Кпд формула физика: Формула КПД (коэффициента полезного действия) в физике

Содержание

Формула КПД (коэффициента полезного действия) в физике

В реальной действительности работа, совершаемая при помощи какого — либо устройства, всегда больше полезной работы, так как часть работы выполняется против сил трения, которые действуют внутри механизма и при перемещении его отдельных частей. Так, применяя подвижный блок, совершают дополнительную работу, поднимая сам блок и веревку и, преодолевая силы трения в блоке.

Введем следующие обозначения: полезную работу обозначим $A_p$, полную работу — $A_{poln}$. При этом имеем:

\[A_p Определение и формула КПД

Определение

Коэффициентом полезного действия (КПД) называют отношение полезной работы к полной. Обозначим КПД буквой $\eta $, тогда:

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

Чаще всего коэффициент полезного действия выражают в процентах, тогда его определением является формула:

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

При создании механизмов пытаются увеличить их КПД, но механизмов с коэффициентом полезного действия равным единице (а тем более больше единицы) не существует.

И так, коэффициент полезного действия — это физическая величина, которая показывает долю, которую полезная работа составляет от всей произведенной работы. При помощи КПД оценивают эффективность устройства (механизма, системы), преобразующей или передающей энергию, совершающего работу.

Для увеличения КПД механизмов можно пытаться уменьшать трение в их осях, их массу. Если трением можно пренебречь, масса механизма существенно меньше, чем масса, например, груза, который поднимает механизм, то КПД получается немного меньше единицы. Тогда произведенная работа примерно равна полезной работе:

\[A_p\approx A_{poln}\left(3\right).\]

Золотое правило механики

Необходимо помнить, что выигрыша в работе, используя простой механизм добиться нельзя.

Выразим каждую из работ в формуле (3) как произведение соответствующей силы на путь, пройденный под воздействием этой силы, тогда формулу (3) преобразуем к виду:

\[F_1s_1\approx F_2s_2\left(4\right).\]

Выражение (4) показывает, что используя простой механизм, мы выигрываем в силе столько же, сколько проигрываем в пути. Данный закон называют «золотым правилом» механики. Это правило сформулировал в древней Греции Герон Александрийский.

Это правило не учитывает работу по преодолению сил трения, поэтому является приближенным.

КПД при передаче энергии

Коэффициент полезного действия можно определить как отношение полезной работы к затраченной на ее выполнение энергии ($Q$):

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

Для вычисления коэффициента полезного действия теплового двигателя применяют следую

Коэффициент полезного действия (КПД) — формулы и расчеты

Эффективность и продолжительность работы силового агрегата зависит от коэффициента полезного действия (КПД). При эксплуатации двигатель превращает тепловую энергию, которая образуется в результате сгорания топлива в механическую. Чтобы найти коэффициент, учитываются характеристики мотора. Формула КПД в физике представлена в виде процентного отношения полезной работы к общей.

Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

Трактовка понятия

Электродвигатель и другие механизмы выполняют определённую работу, которая называется полезной. Устройство, функционируя, частично растрачивает энергию. Для определения эффективности работы применяется формула ɳ= А1/А2×100%, где:

  • А1 — полезная работу, которую выполняет машина либо мотор;
  • А2 — общий цикл работы;
  • η – обозначение КПД.

Показатель измеряется в процентах. Для нахождения коэффициента в математике используется следующая формула: η= А/Q, где А — энергия либо полезная работа, а Q — затраченная энергия. Чтобы выразить значение в процентах, КПД умножается на 100%. Действие не несёт содержательного смысла, так как 100% = 1. Для источника тока КПД меньше единицы.

В старших классах ученики решают задачи, в которых нужно найти КПД тепловых двигателей. Понятие трактуется следующим образом: отношение выполненной работы силового агрегата к энергии, полученной от нагревателя. Расчет производится по следующей формуле: η= (Q1-Q2)/Q1, где:

  • Q1 — теплота, полученная от нагревательного элемента;
  • Q2 — теплота, отданная холодильной установке.

Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

Максимальное значение показателя характерно для циклической машины. Она оперирует при заданных температурах нагревательного элемента (Т1) и холодильника (Т2). Измерение осуществляется по формуле: η= (Т1-Т2)/Т1. Чтобы узнать КПД котла, который функционирует на органическом топливе, используется низшая теплота сгорания.

Плюс теплового насоса как нагревательного прибора заключается в возможности получать больше энергии, чем он может затратить на функционирование. Показатель трансформации вычисляется путём деления тепла конденсации на работу, затрачиваемую на выполнение данного процесса.

Мощность разных устройств

По статистике, во время работы прибора теряется до 25% энергии. При функционировании двигателя внутреннего сгорания топливо сгорает частично. Небольшой процент вылетает в выхлопную трубу. При запуске бензиновый мотор греет себя и составные элементы. На потерю уходит до 35% от общей мощности.

При движении механизмов происходит трение. Для его ослабления используется смазка. Но она неспособна полностью устранить явление, поэтому затрачивается до 20% энергии. Пример на автомобиле: если расход составляет 10 литров топлива на 100 км, на движение потребуется 2 л, а остаток, равный 8 л — потеря.

Если сравнивать КПД бензинового и дизельного моторов, полезная мощность первого механизма равна 25%, а второго — 40%. Агрегаты схожи между собой, но у них разные виды смесеобразования:

Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

  • Поршни бензинового мотора функционируют на высоких температурах, поэтому нуждаются в хорошем охлаждении. Тепло, которое могло бы перейти в механическую энергию, тратится впустую, что способствует снижению КПД.
  • В цепи дизельного устройства топливо воспламеняется в процессе сжатия. На основе данного фактора можно сделать вывод, что давление в цилиндрах высокое, при этом мотор экологичнее и меньше первого аналога. Если проверить КПД при низком функционировании и большом объёме, результат превысит 50%.
  • Асинхронные механизмы

    Расшифровка термина «асинхронность» — несовпадение по времени. Понятие используется во многих современных машинах, которые являются электрическими и способны преобразовывать соответствующую энергию в механическую. Плюсы устройств:

    • простое изготовление;
    • низкая цена;
    • надёжность;
    • незначительные эксплуатационные затраты.

    Чтобы рассчитать КПД, используется уравнение η = P2 / P1. Для расчёта Р1 и Р2 применяются общие данные потери энергии в обмотках мотора. У большинства агрегатов показатель находится в пределах 80−90%. Для быстрого расчёта используется онлайн-ресурс либо личный калькулятор. Для проверки возможного КПД у мотора внешнего сгорания, который функционирует от разных источников тепла, используется силовой агрегат Стирлинга. Он представлен в виде тепловой машины с рабочим телом в виде жидкости либо газа. Вещество движется по замкнутому объёму.

