Более подробную информацию по этому вопросу см. в разделе «Как определить производительность». Кроме того, команда VK опубликовала несколько интересных материалов. Вы можете зарегистрироваться и присоединиться к группе.
Формула КПД (коэффициента полезного действия)
На самом деле, работа, выполняемая любым устройством, всегда будет больше полезной работы, так как часть ее выполняется против сил трения, действующих на механизм и движение его отдельных частей. Поэтому при использовании подвижных блоков дополнительная работа выполняется за счет подъема самого блока и каната для преодоления сил трения внутри блока.
Стоит упомянуть следующие символы. Полезные проекты обозначаются $ a_p $, общий проект — $ a_ $. Итак, у нас есть:.
Полицейский — причина работы, полезной для всего проекта. Для обозначения эффективности мы используем букву $ \ eta $.
В большинстве случаев эффективность использования времени выражается в процентах и определяется следующими типами
При создании механизма стараются повысить эффективность, но не существует механизма (или одного или нескольких) с эффективностью.
Таким образом, коэффициент эффективности является натуральной величиной, которая указывает на долю проекта, полезную для всех сгенерированных проектов. Производительность используется для оценки эффективности устройств (механизмов, систем), которые преобразуют или передают энергию и выполняют задачи.
Для повышения эффективности механизма можно уменьшить трение между осями, массами. Если трение пренебрежимо мало, то масса механизма существенно меньше, чем, например, масса груза, поднимающего механизм, а производительность несколько ниже единицы. Созданный проект затем практически идентичен полезной работе.
Золотое правило механики
Следует помнить, что преимущества работы с простыми механизмами не достигаются.
Пусть каждая работа выражается уравнением (3). как произведение соответствующих сил на путь, движущийся от этой силы, то преобразуйте вид (3) в формулу (3).
Уравнение (4) показывает, что при использовании простого механизма вы получаете столько же энергии, сколько теряете на пути. Этот закон известен как «золотое правило» инженерии. Это правило было сформулировано в Древней Греции Героном Александрийским.
Такой подход объясняется тем, что это правило не учитывает задачу преодоления сил трения.
КПД при передаче энергии
Коэффициент эффективности можно определить как отношение полезной работы к затраченным на ее выполнение действиям ($ q $).
Для расчета степени производительности тепловой машины используются следующие типы
где $ q_n $ — количество тепла, полученное от нагревателя- $ q_ $ — количество тепла, переданное теплоносителю.
Степень производительности идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, равна
где $ t_n $ — температура нагревателя- $ t_ $ — температура холодильника.
Наука и инженерия никогда не стагнировали. Постоянно изобретаются методы снижения теплопотерь, уменьшения трения между деталями машин и повышения энергоэффективности.
Определение и расшифровка КПД
Сокращение от «коэффициент эффективности». Однако даже такая интерпретация может быть не столь однозначной, как кажется на первый взгляд. Она описывает эффективность системы или отдельного органа, а чаще машины. Производительность характеризуется производством или преобразованием энергии.
Этот фактор относится практически ко всему, что нас окружает. В конце концов, мы всегда делаем полезную работу, но как часто и насколько она важна — это другой вопрос, поэтому используется термин «коэффициент полезного действия».
Важно отметить, что этот фактор является неограниченной величиной, обычно математическим значением, например, 0 и 1, или часто процентом.
В физике этот коэффициент обозначается буквой Ƞ, или Eta, как его обычно называют.
Полезная работа
При использовании механизма или устройства всегда выполняйте поставленную задачу. Как правило, он всегда больше, чем размер, необходимый для выполнения поставленной задачи. На основании этих данных можно выделить два типа работ: дорогие работы, обозначаемые заглавной буквой, одна с маленькой h (Az) A, а другая удобная A с буквой p (Ap). См. следующий пример. Есть задача поднять камень определенной массы на определенную высоту. В этом случае задача описывает только превышение силы тяжести, которая затем действует на груз.
При использовании подъемного оборудования важно учитывать вес блока плюс вес его компонентов. Кроме того, важно помнить, что, выигрывая в силе, мы всегда проигрываем в путешествиях. Все эти факты приводят к выводу, что затраты труда в любом случае являются более полезной задачей, Az> Ap, вопрос в том, насколько мы можем максимально сократить эту разницу и повысить эффективность, мы или наши устройства.
Полезные задачи являются частью ввода, осуществляемого с помощью механизма. Урожайность — это физическая величина того, сколько полезной работы использовано по сравнению с общей затраченной работой.
- Затрачиваемая работа Aз всегда больше полезной Ап.
- Чем больше отношение полезной к затрачиваемой, тем выше коэффициент, и наоборот.
