Se sabe que una máquina de movimiento perpetuo es imposible. Esto se debe al hecho de que para cualquier mecanismo la afirmación es verdadera: el trabajo completo realizado con la ayuda de este mecanismo (incluido el calentamiento del mecanismo y ambiente, para vencer la fuerza de fricción) es siempre un trabajo más útil.

Por ejemplo, más de la mitad del trabajo de un motor de combustión interna se desperdicia en calentar los componentes del motor; parte del calor es arrastrado por los gases de escape.

A menudo es necesario evaluar la eficacia del mecanismo, la viabilidad de su uso. Por lo tanto, para calcular qué parte del trabajo realizado se desperdicia y qué parte es útil, una especial cantidad física, que muestra la eficiencia del mecanismo.

Este valor se denomina eficiencia del mecanismo.

Coeficiente acción útil mecanismo es igual a la relación entre el trabajo útil y el trabajo total. Obviamente, la eficiencia es siempre menor que la unidad. Este valor se expresa a menudo como un porcentaje. Por lo general, se denota con la letra griega η (léase "esto"). La eficiencia se abrevia como eficiencia.

η \u003d (A_completo / A_útil) * 100%,

donde η eficiencia, A_trabajo completo completo, A_trabajo útil útil.

Entre los motores, el motor eléctrico tiene la mayor eficiencia (hasta el 98%). eficiencia de los motores Combustión interna 20% - 40%, turbina de vapor alrededor del 30%.

Tenga en cuenta que para aumentar la eficiencia del mecanismo a menudo tratan de reducir la fuerza de fricción. Esto se puede hacer usando varios lubricantes o cojinetes de bolas en los que la fricción deslizante se reemplaza por la fricción rodante.

Ejemplos de cálculo de eficiencia

Considere un ejemplo. Un ciclista con una masa de 55 kg sube una colina con una masa de 5 kg, cuya altura es de 10 m, mientras realiza un trabajo de 8 kJ. Encuentre la eficiencia de la bicicleta. No se tiene en cuenta el rozamiento de rodadura de las ruedas sobre la calzada.

Solución. Encuentre la masa total de la bicicleta y el ciclista:

m = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Hallemos su peso total:

P = mg = 60 kg * 10 N/kg = 600 N

Encuentre el trabajo realizado al levantar la bicicleta y el ciclista:

Útil \u003d PS \u003d 600 N * 10 m \u003d 6 kJ

Encontremos la eficiencia de la bicicleta:

A_completo / A_útil * 100 % = 6 kJ / 8 kJ * 100 % = 75 %

Responder: La eficiencia de la bicicleta es del 75%.

Consideremos un ejemplo más. Un cuerpo de masa m está suspendido del extremo del brazo de palanca. Se aplica una fuerza hacia abajo F al otro brazo y su extremo desciende h. Encuentre cuánto se ha elevado el cuerpo si la eficiencia de la palanca es η%.

Solución. Encuentre el trabajo realizado por la fuerza F:

η % de este trabajo se realiza para levantar un cuerpo de masa m. Por lo tanto, se gastó Fhη / 100 en levantar el cuerpo. Dado que el peso del cuerpo es igual a mg, el cuerpo se elevó a una altura de Fhη / 100 / mg.

Se sabe que la energía eléctrica se transmite a largas distancias a voltajes que superan el nivel utilizado por los consumidores. El uso de transformadores es necesario para convertir los voltajes a los valores requeridos, aumentar la calidad del proceso de transmisión de energía y también reducir las pérdidas resultantes.

Descripción y principio de funcionamiento del transformador.

Un transformador es un aparato para reducir o aumentar el voltaje, cambiar el número de fases y, en casos raros, cambiar la frecuencia de una corriente alterna.

