Sabe-se que uma máquina de movimento perpétuo é impossível. Isso se deve ao fato de que, para qualquer mecanismo, a afirmação é verdadeira: o trabalho completo realizado com a ajuda desse mecanismo (incluindo o aquecimento do mecanismo e meio Ambiente, para superar a força de atrito) é sempre um trabalho mais útil.

Por exemplo, mais da metade do trabalho de um motor de combustão interna é desperdiçado no aquecimento dos componentes do motor; algum calor é levado pelos gases de escape.

Muitas vezes é necessário avaliar a eficácia do mecanismo, a viabilidade de seu uso. Portanto, para calcular qual parte do trabalho realizado é desperdiçada e qual parte é útil, um quantidade física, o que mostra a eficiência do mecanismo.

Este valor é chamado de eficiência do mecanismo

Coeficiente ação útil mecanismo é igual à razão entre o trabalho útil e o trabalho total. Obviamente, a eficiência é sempre menor que a unidade. Esse valor geralmente é expresso como uma porcentagem. Geralmente é denotado pela letra grega η (leia "este"). Eficiência é abreviado como eficiência.

η \u003d (A_full / A_useful) * 100%,

onde η eficiência, A_trabalho completo completo, A_trabalho útil útil.

Entre os motores, o motor elétrico é o de maior rendimento (até 98%). Eficiência dos motores combustão interna 20% - 40%, turbina a vapor cerca de 30%.

Note que para aumentando a eficiência do mecanismo frequentemente tentam reduzir a força de fricção. Isso pode ser feito usando vários lubrificantes ou rolamentos de esferas nos quais o atrito de deslizamento é substituído pelo atrito de rolamento.

Exemplos de cálculo de eficiência

Considere um exemplo. Um ciclista com massa de 55 kg sobe uma colina com massa de 5 kg, cuja altura é de 10 m, realizando um trabalho de 8 kJ. Encontre a eficiência da bicicleta. O atrito de rolamento das rodas na estrada não é levado em consideração.

Decisão. Encontre a massa total da bicicleta e do ciclista:

m = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Vamos encontrar o peso total:

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

Encontre o trabalho realizado para levantar a bicicleta e o ciclista:

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

Vamos encontrar a eficiência da bicicleta:

A_full / A_useful * 100% = 6 kJ / 8 kJ * 100% = 75%

Responder: A eficiência da bicicleta é de 75%.

Vamos considerar mais um exemplo. Um corpo de massa m está suspenso na extremidade do braço de alavanca. Uma força para baixo F é aplicada ao outro braço e sua extremidade é abaixada em h. Encontre quanto o corpo subiu se a eficiência da alavanca for η%.

Decisão. Encontre o trabalho realizado pela força F:

η % deste trabalho é feito para levantar um corpo de massa m. Portanto, para levantar o corpo, foi gasto Fhη / 100. Como o peso do corpo é igual a mg, o corpo subiu para uma altura de Fhη / 100 / mg.

Sabe-se que a energia elétrica é transmitida por longas distâncias em tensões superiores ao nível utilizado pelos consumidores. A utilização de transformadores é necessária para converter as tensões para os valores exigidos, aumentar a qualidade do processo de transmissão de energia e também reduzir as perdas resultantes.

Descrição e princípio de funcionamento do transformador

Um transformador é um dispositivo usado para diminuir ou aumentar a tensão, alterar o número de fases e, em casos raros, alterar a frequência de uma corrente alternada.

Existem os seguintes tipos de dispositivos:

• potência;
• medindo;
• baixa potência;
• impulso;
• transformadores de pico.

Um aparelho estático consiste nos seguintes elementos estruturais principais: dois (ou mais) enrolamentos e um circuito magnético, também chamado de núcleo. Nos transformadores, a tensão é aplicada ao enrolamento primário e o secundário é removido já na forma convertida. Os enrolamentos são acoplados indutivamente, por meio de um campo magnético no núcleo.

Junto com outros conversores, os transformadores têm um fator de eficiência (abreviado - eficiência), com um símbolo. Essa relação é a relação entre a energia efetivamente utilizada e a energia consumida do sistema. Também pode ser expresso como a relação entre a potência consumida pela carga e o dispositivo consumido da rede. A eficiência refere-se a um dos parâmetros primordiais que caracterizam a eficiência do trabalho realizado pelo transformador.

Tipos de perdas no transformador

O processo de transferência de eletricidade do enrolamento primário para o secundário é acompanhado por perdas. Por esta razão, nem toda a energia é transferida, mas a maior parte dela.

