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

Как известно, на данный момент еще не созданы такие механизмы, которые бы до конца превращали один вид энергии в другой. В процессе работы любой рукотворный прибор расходует часть энергии на сопротивление сил либо же впустую ее рассеивает в окружающую среду. То же самое происходит и в замкнутой электроцепи. Когда заряды протекают по проводникам, осуществляется сопротивление полной и полезной нагрузки работы электричества. Чтобы сопоставить их соотношения, потребуется произвести коэффициент полезного действия (КПД).

Для чего нужен расчет КПД

Коэффициент полезного действия электрической цепи – это отношение полезного тепла к полному.

Для ясности приведем пример. При нахождении КПД двигателя можно определить, оправдывает ли его основная функция работы затраты потребляемого электричества. То есть его расчет даст ясную картину, насколько хорошо устройство преобразовывает получаемую энергию.

Обратите внимание! Как правило, коэффициент полезного действия не имеет величины, а представляет собой процентное соотношение либо числовой эквивалент от 0 до 1.

КПД находят по общей формуле вычисления, для всех устройств в целом. Но чтобы получить его результат в электрической цепи, вначале потребуется найти силу электричества.

Нахождения тока в полной цепи

По физике известно, что любой генератор тока имеет свое сопротивление, которое еще принято называть внутренняя мощность. Помимо этого значения, источник электричества также имеет свою силу.

Дадим значения каждому элементу цепи:

• сопротивление – r;
• сила тока – Е;

Итак, чтобы найти силу тока, обозначение которого будет – I, и напряжение на резисторе – U, потребуется время – t, с прохождением заряда q = lt.

В связи с тем, что сила электричества постоянна, работа генератора целиком преобразуется в тепло, выделяемое на R и r. Такое количество можно рассчитать по закону Джоуля-Ленца:

Q = I2 + I2 rt = I2 (R + r) t.

Затем приравниваются правые части формулы:

EIt = I2 (R + r) t.

Осуществив сокращение, получается расчет:

Произведя у формулы перестановку, в итоге получается:

Данное итоговое значение будет являться электрической силой в данном устройстве.

Произведя таким образом предварительный расчет, теперь можно определить КПД.

Расчет КПД электрической цепи

Мощность, получаемая от источника тока, называется потребляемой, определение ее записывается – P1. Если эта физическая величина переходит от генератора в полную цепь, она считается полезной и записывается – Р2.

Чтобы определить КПД цепи, необходимо вспомнить закон сохранения энергии. В соответствии с ним, мощность приемника Р2 будет всегда меньше потребляемой мощности Р1. Это объясняется тем, что в процессе работы в приемнике всегда происходит неизбежная пустая трата преобразуемой энергии, которая расходуется на нагревание проводов, их оболочки, вихревых токов и т.д.

Чтобы найти оценку свойств превращения энергии, необходим КПД, который будет равен отношению мощностей Р2 и Р1.

Итак, зная все значения показателей, составляющих электроцепи, находим ее полезную и полную работу:

• А полезная. = qU = IUt =I2Rt;
• А полная = qE = IEt = I2(R+r)t.

В соответствии этих значений, найдем мощности источника тока:

• Р2 = А полезная /t = IU = I2 R;
• P1 = А полная /t = IE = I2 (R + r).

Произведя все действия, получаем формулу КПД:

n = А полезная / А полная = Р2 / P1 =U / E = R / (R +r).

У этой формулы получается, что R выше бесконечности, а n выше 1, но при всем этом ток в цепи остается в низком положении, и его полезная мощность мала.

Каждый желает найти КПД повышенного значения. Для этого необходимо найти условия, при которых P2 будет максимален. Оптимальные значения будут:

• P2 = I2 R = (E / R + r)2 R;
• dP2 / dR = (E2 (R + r)2 — 2 (r + R) E2 R) / (R + r)4 = 0;
• E2 ((R + r) -2R) = 0.