Existen los siguientes tipos de dispositivos:

• energía;
• medición;
• baja potencia;
• impulso;
• transformadores de pico

El aparato estático consta de los siguientes elementos estructurales principales: dos (o más) devanados y un circuito magnético, que también se denomina núcleo. En los transformadores, el voltaje se aplica al devanado primario y el secundario ya se elimina en la forma convertida. Los devanados se acoplan inductivamente, por medio de un campo magnético en el núcleo.

Junto con otros convertidores, los transformadores tienen un factor de eficiencia (abreviado - eficiencia), con un símbolo. Esta relación es la relación entre la energía efectivamente utilizada y la energía consumida del sistema. También se puede expresar como la relación entre la potencia consumida por la carga y el dispositivo consumido de la red. La eficiencia se refiere a uno de los parámetros primordiales que caracterizan la eficiencia del trabajo realizado por el transformador.

Tipos de pérdidas en un transformador

El proceso de transferencia de electricidad del devanado primario al secundario va acompañado de pérdidas. Por esta razón, no se transfiere toda la energía, pero sí la mayor parte.

El diseño del dispositivo no prevé piezas giratorias, a diferencia de otras máquinas eléctricas. Esto explica la ausencia de pérdidas mecánicas en el mismo.

Entonces, el dispositivo tiene las siguientes pérdidas:

• eléctricos, en bobinados de cobre;
• magnético, en núcleo de acero.

Diagrama de Energía y Ley de Conservación de la Energía

El principio de funcionamiento del dispositivo se puede mostrar esquemáticamente en forma de diagrama de energía, como se muestra en la imagen 1. El diagrama refleja el proceso de transferencia de energía, durante el cual se forman pérdidas eléctricas y magnéticas. .

Según el diagrama, la fórmula para determinar la potencia efectiva P 2 es la siguiente:

P 2 \u003d P 1 -ΔP el1 -ΔP el2 -ΔP m (1)

donde, P 2 es útil, y P 1 es la potencia consumida por el dispositivo de la red.

Denotando las pérdidas totales ΔP, la ley de conservación de la energía se verá así: P 1 = ΔP + P 2 (2)

Se puede ver a partir de esta fórmula que P 1 se gasta en P 2 y también en las pérdidas totales ΔP. Por lo tanto, la eficiencia del transformador se obtiene como una relación entre la potencia de salida (útil) y la potencia consumida (la relación de P 2 y P 1).

Determinación de la eficiencia

Con la precisión requerida para calcular el dispositivo, los valores de eficiencia derivados previamente se pueden tomar de la tabla No. 1:

Como se muestra en la tabla, el valor del parámetro depende directamente de la potencia total.

Determinación de la eficiencia por medición directa

fórmula para cálculos de eficiencia se puede presentar en varias versiones:

Esta expresión refleja claramente que el valor de la eficiencia del transformador no es más que uno, y tampoco es igual a él.

La siguiente expresión define el valor de la potencia neta:

P 2 \u003d U 2 * J 2 * cosφ 2, (4)

donde U 2 y J 2 son la tensión secundaria y la corriente de la carga, y cosφ 2 es el factor de potencia, cuyo valor depende del tipo de carga.

Dado que P 1 =ΔP+P 2 , la fórmula (3) toma la siguiente forma:

Las pérdidas eléctricas del devanado primario ΔP el1n dependen del cuadrado de la intensidad de la corriente que circula por él. Por lo que deberían definirse así:

(6)

A su momento:

(7)

donde r mp es la resistencia activa del devanado.

Dado que la operación del aparato electromagnético no se limita al modo nominal, la determinación del grado de carga actual requiere el uso de un factor de carga, que es igual a:

β=J 2 /J 2n, (8)

donde J 2n es la corriente nominal del devanado secundario.

A partir de aquí, escribimos expresiones para determinar la corriente del devanado secundario:

J 2 \u003d β * J 2n (9)

Si sustituimos esta igualdad en la fórmula (5), obtenemos la siguiente expresión:

Tenga en cuenta que GOST recomienda determinar el valor de eficiencia utilizando la última expresión.

