В реальной жизни ни одно устройство не может работать без потерь энергии. Их минимизируют различными способами – уменьшением трения, уменьшением тепловых потерь и т.д. Показатель, который характеризует эффективность устройства, называется коэффициентом полезного действия.
Что такое коэффициент полезного действия
Отношение полезной работы к затраченной – это коэффициент полезного действия. Для двигателя внутреннего сгорания, на котором работает большая часть автомобилей, КПД колеблется в пределах 20-25%. Часть энергии тратится на нагрев деталей, часть – на преодоление трения, вдобавок к этому не всё топливо сгорает, а еще большая доля тепла выходит с выхлопными газами. Для сравнения КПД электромобиля составляет примерно 94%.
Формула коэффициента полезного действия в общем виде выглядит так:
$eta = {A over Q}$,
где А – полезная работа, а Q – вся энергия, затраченная на выполнения задачи
КПД теплового двигателя циклической машины определяется по формуле:
$eta = {Q_1 – Q_2 over Q_1}$,
где $Q_1 – Q_2$ – разность полученного тепла и тепла, отданного холодильнику.
Максимальный КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, равен:
$eta = {T_1 – T_2 over T_1}$,
где $T_1$ – температура нагревателя, а $T_2$ – холодильника.
В случае электродвигателя КПД можно найти по формуле:
$eta = {P_2 over P_1}$,
где P_2 – полезная мощность, затраченная на преобразование электрической энергии в механическую, а P_1 – общая мощность двигателя.
Задачи
- В чайник налили 1,5 л холодной воды, ее температура – 283˚ К. Чтобы довести ее до кипения, понадобилось 6 минут. Сила тока, потребляемая чайником – 11 А. Напряжение в электрической сети – 228 В. Рассчитать КПД чайника.
Решение
Полезной работой в этом случае будет энергия, которая необходима для разогрева воды от 283˚ К до 373˚ К. Затраченной работой будет мощность чайника, умноженная на время закипания. Поэтому формулу КПД чайника запишем так:
$eta = {cm(T_2 – T_1) over Pt}$
Так как $m = rho V$, а $P = UI$, то окончательная формула КПД чайника будет выглядеть так:
$eta = {crho V (T_2 – T_1) over UIt}$
Подставив в нее данные из условия, получим, что $eta = 0,63$. Или в процентах – 63%.
- С помощью механического устройства груз массой 9 кг подняли на 20 м. КПД устройства – 70%. Найти силу, которую необходимо приложить к устройству, чтобы поднять груз.
Решение
$eta = {mgH over A}$, но так как $A = {F cdot H}$, то $F = {mg over eta}$
И $F = {90 over 0,7} = 130 Н$ – сила, которую необходимо приложить к устройству.
Что мы узнали?
В ходе урока были разобраны два важнейших понятия – полезная работа и затраченная работа, было дано определение коэффициента полезного действия, приведена его общая формула, а также ее частные вариации для различных устройств. В заключении урока разобраны две задачи.
