On sait qu'une machine à mouvement perpétuel est impossible. Cela est dû au fait que pour tout mécanisme, l'affirmation est vraie : le travail complet effectué à l'aide de ce mécanisme (y compris le chauffage du mécanisme et environnement, pour vaincre la force de frottement) est toujours un travail plus utile.

Par exemple, plus de la moitié du travail d'un moteur à combustion interne est gaspillé à chauffer les composants du moteur ; une partie de la chaleur est emportée par les gaz d'échappement.

Il faut souvent évaluer l'efficacité du mécanisme, la faisabilité de son utilisation. Par conséquent, afin de calculer quelle partie du travail effectué est gaspillée et quelle partie est utile, un quantité physique, ce qui montre l'efficacité du mécanisme.

Cette valeur s'appelle l'efficacité du mécanisme

Coefficient action utile mécanisme est égal au rapport du travail utile au travail total. Évidemment, le rendement est toujours inférieur à l'unité. Cette valeur est souvent exprimée en pourcentage. Habituellement, il est désigné par la lettre grecque η (lire "ceci"). L'efficacité est abrégée en efficacité.

η \u003d (A_full / A_useful) * 100%,

où η efficacité, A_travail complet complet, A_travail utile utile.

Parmi les moteurs, le moteur électrique a le rendement le plus élevé (jusqu'à 98%). Efficacité des moteurs combustion interne 20% - 40%, turbine à vapeur environ 30%.

Notez que pour accroître l'efficacité du mécanisme essaient souvent de réduire la force de friction. Cela peut être fait en utilisant divers lubrifiants ou roulements à billes dans lesquels le frottement de glissement est remplacé par un frottement de roulement.

Exemples de calcul d'efficacité

Prenons un exemple. Un cycliste d'une masse de 55 kg gravit une côte d'une masse de 5 kg dont la hauteur est de 10 m, tout en effectuant 8 kJ de travail. Trouver l'efficacité du vélo. Le frottement de roulement des roues sur la route n'est pas pris en compte.

La solution. Trouver la masse totale du vélo et du cycliste :

m = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Trouvons leur poids total:

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

Retrouvez le travail effectué sur le levage du vélo et du cycliste :

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

Trouvons l'efficacité du vélo:

A_plein / A_utile * 100 % = 6 kJ / 8 kJ * 100 % = 75 %

Réponse: L'efficacité du vélo est de 75 %.

Prenons un autre exemple. Un corps de masse m est suspendu à l'extrémité du bras de levier. Une force vers le bas F est appliquée à l'autre bras, et son extrémité est abaissée de h. Trouvez de combien le corps s'est élevé si l'efficacité du levier est η%.

La solution. Trouver le travail effectué par la force F :

η % de ce travail est effectué pour soulever un corps de masse m. Par conséquent, Fhη / 100 a été dépensé pour soulever le corps.Puisque le poids du corps est de mg, le corps a atteint une hauteur de Fhη / 100 / mg.

Il est connu que l'énergie électrique est transmise sur de longues distances à des tensions dépassant le niveau utilisé par les consommateurs. L'utilisation de transformateurs est nécessaire pour convertir les tensions aux valeurs requises, augmenter la qualité du processus de transmission de puissance et également réduire les pertes qui en résultent.

Description et principe de fonctionnement du transformateur

Un transformateur est un appareil permettant d'abaisser ou d'augmenter la tension, de modifier le nombre de phases et, dans de rares cas, de modifier la fréquence d'un courant alternatif.

Il existe les types d'appareils suivants :

• Puissance;
• mesure;
• batterie faible;
• impulsion;
• transformateurs de pointe.

L'appareil statique se compose des principaux éléments structurels suivants : deux (ou plus) enroulements et un circuit magnétique, également appelé noyau. Dans les transformateurs, la tension est appliquée à l'enroulement primaire et le secondaire est déjà supprimé sous la forme convertie. Les enroulements sont couplés par induction, au moyen d'un champ magnétique dans le noyau.

Avec d'autres convertisseurs, les transformateurs ont un facteur d'efficacité (abrégé - Efficacité), avec un symbole. Ce rapport est le rapport entre l'énergie effectivement utilisée et l'énergie consommée par le système. Il peut également être exprimé comme le rapport de la puissance consommée par la charge à l'appareil consommé depuis le réseau. L'efficacité fait référence à l'un des paramètres primordiaux caractérisant l'efficacité du travail effectué par le transformateur.

Types de pertes dans un transformateur

Le processus de transfert d'électricité de l'enroulement primaire vers le secondaire s'accompagne de pertes. Pour cette raison, toute l'énergie n'est pas transférée, mais la majeure partie.

La conception de l'appareil ne prévoit pas de pièces rotatives, contrairement à d'autres machines électriques. Ceci explique l'absence de pertes mécaniques dans celui-ci.

Ainsi, l'appareil a les pertes suivantes:

• électrique, dans des bobinages en cuivre ;
• magnétique, dans le noyau en acier.

Diagramme d'énergie et loi de conservation de l'énergie

Le principe de fonctionnement de l'appareil peut être représenté schématiquement sous la forme d'un diagramme d'énergie, comme le montre l'image 1. Le diagramme reflète le processus de transfert d'énergie, au cours duquel se forment des pertes électriques et magnétiques. .

Selon le schéma, la formule de détermination de la puissance efficace P 2 est la suivante :

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

où, P 2 est utile, et P 1 est la puissance consommée par l'appareil à partir du réseau.

En désignant les pertes totales ΔP, la loi de conservation de l'énergie ressemblera à : P 1 = ΔP + P 2 (2)

On peut voir à partir de cette formule que P 1 est dépensé sur P 2 et aussi sur les pertes totales ΔP. Par conséquent, l'efficacité du transformateur est obtenue en tant que rapport de la puissance de sortie (utile) à la puissance consommée (le rapport de P 2 et P 1).

Détermination de l'efficacité

Avec la précision requise pour le calcul de l'appareil, des valeurs pré-dérivées de l'efficacité peuvent être extraites du tableau n ° 1:

Comme indiqué dans le tableau, la valeur du paramètre dépend directement de la puissance totale.

Détermination de l'efficacité par mesure directe

Formule pour calculs d'efficacité peut être présenté en plusieurs versions :

Cette expression reflète clairement que la valeur de l'efficacité du transformateur n'est pas supérieure à un, ni égale à celle-ci.

L'expression suivante définit la valeur de puissance nette :

P 2 \u003d U 2 * J 2 * cosφ 2, (4)

où U 2 et J 2 sont la tension et le courant secondaires de la charge, et cosφ 2 est le facteur de puissance dont la valeur dépend du type de charge.

Puisque P 1 =ΔP+P 2 , la formule (3) prend la forme suivante :

Les pertes électriques de l'enroulement primaire ΔP el1n dépendent du carré de l'intensité du courant qui y circule. Ils doivent donc être définis comme ceci :

(6)

À son tour:

(7)

où r mp est la résistance active de l'enroulement.

Le fonctionnement de l'appareil électromagnétique n'étant pas limité au mode nominal, la détermination du degré de charge en courant nécessite l'utilisation d'un facteur de charge égal à :

β=J 2 /J 2n, (8)

où J 2n est le courant nominal de l'enroulement secondaire.

À partir de là, nous écrivons des expressions pour déterminer le courant de l'enroulement secondaire :

J 2 \u003d β * J 2n (9)

Si nous substituons cette égalité dans la formule (5), nous obtenons l'expression suivante :

Notez qu'il est recommandé par GOST de déterminer la valeur d'efficacité à l'aide de la dernière expression.

Résumant les informations présentées, nous notons qu'il est possible de déterminer l'efficacité d'un transformateur par les valeurs de la puissance des enroulements primaire et secondaire de l'appareil en mode nominal.

Détermination de l'efficacité par une méthode indirecte

En raison des valeurs d'efficacité élevées, qui peuvent être égales à 96% ou plus, ainsi que de la méthode peu économique de mesures directes, calculez le paramètre avec un degré élevé la précision n'est pas possible. Par conséquent, sa détermination est généralement effectuée par une méthode indirecte.

En résumant toutes les expressions obtenues, nous obtenons la formule suivante pour calculer l'efficacité :

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

En résumé, il convient de noter que le niveau élevé indicateur d'efficacité indique le fonctionnement efficace de l'appareil électromagnétique. Les pertes dans les enroulements et l'acier du noyau, selon GOST, sont déterminées lors d'une expérience ou d'un court-circuit, et des mesures visant à les réduire aideront à atteindre les valeurs maximales possibles de l'efficacité, ce dont vous avez besoin à lutter pour.

En réalité, le travail effectué à l'aide de n'importe quel appareil est toujours un travail plus utile, car une partie du travail est effectuée contre les forces de frottement qui agissent à l'intérieur du mécanisme et lors du déplacement de ses pièces individuelles. Ainsi, à l'aide d'un bloc mobile, ils effectuent un travail supplémentaire, en soulevant le bloc lui-même et la corde et en surmontant les forces de frottement dans le bloc.

Nous introduisons la notation suivante : nous notons le travail utile par $A_p$, et le travail complet par $A_(poln)$. Ce faisant, nous avons :

Définition

Coefficient de performance (COP) appelé le rapport du travail utile au plein. On note l'efficacité par la lettre $\eta $, alors :

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

Le plus souvent, le rendement est exprimé en pourcentage, puis sa définition est la formule :

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

Lors de la création de mécanismes, ils essaient d'augmenter leur efficacité, mais aucun mécanisme n'a une efficacité égale à un (et même supérieure à un).

Et donc, l'efficacité est une grandeur physique qui montre la part que le travail utile est de tout le travail effectué. À l'aide de l'efficacité, l'efficacité d'un appareil (mécanisme, système) qui convertit ou transmet l'énergie qui effectue un travail est évaluée.

Pour augmenter l'efficacité des mécanismes, vous pouvez essayer de réduire le frottement dans leurs axes, leur masse. Si le frottement peut être négligé, la masse du mécanisme est nettement inférieure à la masse, par exemple, de la charge que le mécanisme soulève, alors le rendement est légèrement inférieur à l'unité. Alors le travail effectué est approximativement égal au travail utile :

La règle d'or de la mécanique

Il faut rappeler qu'un gain de travail ne peut être obtenu par un mécanisme simple.

Exprimons chacun des travaux de la formule (3) comme le produit de la force correspondante par le chemin parcouru sous l'influence de cette force, puis transformons la formule (3) sous la forme :

L'expression (4) montre qu'à l'aide d'un mécanisme simple, on gagne en force autant qu'on en perd en route. Cette loi est appelée la "règle d'or" de la mécanique. Cette règle a été formulée dans la Grèce antique par Héron d'Alexandrie.

Cette règle ne prend pas en compte le travail pour vaincre les forces de frottement, elle est donc approximative.

Efficacité dans la transmission de puissance

Le facteur d'efficacité peut être défini comme le rapport du travail utile à l'énergie dépensée pour sa mise en œuvre ($Q$) :

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

Pour calculer le rendement d'un moteur thermique, la formule suivante est utilisée :

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

où $Q_n$ est la quantité de chaleur reçue du réchauffeur ; $Q_(ch)$ - la quantité de chaleur transférée au réfrigérateur.

Le rendement d'un moteur thermique idéal fonctionnant selon le cycle de Carnot est de :

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

où $T_n$ - température du réchauffeur ; $T_(ch)$ - température du réfrigérateur.

Exemples de tâches pour l'efficacité

Exemple 1

Exercer. Le moteur de la grue a une puissance de $N$. Pendant un intervalle de temps égal à $\Delta t$, il soulève une charge de masse $m$ à une hauteur $h$. Quelle est l'efficacité de la grue ?\textit()

La solution. Le travail utile dans le problème considéré est égal au travail de levage du corps à une hauteur $h$ d'une charge de masse $m$, c'est le travail de surmonter la force de gravité. Il est égal à :

Le travail total effectué lors du levage d'une charge peut être trouvé à l'aide de la définition de la puissance :

Utilisons la définition du facteur d'efficacité pour le trouver :

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

On transforme la formule (1.3) en utilisant les expressions (1.1) et (1.2) :

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

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

Exemple 2

Exercer. Gaz parfait exécute un cycle de Carnot, alors que l'efficacité du cycle est égale à $\eta $. Quel est le travail dans un cycle de compression de gaz à température constante ? Le travail effectué par le gaz lors de la détente est de $A_0$

La solution. L'efficacité du cycle est définie comme suit :

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

Considérez le cycle de Carnot, déterminez dans quels processus la chaleur est fournie (ce sera $Q$).

Le cycle de Carnot étant constitué de deux isothermes et de deux adiabatiques, on peut immédiatement dire qu'il n'y a pas de transfert de chaleur dans les processus adiabatiques (processus 2-3 et 4-1). Dans le processus isotherme 1-2, la chaleur est fournie (Fig.1 $Q_1$), dans le processus isotherme 3-4, la chaleur est évacuée ($Q_2$). Il s'avère que dans l'expression (2.1) $Q=Q_1$. Nous savons que la quantité de chaleur (première loi de la thermodynamique) fournie au système lors d'un processus isotherme va entièrement à l'exécution du travail par le gaz, ce qui signifie :

Le gaz effectue un travail utile, qui est égal à:

La quantité de chaleur évacuée dans le processus isotherme 3-4 est égale au travail de compression (le travail est négatif) (puisque T=const, alors $Q_2=-A_(34)$). En conséquence, nous avons :

On transforme la formule (2.1) en tenant compte des résultats (2.2) - (2.4) :

\[\eta =\frac(A_(12)+A_(34))(A_(12))\à A_(12)\eta =A_(12)+A_(34)\à A_(34)=( \eta -1)A_(12)\gauche(2.4\droite).\]

Puisque par condition $A_(12)=A_0,\ $enfin on obtient :

Réponse.$A_(34)=\left(\eta -1\right)A_0$

Dans la vie, une personne est confrontée au problème et à la nécessité de se transformer différents typesénergie. Les appareils conçus pour convertir l'énergie sont appelés machines énergétiques (mécanismes). Par exemple, les machines motrices comprennent : un générateur électrique, un moteur à combustion interne, un moteur électrique, une machine à vapeur, etc.

En théorie, n'importe quel type d'énergie peut complètement se transformer en un autre type d'énergie. Mais en pratique, en plus des transformations d'énergie dans les machines, des transformations d'énergie se produisent, appelées pertes. La perfection des machines de puissance détermine le coefficient de performance (COP).

DÉFINITION

L'efficacité du mécanisme (machine) appelé le rapport de l'énergie utile () à l'énergie totale (W), qui est fournie au mécanisme. Habituellement, l'efficacité est désignée par la lettre (ceci). Sous forme mathématique, la définition de l'efficacité s'écrit comme suit :

L'efficacité peut être définie en termes de travail, comme le rapport de (travail utile) à A (travail complet) :

Il peut également être trouvé sous forme de rapport de puissance :

où est la puissance fournie au mécanisme; - la puissance que le consommateur reçoit du mécanisme. L'expression (3) peut s'écrire différemment :

où est la partie de la puissance qui est perdue dans le mécanisme.

D'après les définitions de l'efficacité, il est évident qu'elle ne peut pas être supérieure à 100 % (ou ne peut pas être supérieure à un). L'intervalle dans lequel se situe le rendement : .

Le facteur d'efficacité est utilisé non seulement pour évaluer le niveau de perfection de la machine, mais aussi pour déterminer l'efficacité de tout mécanisme complexe et toutes sortes d'appareils consommateurs d'énergie.

Ils essaient de fabriquer n'importe quel mécanisme pour que les pertes d'énergie inutiles soient minimales (). Pour cela, ils essaient de réduire les forces de frottement (différentes sortes de résistance).

Efficacité des connexions des mécanismes

Lorsque l'on considère un mécanisme structurellement complexe (dispositif), l'efficacité de l'ensemble de la structure et l'efficacité de tous ses nœuds et mécanismes qui consomment et convertissent de l'énergie sont calculées.

Si nous avons n mécanismes connectés en série, alors l'efficacité du système résultant est le produit de l'efficacité de chaque partie :

Lorsque les mécanismes sont connectés en parallèle (Fig. 1) (un moteur entraîne plusieurs mécanismes), le travail utile est la somme du travail utile à la sortie de chaque partie individuelle du système. Si le travail dépensé par le moteur est noté , alors l'efficacité dans ce cas est trouvée comme :

Unités d'efficacité

Dans la plupart des cas, l'efficacité est exprimée en pourcentage.

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1

Exercer	Quelle est la puissance du mécanisme qui soulève un marteau de masse m à une hauteur h n fois par seconde si le rendement de la machine est ?
La solution	La puissance (N) peut être trouvée à partir de sa définition comme suit : Puisque la fréquence () est spécifiée dans la condition (le marteau se lève n fois par seconde), nous trouvons le temps comme suit : Le poste sera trouvé en tant que : Dans ce cas (compte tenu de (1.2) et (1.3)) l'expression (1.1) se transforme en : L'efficacité du système étant , on écrit : où est la puissance désirée, alors :
Réponse

EXEMPLE 2

Exercer

Quelle sera l'efficacité d'un plan incliné si sa longueur, sa hauteur h ? Le coefficient de frottement lorsqu'un corps se déplace autour d'un plan donné est égal à .

La solution

Faisons un dessin. Comme base pour résoudre le problème, nous prenons la formule de calcul de l'efficacité sous la forme: Le travail utile sera le travail de levage de la charge à une hauteur h: Le travail effectué lors de la livraison d'une cargaison en la déplaçant le long d'un plan donné peut être trouvé comme: où est la force de traction, que l'on retrouve dans la deuxième loi de Newton, en considérant les forces qui s'appliquent au corps (Fig. 1) :

Résumé sur le sujet :

Efficacité

Planifier:

Introduction

• 1 Efficacité du moteur thermique
• 2 Efficacité supérieure à 100 %
  • 2.1 Efficacité de la chaudière
  • 2.2 Pompes à chaleur et refroidisseurs
Remarques
Littérature

Introduction

Efficacité (Efficacité) - une caractéristique de l'efficacité d'un système (dispositif, machine) par rapport à la conversion ou au transfert d'énergie. Elle est déterminée par le rapport de l'énergie utile utilisée à la quantité totale d'énergie reçue par le système ; généralement noté η : η = W champ / W cym. L'efficacité est une quantité sans dimension et est souvent mesurée en pourcentage. Mathématiquement, la définition de l'efficacité peut s'écrire

,

où MAIS- l'énergie utile (travail), et Q- l'énergie dépensée (travail).

En vertu de la loi de conservation de l'énergie, le rendement est toujours inférieur à l'unité (dans la limite où il lui est égal), c'est-à-dire qu'il est impossible d'obtenir plus de travail utile que l'énergie dépensée (voir cependant ci-dessous).