- Ап находится произведением массы на ускорение свободного падения и на высоту подъема.
Физическая формула КПД
Существует формула для нахождения коэффициента доходности. В физике, чтобы найти коэффициент полезного действия, количество энергии делится на работу, выполненную системой. Другими словами, степень эффективности — это отношение затраченной энергии к выполненной работе. Отсюда следует простой вывод: чем лучше и эффективнее система или организм, тем меньше энергии ему требуется для выполнения своей работы.
Само уравнение выглядит кратко и очень просто: Ƞ равно A/Q. То есть Ƞ = A/Q. В этой короткой формуле данные, необходимые для расчета, фиксированы. Другими словами, A в данном случае — это энергия, которая потребляется системой во время работы. Заглавная буква Q — это энергия, потребленная A, т.е. затраченная энергия.
В идеале коэффициент доходности должен быть равен 1. Но, как всегда, это не так просто. Это объясняется физикой и, конечно же, законом сохранения энергии.
Дело в том, что закон сохранения энергии означает, что вы не можете приобрести больше А, чем приобретается энергии. А поскольку энергия всегда расходуется, один редко равен одному. А с работой приходят потери. В случае с двигателями, например, потеря заключается в их обильном нагреве.
В реальной жизни устройства не могут работать без потерь энергии. Их можно минимизировать различными способами, например, путем снижения трения и тепловых потерь. Мера, характеризующая производительность устройства, называется коэффициентом производительности.
Единицы измерения
Производительность является безразмерной. Это означает, что нет необходимости устанавливать единицу измерения. Однако его можно выразить в процентах. Для этого разделите формулу на 100 % и умножьте полученное число. На уроках математики в школе нам говорили, что процент — это сантиметр. Умножьте на 100%, чтобы узнать, сколько сантиметров составляет это число.
Эта цена зависит от того, какую часть всего идеального изделия можно превратить в полезную вещь. Прежде всего, это зависит от механизма или самой машины. Инженеры всего мира упорно работают над повышением эффективности машин. В электромобилях, например, КПД очень высок и превышает 90%.
Двигатели внутреннего сгорания, с другой стороны, по своей конструкции не могут приближаться к 100%. Кроме того, энергия топлива не действует непосредственно на вращающиеся колеса. Энергия распределяется по отдельным шестеренкам. Здесь слишком много транспорта, и часть выхлопных газов все равно уходит в выхлопную трубу.
Мощность и КПД
Мощность механизма или устройства равна работе, выполняемой в единицу времени. Работа (A) измеряется в джоулях, а время — в секундах C. Однако не стоит путать понятия власти и номинальной власти. Если чайник выдает мощность 1 700 ватт, это не значит, что он передает налитой в него воде 1 700 джоулей в секунду. Это номинальная мощность. Чтобы найти чайник, нужно найти количество тепла (Q), которое должно получить определенное количество воды при нагревании под определенным углом. Это число делится на работу, выполненную электричеством за время, необходимое для нагрева воды.
A равна номинальной мощности, умноженной на время в секундах. Q равен количеству воды, умноженному на разницу температур в удельной теплоемкости. Деление Q на силу тока A дает КПД электрического чайника около 80%. Прогресс продолжается, и эффективность различных приборов, включая бытовую технику, повышается.
Возникает вопрос, почему выходная мощность не дает представления о производительности устройства. Номинальная мощность всегда указывается на упаковке устройства. Это указывает на количество энергии, потребляемой устройством от сети. Но в любом случае, невозможно точно предсказать, сколько энергии необходимо для нагрева даже литра воды.
Например, в холодном помещении часть энергии используется для обогрева помещения. Это связано с тем, что чайник охлаждается в результате теплообмена. С другой стороны, если в комнате тепло, чайник закипает быстрее. Это означает, что эффективность в каждом из этих случаев разная.
Формула работы в физике
Для механической работы формула проста: A = F xS. Если расшифровать ее, то сила равна приложенной силе на расстоянии, на которое действовала сила. Например, груз весом 15 кг поднимается на высоту 2 метра. Механическая работа, необходимая для преодоления силы тяжести, равна FxS = m x g x S. То есть 15 х 9,8 х 2 = 294 Дж. С точки зрения тепла, A в данном случае является тепловой величиной. Например, на кухне нагревается вода. Ее внутренняя энергия изменяется и увеличивается на величину, равную произведению массы воды на удельную теплоемкость в той степени, в которой она была нагрета.
Пример 2.Автомобиль проехал расстояние в 100 километров. Вес автомобиля с пассажирами и багажом составлял 1400 кг. Было израсходовано 14 литров бензина. Поиск: производительность 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.