В данном выражении Е и (R + r) не равны 0, следовательно, ему равно выражение в скобках, то есть (r = R). Тогда получается, что мощность имеет максимальное значение, а коэффициент полезного действия = 50 %.

В реальной действительности работа, совершаемая при помощи какого - либо устройства, всегда больше полезной работы, так как часть работы выполняется против сил трения, которые действуют внутри механизма и при перемещении его отдельных частей. Так, применяя подвижный блок, совершают дополнительную работу, поднимая сам блок и веревку и, преодолевая силы трения в блоке.

Введем следующие обозначения: полезную работу обозначим $A_p$, полную работу - $A_{poln}$. При этом имеем:

Определение

Коэффициентом полезного действия (КПД) называют отношение полезной работы к полной. Обозначим КПД буквой $\eta $, тогда:

\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\ \left(2\right).\]

Чаще всего коэффициент полезного действия выражают в процентах, тогда его определением является формула:

\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\cdot 100\%\ \left(2\right).\]

При создании механизмов пытаются увеличить их КПД, но механизмов с коэффициентом полезного действия равным единице (а тем более больше единицы) не существует.

И так, коэффициент полезного действия - это физическая величина, которая показывает долю, которую полезная работа составляет от всей произведенной работы. При помощи КПД оценивают эффективность устройства (механизма, системы), преобразующей или передающей энергию, совершающего работу.

Для увеличения КПД механизмов можно пытаться уменьшать трение в их осях, их массу. Если трением можно пренебречь, масса механизма существенно меньше, чем масса, например, груза, который поднимает механизм, то КПД получается немного меньше единицы. Тогда произведенная работа примерно равна полезной работе:

Золотое правило механики

Необходимо помнить, что выигрыша в работе, используя простой механизм добиться нельзя.

Выразим каждую из работ в формуле (3) как произведение соответствующей силы на путь, пройденный под воздействием этой силы, тогда формулу (3) преобразуем к виду:

Выражение (4) показывает, что используя простой механизм, мы выигрываем в силе столько же, сколько проигрываем в пути. Данный закон называют «золотым правилом» механики. Это правило сформулировал в древней Греции Герон Александрийский.

Это правило не учитывает работу по преодолению сил трения, поэтому является приближенным.

КПД при передаче энергии

Коэффициент полезного действия можно определить как отношение полезной работы к затраченной на ее выполнение энергии ($Q$):

\[\eta =\frac{A_p}{Q}\cdot 100\%\ \left(5\right).\]

Для вычисления коэффициента полезного действия теплового двигателя применяют следующую формулу:

\[\eta =\frac{Q_n-Q_{ch}}{Q_n}\left(6\right),\]

где $Q_n$ - количество теплоты, полученное от нагревателя; $Q_{ch}$ - количество теплоты переданное холодильнику.

КПД идеальной тепловой машины, которая работает по циклу Карно равно:

\[\eta =\frac{T_n-T_{ch}}{T_n}\left(7\right),\]

где $T_n$ - температура нагревателя; $T_{ch}$ - температура холодильника.

Примеры задач на коэффициент полезного действия

Пример 1

Задание. Двигатель подъемного крана имеет мощность $N$. За отрезок времени равный $\Delta t$ он поднял груз массой $m$ на высоту $h$. Каким является КПД крана?\textit{}

Решение. Полезная работа в рассматриваемой задаче равна работе по подъему тела на высоту $h$ груза массы $m$, это работа по преодолению силы тяжести. Она равна:

Полную работу, которая выполняется при поднятии груза, найдем, используя определение мощности:

Воспользуемся определением коэффициента полезного действия для его нахождения:

\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\cdot 100\%\left(1.3\right).\]

Формулу (1.3) преобразуем, используя выражения (1.1) и (1.2):

\[\eta =\frac{mgh}{N\Delta t}\cdot 100\%.\]

Ответ. $\eta =\frac{mgh}{N\Delta t}\cdot 100\%$

Пример 2

Задание. Идеальный газ выполняет цикл Карно, при этом КПД цикла равно $\eta $. Какова работа в цикле сжатия газа при постоянной температуре? Работа газа при расширении равна $A_0$

Решение. Коэффициент полезного действия цикла определим как:

\[\eta =\frac{A_p}{Q}\left(2.1\right).\]

Рассмотрим цикл Карно, определим, в каких процессах тепло подводят (это будет $Q$).

Так как цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат, можно сразу сказать, что в адиабатных процессах (процессы 2-3 и 4-1) теплообмена нет. В изотермическом процессе 1-2 тепло подводят (рис.1 $Q_1$), в изотермическом процессе 3-4 тепло отводят ($Q_2$). Получается, что в выражении (2.1) $Q=Q_1$. Мы знаем, что количество теплоты (первое начало термодинамики), подводимое системе при изотермическом процессе идет полностью на выполнение газом работы, значит:

Газ совершает полезную работу, которую равна:

Количество теплоты, которое отводят в изотермическом процессе 3-4 равно работе сжатия (работа отрицательна) (так как T=const, то $Q_2=-A_{34}$). В результате имеем:

Преобразуем формулу (2.1) учитывая результаты (2.2) - (2.4):

\[\eta =\frac{A_{12}+A_{34}}{A_{12}}\to A_{12}\eta =A_{12}+A_{34}\to A_{34}=(\eta -1)A_{12}\left(2.4\right).\]

Так как по условию $A_{12}=A_0,\ $окончательно получаем:

Ответ. $A_{34}=\left(\eta -1\right)A_0$

Главное значение полученной Карно формулы (5.12.2) для КПД идеальной машины состоит в том, что она определяет максимально возможный КПД любой тепловой машины.

Карно доказал, основываясь на втором законе термодинамики*, следующую теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры Т 1 и холодильником температуры Т 2 , не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

* Карно фактически установил второй закон термодинамики до Клаузиуса и Кельвина, когда еще первый закон термодинамики не был сформулирован строго.

Рассмотрим вначале тепловую машину, работающую по обратимому циклу с реальным газом. Цикл может быть любым, важно лишь, чтобы температуры нагревателя и холодильника были Т 1 и Т 2 .

Допустим, что КПД другой тепловой машины (не работающей по циклу Карно) η’ > η. Машины работают с общим нагревателем и общим холодильником. Пусть машина Карно работает по обратному циклу (как холодильная машина), а другая машина - по прямому циклу (рис. 5.18). Тепловая машина совершает работу, равную согласно формулам (5.12.3) и (5.12.5):

Холодильную машину всегда можно сконструировать так, чтобы она брала от холодильника количество теплоты Q 2 = ||

Тогда согласно формуле (5.12.7) над ней будет совершаться работа

(5.12.12)

Так как по условию η" > η, то А" > А. Поэтому тепловая машина может привести в действие холодильную машину, да еще останется избыток работы. Эта избыточная работа совершается за счет теплоты, взятой от одного источника. Ведь холодильнику при действии сразу двух машин теплота не передается. Но это противоречит второму закону термодинамики.

Если допустить, что η > η", то можно другую машину заставить работать по обратному циклу, а машину Карно - по прямому. Мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Следовательно, две машины, работающие по обратимым циклам, имеют одинаковые КПД: η" = η.

Иное дело, если вторая машина работает по необратимому циклу. Если допустить η" > η, то мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Однако допущение т|" < г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, или

Это и есть основной результат:

(5.12.13)

Кпд реальных тепловых машин

Формула (5.12.13) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 = 800 К и Т 2 = 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно:

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД - около 44% - имеют двигатели внутреннего сгорания.

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать максимально возможного значения
, где Т 1 - абсолютная температура нагревателя, а Т 2 - абсолютная температура холодильника.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному - важнейшая техническая задача.

КПД, по своему определению, это отношение полученной энергии к затраченной. Если двигатель сжигает бензин и только треть образовавшегося тепла превращается в энергию движения автомобиля, то КПД равен одной трети или (округляя до целых) 33%. Если лампочка дает световой энергии в пятьдесят раз меньше потребляемой электрической, ее КПД равен 1/50 или 2%. Однако тут сразу возникает вопрос: а если лампочка продается как инфракрасный обогреватель? После того как продажа ламп накаливания была запрещена, точно такие же по конструкции устройства стали продаваться как "инфракрасные обогреватели", поскольку именно в тепло преобразуется свыше 95% электроэнергии.

(Бес)полезное тепло

Обычно тепло, выделяющееся при работе чего-либо, записывают в потери. Но это далеко не бесспорно. Электростанция, например, превращает в электроэнергию примерно треть выделяющегося при сгорании газа или угля тепла, однако еще часть энергии может при этом пойти на нагрев воды. Если горячее водоснабжение и теплые батареи тоже записать в полезные результаты работы ТЭЦ, то КПД вырастет на 10-15%.

Схожим примером может служить автомобильная "печка": она передает в салон часть тепла, образующегося при работе двигателя. Это тепло может быть полезным и необходимым, а может рассматриваться как потери: по этой причине оно обычно не фигурирует в расчетах КПД автомобильного мотора.

Особняком стоят такие устройства, как тепловые насосы. Их КПД, если считать его по соотношению выданного тепла и затраченного электричества, больше 100%, однако это не опровергает основы термодинамики. Тепловой насос перекачивает тепло от менее нагретого тела к более нагретому и затрачивает на это энергию, так как без затрат энергии подобное перераспределение теплоты запрещено той же термодинамикой. Если тепловой насос берет из розетки киловатт, а выдает пять киловатт тепла, то четыре киловатта будут взяты из воздуха, воды или грунта вне дома. Окружающая среда в том месте, откуда устройство черпает тепло, остынет, а дом прогреется. Но потом эта теплота вместе с потраченной насосом энергией все равно рассеется в пространстве.

Внешний контур теплового насоса: через эти пластиковые трубы прокачивается жидкость, забирающая тепло из толщи воды в отапливаемое здание. Mark Johnson / Wikimedia

Много или эффективно?

Некоторые устройства имеют очень высокий КПД, но при этом - неподходящую мощность.

Электрические моторы тем эффективнее, чем они больше, однако поставить электровозный двигатель в детскую игрушку физически невозможно и экономически бессмысленно. Поэтому КПД двигателей в локомотиве превышает 95%, а в маленькой машинке на радиоуправлении - от силы 80%. Причем в случае с электрическим двигателем его эффективность зависит так же от нагрузки: недогруженный или перегруженный мотор работает с меньшим КПД. Правильный подбор оборудования может значить даже больше, чем просто выбор устройства с максимальным заявленным КПД.

Самый мощный серийный локомотив, шведский IORE. Второе место удерживает советский электровоз ВЛ-85. Kabelleger / Wikimedia

Если электрические моторы выпускаются для самых разных целей, от вибраторов в телефонах до электровозов, то вот ионный двигатель имеет гораздо меньшую нишу. Ионные двигатели эффективны, экономичны, долговечны (работают без выключения годами), но включаются только в вакууме и дают очень малую тягу. Они идеально подходят для отправки в дальний космос научных аппаратов, которые могут лететь к цели несколько лет и для которых экономия топлива важнее затрат времени.

Электрические моторы, кстати, потребляют почти половину всей вырабатываемой человечеством электроэнергии, так что даже разница в одну сотую процента в мировом масштабе может означать необходимость построить еще один ядерный реактор или еще один энергоблок ТЭЦ.

Эффективно или дешево?

Энергетическая эффективность далеко не всегда тождественна экономической. Наглядный пример - светодиодные лампы, которые до недавнего времени проигрывали лампам накаливания и флуоресцентным "энергосберегайкам". Сложность изготовления белых светодиодов, дороговизна сырья и, с другой стороны, простота лампы накаливания заставляли выбирать менее эффективные, но зато дешевые источники света.

Кстати, за изобретение синего светодиода, без которого бы нельзя было сделать яркую белую лампу, японские исследователи получили в 2014 году Нобелевскую премию. Это не первая премия, вручаемая за вклад в развитие освещения: в 1912 году наградили Нильса Далена, изобретателя, который усовершенствовал ацетиленовые горелки для маяков.

Синие светодиоды нужны для получения белого света в сочетании с красными и зелеными. Эти два цвета научились получать в достаточно ярких светодиодах намного раньше; синие долгое время оставались слишком тусклыми и дорогими для массового применения

Другой пример эффективных, но очень дорогих устройств - солнечные батареи на основе арсенида галлия (полупроводник с формулой GaAs). Их КПД достигает почти 30%, что в полтора-два раза выше используемых на Земле батарей на основе куда более распространенного кремния. Высокая эффективность оправдывает себя только в космосе, куда доставка одного килограмма груза может стоить почти как килограмм золота. Тогда экономия на массе батареи будет оправдана.

КПД линий электропередач можно поднять за счет замены меди на лучше проводящее ток серебро, однако серебряные кабели слишком дороги и потому используются разве что в единичных случаях. А вот к идее построить сверхпроводящие ЛЭП из дорогой и требующей охлаждения жидким азотом редкоземельной керамики в последние годы несколько раз обращались на практике. В частности, такой кабель уже проложен и подключен в германском городе Эссене. Он рассчитан на 40 мегаватт электрической мощности при напряжении в десять киловольт. Кроме того что потери на нагрев сведены к нулю (однако взамен нужно питать криогенные установки), такой кабель намного компактнее обычного и за счет этого можно сэкономить на покупке дорогой земли в центре города или отказаться от прокладки дополнительных туннелей.

Не по общим правилам

Из школьного курса многие помнят, что КПД не может превышать 100% и что он тем выше, чем больше разница температур между холодильником и нагревателем. Однако это верно лишь для так называемых тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, реактивные и ракетные двигатели, газовые и паровые турбины.

Электродвигатели и все электрические устройства этому правилу не подчиняются, поскольку они не тепловые машины. Для них верно только то, что КПД не может превышать ста процентов, а частные ограничения в каждом случае определяются по-разному.

В случае с солнечной батареей потери определяются как квантовыми эффектами при поглощении фотонов, так и потерями на отражение света от поверхности батареи и на поглощение в фокусирующих зеркалах. Проведенные расчеты показали, что выйти за 90% солнечная батарея не может в принципе, а на практике достижимы значения около 60-70%, да и те при весьма сложной структуре фотоячеек.

Великолепным КПД обладают топливные элементы. В эти устройства поступают некие вещества, которые вступают в химическую реакцию друг с другом и дают электрический ток. Этот процесс опять-таки не является циклом тепловой машины, поэтому КПД получается достаточно высоким, порядка 60%, в то время как дизель или бензиновый двигатель не выходят обычно за 50%.

Именно топливные элементы стояли на летавших к Луне космических кораблях "Аполло", и они могут работать, например, на водороде и кислороде. Их недостаток заключается только в том, что водород должен быть достаточно чистым и к тому же его надо где-то хранить и как-то передавать от завода к потребителям. Технологии, позволяющие заменить водородом обычный метан, пока что не доведены до массового использования. На водороде и топливных элементах работают лишь экспериментальные автомобили и некоторое количество подводных лодок.

Плазменные двигатели серии СПД. Их делает ОКБ «Факел», и они используются для удержания спутников на заданной орбите. Тяга создается за счет потока ионов, которые возникают после ионизации инертного газа электрическим разрядом. КПД этих двигателей достигает 60 процентов

Ионные и плазменные двигатели уже существуют, но тоже работают лишь в вакууме. Кроме того, их тяга слишком мала и на порядки ниже веса самого устройства - с Земли они не взлетели бы даже при отсутствии атмосферы. Зато во время межпланетных полетов длительностью в многие месяцы и даже годы слабая тяга компенсируется экономичностью и надежностью.