Resumiendo la información presentada, notamos que es posible determinar la eficiencia de un transformador por los valores de la potencia de los devanados primario y secundario del aparato en modo nominal.

Determinación de la eficiencia por un método indirecto

Debido a los altos valores de eficiencia, que pueden ser iguales o superiores al 96 %, así como al método poco económico de mediciones directas, calcule el parámetro con un alto grado la precisión no es posible. Por ello, su determinación se suele realizar por un método indirecto.

Resumiendo todas las expresiones obtenidas, obtenemos la siguiente fórmula para el cálculo de la eficiencia:

η \u003d (P 2 / P 1) + ΔP m + ΔP el1 + ΔP el2, (11)

En resumen, cabe señalar que los altos indicador de eficiencia indica el funcionamiento eficiente del aparato electromagnético. Las pérdidas en los devanados y el acero del núcleo, según GOST, se determinan durante un experimento o un cortocircuito, y las medidas destinadas a reducirlas ayudarán a lograr los valores máximos posibles de la eficiencia, que es lo que necesita. luchar por.

En realidad, el trabajo realizado con la ayuda de cualquier dispositivo es siempre un trabajo más útil, ya que parte del trabajo se realiza contra las fuerzas de fricción que actúan dentro del mecanismo y al mover sus partes individuales. Entonces, usando un bloque móvil, realizan un trabajo adicional, levantando el propio bloque y la cuerda y superando las fuerzas de fricción en el bloque.

Introducimos la siguiente notación: denotamos trabajo útil por $A_p$ y trabajo completo por $A_(poln)$. Al hacerlo, tenemos:

Definición

Coeficiente de rendimiento (COP) se llama la relación entre el trabajo útil y el total. Denotamos la eficiencia con la letra $\eta $, entonces:

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

La mayoría de las veces, la eficiencia se expresa como un porcentaje, luego su definición es la fórmula:

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

Al crear mecanismos, intentan aumentar su eficiencia, pero no existen mecanismos con una eficiencia igual a uno (e incluso más de uno).

Y así, la eficiencia es una cantidad física que muestra la parte que el trabajo útil es de todo el trabajo realizado. Con la ayuda de la eficiencia, se evalúa la eficiencia de un dispositivo (mecanismo, sistema) que convierte o transmite energía que realiza un trabajo.

Para aumentar la eficiencia de los mecanismos, puede intentar reducir la fricción en sus ejes, su masa. Si se puede despreciar la fricción, la masa del mecanismo es significativamente menor que la masa, por ejemplo, de la carga que levanta el mecanismo, entonces la eficiencia es ligeramente menor que la unidad. Entonces el trabajo realizado es aproximadamente igual al trabajo útil:

La regla de oro de la mecánica.

Debe recordarse que no se puede lograr una ganancia en el trabajo utilizando un mecanismo simple.

Expresamos cada uno de los trabajos en la fórmula (3) como el producto de la fuerza correspondiente por el camino recorrido bajo la influencia de esta fuerza, luego transformamos la fórmula (3) en la forma:

La expresión (4) muestra que usando un mecanismo simple, ganamos en fuerza tanto como perdemos en el camino. Esta ley se llama la "regla de oro" de la mecánica. Esta regla fue formulada en la antigua Grecia por Garza de Alejandría.

Esta regla no tiene en cuenta el trabajo para vencer las fuerzas de fricción, por lo que es aproximada.

Eficiencia en la transmisión de energía

El factor de eficiencia se puede definir como la relación entre el trabajo útil y la energía gastada en su ejecución ($Q$):

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

Para calcular la eficiencia de un motor térmico se utiliza la siguiente fórmula:

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

donde $Q_n$ es la cantidad de calor recibido del calentador; $Q_(ch)$ - la cantidad de calor transferido al refrigerador.

La eficiencia de una máquina térmica ideal que opera según el ciclo de Carnot es:

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

donde $T_n$ - temperatura del calentador; $T_(ch)$ - temperatura del refrigerador.

Ejemplos de tareas para la eficiencia

Ejemplo 1

Ejercicio. El motor de la grúa tiene una potencia de $N$. Durante un intervalo de tiempo igual a $\Delta t$, levantó una carga de masa $m$ a una altura $h$. ¿Cuál es la eficiencia de la grúa?\textit()

Solución. El trabajo útil en el problema considerado es igual al trabajo de levantar el cuerpo a una altura $h$ de una carga de masa $m$, este es el trabajo de vencer la fuerza de gravedad. es igual a:

El trabajo total que se realiza al levantar una carga se puede encontrar usando la definición de potencia:

Usemos la definición del factor de eficiencia para encontrarlo:

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

Transformamos la fórmula (1.3) usando las expresiones (1.1) y (1.2):

\[\eta =\frac(mgh)(N\Delta t)\cdot 100\%.\]

Responder.$\eta =\frac(mgh)(N\Delta t)\cdot 100\%$

Ejemplo 2

Ejercicio. Gas ideal ejecuta un ciclo de Carnot, mientras que la eficiencia del ciclo es igual a $\eta $. ¿Cuál es el trabajo en un ciclo de compresión de gas a temperatura constante? El trabajo realizado por el gas durante la expansión es $A_0$

Solución. La eficiencia del ciclo se define como:

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

Considere el ciclo de Carnot, determine en qué procesos se suministra calor (será $Q$).

Dado que el ciclo de Carnot consta de dos isotermas y dos adiabáticas, inmediatamente podemos decir que no hay transferencia de calor en los procesos adiabáticos (procesos 2-3 y 4-1). En el proceso isotérmico se suministra calor 1-2 (Fig.1 $Q_1$), en el proceso isotérmico se extrae calor 3-4 ($Q_2$). Resulta que en la expresión (2.1) $Q=Q_1$. Sabemos que la cantidad de calor (primera ley de la termodinámica) suministrada al sistema durante un proceso isotérmico se destina por completo a realizar trabajo por parte del gas, lo que significa:

El gas realiza un trabajo útil, que es igual a:

La cantidad de calor que se elimina en el proceso isotérmico 3-4 es igual al trabajo de compresión (el trabajo es negativo) (dado que T=const, entonces $Q_2=-A_(34)$). Como resultado, tenemos:

Transformamos la fórmula (2.1) teniendo en cuenta los resultados (2.2) - (2.4):

\[\eta =\frac(A_(12)+A_(34))(A_(12))\a A_(12)\eta =A_(12)+A_(34)\a A_(34)=( \eta -1)A_(12)\izquierda(2.4\derecha).\]

Ya que por condición $A_(12)=A_0,\ $finalmente obtenemos:

Responder.$A_(34)=\izquierda(\eta -1\derecha)A_0$

En la vida, una persona se enfrenta al problema y la necesidad de transformar diferentes tipos energía. Los dispositivos que están diseñados para convertir energía se llaman máquinas (mecanismos) de energía. Por ejemplo, las máquinas de potencia incluyen: un generador eléctrico, un motor de combustión interna, un motor eléctrico, una máquina de vapor, etc.

En teoría, cualquier tipo de energía puede transformarse completamente en otro tipo de energía. Pero en la práctica, además de las transformaciones de energía en las máquinas, ocurren transformaciones de energía, que se denominan pérdidas. La perfección de las máquinas de potencia determina el coeficiente de rendimiento (COP).

DEFINICIÓN

La eficiencia del mecanismo (máquina) llamado la relación de energía útil () a la energía total (W), que se suministra al mecanismo. Por lo general, la eficiencia se denota con la letra (esto). En forma matemática, la definición de eficiencia se escribe de la siguiente manera:

La eficiencia se puede definir en términos de trabajo, como la relación de (trabajo útil) a A (trabajo completo):

También se puede encontrar como una relación de potencia:

dónde se suministra la energía al mecanismo; - la potencia que el consumidor recibe del mecanismo. La expresión (3) se puede escribir de otra manera:

donde es la parte de la potencia que se pierde en el mecanismo.