Полезная работа в данном случае — это энергия, необходимая для нагрева воды с 283°K до 373°K. Затраченная работа будет равна мощности чайника, умноженной на время кипения. Таким образом, уравнение производительности котла должно быть записано как.
Учитывая $ m = \ rhoV$ и $P = UI$, окончательное выражение для производительности котла имеет вид
Подставляя в него данные из условий, получаем $ \ eta =0,63$. или 63% в процентном выражении.
- 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.
Кроме того, $ F = 130 Н $ — это сила, приложенная к устройству.
Сокращение от «коэффициент эффективности». Однако даже такая интерпретация может быть не столь однозначной, как кажется на первый взгляд. Она описывает эффективность системы или отдельного органа, а чаще машины. Производительность характеризуется производством или преобразованием энергии.
Как устроен тепловой двигатель
Тепловой двигатель состоит из трех основных частей
В основе работы двигателя лежит процесс циркуляции.
Нагреватель, например, сжигание топливной смеси, которая выделяет большое количество тепла и передает его рабочему органу.
Рабочее тело, например, пар, газ или жидкость, расширяется при нагревании и совершает работу. Вращается турбина или перемещается поршень.
Охладитель необходим для возвращения рабочего тела в исходное состояние. Он поглощает часть энергии рабочего тела. Это обеспечивает рециркуляцию и поддерживает работу теплового двигателя.
Идеальный тепловой двигатель Карно
Модель двигателя Карно была разработана французским физиком Ш. Карно.
Рабочей частью двигателя Карно является поршень в цилиндре, заполненном газом. Машина Карно является идеальной машиной и возможна только теоретически. Таким образом, в этом случае силы трения и тепловые потери между поршнем и цилиндром считаются нулевыми.
Механическая работа максимальна, когда рабочее тело совершает цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. При изотермическом расширении работа газа совершается за счет внутренней энергии нагревателя. В адиабатическом процессе это происходит за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле нет теплопередачи без совершения работы, так как нет контакта между объектами с разными температурами. Этот цикл известен как цикл Карно.
Адиабатические процессы — это термодинамические процессы, протекающие без передачи тепла в окружающую среду (Q = 0).
Изотермические процессы — это термодинамические процессы, протекающие при постоянной температуре. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, поэтому количество тепла Q, переданное газу, полностью передается проекту A (Q = A).
Двигатель Карно работает следующим образом.
- Цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара тепло.
- Цилиндр окружается теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется. Газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
- На третьей фазе теплоизоляция снимается. Газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
- Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией. Газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется, и цикл повторяется вновь с первой фазы.
Чем больше разница температур между нагревателем и охладителем, тем выше эффективность двигателя Karnaugh.
Расчет коэффициента полезного действия
Уравнение для расчета КПД теплового двигателя:.
Где Q1 — количество энергии, отданной нагревателем — A — работа, совершенная рабочим телом — Q2 -это количество энергии, отданной охладителю.
Для расчета КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, формула имеет вид
где T1 температура нагревателя — T2 — температура холодильника.
Используя уравнение Карнауха, можно рассчитать предельный (максимально возможный) КПД теплового двигателя.
Построение графика КПД теплового двигателя
Работа, совершаемая рабочим телом в процессе циркуляции, численно равна площади цикла на диаграмме давление-объем. Если окружность расположена по часовой стрелке, произведение численно равно знаку «+». Если по часовой стрелке, то он равен знаку ‘-‘.
Чтобы создать такой график, необходимо сделать следующее
- Отложить объем рабочего тела (V) по оси абсцисс.
- Отложить давление рабочего тела (p) по оси ординат.
- Расположить на графике точки изотермы и адиабаты.
Для цикла Карнауха график должен выглядеть следующим образом
A равна номинальной мощности, умноженной на время в секундах. Q равен количеству воды, умноженному на разницу температур в удельной теплоемкости. Деление Q на силу тока A дает КПД электрического чайника около 80%. Прогресс продолжается, и эффективность различных приборов, включая бытовую технику, повышается.
Заключение
Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и систем автоматизации», МИФИ, 2005-2010 гг.
Производительность является безразмерной. Это означает, что нет необходимости устанавливать единицу измерения. Однако его можно выразить в процентах. Для этого разделите формулу на 100 % и умножьте полученное число. На уроках математики в школе нам говорили, что процент — это сантиметр. Умножьте на 100%, чтобы узнать, сколько сантиметров составляет это число.
Более подробную информацию по этому вопросу см. в разделе «Как определить производительность». Кроме того, команда VK опубликовала несколько интересных материалов. Вы можете зарегистрироваться и присоединиться к группе.