1. Efficacité d'un moteur thermique

Efficacité du moteur thermique- le rapport du travail utile fourni par le moteur à l'énergie dépensée reçue du réchauffeur. L'efficacité d'un moteur thermique peut être calculée à l'aide de la formule suivante

,

où Q 1 - la quantité de chaleur reçue du réchauffeur (combustible, source chaude), Q 2 - la quantité de chaleur apportée à la source froide (le milieu extérieur, dans une turbine à gaz ouverte - l'air prélevé sur le milieu extérieur). Les moteurs thermiques fonctionnant selon le cycle de Carnot ont le rendement le plus élevé.

2. Efficacité supérieure à 100 %

Comme mentionné ci-dessus, les concepts modernes d'économie d'énergie ne permettent pas l'existence d'appareils avec une efficacité supérieure à 100%. Un tel dispositif pourrait être une machine à mouvement perpétuel du premier type. Selon la première loi de la thermodynamique, c'est impossible, mais à ce jour, il existe des rapports (y compris des publicités) sur de tels appareils dans la presse (par exemple, le générateur de chaleur de Potapov, prétendument, génère plus de chaleur qu'il ne consomme d'électricité). Si ces faits étaient confirmés, cela produirait une révolution en physique qui, pour une raison quelconque, n'est pas observée.

Cependant, certains appareils peuvent en effet générer plus d'énergie utile qu'ils ne sont censés en utiliser.

2.1. efficacité de la chaudière

Le rendement des chaudières à combustible fossile est traditionnellement calculé à partir du pouvoir calorifique inférieur ; on suppose que l'humidité des produits de combustion quitte la chaudière sous forme de vapeur surchauffée. Dans les chaudières à condensation, cette humidité est condensée, la chaleur de condensation est utilement utilisée. Lors du calcul du rendement en fonction du pouvoir calorifique inférieur, il peut éventuellement s'avérer être supérieur à un. Dans ce cas, il serait plus correct de le considérer selon le pouvoir calorifique supérieur, qui tient compte de la chaleur de condensation de la vapeur ; cependant, les performances d'une telle chaudière sont difficilement comparables aux données d'autres installations.

2.2. Pompes à chaleur et refroidisseurs

L'avantage des pompes à chaleur en tant que technique de chauffage est la capacité de recevoir parfois plus de chaleur que l'énergie dépensée pour leur travail ; de même, une machine de réfrigération peut évacuer plus de chaleur de l'extrémité refroidie qu'il n'en faut pour organiser le processus.

L'efficacité de ces moteurs thermiques se caractérise par coefficient de performance(pour les refroidisseurs) ou rapport de transformation(pour les pompes à chaleur)

,

où Q- la chaleur prélevée du bout froid (dans les machines frigorifiques) ou transférée au bout chaud (dans les pompes à chaleur) ; UN- le travail (ou l'électricité) consacré à ce processus. Les meilleurs indicateurs de performance pour de telles machines ont le cycle de Carnot inversé: en lui le coefficient de performance

,

où J 1 , J 2 - températures des extrémités chaudes et froides, K . Cette valeur, évidemment, peut être arbitrairement grande ; bien qu'il soit pratiquement difficile de s'en approcher, le coefficient de performance peut encore dépasser l'unité. Cela ne contredit pas la première loi de la thermodynamique, puisque, en plus de l'énergie prise en compte (par exemple, électrique), l'énergie prélevée au bout chaud est convertie en chaleur utile. Cependant, appeler cet indicateur "efficacité", ce qui est parfois fait dans les publications publicitaires, est incorrect.

Remarques

1. Générateur de chaleur vortex de Potapov - www.patlah.ru/etm/etm-24/a_energia/generator_potapova/generator_potapova.htm. Encyclopédie des technologies et méthodes.
2. Coefficient de réfrigération - dic.academic.ru/dic.nsf/bse/147721/Refrigerating- article de la Grande Encyclopédie soviétique

Littérature

• Perychkine A.V. La physique. 7e année. - Outarde, 2005. - 192 p. - 50 000 exemplaires. - ISBN 5-7107-9459-7.

Ce résumé est basé sur un article de Wikipédia russe. Synchronisation terminée le 07/11/11 00:01:38
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