De las definiciones de eficiencia, es obvio que no puede ser más del 100% (o no puede ser más de uno). El intervalo en el que se ubica la eficiencia: .

El factor de eficiencia se usa no solo para evaluar el nivel de perfección de la máquina, sino también para determinar la efectividad de cualquier mecanismo complejo y todo tipo de aparatos consumidores de energía.

Intentan hacer cualquier mecanismo para que las pérdidas de energía inútiles sean mínimas (). Para ello, intentan reducir las fuerzas de fricción (varios tipos de resistencia).

Eficiencia de las conexiones de los mecanismos.

Al considerar un mecanismo estructuralmente complejo (dispositivo), se calcula la eficiencia de toda la estructura y la eficiencia de todos sus nodos y mecanismos que consumen y convierten energía.

Si tenemos n mecanismos que están conectados en serie, entonces la eficiencia del sistema resultante se encuentra como el producto de la eficiencia de cada parte:

Cuando los mecanismos están conectados en paralelo (Fig. 1) (un motor impulsa varios mecanismos), el trabajo útil es la suma del trabajo útil a la salida de cada parte individual del sistema. Si el trabajo gastado por el motor se denota como , entonces la eficiencia en este caso se encuentra como:

Unidades de eficiencia

En la mayoría de los casos, la eficiencia se expresa como un porcentaje.

Ejemplos de resolución de problemas

EJEMPLO 1

Ejercicio	¿Cuál es la potencia del mecanismo que levanta un martillo de masa m a una altura h n veces por segundo si la eficiencia de la máquina es ?
Solución	La potencia (N) se puede encontrar a partir de su definición como: Dado que la frecuencia () se especifica en la condición (el martillo sube n veces por segundo), encontramos el tiempo como: El trabajo se encontrará como: En este caso (teniendo en cuenta (1.2) y (1.3)) la expresión (1.1) se transforma en: Como la eficiencia del sistema es , escribimos: donde es la potencia deseada, entonces:
Responder

EJEMPLO 2

Ejercicio

¿Cuál será la eficiencia de un plano inclinado si su longitud, altura h? El coeficiente de fricción cuando un cuerpo se mueve sobre un plano dado es igual a .

Solución

Hagamos un dibujo. Como base para resolver el problema, tomamos la fórmula para calcular la eficiencia en la forma: El trabajo útil será el trabajo de levantar la carga a una altura h: El trabajo realizado durante la entrega de la carga al moverla a lo largo de un plano dado se puede encontrar como: donde es la fuerza de tracción, que encontramos a partir de la segunda ley de Newton, considerando las fuerzas que se aplican al cuerpo (Fig. 1):

Resumen sobre el tema:

Eficiencia

Plan:

Introducción

• 1 Eficiencia del motor térmico
• 2 Eficiencia superior al 100%
  • 2.1 Eficiencia de la caldera
  • 2.2 Bombas de calor y enfriadores
notas
Literatura

Introducción

Eficiencia (eficiencia) - una característica de la eficiencia de un sistema (dispositivo, máquina) en relación con la conversión o transferencia de energía. Está determinada por la relación entre la energía útil utilizada y la cantidad total de energía recibida por el sistema; generalmente denotado por η: η = W campo / W cym. La eficiencia es una cantidad adimensional y, a menudo, se mide como un porcentaje. Matemáticamente, la definición de eficiencia se puede escribir como

,

dónde PERO- energía útil (trabajo), y q- energía gastada (trabajo).

En virtud de la ley de conservación de la energía, la eficiencia siempre es menor que la unidad (en el límite es igual a ella), es decir, es imposible obtener más trabajo útil que la energía gastada (sin embargo, ver más abajo).

