Poznato je da je perpetum mobile nemoguć. To je zbog činjenice da za bilo koji mehanizam vrijedi sljedeća izjava: ukupni rad obavljen uz pomoć ovog mehanizma (uključujući zagrijavanje mehanizma i okoliš, za svladavanje sile trenja) uvijek ima više korisnog rada.

Na primjer, više od polovice rada motora s unutarnjim izgaranjem gubi se na zagrijavanje dijelova motora; dio topline odnosi se ispušnim plinovima.

Često je potrebno procijeniti učinkovitost mehanizma i izvedivost njegove uporabe. Stoga, kako bismo izračunali koji je dio obavljenog posla uzaludan, a koji je koristan, poseban fizička količina, što pokazuje učinkovitost mehanizma.

Ova se vrijednost naziva učinkovitost mehanizma

Koeficijent korisna radnja mehanizam jednak je omjeru korisnog rada prema ukupnom radu. Očito, učinkovitost je uvijek manja od jedan. Ova se vrijednost često izražava kao postotak. Obično se označava grčkim slovom η (čitaj "ovo"). Faktor učinkovitosti se skraćeno naziva učinkovitost.

η = (A_puno /A_korisno) * 100%,

gdje je η učinkovitost, A_puni ukupni rad, A_korisno koristan rad.

Među motorima elektromotor ima najveću učinkovitost (do 98%). Učinkovitost motora unutarnje izgaranje 20% - 40%, parna turbina približno 30%.

Imajte na umu da za povećanje učinkovitosti mehanizmačesto pokušavaju smanjiti silu trenja. To se može učiniti pomoću različitih maziva ili kugličnih ležajeva kod kojih je trenje klizanja zamijenjeno trenjem kotrljanja.

Primjeri proračuna učinkovitosti

Pogledajmo primjer. Biciklist mase 55 kg vozio se biciklom mase 5 kg uz brdo visine 10 m pri čemu je izvršio rad od 8 kJ. Pronađite učinkovitost bicikla. Ne uzimajte u obzir trenje kotrljanja kotača na cesti.

Riješenje. Nađimo ukupnu masu bicikla i biciklista:

m = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Nađimo njihovu ukupnu težinu:

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

Pronađimo obavljeni rad za podizanje bicikla i biciklista:

Korisno = PS = 600 N * 10 m = 6 kJ

Nađimo učinkovitost bicikla:

A_puno / A_korisno * 100% = 6 kJ / 8 kJ * 100% = 75%

Odgovor: Učinkovitost bicikla je 75%.

Pogledajmo još jedan primjer. O kraj kraka poluge obješeno je tijelo mase m. Sila F prema dolje djeluje na drugi krak, a njegov kraj se spušta za h. Nađite za koliko se tijelo podiglo ako je učinkovitost poluge η%.

Riješenje. Nađimo rad sile F:

η% ovog rada učinjeno je za podizanje tijela mase m. Dakle, na podizanje tijela utrošeno je Fhη / 100. Budući da je težina tijela jednaka mg, tijelo se podiglo na visinu od Fhη / 100 / mg.

Poznato je da se električna energija prenosi na velike udaljenosti pri naponima većim od razine koju koriste potrošači. Korištenje transformatora je neophodno kako bi se naponi pretvorili u potrebne vrijednosti, povećala kvaliteta procesa prijenosa električne energije, a također i smanjili gubici koji nastaju.

Opis i princip rada transformatora

Transformator je uređaj koji služi za smanjenje ili povećanje napona, promjenu broja faza i, u rijetkim slučajevima, promjenu frekvencije izmjenične struje.

Postoje sljedeće vrste uređaja:

• vlast;
• mjerenje;
• mala snaga;
• puls;
• vršni transformatori.

Statički uređaj sastoji se od sljedećih glavnih strukturnih elemenata: dva (ili više) namota i magnetskog kruga, koji se također naziva jezgrom. U transformatorima, napon se dovodi u primarni namot i uklanja iz sekundara u pretvorenom obliku. Namoti su povezani induktivno pomoću magnetskog polja u jezgri.