O design do dispositivo não prevê peças rotativas, ao contrário de outras máquinas elétricas. Isso explica a ausência de perdas mecânicas nele.

Assim, o dispositivo tem as seguintes perdas:

• elétricos, em enrolamentos de cobre;
• magnético, em alma de aço.

Diagrama de Energia e Lei de Conservação de Energia

O princípio de funcionamento do dispositivo pode ser mostrado esquematicamente na forma de um diagrama de energia, conforme mostrado na imagem 1. O diagrama reflete o processo de transferência de energia, durante o qual as perdas elétricas e magnéticas são formadas. .

De acordo com o diagrama, a fórmula para determinar a potência efetiva P 2 é a seguinte:

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

onde, P 2 é útil e P 1 é a potência consumida pelo dispositivo da rede.

Denotando as perdas totais ΔP, a lei de conservação de energia ficará assim: P 1 = ΔP + P 2 (2)

Pode-se ver a partir desta fórmula que P 1 é gasto em P 2 e também nas perdas totais ΔP. Assim, a eficiência do transformador é obtida como uma relação entre a potência de saída (útil) e a potência consumida (a relação de P 2 e P 1).

Determinação da eficiência

Com a precisão necessária para calcular o dispositivo, os valores pré-derivados da eficiência podem ser obtidos na tabela nº 1:

Conforme mostrado na tabela, o valor do parâmetro depende diretamente da potência total.

Determinação da eficiência por medição direta

Fórmula para cálculos de eficiência pode ser apresentado em várias versões:

Essa expressão reflete claramente que o valor da eficiência do transformador não é maior que um e também não é igual a ele.

A seguinte expressão define o valor da potência líquida:

P 2 \u003d U 2 * J 2 * cosφ 2, (4)

onde U 2 e J 2 são a tensão e corrente secundária da carga e cosφ 2 é o fator de potência, cujo valor depende do tipo de carga.

Como P 1 =ΔP+P 2 , a fórmula (3) assume a seguinte forma:

As perdas elétricas do enrolamento primário ΔP el1n dependem do quadrado da força da corrente que flui nele. Portanto, eles devem ser definidos assim:

(6)

Por sua vez:

(7)

onde rmp é a resistência ativa do enrolamento.

Como a operação do aparelho eletromagnético não se limita ao modo nominal, a determinação do grau de carga atual requer o uso de um fator de carga igual a:

β=J 2 /J 2n, (8)

onde J 2n é a corrente nominal do enrolamento secundário.

A partir daqui, escrevemos expressões para determinar a corrente do enrolamento secundário:

J 2 \u003d β * J 2n (9)

Se substituirmos essa igualdade na fórmula (5), obtemos a seguinte expressão:

Observe que é recomendado pelo GOST determinar o valor de eficiência usando a última expressão.

Resumindo as informações apresentadas, notamos que é possível determinar a eficiência de um transformador pelos valores da potência dos enrolamentos primário e secundário do aparelho em modo nominal.

Determinação da eficiência por um método indireto

Devido aos altos valores de eficiência, que podem ser iguais a 96% ou mais, bem como ao método antieconômico de medições diretas, calcule o parâmetro com um alto grau precisão não é possível. Portanto, sua determinação geralmente é realizada por um método indireto.

Resumindo todas as expressões obtidas, obtemos a seguinte fórmula para calcular a eficiência:

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

Em resumo, deve-se notar que a alta indicador de eficiência indica a operação eficiente do aparelho eletromagnético. As perdas nos enrolamentos e no núcleo do aço, de acordo com o GOST, são determinadas durante um experimento ou curto-circuito, e as medidas destinadas a reduzi-las ajudarão a atingir os valores máximos possíveis de eficiência, que é o que você precisa se esforçar para.

Na realidade, o trabalho feito com a ajuda de qualquer dispositivo é sempre um trabalho mais útil, pois parte do trabalho é feito contra as forças de atrito que atuam no interior do mecanismo e ao mover suas partes individuais. Assim, usando um bloco móvel, eles realizam um trabalho adicional, levantando o próprio bloco e a corda e superando as forças de atrito no bloco.

Introduzimos a seguinte notação: denotamos o trabalho útil por $A_p$ e o trabalho completo por $A_(poln)$. Fazendo isso, temos:

Definição

Coeficiente de desempenho (COP) chamado a proporção de trabalho útil para completo. Denotamos a eficiência pela letra $\eta$, então:

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

Na maioria das vezes, a eficiência é expressa em porcentagem, então sua definição é a fórmula:

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

Ao criar mecanismos, eles tentam aumentar sua eficiência, mas não existem mecanismos com eficiência igual a um (e até mais de um).

E assim, o fator de eficiência é uma quantidade física que mostra a parcela que o trabalho útil é de todo o trabalho realizado. Com a ajuda da eficiência, avalia-se a eficiência de um dispositivo (mecanismo, sistema) que converte ou transmite energia que realiza trabalho.

Para aumentar a eficiência dos mecanismos, você pode tentar reduzir o atrito em seus eixos, sua massa. Se o atrito puder ser desprezado, a massa do mecanismo for significativamente menor que a massa, por exemplo, da carga que o mecanismo levanta, então a eficiência será ligeiramente menor que a unidade. Então o trabalho realizado é aproximadamente igual ao trabalho útil:

A regra de ouro da mecânica

Deve ser lembrado que um ganho de trabalho não pode ser alcançado usando um mecanismo simples.

Vamos expressar cada um dos trabalhos na fórmula (3) como o produto da força correspondente pelo caminho percorrido sob a influência dessa força, depois transformamos a fórmula (3) na forma:

A expressão (4) mostra que, usando um mecanismo simples, ganhamos em força tanto quanto perdemos no caminho. Esta lei é chamada de "regra de ouro" da mecânica. Esta regra foi formulada na Grécia antiga por Heron de Alexandria.

Esta regra não leva em conta o trabalho para vencer as forças de atrito, portanto é aproximada.

Eficiência na transmissão de energia

O fator de eficiência pode ser definido como a razão entre o trabalho útil e a energia gasta em sua execução ($Q$):

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

Para calcular a eficiência de um motor térmico, a seguinte fórmula é usada:

\[\eta =\frac(Q_n-Q_(ch))(Q_n)\esquerda(6\direita),\]

onde $Q_n$ é a quantidade de calor recebida do aquecedor; $Q_(ch)$ - a quantidade de calor transferida para a geladeira.

A eficiência de uma máquina térmica ideal que opera de acordo com o ciclo de Carnot é:

\[\eta =\frac(T_n-T_(ch))(T_n)\esquerda(7\direita),\]

onde $T_n$ - temperatura do aquecedor; $T_(ch)$ - temperatura da geladeira.

Exemplos de tarefas para eficiência

Exemplo 1

A tarefa. O motor do guindaste tem uma potência de $N$. Por um intervalo de tempo igual a $\Delta t$, ele ergueu uma carga de massa $m$ até uma altura $h$. Qual é a eficiência do guindaste?\textit()

Decisão. O trabalho útil no problema em questão é igual ao trabalho de levantar o corpo a uma altura $h$ de uma carga de massa $m$, este é o trabalho de vencer a força da gravidade. É igual a:

O trabalho total realizado ao levantar uma carga pode ser encontrado usando a definição de potência:

Vamos usar a definição do fator de eficiência para encontrá-lo:

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

Transformamos a fórmula (1.3) usando as expressões (1.1) e (1.2):

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

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

Exemplo 2

A tarefa. Gás ideal executa um ciclo de Carnot, enquanto a eficiência do ciclo é igual a $\eta $. Qual é o trabalho em um ciclo de compressão de gás a temperatura constante? O trabalho realizado pelo gás durante a expansão é $A_0$

Decisão. A eficiência do ciclo é definida como:

\[\eta =\frac(A_p)(Q)\esquerda(2.1\direita).\]

Considere o ciclo de Carnot, determine em quais processos o calor é fornecido (será $Q$).

Como o ciclo de Carnot consiste em duas isotermas e duas adiabatas, podemos dizer imediatamente que não há transferência de calor nos processos adiabáticos (processos 2-3 e 4-1). No processo isotérmico 1-2 o calor é fornecido (Fig.1 $Q_1$), no processo isotérmico 3-4 o calor é removido ($Q_2$). Acontece que na expressão (2.1) $Q=Q_1$. Sabemos que a quantidade de calor (primeira lei da termodinâmica) fornecida ao sistema durante um processo isotérmico vai totalmente para a realização de trabalho pelo gás, o que significa:

O gás realiza um trabalho útil, que é igual a:

A quantidade de calor que é removida no processo isotérmico 3-4 é igual ao trabalho de compressão (o trabalho é negativo) (já que T=const, então $Q_2=-A_(34)$). Como resultado, temos:

Transformamos a fórmula (2.1) levando em consideração os resultados (2.2) - (2.4):

\[\eta =\frac(A_(12)+A_(34))(A_(12))\para A_(12)\eta =A_(12)+A_(34)\para A_(34)=( \eta -1)A_(12)\esquerda(2.4\direita).\]

Como pela condição $A_(12)=A_0,\ $finalmente obtemos:

Responder.$A_(34)=\esquerda(\eta -1\direita)A_0$

Na vida, uma pessoa se depara com o problema e a necessidade de transformar tipos diferentes energia. Dispositivos projetados para converter energia são chamados de máquinas de energia (mecanismos). Por exemplo, máquinas de energia incluem: um gerador elétrico, um motor de combustão interna, um motor elétrico, um motor a vapor, etc.

Em teoria, qualquer tipo de energia pode se transformar completamente em outro tipo de energia. Mas, na prática, além das transformações de energia nas máquinas, ocorrem transformações de energia, que são chamadas de perdas. A perfeição das máquinas de potência determina o coeficiente de desempenho (COP).

DEFINIÇÃO

A eficiência do mecanismo (máquina) chamada de relação entre a energia útil () e a energia total (W), que é fornecida ao mecanismo. Normalmente, a eficiência é indicada pela letra (este). Na forma matemática, a definição de eficiência é escrita da seguinte forma:

A eficiência pode ser definida em termos de trabalho, como a razão de (trabalho útil) para A (trabalho completo):

Também pode ser encontrado como uma relação de potência:

onde é a potência fornecida ao mecanismo; - a potência que o consumidor recebe do mecanismo. A expressão (3) pode ser escrita de forma diferente:

onde é a parte da potência que se perde no mecanismo.

Das definições de eficiência, é óbvio que não pode ser superior a 100% (ou não pode ser superior a um). O intervalo em que se situa a eficiência: .

O fator de eficiência é usado não apenas para avaliar o nível de perfeição da máquina, mas também para determinar a eficácia de qualquer mecanismo complexo e todos os tipos de dispositivos que são consumidores de energia.

Eles tentam fazer qualquer mecanismo para que as perdas inúteis de energia sejam mínimas (). Para isso, procuram reduzir as forças de atrito (vários tipos de resistência).

Eficiência de conexões de mecanismos

Ao considerar um mecanismo (dispositivo) estruturalmente complexo, calcula-se a eficiência de toda a estrutura e a eficiência de todos os seus nós e mecanismos que consomem e convertem energia.

Se tivermos n mecanismos conectados em série, então a eficiência do sistema resultante é encontrada como o produto da eficiência de cada parte:

Quando os mecanismos são conectados em paralelo (Fig. 1) (um motor aciona vários mecanismos), o trabalho útil é a soma da saída de trabalho útil de cada parte individual do sistema. Se o trabalho gasto pelo motor é denotado como , então a eficiência neste caso é encontrada como:

unidades de eficiência

Na maioria dos casos, a eficiência é expressa em porcentagem.

Exemplos de resolução de problemas

EXEMPLO 1

A tarefa	Qual é a potência do mecanismo que levanta um martelo de massa m a uma altura h n vezes por segundo se a eficiência da máquina é ?
Decisão	Potência (N) pode ser encontrada a partir de sua definição como: Como a frequência () é especificada na condição (o martelo sobe n vezes por segundo), encontramos o tempo como: O trabalho será encontrado como: Neste caso (tendo em conta (1.2) e (1.3)) a expressão (1.1) transforma-se em: Como a eficiência do sistema é , escrevemos: onde é a potência desejada, então:
Responder

EXEMPLO 2

A tarefa

Qual será a eficiência de um plano inclinado se seu comprimento, altura h? O coeficiente de atrito quando um corpo se move em torno de um determinado plano é igual a .

Decisão

Vamos fazer um desenho. Como base para resolver o problema, tomamos a fórmula para calcular a eficiência na forma: O trabalho útil será o trabalho de elevar a carga a uma altura h: O trabalho realizado durante a entrega da carga ao movê-la ao longo de um determinado plano pode ser encontrado como: onde é a força de tração, que encontramos a partir da segunda lei de Newton, considerando as forças que são aplicadas ao corpo (Fig. 1):

Resumo sobre o tema:

Eficiência

Plano:

Introdução

• 1 Eficiência do motor térmico
• 2 Eficiência acima de 100%
  • 2.1 Eficiência da caldeira
  • 2.2 Bombas de calor e chillers
Notas
Literatura

Introdução

Eficiência (eficiência) - uma característica da eficiência de um sistema (dispositivo, máquina) em relação à conversão ou transferência de energia. É determinado pela relação entre a energia útil utilizada e a quantidade total de energia recebida pelo sistema; geralmente denotado por η: η = W campo / W cym. A eficiência é uma quantidade adimensional e geralmente é medida como uma porcentagem. Matematicamente, a definição de eficiência pode ser escrita como

,

Onde E- energia útil (trabalho), e Q- energia gasta (trabalho).

Em virtude da lei da conservação da energia, a eficiência é sempre menor que a unidade (no limite é igual a ela), ou seja, é impossível obter trabalho mais útil do que a energia gasta (porém, veja abaixo).

1. Eficiência de uma máquina térmica

Eficiência do motor térmico- a relação entre o trabalho útil realizado pelo motor e a energia gasta recebida do aquecedor. A eficiência de uma máquina térmica pode ser calculada usando a seguinte fórmula

,

Onde Q 1 - a quantidade de calor recebida do aquecedor (combustível, fonte quente), Q 2 - a quantidade de calor fornecida à fonte fria (o ambiente externo, em uma turbina a gás aberta - o ar retirado do ambiente externo). Os motores térmicos que operam de acordo com o ciclo de Carnot têm a maior eficiência.

2. Eficiência acima de 100%

Como mencionado acima, os conceitos modernos de conservação de energia não permitem a existência de dispositivos com eficiência superior a 100%. Tal dispositivo poderia ser uma máquina de movimento perpétuo do primeiro tipo. De acordo com a primeira lei da termodinâmica, é impossível, mas até hoje existem relatos (incluindo anúncios) sobre esses dispositivos na imprensa (por exemplo, o gerador de calor de Potapov, supostamente, gera mais calor do que consome eletricidade). Se esses fatos fossem confirmados, produziria uma revolução na física, que por algum motivo não é observada.

No entanto, alguns dispositivos podem de fato gerar mais energia útil do que são calculados para usar.

2.1. eficiência da caldeira

A eficiência das caldeiras de combustível fóssil é tradicionalmente calculada a partir do poder calorífico líquido; assume-se que a umidade dos produtos de combustão sai da caldeira na forma de vapor superaquecido. Nas caldeiras de condensação, essa umidade é condensada, o calor da condensação é aproveitado de maneira útil. Ao calcular a eficiência de acordo com o poder calorífico inferior, pode eventualmente ser mais de um. Nesse caso, seria mais correto considerá-lo pelo poder calorífico bruto, que leva em consideração o calor de condensação do vapor; no entanto, é difícil comparar o desempenho de tal caldeira com dados de outras instalações.

2.2. Bombas de calor e chillers

A vantagem das bombas de calor como técnica de aquecimento é a capacidade de, às vezes, receber mais calor do que a energia gasta em seu trabalho; da mesma forma, uma máquina de refrigeração pode remover mais calor da extremidade resfriada do que é gasto na organização do processo.

A eficiência de tais motores térmicos é caracterizada por coeficiente de desempenho(para refrigeradores) ou taxa de transformação(para bombas de calor)

,

Onde Q- calor retirado do lado frio (em máquinas de refrigeração) ou transferido para o lado quente (em bombas de calor); UMA- o trabalho (ou eletricidade) gasto neste processo. Os melhores indicadores de desempenho para tais máquinas têm o ciclo de Carnot reverso: nele o coeficiente de desempenho

,

Onde T 1 , T 2 - temperaturas dos extremos quentes e frios, K . Esse valor, obviamente, pode ser arbitrariamente grande; embora praticamente seja difícil abordá-lo, o coeficiente de desempenho ainda pode exceder a unidade. Isso não contradiz a primeira lei da termodinâmica, pois, além da energia considerada (por exemplo, elétrica), a energia retirada do hot end é convertida em calor útil. No entanto, chamar esse indicador de "eficiência", que às vezes é feito em publicações publicitárias, é incorreto.

Notas

1. Gerador de calor de vórtice de Potapov - www.patlah.ru/etm/etm-24/a_energia/generator_potapova/generator_potapova.htm. Enciclopédia de Tecnologias e Métodos.
2. Coeficiente de refrigeração - dic.academic.ru/dic.nsf/bse/147721/Refrigerating- artigo da Grande Enciclopédia Soviética

Literatura

• Peryshkin A.V. Física. 7 ª série. - Bustard, 2005. - 192 p. - 50.000 exemplares. - ISBN 5-7107-9459-7.

Este resumo é baseado em um artigo da Wikipédia russa. Sincronização concluída em 11/07/11 00:01:38
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