1. Eficiencia de un motor térmico

Eficiencia del motor térmico- la relación entre el trabajo útil realizado por el motor y la energía gastada recibida del calentador. La eficiencia de un motor térmico se puede calcular utilizando la siguiente fórmula

,

dónde q 1 - la cantidad de calor recibido del calentador (combustible, fuente caliente), q 2 - la cantidad de calor entregada a la fuente fría (el ambiente externo, en una turbina de gas abierta - el aire tomado del ambiente externo). Los motores térmicos que funcionan según el ciclo de Carnot tienen la mayor eficiencia.

2. Eficiencia superior al 100%

Como se mencionó anteriormente, los conceptos modernos de conservación de energía no permiten la existencia de dispositivos con una eficiencia superior al 100%. Tal dispositivo podría ser una máquina de movimiento perpetuo del primer tipo. De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, es imposible, pero hasta el día de hoy hay informes (incluidos anuncios) sobre tales dispositivos en la prensa (por ejemplo, el generador de calor de Potapov, supuestamente, genera más calor que electricidad). De confirmarse estos hechos, se produciría una revolución en la física, que por alguna razón no se observa.

Sin embargo, algunos dispositivos pueden generar más energía útil de la que se calcula que usarán.

2.1. eficiencia de la caldera

La eficiencia de las calderas de combustibles fósiles se calcula tradicionalmente a partir del poder calorífico neto; se supone que la humedad de los productos de la combustión sale de la caldera en forma de vapor sobrecalentado. En las calderas de condensación, esta humedad se condensa, el calor de condensación se aprovecha útilmente. Al calcular la eficiencia según el poder calorífico inferior, eventualmente puede resultar más de uno. En este caso, sería más correcto calcularlo según el poder calorífico bruto, que tiene en cuenta el calor de condensación del vapor; sin embargo, el rendimiento de una caldera de este tipo es difícil de comparar con los datos de otras instalaciones.

2.2. Bombas de calor y enfriadores

La ventaja de las bombas de calor como técnica de calefacción es la capacidad de recibir a veces más calor que la energía gastada en su trabajo; De manera similar, una máquina de refrigeración puede eliminar más calor del extremo enfriado del que se gasta en organizar el proceso.

La eficiencia de estos motores térmicos se caracteriza por coeficiente de rendimiento(para enfriadores) o relación de transformación(para bombas de calor)

,

dónde q- calor tomado del extremo frío (en máquinas de refrigeración) o transferido al extremo caliente (en bombas de calor); A- el trabajo (o electricidad) gastado en este proceso. Los mejores indicadores de rendimiento para tales máquinas tienen el ciclo de Carnot inverso: en él el coeficiente de rendimiento

,

dónde T 1 , T 2 - temperaturas de extremos fríos y calientes, K . Este valor, obviamente, puede ser arbitrariamente grande; aunque en la práctica es difícil acercarse a él, el coeficiente de rendimiento aún puede superar la unidad. Esto no contradice la primera ley de la termodinámica, ya que, además de la energía tenida en cuenta (por ejemplo, eléctrica), la energía extraída del hot end se convierte en calor útil. Sin embargo, llamar a este indicador "eficiencia", que a veces se hace en publicaciones publicitarias, es incorrecto.

notas

1. Generador de calor de vórtice de Potapov - www.patlah.ru/etm/etm-24/a_energia/generator_potapova/generator_potapova.htm. Enciclopedia de Tecnologías y Métodos.
2. Coeficiente de refrigeración - dic.academic.ru/dic.nsf/bse/147721/Refrigerating- artículo de la Gran Enciclopedia Soviética

Literatura

• Perishkin A.V. Física. Séptimo grado. - Avutarda, 2005. - 192 p. - 50.000 copias. - ISBN 5-7107-9459-7.

Este resumen se basa en un artículo de la Wikipedia en ruso. Sincronización completada el 11/07/11 00:01:38
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