    Принцип его функционирования основан на постепенном нагреве и охлаждении объекта за счёт извлечения энергии из давления. Подобный механизм применяется на косметическом аппарате и современной подводной лодке. Его работоспособность наблюдается при любой температуре. Он не нуждается в дополнительной системе для запуска. Его КПД возможно расширить до 70%, в отличие от стандартного мотора.

    Значения показателя

    Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

    Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

    В 1824 году инженер Карно дал определение КПД идеального двигателя, когда коэффициент равен 100%. Для трактовки понятия была создана специальная машина со следующей формулой: η=(T1 — Т2)/ T1. Для расчёта максимального показателя применяется уравнение КПД макс = (T1-T2)/T1x100%. В двух примерах T1 указывает на температуру нагревателя, а T2 — температуру холодильника.

    На практике для достижения 100% коэффициента потребуется приравнять температуру охладителя к нулю. Подобное явление невозможно, так как T1 выше температуры воздуха. Процедура повышения КПД источника тока либо силового агрегата считается важной технической задачей. Теоретически проблема решается путём снижения трения элементов двигателя и уменьшения теплопотери. В дизельном моторе подобное достигается турбонаддувом. В таком случае КПД возрастает до 50%.

    Мощность стандартного двигателя увеличивается следующими способами:

    • подключение к системе многоцилиндрового агрегата;
    • применение специального топлива;
    • замена некоторых деталей;
    • перенос места сжигания бензина.

    Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

    Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

    КПД зависит от типа и конструкции мотора. Современные учёные утверждают, что будущее за электродвигателями. На практике работа, которую совершает любое устройство, превышает полезную, так как определённая её часть выполняется против трения. Если используется подвижный блок, совершается дополнительная работа: поднимается блок с верёвкой, преодолеваются силы трения в блоке.

    Решение примеров

    Задача 1. Поезд на скорости 54 км/ч развивает мощность 720 кВт. Нужно вычислить силу тяги силовых агрегатов. Решение: чтобы найти мощность, используется формула N=F x v. Если перевести скорость в единицу СИ, получится 15 м/с. Подставив данные в уравнение, определяется, что F равно 48 kН.

    Задача 2. Масса транспортного средства соответствует 2200 кг. Машина, поднимаясь в гору под уклоном в 0,018, проходит расстояние 100 м. Скорость развивается до 32,4 км/ч, а коэффициент трения соответствует 0,04. Нужно определить среднюю мощность авто при движении. Решение: вычисляется средняя скорость — v/2. Чтобы определить силу тяги мотора, выполняется рисунок, на котором отображаются силы, воздействующие на машину:

    • тяжесть — mg;
    • реакция опоры — N;
    • трение — Ftr;
    • тяга — F.

    Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

    Коэффициент полезного действия (КПД) - формулы и расчеты

    Первая величина вычисляется по второму закону Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для ускорения используется уравнение a=v2/2S. Если подставить последние значение и воспользоваться cos, получится средняя мощность. Так как ускорение считается постоянной величиной и равно 9,8 м/с2, поэтому v= 9 м/с. Подставив данные в первую формулу, получится: N= 9,5 kBt.

    При решении сложных задач по физике рекомендуется проверить соответствие предоставленных в условиях единиц измерения с международными стандартами. Если они отличаются, необходимости перевести данные с учётом СИ.

    Предыдущая

    ФизикаФормула давления — примеры и условия расчетов

    Следующая

    ФизикаАбсолютно упругий и неупругий удар двух тел — формулы и примеры расчетов

    КПД теплового двигателя ℹ️ понятие, обозначение, принцип работы и основные элементы идеальной машины, формула расчета, максимальное значение коэффициента


    Понятие теплового двигателя


    Такая машина работает по термодинамическому циклу. Это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую, используя первый и второй законы термодинамики, описывающих преобразование тепла в работу.


    Процесс сжигания топлива включает в себя химическую реакцию, называемую сгоранием, при которой топливо сгорает, потребляя кислород из воздуха с образованием углекислого газа и пара. В процессе своей работы такие агрегаты загрязняют атмосферу, поскольку топливо не сгорает полностью, несгоревшие частицы уносятся в атмосферу с выхлопными или дымовыми газами.


    Модификации тепловых машин:

    • Паровая машина;
    • машина Стирлинга;
    • двигатели внутреннего сгорания — бензиновый и дизельный;
    • газовая турбина;
    • паровая турбина;
    • авиационные реактивные двигатели.

    Устройства внешнего и внутреннего сгорания


    По принципу организации процесса сгорания топлива тепловые машины разделяются на два типа — внешнего и внутреннего сгорания. В первом варианте топливо сгорает снаружи, в специальной камере или топке, размещенных на удаленном расстоянии от основной части двигателя, создающего работу или обеспечивающего движение вала. В качестве примера можно привести паровой двигатель паровоза.



    Уголь подается в топку котла, который нагревает воду, превращая ее в пар, поступающий в стальной цилиндр. В нем пар под большим давлением перемещает плотно прилегающий поршень. Движущийся поршень приводит в действие агрегат, к которому он прикреплен, благодаря чему движется локомотив.


    В устройствах внутреннего сгорания топливо горит внутри его камеры. Например, в автомобильном двигателе устроено от четырех до шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин сгорает, выделяя тепловую энергию. Цилиндры «работают» попеременно, чтобы обеспечить стабильную мощность двигателя, приводящего в движение колеса автомобиля.


    Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели внешнего, потому что не теряется энергия, передаваемая теплом, полученным в цилиндре, все процессы протекают в одном корпусе.

    Анализ теплового цикла


    Тепловой цикл включает в себя четыре термодинамических базовых процесса. Вначале происходит преобразование состояния рабочего тела, а затем, возвращение его в исходное состояние: сжатие, получение тепла, расширение и отвод тепла.


    Каждый из этих процессов осуществляется по следующей схеме, которая определяет условия реализации цикла:


    1. Изотермический — работа выполняется при постоянной температуре.
    2. Изобарический — рабочий цикл реализуется при постоянном давлении.
    3. Изометрический — тепловой процесс протекает при постоянном объеме
    4. Адиабатический — цикл осуществляется при постоянной энтропии.


    Для того чтобы процесс был максимально приближен к обратимому, есть два способа перемещения поршня: изотермический — это означает, что тепло постепенно поступает или выходит из резервуара при температуре, бесконечно отличающейся от температуры газа в поршне, и адиабатический, при котором теплообмен вообще не происходит, газ действует, как пружина.


    Таким образом, когда подводится тепло и газ расширяется, температура газа должна оставаться такой же, как и у источника тепла, при этом газ расширяется изотермически. Точно так же позже он будет сжиматься в цикле изотермически, с выделением тепла.



    Чтобы выяснить эффективность, нужно проследить за полным циклом двигателя, выяснить, сколько он работает, сколько тепла забирается из топлива и сколько энергии теряется при подготовке к следующему циклу.


    Характеристики теплового цикла, связанного с тепловым двигателем, обычно описываются с помощью двух диаграмм изменения состояния: диаграммы PV, показывающей соотношение давление-объем, и диаграммы TS, демонстрирующей пару температура-энтропия.


    Для постоянной массы газа работа теплового двигателя представляет собой повторяющийся цикл, и его PV-диаграмма будет выглядеть замкнутой фигурой.

    КПД тепловой машины


    Тепловой двигатель Карно — это теоретическая модель идеального теплового двигателя, показывающая, как наилучший идеальный агрегат способен постоянно работать в цикле из четырех процессов, называемых циклом Карно.


    Идеальный тепловой двигатель физика Карно работает на газовой среде, заключенной в цилиндре с поршнем. Газ берет энергию от источника тепла, расширяется и выталкивает поршень наружу. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с параметрами по давлению, объему и температуре, с которых начинал.


    Карно показал, что максимальная эффективность, обозначаемая символом «η» — это коэффициент полезного действия, или КПД, может быть достигнута только тепловым двигателем Карно.


    КПД теплового двигателя, можно определить формулой: η = (T h — T c) / T h или η = 1 — T c / T h, где:


    • η — эффективность работы теплового двигателя или КПД;
    • T h — температура горячего источника;
    • T c -температура холодного источника.


    Заключение, к которому пришел Карно: эффективность двигателя, как реального, так и теоретического, зависит от максимальной Tmax и минимальной температуры среды Tmin, в которой он работает, и может быть описана формулой: η = (Tmax-Tmin) / Tmax


    Другими словами, эффективный тепловой агрегат работает при максимально возможной разнице температур. Для этого нужно создать условия, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.


    Для создания этих условий на практике, например, на тепловой станции, специально устанавливают градирни в виде большого водяного охладителя, для того чтобы максимально охлаждать конденсат от паровой турбины, в этом случае КПД станции значительно повышается, количество теплоты через парогенератор растет и снижается стоимость единицы выработки тепловой и электрической энергии.

    Причины неэффективности


    Нужно понимать — все существующие тепловые двигатели работают хуже, чем агрегат Карно, имеющий η = 1, что называют КПД теплового двигателя Карно. В этом смысле любая тепловая машина на практике является неэффективной, что можно объяснить тремя причинами:


    1. Необратимость процессов. Согласно принципу Карно, ни одно устройство не может быть более эффективным, чем теоретический цикл Карно, при условии работы в режиме с одинаковыми высокотемпературными и низкотемпературными источниками.
    2. Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах общая неэффективность реального цикла обусловлена потерями отдельных компонентов. В устройствах, таких как турбины, насосы и компрессоры, механическое трение, тепловые потери и потери в процессе сгорания определяют общий размер потерь и снижения эффективности.
    3. Несовершенство технологического процесса. Это существенный источник неэффективности, он возникает из-за вынужденного компромисса, который принимают инженеры при проектировании реального двигателя. Он должны учитывать стоимость и другие факторы при разработке и эксплуатации машинах.

    Реальные КПД у современных машин


    На практике невозможно полностью преобразовать тепло в механическую энергию. Эффективность даже самых совершенных тепловых машин довольно низкая, обычно ниже 50%, а зачастую намного ниже. Тепловая эффективность различных машин, разработанных и используемых сегодня:


    1. В середине XX века типичный паровоз имел КПД около 6%. Это означает, что на каждые 100 МДж сгоревшего угля вырабатывается только 6 МДж механической энергии.
    2. Бензиновый автомобиль работает с КПД равным 25%. Около 75% отбрасывается в виде отработанного тепла.
    3. Класс дизельных автомобилей работает на 35%, поэтому такие модификации более эффективны.
    4. Судовые дизельные двигатели имеют КПД, превышающий 50%.
    5. Современные атомные электростанции имеют КПД порядка 33%, поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется затратить 3000 МВт тепловой энергии, получаемой в результате деления ядер урана. Следующий путь увеличения КПД — это повышение параметров перегретого пара в парогенераторах, что требует увеличения давления внутри котлов и ограничено возможностями металлургии. Современные возможности технологии позволяют получать перегретый пар высокого давления температурой 500−560 С.
    6. Угольные тепловые станции ТЭС с аналогичными параметрами перегретого пара с многоступенчатым подогревом на турбогенераторе могут достигать КПД 48%.


    Человечество с момента изобретения паровой машины Джеймсом Уаттом в 1769 году борется за каждый дополнительный процент КПД.


    Самое большее что удалось достигнуть — это современные газотурбинные установки с комбинированным циклом из двух циклов Брайтона и Ренкина, с максимальным КПД тепловой машины порядка 55%, в отличие от одного парового цикла на ТЭЦ, которая ограничена КПД 35−48%.

    Что такое эффективность. Разбираемся, что такое КПД

    КПД, по своему определению, это отношение полученной энергии к затраченной. Если двигатель сжигает бензин и только треть образовавшегося тепла превращается в энергию движения автомобиля, то КПД равен одной трети или (округляя до целых) 33%. Если лампочка дает световой энергии в пятьдесят раз меньше потребляемой электрической, ее КПД равен 1/50 или 2%. Однако тут сразу возникает вопрос: а если лампочка продается как инфракрасный обогреватель? После того как продажа ламп накаливания была запрещена, точно такие же по конструкции устройства стали продаваться как «инфракрасные обогреватели», поскольку именно в тепло преобразуется свыше 95% электроэнергии.

    (Бес)полезное тепло

    Обычно тепло, выделяющееся при работе чего-либо, записывают в потери. Но это далеко не бесспорно. Электростанция, например, превращает в электроэнергию примерно треть выделяющегося при сгорании газа или угля тепла, однако еще часть энергии может при этом пойти на нагрев воды. Если горячее водоснабжение и теплые батареи тоже записать в полезные результаты работы ТЭЦ, то КПД вырастет на 10-15%.

    Схожим примером может служить автомобильная «печка»: она передает в салон часть тепла, образующегося при работе двигателя. Это тепло может быть полезным и необходимым, а может рассматриваться как потери: по этой причине оно обычно не фигурирует в расчетах КПД автомобильного мотора.

    Инженер осматривает паровую турбину. Фото Christian Kuhna / Wikimedia, с разрешения производителя — Siemens.

    Особняком стоят такие устройства, как тепловые насосы. Их КПД, если считать его по соотношению выданного тепла и затраченного электричества, больше 100%, однако это не опровергает основы термодинамики. Тепловой насос перекачивает тепло от менее нагретого тела к более нагретому и затрачивает на это энергию, так как без затрат энергии подобное перераспределение теплоты запрещено той же термодинамикой. Если тепловой насос берет из розетки киловатт, а выдает пять киловатт тепла, то четыре киловатта будут взяты из воздуха, воды или грунта вне дома. Окружающая среда в том месте, откуда устройство черпает тепло, остынет, а дом прогреется. Но потом эта теплота вместе с потраченной насосом энергией все равно рассеется в пространстве.

    Внешний контур теплового насоса: через эти пластиковые трубы прокачивается жидкость, забирающая тепло из толщи воды в отапливаемое здание. Mark Johnson / Wikimedia

    Много или эффективно?

    Некоторые устройства имеют очень высокий КПД, но при этом — неподходящую мощность.

    Электрические моторы тем эффективнее, чем они больше, однако поставить электровозный двигатель в детскую игрушку физически невозможно и экономически бессмысленно. Поэтому КПД двигателей в локомотиве превышает 95%, а в маленькой машинке на радиоуправлении — от силы 80%. Причем в случае с электрическим двигателем его эффективность зависит так же от нагрузки: недогруженный или перегруженный мотор работает с меньшим КПД. Правильный подбор оборудования может значить даже больше, чем просто выбор устройства с максимальным заявленным КПД.

    Самый мощный серийный локомотив, шведский IORE. Второе место удерживает советский электровоз ВЛ-85. Kabelleger / Wikimedia

    Если электрические моторы выпускаются для самых разных целей, от вибраторов в телефонах до электровозов, то вот ионный двигатель имеет гораздо меньшую нишу. Ионные двигатели эффективны, экономичны, долговечны (работают без выключения годами), но включаются только в вакууме и дают очень малую тягу. Они идеально подходят для отправки в дальний космос научных аппаратов, которые могут лететь к цели несколько лет и для которых экономия топлива важнее затрат времени.

    Электрические моторы, кстати, потребляют почти половину всей вырабатываемой человечеством электроэнергии, так что даже разница в одну сотую процента в мировом масштабе может означать необходимость построить еще один ядерный реактор или еще один энергоблок ТЭЦ.

    Эффективно или дешево?

    Энергетическая эффективность далеко не всегда тождественна экономической. Наглядный пример — светодиодные лампы, которые до недавнего времени проигрывали лампам накаливания и флуоресцентным «энергосберегайкам». Сложность изготовления белых светодиодов, дороговизна сырья и, с другой стороны, простота лампы накаливания заставляли выбирать менее эффективные, но зато дешевые источники света.

    Кстати, за изобретение синего светодиода, без которого бы нельзя было сделать яркую белую лампу, японские исследователи получили в 2014 году Нобелевскую премию. Это не первая премия, вручаемая за вклад в развитие освещения: в 1912 году наградили Нильса Далена, изобретателя, который усовершенствовал ацетиленовые горелки для маяков.

    Синие светодиоды нужны для получения белого света в сочетании с красными и зелеными. Эти два цвета научились получать в достаточно ярких светодиодах намного раньше; синие долгое время оставались слишком тусклыми и дорогими для массового применения

    Другой пример эффективных, но очень дорогих устройств — солнечные батареи на основе арсенида галлия (полупроводник с формулой GaAs). Их КПД достигает почти 30%, что в полтора-два раза выше используемых на Земле батарей на основе куда более распространенного кремния. Высокая эффективность оправдывает себя только в космосе, куда доставка одного килограмма груза может стоить почти как килограмм золота. Тогда экономия на массе батареи будет оправдана.

    КПД линий электропередач можно поднять за счет замены меди на лучше проводящее ток серебро, однако серебряные кабели слишком дороги и потому используются разве что в единичных случаях. А вот к идее построить сверхпроводящие ЛЭП из дорогой и требующей охлаждения жидким азотом редкоземельной керамики в последние годы несколько раз обращались на практике. В частности, такой кабель уже проложен и подключен в германском городе Эссене. Он рассчитан на 40 мегаватт электрической мощности при напряжении в десять киловольт. Кроме того что потери на нагрев сведены к нулю (однако взамен нужно питать криогенные установки), такой кабель намного компактнее обычного и за счет этого можно сэкономить на покупке дорогой земли в центре города или отказаться от прокладки дополнительных туннелей.

    Не по общим правилам

    Из школьного курса многие помнят, что КПД не может превышать 100% и что он тем выше, чем больше разница температур между холодильником и нагревателем. Однако это верно лишь для так называемых тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, реактивные и ракетные двигатели, газовые и паровые турбины.

    Электродвигатели и все электрические устройства этому правилу не подчиняются, поскольку они не тепловые машины. Для них верно только то, что КПД не может превышать ста процентов, а частные ограничения в каждом случае определяются по-разному.

    В случае с солнечной батареей потери определяются как квантовыми эффектами при поглощении фотонов, так и потерями на отражение света от поверхности батареи и на поглощение в фокусирующих зеркалах. Проведенные расчеты показали, что выйти за 90% солнечная батарея не может в принципе, а на практике достижимы значения около 60-70%, да и те при весьма сложной структуре фотоячеек.

    Великолепным КПД обладают топливные элементы. В эти устройства поступают некие вещества, которые вступают в химическую реакцию друг с другом и дают электрический ток. Этот процесс опять-таки не является циклом тепловой машины, поэтому КПД получается достаточно высоким, порядка 60%, в то время как дизель или бензиновый двигатель не выходят обычно за 50%.

    Именно топливные элементы стояли на летавших к Луне космических кораблях «Аполло», и они могут работать, например, на водороде и кислороде. Их недостаток заключается только в том, что водород должен быть достаточно чистым и к тому же его надо где-то хранить и как-то передавать от завода к потребителям. Технологии, позволяющие заменить водородом обычный метан, пока что не доведены до массового использования. На водороде и топливных элементах работают лишь экспериментальные автомобили и некоторое количество подводных лодок.

    Плазменные двигатели серии СПД. Их делает ОКБ «Факел», и они используются для удержания спутников на заданной орбите. Тяга создается за счет потока ионов, которые возникают после ионизации инертного газа электрическим разрядом. КПД этих двигателей достигает 60 процентов

    Ионные и плазменные двигатели уже существуют, но тоже работают лишь в вакууме. Кроме того, их тяга слишком мала и на порядки ниже веса самого устройства — с Земли они не взлетели бы даже при отсутствии атмосферы. Зато во время межпланетных полетов длительностью в многие месяцы и даже годы слабая тяга компенсируется экономичностью и надежностью.

     Алексей Тимошенко

    Коэффициент полезного действия — Большая советская энциклопедия

    Коэффицие́нт поле́зного де́йствия

    (кпд)

    характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η = Wпол/Wcyм.

    В электрических двигателях кпд — отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника; в тепловых двигателях — отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты; в электрических трансформаторах — отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой. Для вычисления кпд разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механического эквивалента теплоты (См. Механический эквивалент теплоты), и др. аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие кпд позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

    Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. кпд всегда меньше единицы. Соответственно этому кпд выражается в долях затрачиваемой энергии, т. е. в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной (См. Безразмерные величины). Кпд тепловых электростанций достигает 35—40%, двигателей внутреннего сгорания — 40—50%, динамомашин и генераторов большой мощности—95%, трансформаторов—98%. Кпд процесса Фотосинтеза составляет обычно 6—8%, у хлореллы (См. Хлорелла) он достигает 20—25%. У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики (См. Второе начало термодинамики) кпд имеет верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса (См. Круговой процесс)), который совершает рабочее вещество. Наибольшим кпд обладает Карно цикл.

    Различают кпд отдельного элемента (ступени) машины или устройства и кпд, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. Кпд первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и др. виды кпд. Общий кпд системы равен произведению частных кпд, или кпд ступеней.

    В технической литературе кпд иногда определяют т. о., что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять кпд отношением Wпол/Wзатр, где Wпол — используемая энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр — не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты. Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей (тепловых насосов (См. Тепловой насос)) затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный кпд установки меньше единицы, рассмотренный кпд η = Wпол/Wзатр может оказаться больше единицы.

    Лит.: Артоболевский И. И., Теория механизмов и машин, 2 изд., М.— Л., 1952; Общая теплотехника, под ред. С. Я. Корницкого и Я. М. Рубинштейна, 2 изд., М.— Л., 1952; Общая электротехника, М.— Л.,1951; Вукалович М. П., Новиков И. И., Техническая термодинамика, 4 изд., М., 1968.


    Источник:
    Большая советская энциклопедия
    на Gufo.me


    Значения в других словарях

    1. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ —
      (кпд), характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением т) полезно использованной энергии (Wпол) к суммарному кол-ву энергии (Wсум), полученному системой; h=Wпол /Wсум.
      Физический энциклопедический словарь
    2. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ —
      КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (к.п.д.), показатель эффективности действия механизма, определяемый как отношение работы, совершаемой механизмом, к работе, затраченной на его функционирование. К.п.д. обычно выражают в процентах.
      Научно-технический словарь
    3. коэффициент полезного действия —
      Отношение теплопроизводительности к подводимой тепловой мощности. [73]
      Строительная терминология
    4. коэффициент полезного действия —
      Коэффициент полезного действия (к. п. д.) оросительной воды — отношение количества воды, поданной на орошение непосредственно на поля, к количеству воды, забранной для этой цели из источника орошения.
      Толковый словарь по почвоведению
    5. коэффициент полезного действия —
      КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (кпд) , характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования энергии; определяется отношением полезно используемой энергии (превращённой в работу при циклич.
      Сельскохозяйственный словарь
    6. коэффициент полезного действия —
      сущ., кол-во синонимов: 8 кпд 4 отдача 27 плодотворность 10 продуктивность 14 производительность 11 результат 27 эффект 29 эффективность 14
      Словарь синонимов русского языка
    7. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ —
      КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (кпд) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования энергии; определяется отношением полезно использованной энергии (превращенной в работу при циклическом процессе) к суммарному количеству энергии, переданному системе.
      Большой энциклопедический словарь

    КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ — Физический энциклопедический словарь

    (кпд), характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением т) полезно использованной энергии (Wпол) к суммарному кол-ву энергии (Wсум), полученному системой;

    h=Wпол /Wсум.

    Кпд — величина безразмерная.

    В электрич. двигателях кпд — отношение совершаемой полезной механич. работы к электрич. энергии, получаемой от источника; в тепловых двигателях — отношение полезной механич. работы к затрачиваемому кол-ву теплоты; в электрич. трансформаторах — отношение эл.-магн. энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой. Для вычисления кпд разные виды энергии и механич. работа выражаются в одинаковых; единицах. В силу своей общности понятие «кпд» позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие разл. системы, как ат. реакторы, электрич. генераторы и двигатели, теплоэнергетич. установки, ПП приборы, биологич. объекты и т. д.

    Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. всегда h<1 и выражается в виде правильной дроби или в процентах. Кпд тепловых электростанций достигает 35—40%, двигателей внутр. сгорания 40—50%, динамомашин и генераторов большой мощности 95%, трансформаторов 98%. Кпд процесса фотосинтеза равен 12—15%. У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики кпд имеет верх. предел, определяемый особенностями термодинамич. цикла (кругового процесса), к-рый совершает рабочее в-во. Наибольшим кпд обладает Карно цикл. Различают кпд отд. элемента (ступени) машины или устройства (частный кпд) и кпд, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. Кпд первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механич.., термич. и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономич., технич. и др. виды кпд. Общий кпд системы равен произведению частных кпд (кпд ступеней).


    Источник:
    Физический энциклопедический словарь
    на Gufo.me


    Значения в других словарях

    1. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ —
      КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (к.п.д.), показатель эффективности действия механизма, определяемый как отношение работы, совершаемой механизмом, к работе, затраченной на его функционирование. К.п.д. обычно выражают в процентах.
      Научно-технический словарь
    2. коэффициент полезного действия —
      Отношение теплопроизводительности к подводимой тепловой мощности. [73]
      Строительная терминология
    3. коэффициент полезного действия —
      Коэффициент полезного действия (к. п. д.) оросительной воды — отношение количества воды, поданной на орошение непосредственно на поля, к количеству воды, забранной для этой цели из источника орошения.
      Толковый словарь по почвоведению
    4. коэффициент полезного действия —
      КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (кпд) , характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования энергии; определяется отношением полезно используемой энергии (превращённой в работу при циклич.
      Сельскохозяйственный словарь
    5. коэффициент полезного действия —
      сущ., кол-во синонимов: 8 кпд 4 отдача 27 плодотворность 10 продуктивность 14 производительность 11 результат 27 эффект 29 эффективность 14
      Словарь синонимов русского языка
    6. Коэффициент полезного действия —
      (кпд) характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой…
      Большая советская энциклопедия
    7. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ —
      КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (кпд) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования энергии; определяется отношением полезно использованной энергии (превращенной в работу при циклическом процессе) к суммарному количеству энергии, переданному системе.
      Большой энциклопедический словарь

    Урок 25. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей — Физика — 10 класс

    Физика, 10 класс

    Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

    Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

    1) Понятие теплового двигателя;

    2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

    3)КПД теплового двигателя;

    4) Цикл Карно.

    Глоссарий по теме

    Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

    КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

    Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

    Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

    Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

    Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

    Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

    Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

    Основная и дополнительная литература по теме урока:

    1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

    2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

    Открытые электронные ресурсы по теме урока

    http://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm

    Теоретический материал для самостоятельного изучения

    Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

    Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

    Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

    Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

    Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

    Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

    В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

    В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

    Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

    Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

    Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

    Q1 – количество теплоты полученное от нагревания

    Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику

    – работа, совершаемая двигателем за цикл.

    Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

    Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

    Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

    В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

    Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

    Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

    Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

    Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

    Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

    Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

    Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

    Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

    Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

    КПД:

    Паровой двигатель – 8%.

    Паровая турбина – 40%.

    Газовая турбина – 25-30%.

    Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

    Дизельный двигатель – 40– 44%.

    Реактивный двигатель – 25%.

    Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

    Примеры и разбор решения заданий

    1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

    Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м3, s = 100 км = 105 м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м3, q = 46 × 106 Дж/кг.

    Найти: N.

    Решение:

    Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

    Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

    Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

    Учитывая всё это, мы можем записать:

    Время работы двигателя можно найти по формуле:

    Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

    .

    Подставим числовые значения величин:

    После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

    Ответ: N=60375 Вт.

    2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

    Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

    Найти: Q1.

    Решение

      =

    – это количество теплоты, отданное холодильнику

    A Level Physics Formula Sheet

    Как пользователь в ЕЭЗ, ваше одобрение необходимо по нескольким вопросам. Чтобы обеспечить лучший опыт работы с сайтом, hubpages.com использует файлы cookie (и другие подобные технологии) и может собирать, обрабатывать и передавать личные данные. Пожалуйста, выберите, в каких областях наших услуг вы даете согласие на это.

    Необходимо
    HubPages Device ID Это используется для идентификации конкретных браузеров или устройств при доступе к службе и используется в целях безопасности.
    Войти Это необходимо для входа в службу HubPages.
    Google Recaptcha Используется для предотвращения ботов и спама. (Политика конфиденциальности)
    Akismet Используется для обнаружения спама в комментариях. (Политика конфиденциальности)
    HubPages Google Analytics Используется для предоставления данных о посещаемости нашего веб-сайта, все данные, позволяющие установить личность, анонимны. (Политика конфиденциальности)
    HubPages Traffic Pixel Используется для сбора данных о посещаемости статей и других страниц нашего сайта. Если вы не вошли в учетную запись HubPages, вся личная информация будет анонимной.
    Amazon Web Services Это платформа облачных сервисов, которую мы использовали для размещения нашего сервиса. (Политика конфиденциальности)
    Cloudflare Это облачный сервис CDN, который мы используем для эффективной доставки файлов, необходимых для работы нашего сервиса, таких как javascript, каскадные таблицы стилей, изображения и видео. (Политика конфиденциальности)
    Размещенные библиотеки Google Программные библиотеки Javascript, такие как jQuery, загружаются на конечные точки в доменах googleapis.com или gstatic.com из соображений производительности и эффективности. (Политика конфиденциальности)
    Функции
    Пользовательский поиск Google Эта функция позволяет выполнять поиск на сайте. (Политика конфиденциальности)
    Карты Google В некоторые статьи встроены Карты Google. (Политика конфиденциальности)
    Google Charts Используется для отображения диаграмм и графиков статей и центра авторов. (Политика конфиденциальности)
    Google AdSense Host API Эта служба позволяет вам зарегистрировать или связать учетную запись Google AdSense с HubPages, чтобы вы могли зарабатывать деньги на рекламе своих статей. Никакие данные не передаются, если вы не задействуете эту функцию. (Политика конфиденциальности)
    Google YouTube В некоторые статьи встроены видеоролики YouTube. (Политика конфиденциальности)
    Vimeo В некоторые статьи встроены видеоролики Vimeo. (Политика конфиденциальности)
    Paypal Это используется для зарегистрированного автора, который регистрируется в программе HubPages Earnings и запрашивает оплату через PayPal. Никакие данные не передаются Paypal, если вы не задействуете эту функцию. (Политика конфиденциальности)
    Вход в Facebook Вы можете использовать это, чтобы упростить регистрацию или вход в свою учетную запись Hubpages.Никакие данные не передаются Facebook, если вы не задействуете эту функцию. (Политика конфиденциальности)
    Maven Поддерживает виджет Maven и функции поиска. (Политика конфиденциальности)
    Marketing
    Google AdSense Это рекламная сеть. (Политика конфиденциальности)
    Google DoubleClick Google предоставляет технологию показа рекламы и управляет рекламной сетью. (Политика конфиденциальности)
    Index Exchange Это рекламная сеть. (Политика конфиденциальности)
    Sovrn Это рекламная сеть. (Политика конфиденциальности)
    Facebook Ads Это рекламная сеть. (Политика конфиденциальности)
    Amazon Unified Ad Marketplace Это рекламная сеть. (Политика конфиденциальности)
    AppNexus Это рекламная сеть. (Политика конфиденциальности)
    Openx Это рекламная сеть. (Политика конфиденциальности)
    Rubicon Project Это рекламная сеть. (Политика конфиденциальности)
    TripleLift Это рекламная сеть. (Политика конфиденциальности)
    Say Media Мы сотрудничаем с Say Media для проведения рекламных кампаний на наших сайтах. (Политика конфиденциальности)
    Пиксели ремаркетинга Мы можем использовать пиксели ремаркетинга из рекламных сетей, таких как Google AdWords, Bing Ads и Facebook, чтобы рекламировать сервис HubPages людям, посетившим наши сайты.
    Пиксели отслеживания конверсий Мы можем использовать пиксели отслеживания конверсий из рекламных сетей, таких как Google AdWords, Bing Ads и Facebook, чтобы определить, когда реклама успешно привела к желаемому действию, например, к подписке на HubPages Сервис или публикация статьи на Сервисе HubPages.

    .

    Двигатель Карно — Определение и формула

    Двигатель Карно

    — это теоретический термодинамический цикл, предложенный Николя Леонаром Сади Карно в 1824 году. Карно утверждает, что требуется горячее тело, которое генерирует тепло, и холодное тело, которое передает калорийность, которая производит механическая работа в процессе. В нем также говорится, что в указанной работе не используются материалы, которые используются для создания тепла, а также конструкционные и дизайнерские материалы машины.

    Современная диаграмма

    (изображение скоро будет загружено)

    На приведенном выше рисунке показана блок-схема обычного теплового двигателя, такого как двигатель Карно.На схеме «рабочее тело», слово, представленное Клаузиусом в 1850 году, может быть любым парообразным или жидким телом, через которое тепло «Q» может передаваться для получения работы. Карно предположил, что жидким телом может быть любой материал, способный к расширению, такой как пары спирта, пары ртути, пары воды, постоянный воздух или газ и т. Д. Хотя в эти первые годы двигатели появились в большом количестве. из схем, как правило, QH подавался от бойлера, при этом вода кипятилась над нагревателем; КК обычно подавали струей холодной проточной воды в виде конденсатора, расположенного на отдельной части двигателя.Работа текучести, W, обозначает движение поршня, поскольку он используется для вращения кривошипа, который, в свою очередь, обычно использовался для привода шкива, чтобы поднимать воду из затопленных соляных шахт. Карно утверждает, что работа — это «вес, поднимаемый на высоту».

    Принципы двигателя Карно

    Принципы Карно предназначены только для циклических устройств, таких как тепловые двигатели, которые гласят:

    • Эффективность необратимого тепла Двигатель всегда меньше КПД реверсивного, работающего между двумя одинаковыми резервуарами.