Zajedno s drugim pretvaračima, transformatori imaju faktor učinkovitosti (skraćeno kao Učinkovitost), sa simbolom. Ovaj koeficijent predstavlja omjer efektivno iskorištene energije i energije potrošene iz sustava. Također se može izraziti kao omjer snage koju troši opterećenje i snage koju uređaj troši iz mreže. Učinkovitost je jedan od primarnih parametara koji karakteriziraju učinkovitost rada transformatora.

Vrste gubitaka u transformatoru

Proces prijenosa električne energije iz primarnog namota u sekundar popraćen je gubicima. Iz tog razloga ne prenosi se sva energija, ali najveći dio.

Dizajn uređaja ne uključuje rotirajuće dijelove, za razliku od drugih električnih strojeva. To objašnjava odsutnost mehaničkih gubitaka u njemu.

Dakle, uređaj sadrži sljedeće gubitke:

• električni, u bakrenim namotima;
• magnetski, u čeličnoj jezgri.

Energetski dijagram i Zakon održanja energije

Princip rada uređaja može se shematski prikazati u obliku energetskog dijagrama, kao što je prikazano na slici 1. Dijagram odražava proces prijenosa energije, tijekom kojeg nastaju električni i magnetski gubici .

Prema dijagramu, formula za određivanje efektivne snage P 2 je sljedeća:

P 2 =P 1 -ΔP el1 -ΔP el2 -ΔP m (1)

gdje je P 2 korisna, a P 1 snaga koju troši uređaj iz mreže.

Označavajući ukupne gubitke ΔP, zakon održanja energije izgledat će ovako: P 1 =ΔP+P 2 (2)

Iz ove formule je jasno da se P 1 troši na P 2, kao i na ukupne gubitke ΔP. Dakle, učinkovitost transformatora dobiva se u obliku omjera isporučene (korisne) snage prema utrošenoj snazi ​​(omjer P 2 i P 1).

Određivanje učinkovitosti

Uz potrebnu točnost za proračun uređaja, prethodno izvedene vrijednosti učinkovitosti mogu se uzeti iz tablice br. 1:

Kao što je prikazano u tablici, vrijednost parametra izravno ovisi o ukupnoj snazi.

Određivanje učinkovitosti izravnim mjerenjem

Formula za proračuni učinkovitosti može se predstaviti u nekoliko verzija:

Ovaj izraz jasno odražava da vrijednost učinkovitosti transformatora nije veća od jedan, a također mu nije jednaka.

Sljedeći izraz određuje vrijednost neto snage:

P 2 =U 2 *J 2 *cosφ 2 , (4)

gdje su U 2 i J 2 sekundarni napon i struja trošila, a cosφ 2 faktor snage čija vrijednost ovisi o vrsti opterećenja.

Budući da je P 1 =ΔP+P 2, formula (3) poprima sljedeći oblik:

Električni gubici primarnog namota ΔP el1n ovise o kvadratu struje koja u njemu teče. Stoga ih treba definirati na sljedeći način:

(6)

Sa svoje strane:

(7)

gdje je r mp aktivni otpor namota.

Budući da rad elektromagnetskog uređaja nije ograničen na nazivni način rada, određivanje stupnja strujnog opterećenja zahtijeva korištenje faktora opterećenja, koji je jednak:

β=J 2 /J 2n, (8)

gdje je J 2n nazivna struja sekundarnog namota.

Odavde zapisujemo izraze za određivanje struje sekundarnog namota:

J 2 =β*J 2n (9)

Ako ovu jednakost zamijenimo u formulu (5), dobit ćemo sljedeći izraz:

Imajte na umu da određivanje vrijednosti učinkovitosti pomoću posljednjeg izraza preporučuje GOST.

Sažimajući predstavljene informacije, napominjemo da se učinkovitost transformatora može odrediti vrijednostima snage primarnog i sekundarnog namota uređaja u nazivnom načinu rada.

Određivanje učinkovitosti neizravnom metodom

Zbog velikih vrijednosti učinkovitosti, koje mogu biti jednake 96% ili više, kao i neekonomičnosti metode izravnog mjerenja, izračunajte parametar s visok stupanj točnost nije moguća. Stoga se njegovo određivanje obično provodi neizravnom metodom.

Sumirajući sve dobivene izraze, dobivamo sljedeću formulu za izračun učinkovitosti:

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

Ukratko, treba primijetiti da visoka pokazatelj učinkovitosti označava učinkovit rad elektromagnetskog uređaja. Gubici u namotima i čeličnoj jezgri, prema GOST-u, određuju se iskustvom ili kratkim spojem, a mjere usmjerene na njihovo smanjenje pomoći će u postizanju najvećih mogućih vrijednosti učinkovitosti, čemu trebamo težiti.

U stvarnosti, rad koji se obavlja uz pomoć bilo kojeg uređaja uvijek je korisniji rad, budući da se dio rada obavlja protiv sila trenja koje djeluju unutar mehanizma i pri pomicanju njegovih pojedinih dijelova. Tako pomoću pomičnog bloka vrše dodatni rad podizanjem samog bloka i užeta te svladavanjem sila trenja u bloku.

Uvedimo sljedeću oznaku: koristan rad označit ćemo s $A_p$, a ukupni rad s $A_(poln)$. U ovom slučaju imamo:

Definicija

Faktor učinkovitosti (učinkovitost) naziva omjer korisnog rada i potpunog rada. Označimo učinkovitost slovom $\eta $, tada:

\[\eta =\frac(A_p)(A_(poln))\ \lijevo(2\desno).\]

Najčešće se učinkovitost izražava kao postotak, a njegova definicija je formula:

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

Prilikom stvaranja mehanizama nastoje povećati njihovu učinkovitost, ali ne postoje mehanizmi čija je učinkovitost jednaka jedinici (a kamoli više od jedne).

I tako, učinkovitost je fizikalna veličina koja pokazuje udio koji koristan rad čini u cjelokupnom proizvedenom radu. Učinkovitošću se ocjenjuje učinkovitost uređaja (mehanizma, sustava) koji pretvara ili prenosi energiju i obavlja rad.

Da biste povećali učinkovitost mehanizama, možete pokušati smanjiti trenje u njihovim osima i njihovu masu. Ako se trenje može zanemariti, masa mehanizma je znatno manja od mase, na primjer, tereta koji podiže mehanizam, tada je učinkovitost nešto manja od jedinice. Tada je obavljeni rad približno jednak korisnom radu:

Zlatno pravilo mehanike

Mora se zapamtiti da se pobjeda na poslu ne može postići pomoću jednostavnog mehanizma.

Izrazimo svaki od radova u formuli (3) kao umnožak odgovarajuće sile i puta prijeđenog pod utjecajem te sile, a zatim transformiramo formulu (3) u oblik:

Izraz (4) pokazuje da pomoću jednostavnog mehanizma dobivamo na snazi ​​onoliko koliko gubimo u putovanju. Ovaj zakon se naziva "zlatno pravilo" mehanike. Ovo je pravilo u staroj Grčkoj formulirao Heron iz Aleksandrije.

Ovo pravilo ne uzima u obzir rad svladavanja sila trenja, stoga je okvirno.

Učinkovitost prijenosa energije

Učinkovitost se može definirati kao omjer korisnog rada i energije utrošene na njegovu provedbu ($Q$):

\[\eta =\frac(A_p)(Q)\cdot 100\%\ \lijevo(5\desno).\]

Za izračun učinkovitosti toplinskog stroja upotrijebite sljedeću formulu:

\[\eta =\frac(Q_n-Q_(ch))(Q_n)\lijevo(6\desno),\]

gdje je $Q_n$ količina topline primljena od grijača; $Q_(ch)$ - količina topline prenesena u hladnjak.

Učinkovitost idealnog toplinskog stroja koji radi po Carnotovom ciklusu jednaka je:

\[\eta =\frac(T_n-T_(ch))(T_n)\lijevo(7\desno),\]

gdje je $T_n$ temperatura grijača; $T_(ch)$ - temperatura hladnjaka.

Primjeri problema učinkovitosti

Primjer 1

Vježbajte. Motor dizalice ima snagu $N$. U vremenskom intervalu jednakom $\Delta t$ podigao je teret mase $m$ na visinu $h$. Kolika je učinkovitost dizalice?\textit()

Riješenje. Korisni rad u razmatranom zadatku jednak je radu podizanja tijela na visinu $h$ tereta mase $m$, a to je rad svladavanja sile teže. Jednako je:

Ukupan rad obavljen pri dizanju tereta nalazimo koristeći definiciju snage:

Upotrijebimo definiciju učinkovitosti da je pronađemo:

\[\eta =\frac(A_p)(A_(poln))\cdot 100\%\lijevo(1,3\desno).\]

Transformiramo formulu (1.3) pomoću izraza (1.1) i (1.2):

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

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

Primjer 2

Vježbajte. Idealan plin izvodi Carnotov ciklus, a učinkovitost ciklusa je $\eta $. Koliki je rad obavljen u ciklusu kompresije plina pri konstantnoj temperaturi? Rad koji izvrši plin tijekom širenja je $A_0$

Riješenje. Učinkovitost ciklusa definiramo kao:

\[\eta =\frac(A_p)(Q)\lijevo(2,1\desno).\]

Razmotrimo Carnotov ciklus i odredimo u koje se procese dovodi toplina (to će biti $Q$).

Budući da se Carnotov ciklus sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate, odmah možemo reći da u adijabatskim procesima (procesi 2-3 i 4-1) nema prijenosa topline. U izotermnom procesu 1-2 dovodi se toplina (slika 1 $Q_1$), u izotermnom procesu 3-4 toplina se odvodi ($Q_2$). Ispada da je u izrazu (2.1) $Q=Q_1$. Znamo da količina topline (prvi zakon termodinamike) koja se dovodi u sustav tijekom izotermnog procesa u potpunosti odlazi na obavljanje rada plina, što znači:

Plin obavlja koristan rad, koji je jednak:

Količina topline koja se odvodi u izotermnom procesu 3-4 jednaka je radu kompresije (rad je negativan) (budući da je T=const, onda je $Q_2=-A_(34)$). Kao rezultat imamo:

Pretvorimo formulu (2.1) uzimajući u obzir rezultate (2.2) - (2.4):

\[\eta =\frac(A_(12)+A_(34))(A_(12))\do A_(12)\eta =A_(12)+A_(34)\do A_(34)=( \eta -1)A_(12)\lijevo(2,4\desno).\]

Budući da prema uvjetu $A_(12)=A_0,\ $na kraju dobivamo:

Odgovor.$A_(34)=\lijevo(\eta -1\desno)A_0$

U životu se čovjek suočava s problemom i potrebom da se transformira različiti tipovi energije. Uređaji koji su namijenjeni za transformaciju energije nazivaju se energetski strojevi (mehanizmi). Energetski strojevi su npr.: električni generator, motor s unutarnjim izgaranjem, elektromotor, parni stroj itd.

U teoriji, bilo koja vrsta energije može se u potpunosti pretvoriti u drugu vrstu energije. No u praksi se u strojevima osim energetskih transformacija događaju i energetske transformacije koje se nazivaju gubici. Savršenost energetskih strojeva određuje koeficijent učinka (učinkovitost).

DEFINICIJA

Učinkovitost mehanizma (stroja) naziva se omjer korisne energije () prema ukupnoj energiji (W) koja se dovodi mehanizmu. Tipično, učinkovitost je označena slovom (eta). U matematičkom obliku, definicija učinkovitosti bit će zapisana na sljedeći način:

Učinkovitost se može definirati u smislu rada, kao omjer (korisnog rada) prema A (ukupnog rada):

Osim toga, može se naći kao omjer snaga:

gdje je snaga koja se dovodi u mehanizam; - snaga koju potrošač dobiva od mehanizma. Izraz (3) se može napisati i drugačije:

gdje je dio snage koji se gubi u mehanizmu.

Iz definicija učinkovitosti vidljivo je da ona ne može biti veća od 100% (ili ne može biti veća od jedan). Interval u kojem se nalazi učinkovitost: .

Faktor učinkovitosti koristi se ne samo u procjeni razine savršenstva stroja, već iu određivanju učinkovitosti bilo kojeg složeni mehanizam te sve vrste uređaja koji su potrošači energije.

Pokušavaju napraviti bilo koji mehanizam tako da beskorisni gubici energije budu minimalni (). U tu svrhu nastoje se smanjiti sile trenja (razne vrste otpora).

Učinkovitost spojeva mehanizama

Pri razmatranju konstrukcijski složenog mehanizma (uređaja) izračunava se učinkovitost cijele konstrukcije i učinkovitost svih njezinih sastavnih dijelova i mehanizama koji troše i pretvaraju energiju.

Ako imamo n mehanizama koji su spojeni u seriju, tada se rezultirajuća učinkovitost sustava nalazi kao umnožak učinkovitosti svakog dijela:

Kada su mehanizmi paralelno spojeni (slika 1) (jedan motor pokreće više mehanizama), koristan rad je zbroj korisnog rada na izlazu svakog pojedinog dijela sustava. Ako se rad koji utroši motor označi kao , tada će se učinkovitost u ovom slučaju naći kao:

Jedinice učinkovitosti

U većini slučajeva učinkovitost se izražava u postocima.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte	Kolika je snaga mehanizma koji podigne čekić mase m na visinu h n puta u sekundi ako je učinkovitost stroja jednaka ?
Riješenje	Snaga (N) se može pronaći na temelju njene definicije kao: Budući da je frekvencija () navedena u uvjetu (čekić se diže n puta u sekundi), vrijeme ćemo pronaći kao: Posao će se naći kao: U ovom slučaju (uzimajući u obzir (1.2) i (1.3)) izraz (1.1) se transformira u oblik: Budući da je učinkovitost sustava jednaka, pišemo: gdje je potrebna snaga, tada:
Odgovor

PRIMJER 2

Vježbajte	Koliki će biti učinak nagnute ravnine ako je njezina duljina , visina h? Koeficijent trenja pri gibanju tijela po zadanoj ravnini jednak je .
Riješenje	Napravimo crtež. Kao osnovu za rješavanje problema uzimamo formulu za izračun učinkovitosti u obliku: Korisni rad bio bi rad podizanja tereta na visinu h: Rad koji se vrši pri isporuci tereta pomicanjem duž zadane ravnine može se pronaći kao: gdje je vučna sila koju nalazimo iz drugog Newtonovog zakona razmatrajući sile koje djeluju na tijelo (slika 1):

Sažetak na temu:

Učinkovitost

Plan:

Uvod

• 1 Učinkovitost toplinskog motora
• 2 Učinkovitost iznad 100%
  • 2.1 Učinkovitost kotla
  • 2.2 Dizalice topline i rashladni uređaji
Bilješke
Književnost

Uvod

Učinkovitost (Učinkovitost) - karakteristika učinkovitosti sustava (uređaja, stroja) u odnosu na pretvorbu ili prijenos energije. Određuje se omjerom korisno iskorištene energije i ukupne količine energije koju sustav primi; obično se označava s η: η = W kat /W cym. Učinkovitost je bezdimenzijska veličina i često se mjeri u postocima. Matematički, definicija učinkovitosti može se napisati kao

,

Gdje A- korisna energija (rad), i Q- utrošena energija (rad).

Zbog zakona o očuvanju energije, učinkovitost je uvijek manja od jedinice (u granici je jednaka njoj), odnosno nemoguće je dobiti više korisnog rada od utrošene energije (međutim, vidi dolje).

1. Učinkovitost toplinskog stroja

Učinkovitost toplinskog motora- omjer obavljenog korisnog rada motora i utrošene energije primljene od grijača. Učinkovitost toplinskog stroja može se izračunati pomoću sljedeće formule

,

Gdje Q 1 - količina topline primljena od grijača (gorivo, topli izvor), Q 2 - količina topline predana izvoru hladnoće (vanjska okolina, u otvorenoj plinskoj turbini - zrak uzet iz vanjske okoline). Najveću učinkovitost imaju toplinski strojevi koji rade prema Carnotovom ciklusu.

2. Učinkovitost je iznad 100%

Kao što je već spomenuto, moderni koncepti štednje energije ne dopuštaju postojanje uređaja s učinkovitošću većom od 100%. Takav bi uređaj mogao biti perpetuum mobile prve vrste. Prema prvom zakonu termodinamike to je nemoguće, ali do danas postoje izvještaji u tisku (uključujući i reklame) o takvim uređajima (primjerice, generator topline Potapov navodno stvara više topline nego što troši električne energije). Kad bi se ove činjenice potvrdile, to bi proizvelo revoluciju u fizici, koja se iz nekog razloga ne promatra.

Međutim, neki uređaji zapravo mogu generirati više korisne energije nego što su namijenjeni za potrošnju.

2.1. Učinkovitost kotla

Učinkovitost kotlova na fosilna goriva tradicionalno se izračunava na temelju niže kalorične vrijednosti; pretpostavlja se da vlaga produkata izgaranja napušta kotao u obliku pregrijane pare. U kondenzacijskim kotlovima se ta vlaga kondenzira, a toplota kondenzacije se korisno koristi. Kada se učinkovitost izračunava na temelju niže kalorične vrijednosti, može biti veća od jedan. U tom slučaju bilo bi ispravnije izračunati ga prema višoj kaloričnoj vrijednosti, uzimajući u obzir toplinu kondenzacije pare; međutim, učinak takvog kotla teško je usporediti s podacima o drugim instalacijama.

2.2. Dizalice topline i rashladni uređaji

Prednost dizalica topline kao opreme za grijanje je mogućnost da ponekad prime više topline od energije koja se troši za njihov rad; slično, rashladni stroj može ukloniti više topline s hlađenog kraja nego što je potrošeno u organizaciji procesa.

Učinkovitost takvih toplinskih strojeva karakterizira koeficijent učinka(za rashladne strojeve) odn omjer transformacije(za toplinske pumpe)

,

Gdje Q- toplina preuzeta s hladnog kraja (kod rashladnih strojeva) ili prenesena na vrući kraj (kod dizalica topline); A- rad (ili električna energija) utrošen na ovaj proces. Obrnuti Carnotov ciklus ima najbolje pokazatelje učinka za takve strojeve: ima koeficijent učinka

,

Gdje T 1 , T 2 - temperature toplog i hladnog kraja, K. Ta vrijednost, očito, može biti proizvoljno velika; Iako je teško pristupiti praktično, koeficijent učinka ipak može premašiti jedinicu. To nije u suprotnosti s prvim zakonom termodinamike, budući da se, osim energije koja se uzima u obzir (na primjer, električna), energija preuzeta s vrućeg kraja pretvara u korisnu toplinu. Međutim, nazvati ovaj pokazatelj "učinkovitošću", kao što se ponekad radi u reklamnim publikacijama, nije točno.

Bilješke

1. Potapovljev vrtložni generator topline - www.patlah.ru/etm/etm-24/a_energia/generator_potapova/generator_potapova.htm. Enciklopedija tehnologija i metoda.
2. Koeficijent učinka - dic.academic.ru/dic.nsf/bse/147721/Refrigeration- članak iz Velike sovjetske enciklopedije

Književnost

• Peryshkin A.V. Fizika. 7. razred. - Droplja, 2005. - 192 str. - 50.000 primjeraka. - ISBN 5-7107-9459-7.

Ovaj se sažetak temelji na članku s ruske Wikipedije. Sinkronizacija dovršena 07/11/11 00:01:38
Slični sažeci: