Se știe că o mașină cu mișcare perpetuă este imposibilă. Acest lucru se datorează faptului că pentru orice mecanism afirmația este adevărată: munca completă realizată cu ajutorul acestui mecanism (inclusiv încălzirea mecanismului și mediu inconjurator, pentru a depăși forța de frecare) este întotdeauna o muncă mai utilă.

De exemplu, mai mult de jumătate din munca unui motor cu ardere internă este irosită la încălzirea componentelor motorului; o parte de căldură este transportată de gazele de evacuare.

Este adesea necesar să se evalueze eficacitatea mecanismului, fezabilitatea utilizării acestuia. Prin urmare, pentru a calcula ce parte din munca depusă este irosită și ce parte este utilă, un special cantitate fizica, care arată eficiența mecanismului.

Această valoare se numește eficiența mecanismului

Coeficient acțiune utilă mecanismul este egal cu raportul dintre munca utilă și munca totală. Evident, eficiența este întotdeauna mai mică decât unitatea. Această valoare este adesea exprimată ca procent. De obicei, este notat cu litera greacă η (a se citi „aceasta”). Eficiența este abreviată ca eficiență.

η \u003d (A_full / A_useful) * 100%,

unde η eficiență, A_lucru complet complet, A_muncă utilă.

Dintre motoare, motorul electric are cel mai mare randament (până la 98%). Eficiența motoarelor combustie interna 20% - 40%, turbină cu abur aproximativ 30%.

Rețineți că pentru creşterea eficienţei mecanismuluiîncearcă adesea să reducă forța de frecare. Acest lucru se poate face folosind diverși lubrifianți sau rulmenți cu bile în care frecarea de alunecare este înlocuită cu frecarea de rulare.

Exemple de calcul al eficienței

Luați în considerare un exemplu. Un biciclist cu o masă de 55 kg urcă un deal cu o masă de 5 kg, a cărui înălțime este de 10 m, în timp ce lucrează 8 kJ. Găsiți eficiența bicicletei. Frecarea de rulare a roților pe șosea nu este luată în considerare.

Soluţie. Aflați masa totală a bicicletei și a biciclistului:

m = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Să aflăm greutatea lor totală:

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

Găsiți munca efectuată la ridicarea bicicletei și a biciclistului:

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

Să aflăm eficiența bicicletei:

A_plin / A_util * 100% = 6 kJ / 8 kJ * 100% = 75%

Răspuns: Eficiența bicicletei este de 75%.

Să luăm în considerare încă un exemplu. Un corp de masă m este suspendat de capătul brațului de pârghie. O forță în jos F este aplicată celuilalt braț, iar capătul său este coborât cu h. Aflați cât de mult s-a ridicat corpul dacă eficiența pârghiei este η%.

Soluţie. Aflați munca efectuată de forța F:

η % din acest lucru se face pentru a ridica un corp de masă m. Prin urmare, Fhη / 100 a fost cheltuit pentru ridicarea corpului. Deoarece greutatea corpului este egală cu mg, corpul s-a ridicat la o înălțime de Fhη / 100 / mg.

Se știe că energia electrică se transmite pe distanțe mari la tensiuni care depășesc nivelul folosit de consumatori. Utilizarea transformatoarelor este necesară pentru a converti tensiunile la valorile necesare, pentru a crește calitatea procesului de transmisie a puterii și, de asemenea, pentru a reduce pierderile rezultate.

Descrierea și principiul de funcționare a transformatorului

Un transformator este un dispozitiv folosit pentru a reduce sau a crește tensiunea, a schimba numărul de faze și, în cazuri rare, a schimba frecvența unui curent alternativ.

Există următoarele tipuri de dispozitive:

• putere;
• măsurare;
• putere redusă;
• impuls;
• transformatoare de vârf.

Un aparat static este format din următoarele elemente structurale principale: două (sau mai multe) înfășurări și un circuit magnetic, numit și miez. În transformatoare, tensiunea este aplicată înfășurării primare, iar secundarul este îndepărtat deja în forma convertită. Înfășurările sunt cuplate inductiv, prin intermediul unui câmp magnetic în miez.

Alături de alte convertoare, transformatoarele au un factor de eficiență (abreviat - eficienţă), cu un simbol. Acest raport este raportul dintre energia utilizată efectiv și energia consumată din sistem. De asemenea, poate fi exprimat ca raportul dintre puterea consumată de sarcină și dispozitivul consumat din rețea. Eficiența se referă la unul dintre parametrii importanți care caracterizează randamentul muncii efectuate de transformator.