    • Эффективность всех реверсивных тепловых машин, работающих между двумя одинаковыми резервуарами, одинакова.

    Чтобы повысить тепловой КПД газовой силовой турбины, необходимо повысить температуру в камере сгорания. например, лопатки турбины не могут удерживать высокотемпературный газ, что в конечном итоге приведет к раннему утомлению.

    Теорема Карно

    (изображение будет загружено в ближайшее время)

    Эта теорема определяет, что никакой двигатель, работающий между двумя известными температурами, не может быть более эффективным, чем реверсивный двигатель, работающий между двумя одинаковыми температурами и что все Реверсивные двигатели, работающие между одними и теми же двумя температурами, имеют одинаковую эффективность, какой бы рабочий материал ни использовался.Согласно теореме Карно, реверсивный двигатель всегда будет иметь большую производительность, чем необратимый. Реверсивный тепловой двигатель работает по обратному циклу и ведет себя как тепловой насос.

    Эффективность цикла Карно

    Цикл Карно обратим, что означает верхний предел эффективности цикла двигателя. Практические циклы двигателя необратимы и поэтому имеют гораздо более низкий КПД, чем КПД Карно при работе при аналогичных температурах.Одним из факторов, определяющих эффективность, является добавление рабочего тела в цикл и его удаление. Цикл Карно достигает максимальной эффективности, потому что все тепло передается рабочему телу при максимальной температуре.

    Цикл Карно

    (изображение будет скоро загружено)

    Шаги в цикле

    Шаг 1 Изотермическое расширение

    (изображение будет скоро загружено)

    Изотермическое расширение -температурный бассейн при фиксированной температуре TH (изотермическое поглощение тепла).На этом этапе (1-2 на изображении 1, от A до B на изображении 2) газу позволяют расшириться, воздействуя на окружающую среду, толкая поршень вверх (этап 1, рисунок справа). Несмотря на то, что давление падает от точек 1 до 2 (изображение 1), температура газа не изменяется в процессе, потому что он находится в тепловом контакте с горячим резервуаром при Th, и поэтому расширение является изотермическим. Тепловая энергия Q1 поглощается из высокотемпературного бассейна, что приводит к увеличению энтропии газа на величину.

    \ [\ Delta S_ {1} = \ frac {Q_ {1}} {T_ {h}} \]

    Шаг 2 Изэнтропический (обратимый адиабатический)

    (изображение будет скоро загружено)

    Расширение газа. На этом этапе (от 2 до 3 на изображении 1, от B до C на изображении 2) газ в двигателе термически защищен как от горячего, так и от холодного бассейнов. Таким образом, они не могут ни набирать, ни терять тепло, поэтому это называется «адиабатическим» процессом. Газ поднимается и расширяется за счет падения давления, совершая работу с окружающей средой (поднимая поршень; фигура 2, выше) и теряя объем внутренней энергии, аналогичный проделанной работе.Газ начинает расширяться без подвода тепла, что приводит к его охлаждению до «холодной» температуры Tc. Энтропия остается прежней.

    Шаг 3 Изотермическое сжатие

    (изображение будет скоро загружено)

    Тепло обратимо переходит в низкотемпературный бассейн при постоянной температуре TC. (отвод изотермического тепла) (3-4 на изображении 1, от C до D на изображении 2) Теперь газ в двигателе находится в тепловом контакте с холодным бассейном при температуре Tc. Окружающая среда воздействует на газ, толкая поршень вниз (изображение этапа 3, выше), в результате чего объем тепловой энергии Q2 уходит из системы в низкотемпературный бассейн, а энтропия системы уменьшается на это количество.(Это равное количество энтропии, поглощенной на шаге 1, что можно наблюдать из неравенства Клаузиуса.)

    Шаг 4 Адиабатическое обратимое сжатие.

    (изображение будет загружено в ближайшее время)

    И снова газ в двигателе термически защищен от горячих и холодных бассейнов, и двигатель должен быть без трения, поэтому он обратим. На этом этапе окружающая среда работает с газом, толкая поршень еще ниже (изображение этапа 4, выше), повышая его внутреннюю энергию, сжимая его и заставляя его температуру подниматься обратно до Th только за счет работы, добавленной к системы, но энтропия остается той же.На этом этапе газ находится в том же состоянии, что и в начале этапа.

    Таким образом, общая работа, совершаемая газом с окружающей средой за один полный цикл, показана как

    \ [W = W_ {1 \ rightarrow 2} + W_ {2 \ rightarrow 3} + W_ {3 \ rightarrow 4} + W_ {4 \ rightarrow 1} \]

    \ [W = \ mu RT_ {1} ln \ frac {v_ {2}} {v_ {1}} — \ mu RT_ {2} ln \ frac {v_ {3}} {v_ {4}} \]

    \ [{\ text {Чистая эффективность}} = \ frac {\ text {Чистая работа, выполненная газом}} {\ text {Тепло, поглощаемое газ}} \]

    \ [{\ text {Чистая эффективность}} = \ frac {W} {Q_ {1}} = \ frac {Q_ {1} — Q_ {2}} {Q_ {1}} = 1 — \ frac {Q_ {2}} {Q_ {1}} = 1 — \ frac {T_ {2}} {T_ {1}} \ frac {ln \ frac {v_ {3}} {v_ {4} }} {ln \ frac {v_ {2}} {v_ {1}}} \]

    Поскольку шаг 2–> 3 является адиабатическим процессом, мы можем написать T1V2Ƴ-1 = T2V3Ƴ-1

    или

    \ [\ frac {v_ {2}} {v_ {3}} = (\ frac {T_ {2}} {T_ {1}}) ^ {\ frac {1} {\ gamma — 1}} \]

    Аналогично, для процесса 4–> 1 мы можем написать

    \ [\ frac {v_ {1}} {v_ {2}} = (\ frac {T_ {2}} {T_ {1}}) ^ {\ е rac {1} {\ gamma — 1}} \]

    Это означает, что

    \ [\ frac {v_ {2}} {v_ {3}} = \ frac {v_ {1}} { v_ {2}} \]

    Итак, выражение для чистой эффективности двигателя Карно уменьшается до:

    \ [{\ text {Чистая эффективность}} = 1 — \ frac {T_ {2}} {T_ {1}} \]

    Цикл двигателя Карно при работе в качестве теплового двигателя включает следующие этапы:

    • Обратимое или изменяемое изотермическое сжатие газа при «холодной» температуре.

    • Изэнтропическое сжатие газа.

    • Обратимое или изменяемое адиабатическое (изэнтропическое) расширение газа.

    • Обратимое или переменное изотермическое расширение газа при «горячей» температуре.

    Применение цикла Карно

    Термические машины или тепловые устройства являются одним из приложений цикла Карно. Тепловые насосы для нагрева, холодильники для охлаждения, паровые турбины, используемые на кораблях, двигатели внутреннего сгорания автомобилей внутреннего сгорания и реактивные турбины самолета — вот лишь некоторые из примеров, которые мы можем привести.

    (изображение будет скоро загружено)

    Ограничения

    Это уравнение показывает, что чем больше диапазон температур, тем эффективнее цикл.

    (a) T3: На практике T3 не может быть уменьшен ниже примерно 300 K (27 ° C), что эквивалентно давлению в конденсаторе 0,035 бар. Это из-за двух тракторов:

    (i). Для конденсации пара требуется большая подача охлаждающей воды, и такая непрерывная естественная подача при температуре ниже атмосферного около 15 ° C недоступна.

    (ii) Если конденсатор должен быть разумного размера и стоимости, разница температур между конденсационным паром и охлаждающей водой должна быть минимум 10 ° C.

    (b) TI: Температура экстремального цикла T1 также ограничена примерно до 900 K (627 ° C) из-за прочности вещества, доступного для чрезвычайно нагруженных частей установки, таких как трубы котла и лопатки турбины. Этот верхний предел известен как металлургический предел.

    (c) Критическая точка:

    Пар цикла Карно имеет огромную температуру цикла, намного ниже этого металлургического предела из-за свойств пара; она ограничена температурой критической точки 374 ° C (647 K).Следовательно, современное вещество не может быть использовано с максимальной выгодой в этом цикле, когда пар является действующей жидкостью. Кроме того, поскольку кривые насыщенного пара и воды сходятся к критической точке, установка, работающая по циклу Карно с ее экстремальной температурой, близкой к температуре критической точки, будет иметь очень большой ssc, т.е. она будет очень большой по размеру и очень дорогостоящей. ,

    (d) Процесс сжатия

    Для сжатия очень влажной паровой смеси потребуется компрессор, стоимость и размер которого сопоставимы с турбиной.Он поглощал бы работу, сопоставимую с работой турбины. У него был бы короткий срок службы из-за коррозии лезвия и проблемы кавитации. По этим причинам цикл Карно бесполезен.

    .

    Физические формулы

    Физические формулы — механика

    Формулы кинематики

    Кинематические уравнения применяются к одномерному движению с сопутствующим ускорением от точки 1, расположенной на d 1 от исходной точки до точки 2, расположенной на d 2 от той же точки отсчета. v 1 — скорость в точке 1, v 2 — скорость в точке 2.
    v 2 = v 1 + a · t
    d 2 = d 1 + (v 1 + v 2 ) · t / 2
    d 2 = d 1 + v 1 · t + a · t 2 /2
    d 2 = d 1 + v 2 · t — a · t 2 /2
    v 2 2 = v 1 2 + 2a (d 2 — d 1 )

    Средняя скорость: v av = Δd / Δt
    Среднее ускорение: a av = Δv / Δt

    Кинематика вращения уравнений с постоянным угловым ускорением:
    ω 2 = ω 1 + α · t
    Φ 2 = Φ 1 + (ω 1 + ω 2 ) · T / 2
    Φ 2 = Φ 1 + ω 1 · t + α · t 2 /2
    Φ 2 = Φ 1 + ω 2 · t — α · t 2 /2
    ω 2 2 = ω 1 2 + 2α (Φ 2 — Φ 1 )

    Средняя угловая скорость: ω av = Δθ / Δt
    Среднее угловое ускорение: α av = Δω / Δt
    Частота: f = ω / 2π
    Период: T = 2π / ω

    Связь между угловыми и линейными переменными:
    l = Φ · r
    v = ω · r
    a = α · r


    Формулы динамики

    Давление: P = F / A
    Второй закон Ньютона: F = m · a
    Сила кинетического трения: F f = μ · N
    Закон Гука: F = -k · x
    Центростремительная сила: F c = m · v 2 / R
    Центростремительное ускорение: a c = v 2 / R


    Работа, энергия, формулы законов сохранения

    Работа: W = F · d = Fdcos (α)
    Потенциальная энергия: PE = m · g · h
    Кинетическая энергия: KE = m · v 2 /2
    Механическая энергия: E = KE + PE
    Мгновенная мощность: P = F · v
    Теорема работы-энергии: W = ΔKE


    Формулы гравитации

    Формула силы тяжести Ньютона: F g = G · m · M / R 2
    Третий закон Кеплера: T 2 / a 3 = ct.


    Физические формулы — электричество и магнетизм

    Формулы электрических полей и сил

    Закон Кулона: F = k · q 1 · q 1 / r 2
    Электрическое поле заряда q: E = k · q / r 2
    Работа, совершаемая электрическим полем: W = q · E · d
    Электрическое поле между двумя металлическими пластинами: E = V / d


    Формулы цепей постоянного тока

    Закон Ома: V = I · R
    Мощность, рассеиваемая на резисторе: P = I · V = V 2 / R = R · I 2
    Сопротивление: R = ρ · л / А
    Эквивалентное сопротивление последовательных резисторов: R с = R 1 + R 2 +…
    Эквивалентное сопротивление параллельных резисторов: 1 / R p = 1 / R 1 + 1 / R 2 + …
    Эквивалентная емкость последовательных конденсаторов: 1 / C с = 1 / C 1 + 1 / C 2 + …
    Эквивалентная емкость параллельных конденсаторов: C p = C 1 + C 2 + …


    Формулы магнитных полей и сил

    Магнитная сила на движущийся заряд: F = q (v x B) = q · v · B · sin (θ)
    Магнитная сила на токоведущем проводе: F = I · l · B · sin (θ)
    Магнитное поле, создаваемое током: B = (μ o / 2π) · (I / r)
    Закон Фарадея: E = -dΦ / dt


    Физические формулы — термодинамика

    Добавленное или удаленное тепло: Q = m · c · ΔT
    Изменение внутренней энергии: ΔU = Q — W
    Закон Бойля: P 1 V 1 = P 2 V 2
    Закон Чарльза: V 1 / T 1 = V 2 / T 2
    КПД теплового двигателя (%): E = (W / Q hot ) · 100


    Физические формулы — волны и оптика

    Закон Снеллиуса: n 1 · sin (θ 1 ) = n 2 · sin (θ 2 )
    Скорость волны: v = λ · f
    Скорость света: v = c / n
    Увеличение: m = -d i / d o
    Закон отражения: θ отражение = θ угол падения
    Уравнение зеркала и линзы: 1 / d 1 + 1 / d 1 = 1 / f


    Физические формулы — современная физика

    Энергия фотона: E = h · f
    Длина волны вещества: λ = h / p
    Релятивистский коэффициент: γ 2 = 1 / (1 — v 2 / c 2 )
    Длина волны Де Бройля: λ = h / (мВ)
    Период полураспада радиоактивного материала: T половина = ln (2) / λ
    Эквивалент энергии массы: E = m o · c 2 .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *