины, но эта величина не может превышать 100%.

Расчет коэффициента полезного действия

Пусть нагреватель приобрел извне энергию, равную Q 1 . Рабочее тело совершило работу A, при этом энергия, отданная холодильнику, составила Q 2 .

Исходя из определения, рассчитаем величину КПД:

η= A / Q 1 . Учтем, что А = Q 1 - Q 2.

Отсюда КПД тепловой машины, формула которого имеет вид η= (Q 1 - Q 2)/ Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, позволяет сделать следующие выводы:

• КПД не может превышать 1 (или 100%);
• для максимального увеличения этой величины необходимо либо повышение энергии, полученной от нагревателя, либо уменьшение энергии, отданной холодильнику;
• увеличения энергии нагревателя добиваются изменением качества топлива;
• уменьшения энергии, отданной холодильнику, позволяют добиться конструктивные особенности двигателей.

Идеальный тепловой двигатель

Возможно ли создание такого двигателя, коэффициент полезного действия которого был бы максимальным (в идеале - равным 100%)? Найти ответ на этот вопрос попытался французский физик-теоретик и талантливый инженер Сади Карно. В 1824 его теоретические выкладки о процессах, протекающих в газах, были обнародованы.

Основной идеей, заложенной в идеальной машине, можно считать проведение обратимых процессов с идеальным газом. Начинаем с расширения газа изотермически при температуре T 1 . Количество теплоты, необходимой для этого, - Q 1. После газ без теплообмена расширяется Достигнув температуры Т 2 , газ сжимается изотермически, передавая холодильнику энергию Q 2 . Возвращение газа в первоначальное состояние производится адиабатно.

КПД идеального теплового двигателя Карно при точном расчете равен отношению разности температур нагревательного и охлаждающего устройств к температуре, которую имеет нагреватель. Выглядит это так: η=(T 1 - Т 2)/ T 1.

Возможный КПД тепловой машины, формула которого имеет вид: η= 1 - Т 2 / T 1 , зависит только от значения температур нагревателя и охладителя и не может быть более 100%.

Более того, это соотношение позволяет доказать, что КПД тепловых машин может быть равен единице только при достижении холодильником температур. Как известно, это значение недостижимо.

Теоретические выкладки Карно позволяют определить максимальный КПД тепловой машины любой конструкции.

Доказанная Карно теорема звучит следующий образом. Произвольная тепловая машина ни при каких условиях не способна иметь коэффициент полезного действия больше аналогичного значения КПД идеальной тепловой машины.

Пример решения задач

Пример 1. Каков КПД идеальной тепловой машины, в случае если температура нагревателя составляет 800 о С, а температура холодильника на 500 о С ниже?

T 1 = 800 о С= 1073 К, ∆T= 500 о С=500 К, η - ?

По определению: η=(T 1 - Т 2)/ T 1.

Нам не дана температура холодильника, но ∆T= (T 1 - Т 2), отсюда:

η= ∆T / T 1 = 500 К/1073 К = 0,46.

Ответ: КПД = 46%.

Пример 2. Определите КПД идеальной тепловой машины, если за счет приобретенного одного килоджоуля энергии нагревателя совершается полезная работа 650 Дж. Какова температура нагревателя тепловой машины, если температура охладителя - 400 К?

Q 1 = 1 кДж=1000 Дж, А = 650 Дж, Т 2 = 400 К, η - ?, T 1 = ?

В данной задаче речь идет о тепловой установке, КПД которой можно вычислить по формуле:

Для определения температуры нагревателя воспользуемся формулой КПД идеальной тепловой машины:

η = (T 1 - Т 2)/ T 1 = 1 - Т 2 / T 1.

Выполнив математические преобразования, получим:

Т 1 = Т 2 /(1- η).

Т 1 = Т 2 /(1- A / Q 1).

Вычислим:

η= 650 Дж/ 1000 Дж = 0,65.

Т 1 = 400 К /(1- 650 Дж/ 1000 Дж) = 1142,8 К.

Ответ: η= 65%, Т 1 = 1142,8 К.

Реальные условия

Идеальный тепловой двигатель разработан с учетом идеальных процессов. Работа совершается только в изотермических процессах, ее величина определяется как площадь, ограниченная графиком цикла Карно.

В действительности создать условия для протекания процесса изменения состояния газа без сопровождающих его изменений температуры невозможно. Нет таких материалов, которые исключили бы теплообмен с окружающими предметами. Адиабатный процесс осуществить становится невозможно. В случае теплообмена температура газа обязательно должна меняться.

КПД тепловых машин, созданных в реальных условиях, значительно отличаются от КПД идеальных двигателей. Заметим, что протекание процессов в реальных двигателях происходит настолько быстро, что варьирование внутренней тепловой энергии рабочего вещества в процессе изменения его объема не может быть скомпенсировано притоком количества теплоты от нагревателя и отдачей холодильнику.

Иные тепловые двигатели

Реальные двигатели работают на иных циклах:

• цикл Отто: процесс при неизменном объеме меняется адиабатным, создавая замкнутый цикл;
• цикл Дизеля: изобара, адиабата, изохора, адиабата;
• процесс, происходящий при постоянном давлении, сменяется адиабатным, замыкает цикл.

Создать равновесные процессы в реальных двигателях (чтобы приблизить их к идеальным) в условиях современной технологии не представляется возможным. КПД тепловых машин значительно ниже, даже с учетом тех же температурных режимов, что и в идеальной тепловой установке.

Но не стоит уменьшать роль расчетной формулы КПД поскольку именно она становится точкой отсчета в процессе работы над повышением КПД реальных двигателей.

Пути изменения КПД

Проводя сравнение идеальных и реальных тепловых двигателей, стоит отметить, что температура холодильника последних не может быть любой. Обычно холодильником считают атмосферу. Принять температуру атмосферы можно только в приближенных расчетах. Опыт показывает, что температура охладителя равна температуре отработанных в двигателях газов, как это происходит в двигателях внутреннего сгорания (сокращенно ДВС).

ДВС - наиболее распространенная в нашем мире тепловая машина. КПД тепловой машины в этом случае зависит от температуры, созданной сгорающим топливом. Существенным отличием ДВС от паровых машин является слияние функций нагревателя и рабочего тела устройства в воздушно-топливной смеси. Сгорая, смесь создает давление на подвижные части двигателя.

Повышения температуры рабочих газов достигают, существенно меняя свойства топлива. К сожалению, неограниченно это делать невозможно. Любой материал, из которого изготовлена камера сгорания двигателя, имеет свою температуру плавления. Теплостойкость таких материалов - основная характеристика двигателя, а также возможность существенно повлиять на КПД.

Значения КПД двигателей

Если рассмотреть температура рабочего пара на входе которой равна 800 К, а отработавшего газа - 300 К, то КПД этой машины равно 62%. В действительности же эта величина не превышает 40%. Такое понижение возникает вследствие тепловых потерь при нагревании корпуса турбин.

Наибольшее значение внутреннего сгорания не превышает 44%. Повышение этого значения - вопрос недалекого будущего. Изменение свойств материалов, топлива - это проблема, над которой работают лучшие умы человечества.

Коэффициент полезного действия (КПД) - термин, которые можно применить, пожалуй, к каждой системе и устройству. Даже у человека есть КПД, правда, наверно, пока не существует объективной формулы для его нахождения. В этой статье расскажем подробно, что такое КПД и как его можно рассчитать для различных систем.

КПД-определение

КПД - это показатель, характеризующий эффективность той или иной системы в отношении отдачи или преобразования энергии. КПД - безмерная величина и представляется либо числовым значением в диапазоне от 0 до 1, либо в процентах.

Общая формула

КПД обозначается символом Ƞ.

Общая математическая формула нахождения КПД записывается следующим образом:

Ƞ=А/Q, где А - полезная энергия/работа, выполненная системой, а Q - энергия, потребляемая этой системой для организации процесса получения полезного выхода.

Коэффициент полезного действия, к сожалению, всегда меньше единицы или равен ей, поскольку, согласно закону сохранения энергии, мы не можем получить работы больше, чем потрачено энергии. Кроме того, КПД, на самом деле, крайне редко равняется единице, так как полезная работа всегда сопровождается наличием потерь, например, на нагрев механизма.

КПД теплового двигателя

Тепловой двигатель - это устройство, превращающее тепловую энергию в механическую. В тепловом двигателе работа определяется разностью количества теплоты, полученного от нагревателя, и количества теплоты, отданной охладителю, а потому КПД определяется по формуле:

• Ƞ=Qн-Qх/Qн, где Qн - количество теплоты, полученное от нагревателя, а Qх - количество теплоты, отданное охладителю.

Считается, что высочайший КПД обеспечивают двигатели, работающие по циклу Карно. В данном случае КПД определяется по формуле:

• Ƞ=T1-T2/T1, где Т1 - температура горячего источника, T2 - температура холодного источника.

КПД электрического двигателя

Электрический двигатель - это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, так что КПД в данном случае - это коэффициент эффективности устройства в отношении преобразования электрической энергии в механическую. Формула нахождения КПД электрического двигателя выглядит так:

• Ƞ=P2/P1, где P1 - подведенная электрическая мощность, P2 - полезная механическая мощность, выработанная двигателем.

Электрическая мощность находится как произведение тока и напряжения системы (P=UI), а механическая - как отношение работы к единице времени (P=A/t)

КПД трансформатора

Трансформатор - это устройство, которое преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, сохраняя частоту. Кроме того, трансформаторы также могут преобразовывать переменный ток в постоянный.

Коэффициент полезного действия трансформатора находится по формуле:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), где P0 - потери режима холостого хода, PL - нагрузочные потери, P2 - активная мощность, отдаваемая нагрузке, n - относительная степень нагружения.

КПД или не КПД?

Стоит заметить, что помимо КПД существует еще ряд показателей, которые характеризуют эффективность энергетических процессов, и иногда мы можем встретить описания типа - КПД порядка 130%, однако в данном случае нужно понимать, что термин применен не совсем корректно, и, вероятнее всего, автор или производитель понимает под данной аббревиатурой несколько иную характеристику.

К примеру, тепловые насосы отличаются тем, что они могут отдавать больше теплоты, чем расходуют. Так, холодильная машина может отвести от охлаждаемого объекта больше теплоты, чем затрачено в энергетическом эквиваленте на организацию отвода. Показатель эффективности холодильной машины называется холодильным коэффициентом, обозначается буквой Ɛ и определяется по формуле: Ɛ=Qx/A, где Qx - тепло, отводимое от холодного конца, A - работа, затраченная на процесс отвода. Однако иногда холодильный коэффициент называют и КПД холодильной машины.

Интересно также, что КПД котлов, работающих на органическом топливе, рассчитывается обычно по низшей теплоте сгорания, при этом он может получиться больше единицы. Тем не менее, его все равно традиционно называют КПД. Можно определять КПД котла по высшей теплоте сгорания, и тогда он всегда будет меньше единицы, однако в данном случае неудобно будет сравнивать показатели котлов с данными других установок.