Tipuri de pierderi într-un transformator

Procesul de transfer a energiei electrice de la înfășurarea primară la secundară este însoțită de pierderi. Din acest motiv, nu toată energia este transferată, ci cea mai mare parte a acesteia.

Designul dispozitivului nu prevede piese rotative, spre deosebire de alte mașini electrice. Aceasta explică absența pierderilor mecanice în ea.

Deci, dispozitivul are următoarele pierderi:

• electrice, în înfăşurări de cupru;
• magnetic, in miez de otel.

Diagrama energetică și Legea conservării energiei

Principiul de funcționare al dispozitivului poate fi prezentat schematic sub forma unei diagrame de energie, așa cum se arată în imaginea 1. Diagrama reflectă procesul de transfer de energie, în timpul căruia se formează pierderi electrice și magnetice. .

Conform diagramei, formula pentru determinarea puterii efective P 2 este următoarea:

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

unde, P 2 este util, iar P 1 este puterea consumată de dispozitiv din rețea.

Indicând pierderile totale ΔP, legea conservării energiei va arăta astfel: P 1 = ΔP + P 2 (2)

Din această formulă se poate observa că P 1 este cheltuit pe P 2 și, de asemenea, pe pierderile totale ΔP. Prin urmare, randamentul transformatorului se obține ca raport dintre puterea de ieșire (utilă) și puterea consumată (raportul dintre P2 și P1).

Determinarea randamentului

Cu precizia necesară pentru calcularea dispozitivului, valorile pre-derivate ale eficienței pot fi luate din tabelul nr. 1:

După cum se arată în tabel, valoarea parametrului depinde direct de puterea totală.

Determinarea randamentului prin masurare directa

Formula pentru calcule de eficienta poate fi prezentat în mai multe versiuni:

Această expresie reflectă în mod clar că valoarea eficienței transformatorului nu este mai mare de unu și, de asemenea, nu este egală cu aceasta.

Următoarea expresie definește valoarea puterii nete:

P 2 \u003d U 2 * J 2 * cosφ 2, (4)

unde U 2 și J 2 sunt tensiunea secundară și curentul sarcinii, iar cosφ 2 este factorul de putere, a cărui valoare depinde de tipul de sarcină.

Deoarece P 1 =ΔP+P 2 , formula (3) ia următoarea formă:

Pierderile electrice ale înfășurării primare ΔP el1n depind de pătratul puterii curentului care curge în ea. Deci ar trebui definite astfel:

(6)

La randul lui:

(7)

unde r mp este rezistența activă a înfășurării.

Deoarece funcționarea aparatului electromagnetic nu se limitează la modul nominal, determinarea gradului de sarcină curentă necesită utilizarea unui factor de sarcină, care este egal cu:

β=J2/J2n, (8)

unde J 2n este curentul nominal al înfășurării secundare.

De aici, scriem expresii pentru determinarea curentului înfășurării secundare:

J 2 \u003d β * J 2n (9)

Dacă înlocuim această egalitate în formula (5), obținem următoarea expresie:

Rețineți că GOST recomandă determinarea valorii eficienței folosind ultima expresie.

Rezumând informațiile prezentate, observăm că este posibil să se determine eficiența unui transformator prin valorile puterii înfășurărilor primare și secundare ale aparatului în modul nominal.

Determinarea eficienței printr-o metodă indirectă

Datorită valorilor de eficiență ridicată, care pot fi egale cu 96% sau mai mult, precum și metodei neeconomice de măsurători directe, calculați parametrul cu un grad înalt precizia nu este posibila. Prin urmare, determinarea sa se realizează de obicei printr-o metodă indirectă.

Rezumând toate expresiile obținute, obținem următoarea formulă de calcul a eficienței:

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

Pe scurt, trebuie remarcat faptul că mare indicator de eficiență indică funcţionarea eficientă a aparatului electromagnetic. Pierderile în înfășurări și miez de oțel, conform GOST, sunt determinate în timpul unui experiment sau unui scurtcircuit, iar măsurile care vizează reducerea acestora vor ajuta la atingerea valorilor maxime posibile ale eficienței, ceea ce trebuie să depuneți. pentru.

În realitate, munca efectuată cu ajutorul oricărui dispozitiv este întotdeauna o muncă mai utilă, deoarece o parte din lucru este efectuată împotriva forțelor de frecare care acționează în interiorul mecanismului și la mutarea părților sale individuale. Deci, folosind un bloc mobil, efectuează lucrări suplimentare, ridicând blocul în sine și frânghia și, depășind forțele de frecare din bloc.

Introducem următoarea notație: notăm munca utilă cu $A_p$ și munca completă cu $A_(poln)$. Făcând acest lucru, avem:

Definiție

Coeficient de performanță (COP) numit raportul dintre munca utilă și plină. Notăm eficiența cu litera $\eta $, atunci:

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

Cel mai adesea, eficiența este exprimată ca procent, apoi definiția sa este formula:

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

Atunci când creează mecanisme, încearcă să-și mărească eficiența, dar mecanismele cu o eficiență egală cu unul (și chiar mai mult decât unul) nu există.

Și astfel, factorul de eficiență este o mărime fizică care arată ponderea pe care o are munca utilă din toată munca depusă. Cu ajutorul eficienței se evaluează eficiența unui dispozitiv (mecanism, sistem) care transformă sau transmite energie care efectuează muncă.

Pentru a crește eficiența mecanismelor, puteți încerca să reduceți frecarea în axele lor, masa lor. Dacă frecarea poate fi neglijată, masa mecanismului este semnificativ mai mică decât masa, de exemplu, a sarcinii pe care mecanismul o ridică, atunci eficiența este puțin mai mică decât unitatea. Atunci munca efectuată este aproximativ egală cu munca utilă:

Regula de aur a mecanicii

Trebuie amintit că un câștig în muncă nu poate fi obținut folosind un mecanism simplu.

Să exprimăm fiecare dintre lucrările din formula (3) ca produs al forței corespunzătoare de calea parcursă sub influența acestei forțe, apoi transformăm formula (3) în forma:

Expresia (4) arată că, folosind un mecanism simplu, câștigăm în forță cât pierdem pe drum. Această lege este numită „regula de aur” a mecanicii. Această regulă a fost formulată în Grecia antică de Heron din Alexandria.

Această regulă nu ține cont de munca de depășire a forțelor de frecare, de aceea este aproximativă.

Eficiență în transmiterea puterii

Factorul de eficiență poate fi definit ca raportul dintre munca utilă și energia cheltuită pentru implementarea sa ($Q$):

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

Pentru a calcula eficiența unui motor termic, se utilizează următoarea formulă:

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

unde $Q_n$ este cantitatea de căldură primită de la încălzitor; $Q_(ch)$ - cantitatea de căldură transferată la frigider.

Eficiența unui motor termic ideal care funcționează conform ciclului Carnot este:

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

unde $T_n$ - temperatura încălzitorului; $T_(ch)$ - temperatura frigiderului.

Exemple de sarcini pentru eficiență

Exemplul 1

Exercițiu. Motorul macaralei are o putere de $N$. Pentru un interval de timp egal cu $\Delta t$, el a ridicat o sarcină de masă $m$ la o înălțime $h$. Care este eficiența macaralei?\textit()

Soluţie. Munca utilă în problema luată în considerare este egală cu munca de ridicare a corpului la o înălțime $h$ a unei sarcini de masă $m$, aceasta este munca de depășire a forței gravitaționale. Este egal cu:

Munca totală efectuată la ridicarea unei sarcini poate fi găsită folosind definiția puterii:

Să folosim definiția factorului de eficiență pentru a-l găsi:

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

Transformăm formula (1.3) folosind expresiile (1.1) și (1.2):

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

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

Exemplul 2

Exercițiu. Gaz ideal execută un ciclu Carnot, în timp ce eficiența ciclului este egală cu $\eta $. Care este lucrul într-un ciclu de compresie a gazului la temperatură constantă? Lucrul efectuat de gaz în timpul expansiunii este $A_0$

Soluţie. Eficiența ciclului este definită astfel:

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

Luați în considerare ciclul Carnot, determinați în ce procese este furnizată căldura (va fi $Q$).

Deoarece ciclul Carnot este format din două izoterme și două adiabate, putem spune imediat că nu există transfer de căldură în procesele adiabatice (procesele 2-3 și 4-1). În procesul izoterm 1-2 se furnizează căldură (Fig.1 $Q_1$), în procesul izoterm 3-4 căldura este îndepărtată ($Q_2$). Rezultă că în expresia (2.1) $Q=Q_1$. Știm că cantitatea de căldură (prima lege a termodinamicii) furnizată sistemului în timpul unui proces izoterm merge complet pentru a efectua munca de către gaz, ceea ce înseamnă:

Gazul efectuează o muncă utilă, care este egală cu:

Cantitatea de căldură care este îndepărtată în procesul izoterm 3-4 este egală cu munca de compresie (lucrarea este negativă) (deoarece T=const, apoi $Q_2=-A_(34)$). Ca urmare, avem:

Transformăm formula (2.1) ținând cont de rezultatele (2.2) - (2.4):

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

Deoarece prin condiția $A_(12)=A_0,\ $în final obținem:

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

În viață, o persoană se confruntă cu problema și nevoia de a se transforma tipuri diferite energie. Dispozitivele care sunt concepute pentru a converti energia se numesc mașini energetice (mecanisme). De exemplu, mașinile electrice includ: un generator electric, un motor cu ardere internă, un motor electric, un motor cu abur etc.

În teorie, orice fel de energie se poate transforma complet într-un alt tip de energie. Dar în practică, pe lângă transformările de energie din mașini, au loc transformări de energie, care se numesc pierderi. Perfecțiunea mașinilor de putere determină coeficientul de performanță (COP).

DEFINIȚIE

Eficiența mecanismului (mașinii) numit raportul dintre energia utilă () și energia totală (W), care este furnizată mecanismului. De obicei, eficiența este notă cu litera (aceasta). În formă matematică, definiția eficienței este scrisă după cum urmează:

Eficiența poate fi definită în termeni de muncă, ca raportul dintre (muncă utilă) și A (muncă completă):

Poate fi găsit și ca raport de putere:

unde este puterea furnizată mecanismului; - puterea pe care consumatorul o primeste de la mecanism. Expresia (3) poate fi scrisă diferit:

unde este partea din putere care se pierde în mecanism.

Din definițiile eficienței, este evident că nu poate fi mai mult de 100% (sau nu poate fi mai mult de unul). Intervalul în care se situează randamentul: .

Factorul de eficiență este utilizat nu numai pentru a evalua nivelul de perfecțiune al mașinii, ci și pentru a determina eficacitatea oricărui mecanism complexși tot felul de dispozitive care sunt consumatori de energie.

Ei încearcă să realizeze orice mecanism astfel încât pierderile inutile de energie să fie minime (). În acest scop, ei încearcă să reducă forțele de frecare (diverse tipuri de rezistență).

Eficiența conexiunilor mecanismelor

Când se ia în considerare un mecanism (dispozitiv) complex structural, se calculează eficiența întregii structuri și eficiența tuturor nodurilor și mecanismelor sale care consumă și convertesc energia.

Dacă avem n mecanisme care sunt conectate în serie, atunci eficiența sistemului rezultat se găsește ca produsul eficienței fiecărei părți:

Când mecanismele sunt conectate în paralel (Fig. 1) (un motor antrenează mai multe mecanisme), munca utilă este suma muncii utile de la fiecare parte individuală a sistemului. Dacă munca cheltuită de motor este notată cu , atunci eficiența în acest caz se găsește ca:

Unitati de eficienta

În cele mai multe cazuri, eficiența este exprimată ca procent.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercițiu	Care este puterea mecanismului care ridică un ciocan cu masa m până la o înălțime h n ori pe secundă dacă randamentul mașinii este?
Soluţie	Puterea (N) poate fi găsită din definiția sa ca: Deoarece frecvența () este specificată în condiția (ciocanul se ridică de n ori pe secundă), găsim timpul ca: Postul va fi găsit ca: În acest caz (ținând cont de (1.2) și (1.3)) expresia (1.1) se transformă în: Deoarece eficiența sistemului este , scriem: unde este puterea dorită, atunci:
Răspuns

EXEMPLUL 2

Exercițiu

Care va fi eficiența unui plan înclinat dacă lungimea, înălțimea sa h? Coeficientul de frecare atunci când un corp se mișcă într-un plan dat este egal cu .

Soluţie

Să facem un desen. Ca bază pentru rezolvarea problemei, luăm formula pentru calcularea eficienței sub forma: Lucrul util va fi munca de ridicare a sarcinii la o înălțime h: Lucrările efectuate în timpul livrării mărfii prin deplasarea acesteia de-a lungul unui anumit avion pot fi găsite ca: unde este forța de tracțiune, pe care o găsim din a doua lege a lui Newton, având în vedere forțele care se aplică corpului (Fig. 1):

Rezumat pe tema:

Eficienţă

Plan:

Introducere

• 1 Eficiența motorului termic
• 2 Eficiență peste 100%
  • 2.1 Randamentul cazanului
  • 2.2 Pompe de căldură și răcitoare
Note
Literatură

Introducere

Eficienţă (eficienţă) - o caracteristică a eficienței unui sistem (dispozitiv, mașină) în raport cu conversia sau transferul de energie. Este determinată de raportul dintre energia utilă utilizată și cantitatea totală de energie primită de sistem; de obicei notat cu η: η = W câmp / W cym. Eficiența este o mărime adimensională și este adesea măsurată ca procent. Din punct de vedere matematic, definiția eficienței poate fi scrisă ca

,

Unde DAR- energie utilă (muncă) și Q- energia cheltuită (muncă).

În virtutea legii conservării energiei, eficiența este întotdeauna mai mică decât unitatea (în limită este egală cu aceasta), adică este imposibil să se obțină o muncă mai utilă decât energia cheltuită (totuși, vezi mai jos).

1. Eficiența unui motor termic

Eficiența motorului termic- raportul dintre munca utilă efectuată de motor și energia cheltuită primită de la încălzitor. Eficiența unui motor termic poate fi calculată folosind următoarea formulă

,

Unde Q 1 - cantitatea de căldură primită de la încălzitor (combustibil, sursă fierbinte), Q 2 - cantitatea de căldură dată sursei de frig (mediul extern, într-o turbină cu gaz deschisă - aerul preluat din mediul exterior). Motoarele termice care funcționează conform ciclului Carnot au cea mai mare eficiență.

2. Eficiență peste 100%

După cum am menționat mai sus, conceptele moderne de conservare a energiei nu permit existența unor dispozitive cu o eficiență mai mare de 100%. Un astfel de dispozitiv ar putea fi o mașină cu mișcare perpetuă de primul fel. Conform primei legi a termodinamicii, este imposibil, dar până în prezent există rapoarte (inclusiv reclame) despre astfel de dispozitive în presă (de exemplu, generatorul de căldură al lui Potapov, se presupune, generează mai multă căldură decât consumă electricitate). Dacă aceste fapte ar fi confirmate, s-ar produce o revoluție în fizică, care din anumite motive nu este observată.

Cu toate acestea, unele dispozitive pot genera într-adevăr mai multă energie utilă decât sunt calculate pentru a utiliza.

2.1. randamentul cazanului

Randamentul cazanelor pe combustibili fosili se calculeaza in mod traditional din puterea calorica neta; se presupune că umiditatea produselor de ardere părăsește cazanul sub formă de abur supraîncălzit. În cazanele cu condensare, această umiditate este condensată, căldura de condensare este utilizată în mod util. Când se calculează eficiența în funcție de puterea calorică mai mică, se poate dovedi în cele din urmă a fi mai mult de unul. In acest caz, mai corect ar fi sa o consideram in functie de puterea calorica bruta, care tine cont de caldura de condensare a aburului; cu toate acestea, performanța unui astfel de cazan este dificil de comparat cu datele din alte instalații.

2.2. Pompe de căldură și răcitoare

Avantajul pompelor de căldură ca tehnică de încălzire este capacitatea de a primi uneori mai multă căldură decât energia cheltuită pentru munca lor; în mod similar, o mașină de refrigerare poate elimina mai multă căldură de la capătul răcit decât este cheltuită pentru organizarea procesului.

Eficiența unor astfel de motoare termice este caracterizată de coeficient de performanță(pentru răcitoare) sau raportul de transformare(pentru pompe de caldura)

,

Unde Q- căldură preluată de la capătul rece (în mașinile frigorifice) sau transferată la capătul cald (în pompele de căldură); A- munca (sau electricitatea) cheltuită în acest proces. Cei mai buni indicatori de performanță pentru astfel de mașini au ciclul Carnot invers: în el coeficientul de performanță

,

Unde T 1 , T 2 - temperaturi ale capetelor calde și reci, K . Această valoare, evident, poate fi arbitrar de mare; deși practic este greu de abordat, coeficientul de performanță poate depăși totuși unitatea. Acest lucru nu contrazice prima lege a termodinamicii, deoarece, pe lângă energia luată în considerare (de exemplu, electrică), energia luată de la capătul fierbinte este transformată în căldură utilă. Cu toate acestea, a numi acest indicator „eficiență”, care se face uneori în publicațiile publicitare, este incorect.

Note

1. Generatorul de căldură vortex al lui Potapov - www.patlah.ru/etm/etm-24/a_energia/generator_potapova/generator_potapova.htm. Enciclopedia Tehnologiilor și Metodelor.
2. Coeficient de refrigerare - dic.academic.ru/dic.nsf/bse/147721/Refrigerating- articol din Marea Enciclopedie Sovietică

Literatură

• Peryshkin A.V. Fizică. clasa a 7-a. - Dropia, 2005. - 192 p. - 50.000 de exemplare. - ISBN 5-7107-9459-7.

Acest rezumat se bazează pe un articol din Wikipedia rusă. Sincronizare finalizată pe 07/11/11 00:01:38
Rezumate similare: