Урок 6. Работа и мощность электрического тока

Доброго вам времени суток! Рад снова видеть вас на уроке. Сегодня нас ждёт разговор об одном свойстве электрического тока, которое может быть и полезным, и вредным. Ранее уже упоминалось, что для переноса заряда по проводнику необходимо затратить некоторое количество энергии. Так же мы говорили о том, что источником этой энергии для электрической цепи являются источники тока. А куда же эта энергия девается, ведь электроны только переносят её из точки А в точку В и отдают либо узлам решётки материала, либо, если электрон ну оооочень везучий, возвращают её на противоположный электрод батареи? Стоит сразу заметить, что число таких «везучих» электронов очень близко к нулю, то есть вероятность электрона достигнуть лампочки во Владивостоке, вылетев из розетки в Москве, практически равна нулю (оп-па, какая подсказочка к задаче из Урока 1). Это объясняется очень просто: ЭДС источника всегда уменьшается, значит, энергия пропадает куда-то… Но это нарушало бы закон сохранения энергии. А давайте-ка разберёмся в этих вопросах!

Действительно, энергия не может пропадать в никуда, она лишь преобразуется из одного вида в другой. На этом принципе работают источники тока: какой-то вид энергии (химическая, световая, механическая и т.д.) преобразуются в электрическую энергию. Имеет место и обратное преобразование: зарядка аккумулятора приводит к восстановлению электролита, электрическая лампочка излучает свет, а динамик наушников – звук. Эти процессы и характеризуют работу электрического тока. Давайте для наглядности остановимся на обыкновенной лампе накаливания. Известно, что их существует большое количество: разнообразные размеры и формы, рабочее напряжение, некоторые лампы светят ярче, некоторые тусклее. Неизменным остаётся только принцип их работы. Рассмотрим внутреннее строение такой лампы:

Рисунок 6.1 – Внутреннее строение лампы накаливания

Обычная лампочка, которую сейчас пытаются заменить на так называемую «энергосберегающую», состоит из:

• 1. Стеклянная колба.
• 2. Полость колбы (вакуумированная или наполненная газом).
• 3. Нить накаливания (вольфрам или его сплав).
• 4. Первый электрод.
• 5. Второй электрод.
• 6. Крючки-держатели нити накаливания.
• 7. Ножка лампы (выполняет функцию держателя).
• 8. Внешний вывод для подключения (токоввод), имеющий внутри предохранитель, который защищает колбу от разрыва в момент перегорания нити накала.
• 9. Корпус цоколя (держатель лампы в патроне).
• 10. Изолятор цоколя (стекло).
• 11. Второй внешний вывод для подключения (токоввод).

Как легко заметить к электрической части лампы (то есть той части, по которой протекает ток), можно отнести далеко не все составляющие. Можно сказать, что лампа состоит из проводника, который посредством специальной системы может подключаться к электрической цепи. Принцип работы лампы накаливания основан на эффекте электромагнитного теплового излучения. Однако излучение может приходиться на разные области спектра: от инфракрасного до видимого. Чтобы обеспечить излучение в видимой области спектра, согласно закону Планка (зависимость длины волны излучения от температуры), необходимо подобрать температуры, при которой происходит излучение преимущественно белого света. Этому условию удовлетворяет диапазон температур от 5500 до 7000 градусов Кельвина. При температуре 5770К спектр излучения лампы будет совпадать со спектром излучения Солнца, что наиболее привычно человеческому глазу.

Однако нагревания до таких высоких температур не выдерживает ни один из известных металлов. Наиболее тугоплавкие металлы вольфрам и осмий имеют температуру плавления 34100С (3683К) и 30450С (3318К), соответственно. Поэтому все лампы накаливания излучают только бледно-желтый свет, однако, реально воспринимаемый цвет может быть искажён адаптацией глаза к условиям освещения. Излучение «холодного» белого света является одним из преимуществ «энергосберегающих» ламп перед лампами накаливания.
Колба с газом или вакуумом необходима для защиты нити накала от воздействия атмосферного воздуха. Газовая среда состоит в основном из смеси инертных газов (смесь азота N2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости и большой молярной массы, которая уменьшает потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности). Особой группой являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы галогенов или их соединений. В такой лампе испарившийся с поверхности тела накала металл вступает в соединение с галогенами, и затем возвращается на поверхность нити за счёт температурного разложения получившегося соединения. Такие лампы имеют большую температуру спирали, больший КПД и срок службы, меньший размер колбы и другие преимущества. Но вернемся к току, который протекает по нити накаливания…

Ранее мы говорили, что перенос единичных зарядов в проводнике из точки А в точку В производится под действием электрического напряжения, которое совершает работу. При различных значениях напряжения и величине заряда, выполняется различная работа, следовательно, необходимо оценить величину скорости передачи (преобразования) энергии. Эта величина называется электрической мощностью и характеризует выполненную работу за единицу времени:

Работа электрического тока при переносе одного заряда численно равна значению напряжения на участке АВ (см. Урок 3: потенциальная энергия поля равна произведению разности потенциалов на перенесённый заряд), тогда:

Умножив значение мощности для одного заряда на число перенесённых зарядов, получим значение мощности электрического тока:

Учитывая, что отношение величины заряда ко времени равно величине протекающего тока, получим:

Величина электрической мощности измеряется в ваттах (Вт) или в вольт-амперах (ВА), однако, эти величины не являются тождественными. Хотя произведение силы тока, выраженной в амперах на напряжение, выраженное в вольтах, даёт величину вольт-амперы, она используется для характеристики несколько «другой» мощности, которую мы рассмотрим позже, так как она пока не связана с изучаемыми характеристиками.
Тогда работа тока равна мощности, умноженной на время:

Величина работы электрического тока измеряется в джоулях (Дж).
Применяя закон Ома и следствия из него, получим еще два выражения для вычисления электрической мощности:

При помощи этих формул и известных значений любых двух величин из четырех (напряжение, ток, сопротивление, мощность) можно найти остальные две величины. Кроме того, эти формулы выражают так называемую постоянную мощность. Кроме неё, можно дать характеристику мгновенной мощности, которая в различные моменты времени может изменять своё значение:

Обычно для выделения величины, зависящей от времени (мгновенное значение) используют строчные буквы алфавита, а для выделения величин, характеризующие постоянные или усреднённые значения – прописные. Мгновенной работы, разумеется, не существует.

Так же следует запомнить, что электроны, перемещающиеся по проводнику, сталкиваются с узлами кристаллической решётки, отдают им свою энергию, которая выделяется в виде тепла, поэтому практически вся электрическая энергия в проводнике переходит в тепловую, но при высоких температурах нагрева (электрическая лампа) часть энергии расходуется еще и на световое излучение.

Кроме того, раз на любом участке проводника существует преобразование мощности в тепло, значит, не вся мощность, выделяемая источником, (а она эквивалентна мощности тока, только вместо значения напряжения в формулу 6.1 необходимо подставить значение ЭДС источника) поступает в нагрузку. Нагрузкой в электротехнике называется потребитель (приемник) электрической энергии, в данном случае – лампа накаливания. Тогда для характеристики эффективности системы (устройства, машины, электрической цепи) в отношении преобразования или передачи энергии вводится коэффициент полезного действия (КПД). Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой, обозначается обычно η («эта»). КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:

где A – работа, выполненная потребителем,
Q – энергия, отданная источником.

В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.

Разность ∆Q=A-Q называется потерями мощности. Из формулы 6.3 видно, что потери мощности будут возрастать при увеличении сопротивления проводника, поэтому чтобы получить как можно больше теплового излучения в лампах используется тонкая бифилярная (двойная) спираль, сопротивление которой довольно велико. Нить имеет толщину порядка 50 микрон, чтобы компенсировать относительно малое удельное сопротивление металла. Стоит отметить, что КПД ламп накаливания составляет не более 15%, то есть более 85% мощности рассеивается в виде тепла (инфракрасное излучение).

На этом наш урок закончен, надеюсь, что он вам понравился, не забывайте подписываться на обновления. До свидания!

• Мощность электрического тока (P) – характеристика скорости передачи (преобразования) энергии. Измеряется в ваттах (Вт).
• Основные формулы вычисления мощности:
• Работа электрического тока (A) – произведение мощности на время:

  измеряется в джоулях (Дж).

• Мгновенная мощность зависит от выбранного момента времени; мгновенное значение тока и напряжения также изменяются во времени из-за внешних факторов: изменения температуры, влияния внешнего поля, нестабильности ЭДС источника питания и т. д.
• Коэффициент полезного действия (η) – отношение полезной работы (энергии, переданной потребителю) к полной затраченной энергии:

  КПД характеризует степень полезности системы и определяется количество потерь мощности в ней.

• Потери мощности в проводнике образуются преобразованием электрического тока в тепловую энергию, зависят от сопротивления проводника и не входят в величину полезной работы.

Задачки на сегодня.

• 1.Две электрические лампы, мощность которых 40 и 100 Вт, рассчитаны на одно и то же напряжение. Сравните диаметры нитей накала, если они изготовлены из одинакового материала, а длины их относятся как 1:2.
• 2.Поселок потребляющий электрическую мощность Р=1200 кВт, находится на расстоянии l=5 км от электростанции. Передача энергии производится при напряжении U=60 кВ. Допустимая относительная потеря напряжения(и мощности) в проводах k=1% Какой минимальный диаметр d могут иметь медные провода линий электропередачи?
• 3. Повышенная сложность. Сила тока в проводнике сопротивлением R=20 Ом нарастает в течение времени t=2с по линейному закону от I₀=0 до I_max=6A(см. рис.). Определить количество теплоты Q₁, выделившееся в этом проводнике за первую секунду, и Q₂ – за вторую, а также найти отношение этих количеств теплоты. (Считать, что вся мощность выделяется как тепловая энергия).

← Урок 5: Источники питания | Содержание | Урок 7: Составление электрических схем →

Расчет кпд вечных двигателей

УДК 62-932.2 Все прекрасно знают, что кпд не может быть больше 1, т.е. больше 100%. И это совершенно понятно, т.к. иначе этот коэффициент теряет свой смысл. Таким образом, мы не можем получить энергии больше, чем затратили. Верно? Ведь кпд не может быть больше 1 по определению! А поскольку кпд равен отношению полезной энергии к затраченной, полезная энергия ну никак не может быть больше, чем затраченная энергия. Вроде бы всё верно и всё логично. Но это лишь вроде бы. А если копнуть поглубже, то оказывается, что в науке произошла страшная путаница. Это выражается в том, что по этой формуле нельзя рассчитать, например, кпд магнита и электрета, которые могут совершать работу против гравитационного поля Земли хоть 100 лет подряд, поднимая с неё различные предметы. Спрашивается, какой у них кпд и откуда они берут энергию? Так вот, от таких нескромных вопросов официальная лженаука стыдливо отводит глаза в сторону и начинает мямлить что-то себе под нос про работу, совершаемую потенциальным полем, кпд которой, почему-то, никак нельзя посчитать, ибо работа хоть и совершается, но энергия ни откуда не убывает. К тому же, в серьёзной научной литературе можно встретить такую откровеннейшую бредятину как электрон отдаёт энергию полю. Поле может передать энергию электрону, а вот электрон полю не может её передать при всём желании. А все эти казусы с полями и их энергиями появились тогда, когда добрые дяди промыли нам всем мозги относительно истинной формулы расчёта кпд. Что ж, заглянем в один из авторитетнейших источников информации в мире – Большую Советскую Энциклопедию, с робкой надеждой на просветление в уму. КПД – характеристика эффективности системы в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно . Вот оно как получается! Читаем дальше. В технической литературе кпд иногда определяют т.о., что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять кпд отношением , 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 затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный кпд установки меньше единицы, рассмотренный кпд η = оказаться больше единицы. Во как! Оказывается, полученная энергия запросто может оказаться больше затраченной и, следовательно, кпд, рассчитываемый по формуле η = может запросто равняться 2, 3, 10, 15, 100 и т.д.!! Так что же это за кпд такой, который может равняться 10000%??? Правильно, ни какой это не кпд, а фигня на постном масле! Пресловутая формула η = – это злостная подмена понятий и наглое переопределение терминов! Вообще непонятно, откуда взялась эта формула. Но это теперь и не важно, т.к. мы всё-таки докопались до истины, узнав подлинную формулу для расчёта кпд. А теперь, давайте с вами разберёмся, что же это за новое для многих из нас понятие – суммарная энергия системы. Не знаю, как вы, но лично я предпочитаю термин полная энергия системы. Итак, что же это такое? Ну, здесь без вариантов: энергия любой системы складывается из внутренней энергии самой системы и внешней энергии, сообщаемой системе извне. Говоря немного другими словами, внутренняя энергия системы – это та энергия, которую мы хотим получить из системы, а внешняя энергия – это та энергия, которую мы вынуждены затратить, чтобы система начала нам отдавать свою внутреннюю энергию. Разумеется, нам нет никакого резона затрачивать на ту или иную систему свою энергию, если при этом она не будет отдавать нам больше того, что мы в неё вложили. Это прекрасно знает любой инвестор, который вкладывает свою энергию в ту или иную экономическую систему. Но, вот курьёз, инвесторы, экономисты, да даже обычные люди это понимают, а умудрённые сединами профессора физики этого не понимают и упорно продолжают настаивать на агрегатах, пожирающие больше энергии, чем отдают! А те, которые отдают больше, чем получают – засекречивают и прячут в чулан, на дальнюю полку, словно и не было никогда ничего такого. Как такое вообще возможно? Если бы такой бедлам творился в мировой экономике, то вся человеческая цивилизация давно бы уже укатилась коту под хвост! Представьте себе на минуточку, что на каждый посеянный центнер зерна вырастала бы не 1 тонна зерна, как то полагается, а 90 кг зерна! А агроном с тремя дипломами и с учёной степенью, рассказывал бы вам, какой это замечательный кпд – аж целых 90%, и что они работают над новыми, усовершенствованными сортами зерна, которое будет иметь кпд 95%, т.е. давать аж целых 95 кг на каждые 100 кг зерна! Да мы бы уже все давно с голоду повымерли с таким кпд! К счастью, в сельском хозяйстве ничего похожего нет, но, к несчастью, это есть в физике, и, как следствие, в технике, промышленности и энергетике… По-моему, пора с этим заканчивать! Или вот другой пример. Возьмём балерину. Дабы быть в форме, балерины сидят» на очень строгой диете – их рацион составляет не более 1000 ккал в день. При этом затрачивают балерины за один рабочий день порядка 8000 ккал. Если бы организм балерины получал энергию из пищи, как из некоего «топлива», как нам это преподносят умные мира сего, то балерине хватало бы сил разве что лежать целый день на диване. Итак, выводы. Внутренняя энергия системы – это энергия, могущая быть высвобожденной, т.е. могущая стать полезной при определённых условиях, на создание которых необходимо затратить порцию внешней энергии. Полная энергия системы – это сумма полезной и затраченной энергии в рамках данной системы. Истинная формула для расчёта кпд выглядит следующим образом: η = , где: Wпол — полезная энергия системы; Wзатр — затраченная энергия системы; Wсум — суммарная энергия системы. Вечный двигатель – это система, преобразующая свою внутреннюю энергию в полезную нам энергию, при условии, что полезная энергия превышает затраченную энергию, сообщаемую этой системе с целью создания условий для отбора энергии, при котором система возобновляет свою энергию из окружающей среды. Ну и напоследок – небольшая история о том, как преподавали работу магнетрона в далёком 1974 году. В 1974 году на стенде – магнетронной установке непрерывного действия разработки Алексея Михайловича Бонч-Бруевича мощностью 300 Вт – пытливые студенческие умы выполняли одну из лабораторных работ. Анодное напряжение на магнетроне составляло 630 В. Анодный ток составлял 1,5 мА. Выход энергии – на активное сопротивление. Спираль нагревалась докрасна. Преподаватели на отчёте по лабораторной работе долбали студентов вопросами: Откуда мощность (энергия) в нагрузке, превышающая мощность от анодного источника? Отвечали, что это ОТНИМАЕТСЯ ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОНОВ в электронно-плазменном роторе между катодом и анодом. Спрашивали: Что делает источник анодного напряжения, работающий на холостом ходу, и для чего нужен постоянный магнит? О. Для создания УСЛОВИЙ, при которых возможен отбор ВНУТРЕННЕЙ энергии электронно-плазменного ротора. С. Как рассчитывать кпд, если на выходе около 300 Вт, а магнит – ДАРОВОЙ, при этом анодный источник на холостом ходу? О. 300 ватт в числителе делим на ПОЛНУЮ энергию системы. С. Что такое ПОЛНАЯ энергия системы? О. Это полезная энергия + энергия дарового магнита + энергия анодного источника на холостом ходу. Поэтому кпд был МЕНЬШЕ 100%. Такие ответы уже были достаточны для ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ оценки. УДК 536.72   Покажите мне изолированную систему, и я докажу, что она является открытой. Народная мудрость Так уж сложилось, что закон сохранения энергии – это святая святых официальной лженауки, а его нарушение влечёт за собой самые тяжёлые последствия: от публичных высмеиваний и блокировок на интернет-форумах, административных санкций до применения карательной психиатрии и высшей меры наказания – смерти. В России даже создана специальная комиссия для борьбы с нарушителями сего закона. Вот общепринятая, официальная формулировка закона сохранения энергии. В изолированной системе количество энергии остается постоянным. Энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает бесследно; она лишь переходит из одной формы в другую. И действительно, для изолированной системы подобное утверждение более чем справедливо. Однако возникает вопрос: где во Вселенной существуют изолированные системы??? Как показывает практика – нигде, ибо даже в подземном царстве, в бункере на глубине 3 км, окружённом 10-метровой свинцовой стеной, будут присутствовать неэкранируемые излучения и поля. Поэтому, даже там не может существовать на 100% изолированная система, не говоря уже о других местах. Ну а если система изолирована не на 100%, а, скажем, на 99,9%, то, говоря неумолимо строгим языком науки, это никакая не изолированная система – это система открытая. А энергия открытой системы, как известно, может меняться. И она меняется! Вот только официальная лженаука этого в упор не видит, и видеть не хочет. Ну а те, кто это видит и понимает, подвергаются репрессиям со стороны Комиссии по борьбе с лженаукой и её вездесущих боевиков – троллей-комментаторов. Резюмируем вышесказанное. Закон сохранения энергии справедлив только для изолированных систем. Изолированных систем во Вселенной не существует, равно как и сама видимая Вселенная таковой не является. В открытых системах закон сохранения энергии не выполняется. Итак, с этим более-менее разобрались. Однако на повестке дня ещё один важный вопрос. Постулат о невозможности совершения полезной работы потенциальным полем. Официальная лженаука в лице гинзбургов, кругляковых и иже с ними глаголит, что суммарная работа потенциального поля при перемещении тела по замкнутой траектории равна нулю. И действительно, трудно с этим не согласиться. Но далее эта самая лженаука в лице вышеупомянутых индивидуумов впадает в откровенную… логическую ошибку под названием некорректное следствие и утверждает: …а поэтому потенциальное поле не может использоваться для совершения полезной работы, что есть величайшая и откровенная ложь. Почему ложь? Да потому что, исходя из вот этой формулировки, получается, будто бы тела могут двигаться лишь по замкнутым траекториям, что не соответствует действительности и является, по сути дела, намеренной промывкой мозгов. Возьмём для примера кирпич, лежащий на самом краю стола. Толкаем его мизинчиком, он падает и… раскалывает орех, совершая тем самым полезную работу. Следовательно, постулат о невозможности совершения полезной работы потенциальным полем экспериментально опровергнут. Вот так просто. Но это ещё не всё! Ещё возникает вопрос: откуда взялась энергия для раскалывания ореха??? Из кирпича? Нет. От мизинца? Конечно же, нет. Так откуда же? Интуиция нам подсказывает, что из гравитационного поля. Но, если это действительно так, то, следуя логике закона сохранения энергии, энергия гравитационного поля должна уменьшиться! К несчастью, гравитационное поле совершенно неграмотно, и о законе сохранения энергии ничего не слышало, поэтому энергия его не уменьшится. Получается, что энергия взялась в прямом смысле слова из ниоткуда!!! Как же так?! Лженаука!!! Другой пример. Возьмём постоянный магнит и прикрепим его снизу к тому столу, на котором до этого лежал кирпич. Далее поднесём к магниту соответствующую ему по весу груз, например, гирьку. При достаточном их сближении произойдёт чудо: гирька воспарит вверх и, устремившись к магниту, сольётся с ним в крепких объятьях. Итак, полезная работа снова совершена – гирька поднята. Откуда взялась энергия??? – спрашивается в задаче. Из гирьки? Нет. Из воздуха? Тоже нет. Так откуда же? По идее, из магнитного поля. Но тогда, в соответствии с логикой закона сохранения энергии, энергия магнитного поля должна уменьшиться! Но магнитное поле столь же неграмотно, как и гравитационное, поэтому энергия его останется прежней. Получается, что и здесь энергия взялась из ниоткуда!!! Опять лженаука!!! Ну и третий пример. Возьмём электрет. В поле этого электрета будут самопроизвольно ускоряться электроны, протоны, ну и прочие заряженные частицы. Спрашивается: откуда берётся энергия на их ускорение? Из электрического поля? Если так, то, следуя логике закона сохранения энергии, энергия поля должна уменьшиться. Однако его энергия не уменьшится хотя бы потому, что пролетающим мимо частицам не под силу хоть как-то повлиять на поляризацию электрета. Снова энергия берётся из ниоткуда! — Каравул!!! Кругом лженаука!!! – должны воскликнуть лжеучёные-физики, ибо оказывается, что потенциальное поле таки может использоваться для совершения полезной работы! Осталось лишь ответить на вопрос: откуда берётся энергия на совершение полезной работы??? Если не из ничего, то из чего? Однако, пролистывая официально-лженаучные учебники, мы слышим в ответ лишь шелест бумаги и гробовую тишину, доносящуюся из них, как из гробницы, в которой похоронена истина. .. Остаётся лишь пожелать удачи официальной лженауке в поиске ответа на этот поистине детский вопрос, ибо если эфира нет, а пространство – пустое, как утверждает концепция дальнодействия, безраздельно властвующая в официальной лжефизике, то, лженауке с этой задачей не справиться, ибо поле с точки зрения этой концепции – это ничто, а не особая форма материи, как это чёрным по белому написано в словарях и энциклопедиях. А как эту особую форму материи назвать – эфир, оргон, флогистон, квантовый бульон, физический вакуум или поле – дело десятое. Главное, чтобы в головах профессоров и студентов начало возрождаться понимание того факта, что поле – материально. Другими словами, поля – это вихревые и ламинарные потоки материи, а не математические абстракции, обозначаемые буковками B, H, E или D. Именно это очень важно понять. Данное понимание утрачивалось на протяжении века – с приходом к власти Эйнштейна, его СТО и концепции пустого пространства. Впрочем, даже Эйнштейн осознал, какую глупость он совершил, поэтому 15 лет спустя, в 1920-м году, он написал в своей статье Эфир и теория относительности: Согласно общей теории относительности пространство немыслимо без эфира; действительно, в таком пространстве не только было бы невозможно распространение света, но и не могли бы существовать масштабы и часы и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле слова. А.Эйнштейн. Собрание научных трудов. М.: Наука. 1965. Т.1. С.689 Итак, Эйнштейну потребовалось 15 лет на то, чтобы осознать и признать своё заблуждение об отсутствии эфира в природе и ничтожности вакуума и пространства. Интересно, сколько должно пройти времени, прежде чем сегодняшние академики осознают и признают свои заблуждения? Впрочем, Нобелевский лауреат Макс Планк как-то сказал, что новая научная истина торжествует не потому, что её противники признают своё заблуждение, а потому, что со временем они вымирают, а подрастающее поколение изучает эту новую истину с самого начала. Именно это сейчас происходит. Круглякова и Гинзбурга уже нет. Скоро и других не останется. Приглашение к обсуждению прочитанного

Из wikipedia.org Тепловой насос, устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии к потребителю с более высокой температурой. Алексей Михайлович Бонч-Бруевич (1916 — 2006), советский и российский физик, крупный специалист в области квантовой электроники и физической оптики. Электрет, диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле. Специальная теория относительности, теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. Эдуард Павлович Кругляков (1934 — 2012), российский физик-экспериментатор, доктор физико-математических наук, академик РАН, сотрудник Института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР. Виталий Лазаревич Гинзбург (1916 — 2009), советский и российский физик-теоретик, доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН, до 1991 — АН СССР; чл.-корр. с 1953, лауреат Нобелевской премии по физике. Как решать задачи по физике Как утверждает Stanley J. Farlow в своей книге Partial Differential Equations for Scientists and Engineers, 99% задач по физике можно значительно упростить путем изменения системы координат для анализа. И не только задач из школьного или вузовского задачника. но и настоящих, жизненных, никем доселе не изученных. Иллюстрирует этот алгоритм этот рисунок…

Энергоэффективность ЦОД и как ее измерить

Самой крупной статьей расходов, любого дата центра являются энергоресурсы, разумеется, если он не подключен к городской энергосети мимо счетчика. Поэтому не удивительно, что вопросу энергоэффективности ЦОД уделяется столько внимания.  Ведь все затраты по этой части, в итоге, ложатся на плечи клиентов. Иными словами, чем больше дата центр тратит энергии для обеспечения работоспособности вашего оборудования, тем больше вам придется заплатить за размещение этого самого оборудования в дата центре. Как вы понимаете, помимо прямого потребления электроэнергии клиентским оборудованием есть еще и другие энергозатраты, например, охлаждение серверов. Выглядит вполне логично. Давайте разберемся что здесь к чему.

Итак, для измерения уровня энергоэффективности ЦОД существует общепризнанный показатель — PUE. Формула его расчета предельно проста:

Количество затраченной энергии дата центром поделенное на количество затраченной энергии для работы клиентского оборудования. Как вы понимаете, в количество затраченной энергии ЦОД входит электричество на освещение помещений ЦОД, электричество, потребляемое системой охлаждения, да и в общем то буквально все- система видеонаблюдения, сетевое оборудование, ПК работников техподдержки и отдела продаж, а в самых правильных расчетах фигурирует даже кофеварка, обслуживающая всех сотрудников и посетителей ЦОД. На данный момент в мире считается нормальным значением коэффициента PUE в районе 2. При таком значении PUE на каждый кВт/час, потребленный серверным оборудованием, приходится еще один кВт/час, потребленный системой охлаждения, освещением и всем прочим перечисленным ранее. Помимо серверного оборудования самым большим поглотителем энергии является система охлаждения дата центра, поэтому на эффективность именно этой системы обращают внимание прежде всего когда речь заходит о энергоэффективности. Именно благодаря желанию сэкономить на электричестве, затраченном системой охлаждения и появляются дата центры в северных широтах и под толщей морской воды, ведь в случае с постройкой ЦОД в холодном климате все что требуется от системы охлаждения — это подача уже холодного воздуха, что называется с улицы. А в случае с размещением серверного оборудования на морском дне, как это делает, например, компания Microsoft, сервера так же охлаждаются носителем из внешней среды, но на этот раз не воздухом а морской водой.

Но для того чтобы система охлаждения была эффективной с точки зрения потребляемой энергии не обязательно размещать ЦОД на севере или под водой. Современные системы охлаждения так же позволяют добиться высокой эффективности без привлечения внешней среды. Например, система охлаждения может следить за температурными датчиками по всему дата центру и точечно направлять свои усилия именно туда где это необходимо, а не охлаждать без нужды весь машинный зал. В конце концов можно охлаждать только серверные стойки, а не все помещение дата центра, разумеется если речь не о стойках, а о серверных шкафах, установленных на фальш пол.

Например, в мире существует ЦОД расположенный на одной широте с Украиной, декларирующий показательно PUE на уровне 1. То есть, на первый взгляд, в этом случае кроме серверов энергию ничто больше не потребляет. Конечно же данный ЦОД не держит систему охлаждения выключенной и не производит расчеты на счетах, а записи в тетрадях чтобы не включать компьютеры. Здесь дело в некоторой хитрости при расчетах коэффициента PUE, ведь в расчетах учтено электричество, выработанное солнечной электростанцией, установленной на крыше этого ЦОД. То есть да, инвестиции в зеленую энергетику позволяют экономить на электроэенргии, но технически данный показатель не имеет ничего общего с энергоэффективностью дата центра.

Так как при расчете значения PUE берется во внимание не только энергия, затраченная системой охлаждения, а и все прочие энергозатраты, то в целях снижения PUE не лишним будет и применение энергоэффекивного серверного и сетевого оборудования используемое самим ЦОД, ведь разница в классе энергоэффективности такого оборудования может существенно разниться в зависимости от производителя, серии и в конце концов поколения.

Вернемся к вопросу почему показатель PUE так важен для конечных клиентов. В большинстве ЦОД помимо счетов за аренду физического места в ЦОД и каналов интернет, клиентам дополнительно выставляют счета за потребленное электричество и здесь как раз и применяют коэффициент PUE к сумме общего счета за электричество. Условно говоря, в ЦОД с показателем PUE на уровне 2, если клиентское оборудование потребило за месяц 1440 кВт/час, то сумма к оплате будет рассчитываться по формуле: 1440 * стоимость 1кВт/час по ценам энергопоставщика * показатель PUE. То есть в этом случае сумма счета за электричество умножается на 2. Важность показателя PUE на лицо- чем он ниже, тем меньше придется платить в конце месяца.

В ЦОД Космонова показатель PUE равен 1,3, что является очень хорошим результатом для общемирового рынка ЦОД, но клиентов ЦОД этот показатель может интересовать только с точки зрения беспокойства о экологии, ведь клиентам не приходится оплачивать никаких дополнительных счетов за электричество.

Закон сохранения энергии.

Титульная Механика Литература

Силы, работа которых не зависит от формы траектории, а определяется начальным и конечным положением тела, называются потенциальными. Очевидно, что работа потенциальных сил на замкнутой траектории равна нулю. Все силы, работа которых зависит от формы траектории, называются непотенциальными. Непотенциальными силами являются силы трения, сопротивления. Для системы тел, в которой действуют потенциальные силы взаимодействия, можно ввести понятие потенциальной энергии. Потенциальная энергия — некоторая функция, описывающая взаимное расположение тел в системе, изменение которой взятое с обратным знаком, равно работе потенциальных сил, действующих между телами ситемы или же это энергия взаимного действия, взаимного расположения тел относительно друг друга: Пример. При прыжке ныряльщика в воду потенциальная сила притяжения совершает работу, которая равна изменению потенциальной энергии ныряльщика. Эта работа идет на изменение кинетической энергии прыгуна. Свойства потенциальной энергии: это энергия системы тел, между которыми действуют потенциальные силы взаимодействия; потенциальная энергия определяется с точностью до постоянного слагаемого. При этом за нулевой уровень потенциальной энергии можно принять любое состояние системы; формула для расчета потенциальной энергии может быть разной и зависит от характера взаимодействия тел; общим для всех видов потенциальной энергии является ее связь с работой потенциальных сил: A=Epсил=-(Ep1-Ep2) Кинетическая энергия — энергия движения. Работа силы, приложенной к телу при изменении его V, равна изменению кинетической энергии: Закон сохранения энергии. Приращение потенциальной энергии брошенного вверх тела происходит за счет убыли его кинетической энергии; при падении тела, приращение кинетической энергии происходит за счет убыли потенциальной энергии, так что полная механическая энергия тела не меняется. Аналогично, если на тело действует сжатая пружина, то она может сообщить телу некоторую скорость, т. е. кинетическую энергию, но при этом пружина будет распрямляться, и ее потенциальная энергия будет соответственно уменьшаться; сумма потенциальной и кинетической энергий останется постоянной. Если на тело, кроме пружины, действует еще и сила тяжести, то хотя при движении тела энергия каждого вида будет изменяться, но сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной энергии пружины и кинетической энергии тела опять-таки будет оставаться постоянной. Энергия может переходить из одного вида в другой, может переходить от одного тела к другому, но общий запас механической энергии остаётся неизменным. Опыты и теоретические расчеты показывают, что при отсутствии сил трения и при воздействии только сил упругости и тяготения суммарная потенциальная и кинетическая энергия тела или системы тел остается во всех случаях постоянной. В этом и заключается закон сохранения механической энергии. Докажем закон сохранения энергии в следующем опыте. Стальной шарик, упавший с некоторой высоты на стальную или стеклянную плиту и ударившийся об неё, подскакивает почти на ту же высоту, с которой упал. Во время движения шарика происходит целый ряд превращений энергии. При падении потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию шарика. Когда шарик прикоснется к плите, и он и плита начинают деформироваться. Если рассмотреть кинетическую энергию, то можно сделать вывод, что она превращается в потенциальную энергию упругой деформации шарика и плиты, причем этот процесс продолжается до тех пор, пока шарик не остановится, т. е. пока вся его кинетическая энергия не перейдёт в потенциальную энергию упругой деформации. Затем под действием сил упругости деформированной плиты шарик приобретает скорость, направленную вверх: энергия упругой деформации плиты и шарика превращается в кинетическую энергию шарика. При дальнейшем движении вверх скорость шарика под действием силы тяжести уменьшается, и кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию тяготения. В наивысшей точке шарик обладает снова только потенциальной энергией тяготения. Поскольку можно считать, что шарик поднялся на ту же высоту, с которой он начал падать, потенциальная энергия шарика в начале и в конце описанного процесса одна и та же. Более, того, в любой момент времени при всех превращениях энергии сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной энергии упругой деформации и кинетической энергии все время остается одной и той же. Для процесса превращения потенциальной энергии, обусловленной силой тяжести, в кинетическую и обратно при падении и подъеме шарика это было показано простым расчетом. Можно было бы убедиться, что и при превращении кинетической энергии в потенциальную энергию упругой деформации плиты и шарика и затем при обратном процессе превращения этой энергии в кинетическую энергию отскакивающего шарика сумма потенциальной энергии тяготения, энергии упругой деформации и кинетической энергии также остается неизменной, т. е. закон сохранения механической энергии выполнен. Теперь мы можем объяснить, почему нарушался закон сохранения работы в простой машине, которая деформировалась при передаче работы: дело в том, что работа, затраченная на одном конце машины, частично или полностью затрачивалась на деформацию самой простой машины (рычага, веревки и т.д.), создавая в ней некоторую потенциальную энергию деформации, и лишь остаток работы передавался на другой конец машины. В сумме же переданная работа вместе с энергией деформации оказывается равной затраченной работе. В случае абсолютной жесткости рычага, нерастяжимости веревки и т. д. простая машина не может накопить в себе энергию, и вся работа, произведенная на одном ее конце, полностью передается на другой конец. Силы трения и закон сохранения механической энергии. Присматриваясь к движению шарика, подпрыгивающего на плите, можно обнаружить, что после каждого удара шарик поднимается на несколько меньшую высоту, чем раньше, т. е. полная энергия не остается в точности постоянной, а понемногу убывает; это значит, что закон сохранения энергии в таком виде, как мы его сформулировали, соблюдается в этом случае только приближённо. Причина заключается в том, что в этом опыте возникают силы трения, сопротивление воздуха, в котором движется шарик, и внутреннее трение в самом материале шарика и плиты. Вообще, при наличии трения закон сохранения механической энергии всегда нарушается и полная энергия тел уменьшается. За счет этой убыли энергии и совершается работа против сил трения. Например, при падении тела с большой высоты скорость, вследствие действия возрастающих сил сопротивления среды, вскоре становится постоянной; кинетическая энергия тела перестает меняться, но его потенциальная энергия уменьшается. Работу против силы сопротивления воздуха совершает сила тяжести за счет потенциальной, энергии тела. Хотя при этом и сообщается некоторая кинетическая энергия окружающему воздуху, но она меньше, чем убыль потенциальной энергии тела, и, значит, суммарная механическая энергия убывает. Работа против сил трения может совершаться и за счет кинетической энергии. Например, при движении лодки, которую оттолкнули от берега пруда, потенциальная энергия лодки остается постоянной, но вследствие сопротивления воды уменьшается скорость движения лодки, т. е. ее кинетическая энергия, приращение кинетической энергии воды, наблюдающееся при этом, меньше, чем убыль кинетической энергии лодки. Подобно этому действуют и силы трения между твердыми телами. Например, скорость, которую приобретает груз, соскальзывающий с наклонной плоскости, а, следовательно, и его кинетическая энергия, меньше той, которую он приобрёл бы в отсутствие трения. Можно так подобрать угол наклона плоскости, что груз будет скользить равномерно. При этом его потенциальная энергия будет убывать, а кинетическая — оставаться постоянной, и работа против сил трения будет совершаться за счет потенциальной энергии. В природе все движения (за исключением движений в вакууме, например, движений небесных тел) сопровождаются трением. Поэтому при таких движениях закон сохранения механической энергии нарушается, и это нарушение происходит всегда в одну сторону — в сторону уменьшения полной энергии. Превращение механической энергии во внутреннюю энергию. Особенность сил трения состоит, как мы видели, в том, что работа, совершённая против сил трения, не переходит полностью в кинетическую или потенциальную энергию тел; вследствие этого суммарная механическая энергия тел уменьшается. Однако работа против сил трения не исчезает бесследно. Прежде всего, движение тел при наличия трения ведет к их нагреванию. Мы можем легко обнаружить это, крепко потирая руки или протягивая металлическую полоску между сжимающими ее двумя кусками дерева; полоска даже на ощупь заметно нагревается. Первобытные люди, как известно, добывали огонь быстрым трением сухих кусков дерева друг о друга. Нагревание происходит также при совершении работы против сил внутреннего трения, например, при многократном изгибании проволоки. Нагревание при движении, связанном с преодолением сил трения, часто бывает очень сильным. Например, при торможении поезда тормозные колодки сильно нагреваются. При спуске корабля со стапелей на воду для уменьшения трения стапеля обильно смазываются, и все же нагревание так велико, что смазка дымится, а иногда даже загорается. При движении тел в воздухе с небольшими скоростями, например, при движении брошенного камня, сопротивление воздуха невелико, на преодоление сил трения затрачивается небольшая работа, и камень практически не нагревается. Но быстро летящая пуля разогревается значительно сильнее. При больших скоростях реактивных самолетов приходится уже принимать специальные меры для уменьшения нагревания обшивки самолета. Мелкие метеориты, влетающие с огромными скоростями (десятки километров в секунду) в атмосферу Земли, испытывают такую большую силу сопротивления среды, что полностью сгорают в атмосфере. Нагревание в атмосфере искусственного спутника Земли, возвращающегося на Землю, так велико, что на нем приходится устанавливать специальную тепловую защиту. Кроме нагревания, трущиеся тела могут испытывать и другие изменения. Например, они могут измельчаться, растираться в пыль, может происходить плавление, т. е. переход тел из твердого в жидкое состояние: кусок льда может расплавиться в результате трения о другой кусок льда или о какое-либо иное тело. Итак, если движение тел связано с преодолением сил трения, то оно сопровождается двумя явлениями: сумма кинетической и потенциальной энергий всех участвующих в движении тел уменьшается; происходит изменение состояния тел, в частности может происходить нагревание. Это изменение состояния тел происходит всегда таким образом, что в новом состоянии тела могут производить большую работу, чем в исходном. Так, например, если налить в закрытую с одного конца металлическую трубку немного эфира и, заткнув трубку пробкой, зажать ее между двумя пластинками и привести в быстрое вращение, то эфир испарится и вытолкнет пробку. Значит, в результате работы по преодолению сил трения трубки о пластинки трубка с эфиром пришла в новое состояние, в котором она смогла совершить работу, требующуюся для выталкивания пробки, т. е. работу против сил трения, удерживающих пробку в трубке, и работу, идущую на сообщение пробке кинетической энергии. В исходном состоянии трубка с эфиром не могла совершить эту работу. Таким образом, нагревание тел, равно как и другие изменения, их состояния, сопровождается изменением «запаса» способности этих тел совершать работу. Мы видим, что «запас работоспособности» зависит, помимо положения тел относительно Земли, помимо их деформации и их скорости, еще и от состояния тел. Значит, помимо потенциальной энергии тяготения и упругости и кинетической энергии тело обладает и энергией, зависящей, от его состояния. Будем называть ее внутренней энергией. Внутренняя энергия тела зависит от его температуры, от того, является ли тело твердым, жидким или газообразным, как велика его поверхность, является ли оно сплошным или мелко раздробленным и т. д. В частности, чем температура тела выше, тем больше его внутренняя энергия. Таким образом, хотя при движениях, связанных с преодолением сил трения, механическая энергия систем движущихся тел уменьшается, но зато возрастает их внутренняя энергия. Например, при торможении поезда уменьшение его кинетической энергии сопровождается увеличением внутренней энергии тормозных колодок, бандаж колес, рельсов, окружающего воздуха и т. д. в результат нагревания этих тел. Все сказанное относится также и к тем случаям, когда силы трения возникают внутри тела, например, при разминании куска воска, при неупругом ударе свинцовых шаров, при перегибании куска проволоки. Всеобщий характер закона сохранения энергии. Силы трения занимают особое положение в вопросе о законе сохранения механической энергии. Если сил трения нет, то закон сохранения механической энергии соблюдается: полная механическая энергия системы остается постоянной. Если же действуют силы трения, то энергия уже не остается постоянной, а убывает при движении. Но при этом всегда растет внутренняя энергия. С развитием физики обнаруживались все новые виды энергии: была обнаружена световая энергия, энергия электромагнитных волн, химическая энергия, проявляющаяся при химических реакциях (в качестве примера достаточно указать хотя бы на химическую энергию, запасённую во взрывчатых веществах и превращающуюся в механическую и тепловую энергию при взрыве), наконец, была открыта ядерная энергия. Оказалось, что совершаемая над телом работа равна сумме всех видов энергии тела; работа же, совершаемая некоторым телом над другими телами, равна убыли суммарной энергии данного тела. Для всех видов энергии оказалось, что возможен переход энергии из одного вида в другой, переход энергии от одного тела к другому, но что при всех таких переходах общая энергия всех видов остаётся все время строго постоянной. В этом заключается всеобщность закона сохранения энергии. Хотя общее количество энергии остается постоянным, количество полезной для нас энергии может уменьшаться и в действительности постоянно уменьшается. Переход энергии в другую форму может означать переход ее в бесполезную для нас форму. В механике чаще всего это — нагревание окружающей среды, трущихся поверхностей и т. п. Такие потери не только невыгодны, но и вредно отзываются на самих механизмах; так, во избежание перегревания приходится специально охлаждать трущиеся части механизмов.

Понятия динамики. Механические единицы, работа, мощность, энергия, закон сохранения энергии

Основные понятия динамики. Все виды механического движения тесно связаны с действующими силами. Оказывая воздействие на тело, силы определяют характер движения, форму траектории, изменение ско­рости, ускорения. Раздел теоретической механики, посвященный изуче­нию движения материальных тел под действием сил, называется дина­микой.

Динамика учитывает очень важную величину — массу тел, которая, как и сила, является одним из факторов механического движения. Рассматри­вая зависимость движения от действующих сил и масс, устанавливают ос­новные законы движения тел.

В динамике, как и в других разделах механики, используют понятия о материальной точке и абсолютно твердом теле. В основе динамики лежат три закона механики, установленных и научно обоснованных Галилеем и Ньютоном.

Первый закон динамики получил название закона инерции: вся­кое тело стремится сохранить состояние покоя или прямолинейного и рав­номерного движения, пока воздействия со стороны других тел не заставят его изменить это состояние.

Действительно, ни одно тело не придет в движение без воздействия внешних сил и ни одно движущееся тело не останавливается до тех пор, по­ка на него не подействуют какие-либо силы, причем тело всегда стремится двигаться прямолинейно и равномерно.

Свойство тел сохранять состояние покоя или прямолинейного и равно­мерного движения получило название инерции от латинского слова инертность, что значит бездеятельность. Именно этим свойством объясня­ется то противодействие, которое возникает со стороны тела при действии на него внешней силы.

Инертность материальных тел проявляется даже при незначительном изменении величины и направления скорости движения. Известно, что когда машина начинает движение, находящиеся в ней пассажиры отклоня­ются назад, потому что они стремятся остаться в покое. При торможении машины пассажиры отклоняются вперед, так как стремятся двигаться с прежней скоростью. Когда же машина делает поворот, инертность тел пас­сажиров, заставляя их двигаться в прежнем направлении, отклоняет их в сторону, обратную повороту машины.

Второй закон динамики объясняет характер движения тел в зави­симости от их масс и действующих сил и является следствием первого зако­на: если при отсутствии сил тело остается в покое или движется равномер­но и прямолинейно, то под действием сил тело выходит из состояния покоя и начинает двигаться ускоренно.

Ускорение, которое получает тело под действием силы, прямо пропорци­онально силе и обратно пропорционально массе тела.

Второй закон динамики позволяет реально представить массу тела как меру механического противодействия внешней силе. Согласно этому зако­ну, чем больше сила и меньше масса, тем большее ускорение сообщается те­лу. К примеру, ненагруженный поезд под действием силы локомотива по­лучает большее ускорение, и он разгоняется быстрее груженного состава.

Когда же очень большая сила действует на малую массу, то она сообщает массе в короткий отрезок времени значительную скорость. Например, при выстреле из огнестрельного оружия пуля малой массы под действием боль­шой силы пороховых газов получает скорость порядка 900. .. 1000 м/с.

Таким образом, различные материальные тела обладают различной инертностью и мерой инертности тел является их масса.

Действующая сила является движущей, если она совпадает с направле­нием движения тела. Если же сила направлена против движения, она явля­ется тормозящей силой.

В реальных условиях на движущееся тело действуют движущие силы и силы сопротивлений. Если движущие силы встречают равное противодей­ствие со стороны сил сопротивлений, то эти силы уравновешиваются и тело остается в покое или движется равномерно.

Отсюда следует вывод: для равномерного движения необходимо равенст­во движущих сил и сил сопротивления; для ускоренного движения движу­щие силы должны превышать силы сопротивления, для замедленного — уступать им.

Третий закон динамики устанавливает, что при взаимодействии тел возникают равные по величине, но противоположные по направлению силы, то есть действие равно противодействию. Третий закон динамики объясняет многие явления, связанные с взаимодействием тел. Например, при ударе молотком по заготовке его действие вызывает равное и противо­положно направленное противодействие, в результате чего молоток подска­кивает. При выстреле из орудия давление пороховых газов выбрасывает из ствола снаряд и создает противодействие на орудие, вызывая «отдачу».

Внешние силы при деформациях тел производят действие, внутренние силы упругости — противодействие, которое называют сопротивле­нием материалов.

Третий закон динамики лежит в основе реактивного движения — поле­тов реактивных самолетов, ракет. Особое значение приобретает закон дей­ствия и противодействия в современную эпоху космических полетов и осво­ения космического пространства.

Механические единицы. При решении задач динамики преимущест­венное применение имеет международная система единиц (СИ).

Основными механическими единицами в этой системе являются: едини­ца пути — м, единица массы — кг, единица времени — с. Производные еди­ницы: единица скорости — м/с, единица ускорения — м/с², единица си­лы — ньютон (Н).

Ньютон — это сила, способная массе 1 кг сообщить ускорение 1 м/с². Размерность ньютона опреде­ляется из основного уравнения движе­ния по единицам массы и ускорения.

За техническую единицу массы принимают такую массу, которая под действием постоянной силы 1 кгс по­лучает ускорение 1 м/с². Численная величина массы m определяется по весу тела и ускорению свободного па­дения (рис. 20).

m=кгс/(м/с²)

Свободное падение тела под дейст­вием силы тяжести есть равномерно ускоренное движение С ускорением

свободного падения.

Работа, мощность и энергия. Применяемые в технике машины пред­назначены для выполнения определенной полезной работы: на металлоре­жущих станках изготавливают детали, в компрессорах получают сжатый воздух, при помощи транспортных машин перемещают грузы и т. д. Во всех машинах движущие силы преодолевают различные сопротивления, выпол­няют механическую работу. Таким образом, под механической работой по­нимают преодоление сопротивлений при движении.

Работу считают положительной, если вектор силы совпадает с направле­нием движения, и отрицательной при векторе силы, направленном в проти­воположную движению сторону. Примером отрицательной работы может быть действие тормозящей силы.

Одну и ту же работу можно выполнить за различное время. Быстрота вы­полнения работы характеризует работоспособность машин и называется мощностью.

За единицу мощности принимается работа, выполненная за 1 с времени. Численная величина мощности определяется отношением работы ко време­ни, в течение которого выполнена эта работа

N=A/t

где: А — работа; t — время.

Для решения задач установлены следующие единицы измерения работы и мощности. В Международной системе за единицу работы принят модуль (Дж) — работа, которая выполняется силой 1Яна пути 1 м. В технической системе единиц работа измеряется в кгс • м:

1 кгс • м = 9,81 Дж;

Дж = 0,102 кгс • м.

За единицу мощности в Международной системе принят ватт (Вт) — мощность, при которой работа в 1 Дж выполняется за 1 с времени. Мощ­ность, равная 1000 Вт, называется киловаттом (кВт). В технической сис­теме мощность выражается в кгс • м/с и лошадиных силах (л.с.). Мощность 1 кгс • м — это такая мощность, когда работа в 1 кгс • м выполняется за 1 с времени:

1 кгс • м/с = 9,81 Вт; 1 л.с. = 75 кгс • м/с = 75 • 9,81 = 736 Вт; 1 кВт = 102 кгс • м/с = 102 • 9,81 = 1000 Вт.

С работой и мощностью связано понятие о механической энергии.

Механическая энергия — это особая физическая величина, характеризующая способность тел совершать работу. Отсюда следует, что работа и энергия — эквивалентные величины: затрачивая энергию, выпол­няют соответствующую работу; совершая работу, тело приобретает опреде­ленную скорость и получает запас энергии. Таким образом, работа есть энергия в движении, а энергия — запас работоспособности тела. Эквива­лентность работы и энергии дает основание измерять эти величины в одина­ковых единицах, то есть в джоулях и килограммометрах.

Различают два вида механической энергии: кинетическую и потенци­альную (рис. 21).

Рис. 21

Кинетической энергией называют энергию движущихся тел. Примером могут служить движущиеся части машин и др. Численная вели­чина кинетической энергии может быть определена затратой работы на приращение скорости движения. В результате приращения скорости тело получает кинетическую энергию, равную полупроизведению массы тела на квадрат скорости движения.

Потенциальной энергией (от слова потенциал, что значит запас) называют энергию поднятого тела, определяемого его положением над по­верхностью Земли (рис. 21, II).

Потенциальная энергия поднятого тела определяется произведением его веса на высоту над поверхностью Земли. Потенциальной энергией обладают также упругие тела — сжатые газы, растянутые и закрученные пружины и др. Энергия упругих тел определяется величиной работы, которая затрачи­вается на преодоление сопротивления упругости тел при переводе их в на­пряженное состояние.

Закон сохранения энергии. Между потенциальной и кинетической энергией существует тесная связь. Поднимая груз, затрачивают кинетичес­кую энергию, но в результате подъема груз получает потенциальную энер­гию. При падении груз расходует потенциальную энергию, но увеличивая скорость, приобретает кинетическую энергию.

Уменьшение потенциальной энергии при падении груза и соответствую­щее увеличение кинетической энергии есть переход механической энергии из одного вида в другой.

На основании многочисленных наблюдений и опытов великий русский ученый М.В. Ломоносов установил закон сохранения энергии:

при всяких превращениях энергии из одного вида в другой количество энергии не изменяется;

сколько было затрачено одного вида энергии, столько же энергии других видов получается;

энергия не исчезает, а переходит из одного вида в другой в равных коли­чествах.

Механический коэффициент полезного действия. Выполнение по­лезной работы машиной сопровождается преодолением вредных сопротив­лений, главным образом сил трения в подвижных частях. По этой причине полезная работа машины всегда получается меньше затраченной энергии на приведение в действие машины.

Полезная работа машины численно равна разности между затраченной энергией двигателя и работой сил сопротивлений А_n = А₃ — А_с,

где: А_n — полезная работа; А₃ — затраченная работа; А_с — работа сил со­противления.

Для оценки совершенства машины в зависимости от затраченной энер­гии и полезной работы определяют коэффициент полезного действия маши­ны (КПД).

Численная величина КПД определяется отношением полезной работы машины к потребляемой энергии:полезная работа потребляемая энергия

Вследствии наличия вредных сопротивлений коэффициент полезного действия не может быть равен единице или быть больше ее. Коэффициент полезного действия обычно выражают в процентах.

Коэффициент полезного действия можно определить также отношением полезной мощности машины к затраченной мощности двигателя:

_{_____________мощность, передаваемая механизмом потребителю}

кпд =    ——————————————————————————————

^{_________________мощность, подведенная к механизму}

Данное определение КПД показывает как величина мощности влияет на совершаемую механическую работу.

С целью экономии энергии конструктора все время совершенствуют ма­шины и механизмы, повышая их коэффициент полезного действия. Основ­ные пути его повышения — уменьшения трения смазкой трущихся поверх­ностей, применение подшипников трения качения, уменьшение веса по­движных частей механизмов.

Силы инерции движения тел. Ранее уже упоминалось, что все мате­риальные тела стремятся сохранить состояние покоя или прямолинейного равномерного движения и что они оказывают сопротивление внешним си­лам, стремящимся нарушить это состояние.

Сила противодействия внешним силам, возникающая со стороны мате­риального тела при его ускоренном или замедленном движении, называет­ся силой инерции.

По третьему закону динамики сила инерции равна той силе, которая со­общает телу ускорение, но направлена противоположно ей. Величина силы инерции равна произведению массы материального тела на сообщаемое ему ускорение F_u = — mа,

где : F_u— сила инерции; m — масса материального тела; а — ускорение.

Знак минус здесь показывает, что сила инерции направлена в сторону, противоположную ускорению.

В криволинейном движении тело имеет нормальное и касательное уско­рения. Учитывая, что причиной появления ускорений являются силы, можно сделать вывод, что на тело в криволинейном движении действуют две силы: нормальная F_n и касательная F_r (? — угловая скорост).

Сила, которая создает нормальное ускорение и заставляет тело двигать­ся по кривой, называется нормальной или центростреми­тельной силой (рис. 22).

Рис. 22

По касательной к траектории на материальное тело действует касатель­ная сила, которая обеспечивает ускоренное или замедленное движение те­ла. Нормальная и касательная силы вызывают противодействие со стороны тела, стремящегося двигаться равномерно и прямолинейно.

Сила, направленная противоположно нормальному ускорению и стремя­щаяся вывести тело из движения по кривой, называется центробежной силой. Центробежная сила инерции, по величине равная нормаль­ной силе F_n, определяется по формуле F_цб = (m • v²)/r,

где: m — масса тела; v — линейная скорость тела; r — радиус вращения тела.

Силы инерции в машинах могут играть как отрицательную, так и поло­жительную роль. Например, когда железнодорожный состав с места начи­нает движение и при ускоренном движении под действием сил инерции со­здаются динамические нагрузки на сцепке вагонов. Такие нагрузки испы­тывают многие элементы механических устройств.

Полезное действие сил инерции, особенно центробежных, широко ис­пользуется в работе многих машин. На таком принципе работают центро­бежные вентиляторы, насосы, турбокомпрессоры, сепараторы и другие ме­ханизмы. Центробежные силы позволяют улучшить качество изготовления некоторых видов продукции и упростить многие технологические процес­сы. В качестве примеров можно назвать широко распространенный способ центробежного литья, процессы изготовления железобетонных труб, арма­туры и других изделий.

Кинетическая энергия колебаний. Колебания — это движения (из­менения состояния), характеризующиеся той или иной степенью повторяе­мости во времени. Колебания могут иметь различную физическую природу, а также отличаться и «механизмом» возбуждения, характером, степенью повторяемости и быстротой смены состояний.

В теории колебаний рассматриваются периодические и непериодические колебания. Наиболее простыми являются периодические колебания, при которых значение физических величин в, изменяющихся в процессе коле­бания, повторяются через равные промежутки времени  s(t + T) = s(t), где: t — время, Т — период колебания.

За период совершается одно полное колебание. Число полных колебаний в единицу времени v= 1Т называется частотой периодичности колебаний. Колебательные устройства могут иметь различное с конструктивной раз­новидностью количество звеньев, объединенных общим определением колебательная система, (рис. 23, I). Простейшие периодические колебания — гармонические колебания (рис. 23, II). Произвольное колебание можно представить в виде суммы гармонического колебания, у которого амплитуда (x₀) и период (Т) колебаний в данный период времени постоянны.

Рис. 23

Свободные колебания (собственные колебания) — колебания (рис. 23, III), которые возникают в системе, не подвергающейся переменным внешним воздействиям, вследствии какого-либо начального отклонения этой системы от состояния устойчивого равновесия. Характер свободного колебания в основном определяется параметрами колебательной системы (массой, упругостью, моментом инерции и т. п.).

Затухающие колебания (рис. 23, IV) — постепенно ослабленные с течением времени колебания. Это явление обусловлено потерями энергии колебательной системой. Затухающие колебания в механических системах вызываются главным образом трением и возмущением в окружающей сре­де упругих волн.

Во многих машинах и механизмах, подверженных вредным колебаниям во время работы, принято устанавливать специальные механические, пнев­матические и гидравлические гасители типа амортизаторов и демпферов, о них речь пойдет ниже.

Вынужденные колебания (рис. 23, V) — колебания, возникающие в колебательной системе под влиянием переменных внешних воздействий. Поскольку характер подобных воздействий может быть разным, то и харак­тер колебаний различен. Вынужденные колебания — всегда вредные коле­бания, отражающиеся в конечном счете на полезной работе и даже на цело­стности всей конструкции машины, механизма.

Автоколебательной (рис. 23, VI) называется система, в кото­рой возникают незатухающие колебания. Энергия автоколебаний поддер­живается за счет регулируемого поступления энергии от специального ис­точника, содержащегося в самой системе. Примерами автоколебания могут служить колебания маятника часов, струн в смычковых и др.

В колебательных системах зачастую возникают чрезвычайно вредные и опасные явления — это вибрация и резонанс. Вибрация (латинское сло­во — колебание) — это прежде всего механические колебания (рис. 23, VII).

Полезная вибрация (и такая может быть) возбуждается специальными вибраторами и служит для выполнения различных технологических опера­ций. К примеру, вибратор для уплотнения бетонной смеси и грунта в строи­тельстве, для выбивки литья из опок, при испытании конструкций, прибо­ров и аппаратов на виброустойчивость и т. п.

Вредная вибрация возникает при движении транспортных средств, работе машин, механизмов и при большой интенсивности нарушает режим работы или разрушает устройства, приводит к быстрой утомляемости людей. Наи­большую опасность представляет вибрация у самолетов от переменных аэро­динамических сил, возникающих в результате срывов воздушных потоков. Подобные вибрации приводят к появлению остаточных деформаций, выходу

Резонанс — более или менее рез­кое возрастание амплитуды установив­шихся вынужденных колебаний систе­мы, когда частота внешнего воз­действия на колебательную систему приближается к какой-либо из частот ее собственных колебаний.

В практике эксплуатации пролетных сооружений — мостов имели случаи их разрушения по причине «вхождения в резонанс». Известно, что подразделени­ям солдат перед входом на мост прика­зывают сменить строевой шаг на воль­ный. Это делается, чтобы резонансная частота, создаваемая одновременными ударами многих ног солдат подразделе­ния о настил моста, случайно не совпала с резонансной частотой самого сооружения, что может привести к его разру­шению. На всех машинах и механизмах, на которых во время работы воз­никают вредные колебания, принято ставить специальные гасители.

Амортизатор — устройство для смягчения ударов в конструкциях машин и сооружений в целях защиты от сотрясений и больших нагрузок. Амортизаторы применяют для гашения колебаний при движении автомо­биля по неровной дороге, для смягчения удара при посадке самолета и т. д. В конструкциях амортизаторов используют рессоры, торсионы (пружины, работающие на кручение), резиновые элементы и др., а также жидкости и газы.

Демпфер — устройство для успокоения (демпфирования) или пре­дотвращения вредных механических колебаний звеньев машин и механиз­мов путем поглощения энергии. Разновидностью демпфера является катаракт (греческое слово, означающее водопад). Катаракт — устройство для гашения колебаний и ослабления ударов в машинах, железнодорож­ных вагонах, автомобилях, артиллерийских орудиях, автоматических ре­гуляторах и др. Катаракт поглощает механическую энергию движения, об­ращая ее в тепло. Катаракты выполняются в виде поршневых, мембран­ных, сильфонных и др. устройств переменного объема, заполненными жид­костью (рис. 24: 1 — цилиндр, наполняемый вязкой жидкостью; 2 — поршень; 3 — шток; 4 — перепускной канал). В отличие от амортизато­ров, катаракт не имеет упругих частей и механическая энергия в нем не ак­кумулируется, а преобразуется в тепловую, рассеиваемую в пространстве.

Рис. 24

Энергия связи ядра. Дефект масс :: Класс!ная физика

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР

Ядра атомов представляют собой сильно связанные системы из большого числа нуклонов.
Для полного расщепления ядра на составные части и удаление их на большие расстояния друг от друга необходимо затратить определенную работу А.

Энергией связи называют энергию, равную работе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на свободные нуклоны.

Е связи = — А

По закону сохранения энергия связи одновременно равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных свободных нуклонов.

Удельная энергия связи

— это энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Если не считать самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Максимальную удельную энергию связи (8,6МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

По мере перегрузки ядер нейтронами удельная энергия связи убывает.
Для элементов в конце таблицы Менделеева она равна 7,6 МэВ/нуклон (например для урана).

Выделение энергии в результате расщепления или синтеза ядра

Для того, чтобы расщепить ядро надо затратить определенную энергию для преодоления ядерных сил.
Для того, чтобы синтезировать ядро из отдельных частиц надо преодолеть кулоновские силы отталкивания (для этого надо затратить энергию, чтобы разогнать эти частицы до больших скоростей).
То есть, чтобы провести расщепление ядра или синтез ядра надо затратить какую-то энергию.

При синтезе ядра на малых расстояниях на нуклоны начинают действовать ядерные силы, которые побуждают их двигаться с ускорением.
Ускоренные нуклоны излучают гамма-кванты, которые и обладают энергией, равной энергии связи.

На выходе реакции расщепления ядра или синтеза энергия выделяется.

Есть смысл проводить расщепление ядра или синтез ядра, если получаемая, т.е. выделенная энергия в результате расщепления или синтеза, будет больше, чем затраченная.
Согласно графику, выйгрыш в энергии можно получить или при делении (расщеплении) тяжелых ядер, или при при слиянии легких ядер, что и делается на практике.

ДЕФЕКТ МАСС

Измерения масс ядер показывают, что масса ядра (Мя) всегда меньше суммы масс покоя слагающих его свободных нейтронов и протонов.

При делении ядра: масса ядра всегда меньше  суммы масс  покоя образовавшихся  свободных  частиц.

При синтезе ядра: масса образовавшегося ядра всегда меньше  суммы масс  покоя свободных частиц, его образовавших.

Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра.

Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

где Мя – масса ядра ( из справочника)
Z – число  протонов в ядре
mp – масса  покоя свободного протона (из справочника)
N – число нейтронов в ядре
mn – масса покоя свободного нейтрона (из справочника)

Уменьшение массы при образовании ядра означает, что при этом уменьшается энергия системы нуклонов.

РАСЧЕТ ЭНЕРГИИ СВЯЗИ ЯДРА

Энергия связи ядра численно равна работе, которую нужно затратить для расщепления ядра на отдельные нуклоны, или энергии, выделяющейся при синтезе ядер из нуклонов.
Мерой энергии связи ядра является дефект массы.

Формула для расчета энергии связи ядра — это формула Эйнштейна:
если есть какая-то система частиц, обладающая массой, то изменение энергии этой системы приводит к изменению  ее массы.

Здесь энергия связи ядра выражена произведением дефекта масс на квадрат скорости света.

В ядерной физике массу частиц выражают в атомных единицах массы (а.е.м.)

Энергию связи можно рассчитать в Джоулях, подставляя в расчетную формулу массу в килограммах.

Однако, в ядерной физике принято выражать энергию в электронвольтах (эВ):

Просчитаем соответствие 1 а.е.м. электронвольтам:

Теперь расчетная формула энергии связи (в электронвольтах) будет выглядеть так:

ПРИМЕР РАСЧЕТА энергии связи ядра атома гелия (Не), где А = 4, Z = 2

Считаем энергию связи ядра в электронвольтах (дефект масс в а.е.м.) по преобразованной формуле

1. Расчет дефекта масс

В ядре атома гелия содержится 2 протона и 2 нейтрона, значение массы ядра гелия и масс покоя протона и нейтрона берем из справочника.

тогда

Удельная энергия связи ядра атома гелия:

, где 4 соответствует числу нуклонов в ядре атома гелия.

Вспомни тему «Атомная физика» за 9 класс:

Радиоактивность.
Радиоактивные превращения.
Состав атомного ядра. Ядерные силы.
Энергия связи. Дефект масс.
Деление ядер урана.
Ядерная цепная реакция.
Ядерный реактор.
Термоядерная реакция.

Другие страницы по теме «Атомная физика» за 10-11 класс:

Строение атома
Квантовые постулаты Бора
Методы регистрации частиц
Естественная радиоактивность
Радиоактивный распад
Закон радиоактаивного распада
Ядерные силы
Открытие электрона
Открытие протона
Открытие нейтрона
Строение ядра атома
Изотопы
Энергия связи ядра
Ядерные реакции
Деление ядер урана. Цепная реакция
Ядерный реактор. Атомная бомба
Термоядерная реакция
Водородная бомба
Топливные ресурсы. Ядерная энергетика

Мощность против энергии: принципиальные различия схожих понятий

23 Марта 2018

Алексей Телегин, ведущий блога по источникам питания Keysight Technologies

Мы продолжаем знакомить читателей с материалами, посвященными базовым понятиям и подходам в использовании источников питания (ИП), современным решениям в данной области и уникальным функциям, помогающим решить самые сложные задачи, возникающие при тестировании. В этом номере менеджер по развитию бизнеса и ведущий раздела по системам электропитания объединенного блога Keysight Technologies в России Алексей Телегин обсуждает такие фундаментальные понятия, как мощность и энергия.

Энергия становится все более ценным товаром, ведь человечество гораздо быстрее находит способы ее потребления, чем способы воспроизводства. Даже если бы мы были способны добывать или преобразовывать энергию в неограниченных количествах, процессы ее производства и потребления все равно оказывали бы огромное влияние на жизнь всей планеты. Для решения проблемы растущих потребностей необходимы более разумные и эффективные способы использования энергии. Нельзя не отметить, что в ряде отраслей происходит постоянное развитие технологий для решения данной задачи, и компания Keysight Technologies является активным участником этого, безусловно, положительного процесса.

Несмотря на то, что мощность и энергия — фундаментальные понятия, и большинство профессионалов прекрасно понимают различие между ними, я иногда встречаю сотрудников, ошибочно использующих одно из этих слов вместо другого. Действительно, эти понятия тесно связаны, но все же являются принципиально разными по смыслу.

Итак, начнем с энергии. Вероятно, лучше всего рассматривать ее с точки зрения классической механики движения заряженных частиц. Уравнение кинетической энергии выглядит следующим образом:

Ek = &frac12 × m × v²,

где Ek — энергия частицы, m — масса, а v — скорость. До тех пор, пока эта движущаяся частица не испытывает воздействия, ее энергия остается неизменной. Но что произойдет с частицей под действием внешней силы? Этот вопрос приводит нас к понятию работы. Механическая работа — это мера силы, зависящая от численной величины, направления силы и от перемещения точки. Если эта сила действует в том же направлении, что и перемещение, работа определяется как положительная. Частица получает энергию. Если сила действует в направлении, противоположном перемещению, тогда работа является отрицательной. Энергия частицы уменьшается. Работа выражается следующим образом:

W = Ek2–Ek1,

где Ek1 — энергия частицы до воздействия на нее силы, а Ek2 — энергия частицы после воздействия.

Работа — это количественная мера изменения энергии этой частицы.

Мы подошли к вопросу определения потенциальной энергии. В механике потенциальную энергию можно описать как нечто, что я буду называть возобновляемой силой, приложенной в направлении, противоположном перемещению. В самом типичном случае это будет масса объекта, поднятого на некоторую высоту, на который действует сила тяжести. Это также может быть сила, использованная для растягивания пружины на некоторое расстояние. В случае силы тяжести потенциальную энергию описывает следующая формула:

Ep = m × g × y,

где Ep — потенциальная энергия частицы, m — масса, g — сила тяжести, а y — высота частицы над заданной точкой отсчета. Обратите внимание, что вес — это произведение массы на силу тяжести. Работа, складываемая или вычитаемая (соответственно), — это подъем или опускание частицы на вертикальное расстояние под действием силы тяжести.

Для электричества понятия работы и энергии точно такие же, как и в контексте механики. Известно, что энергию нельзя создать или уничтожить, ее можно только преобразовать из одной формы в другую. Энергию света можно преобразовать в электрическую при помощи фотоэлемента. Электрическую энергию можно преобразовать в механическую при помощи электродвигателя и т. д. Эти процессы не являются эффективными на все 100%, потому что значительная доля исходной энергии преобразуется также в тепловую. Общепринятой мерой энергии являются джоули, которые равны одной ватт-секунде. Чаще всего мы сталкиваемся с этим понятием, когда оплачиваем счета за электроэнергию: сумма в них рассчитывается на основании количества киловатт-часов электроэнергии, которая израсходована с момента выставления предыдущего счета.

Как и в механике, энергию в электрических системах можно сохранять — в частности, в реактивных компонентах (катушках индуктивности и конденсаторах). Энергия в катушке вычисляется по формуле:

E = &frac12× L × I²,

где E — энергия в джоулях, L — индуктивность в генри, а I — сила тока в амперах. Катушка индуктивности хранит свою энергию в магнитном поле. Соответственно, энергия конденсатора определяется по формуле:

E = &frac12× C × V²,

где E — энергия в джоулях, C — емкость в фарадах, а V — электрический потенциал в вольтах. Конденсатор хранит свою энергию в электрическом поле.

Надеюсь, что теперь вы имеете более четкое представление о том, что представляет собой энергия (и работа). Далее необходимо связать эти понятия с мощностью.

Мы знаем, как можно увеличить энергию или, наоборот, уменьшить ее в системе под воздействием совершаемой работы, и установили, что совершенная работа приводит к изменению количества энергии. Но необходимо также знать, в течение какого периода выполнялась работа. Ведь она могла совершаться в течение минуты, дня или года. Мощность является мерой скорости, с которой выполняется работа, и энергии, добавляемой в систему или удаляемой из системы.

Средняя мощность = совершаемая работа/интервал времени.

Когда мы слышим слово «мощность», чаще всего нам в голову приходит мощность в лошадиных силах, которой обладает какой-нибудь автомобиль (по крайней мере, это утверждение справедливо для большинства автолюбителей). Несмотря на то, что чаще всего это понятие используется в отношении механических систем, лошадиная сила все же остается мерой мощности, точно так же, как и электрическая мощность, которую мы потребляем из розеток у себя дома.

Когда-то, еще во времена тепловых двигателей, Джеймс Ватт придумал термин «лошадиная сила» в качестве средства для сравнения своих паровых двигателей с интенсивностью работы, которую может производить лошадь. Механическая работа — это мера силы (фунты), затраченной на перемещение на расстояние (футы). В результате расчета было принято, что лошадь может переместить 550 футо-фунтов за одну секунду, или производить 550 футо-фунтов мощности в секунду.

Электрическая мощность также является мерой работы, выполняемой за единицу времени. Однако в этом случае она перемещает заряд в 1 Кл (кулон) при потенциале в 1 В (вольт) за 1 с (секунду). Обратите внимание, что 1 А (ампер) равен 1 Кл/с. Одна единица электрической мощности равна одному ватту. Подведем итог:

P (ватты) = Q (кулоны) × V (вольты) / t (секунды) = I (амперы) × V (вольты).

Мы говорили о том, что энергия измеряется в ватт-секундах и киловатт-часах. Разделите количество энергии на интервал времени, за который она была использована, и вы получите мощность в ваттах и киловаттах! Какова взаимосвязь между механической и электрической мощностью? Когда появились первые электродвигатели, необходимо было соотнести работу, которую они могли выполнить, с работой тепловых двигателей, которая измерялась в лошадиных силах, где одна лошадиная сила равна 550 футо-фунтов/с. Было определено, что электромотору с КПД, равным 100%, требуется 746 Вт электрической мощности, чтобы произвести одну лошадиную силу механической мощности. Обратите внимание, что оценка работы в лошадиных силах основана на британских единицах измерения физических величин. Мера лошадиной силы на основании метрической системы немного отличается и составляет около 735 Вт.

Итак, теперь вы умеете рассчитывать количество потребляемой мощности электрическими приборами и в лошадиных силах, и в ваттах. В то же время, вы также можете рассчитать мощность двигателя своего автомобиля в ваттах (или киловаттах) вместо лошадиных сил: в наши дни это довольно полезный навык, поскольку мощность в ваттах признается во всем мире, а в лошадиных силах — не везде.

Что такое расходы на энергию? Определение и калькулятор

Расход энергии — это количество энергии, необходимое человеку для выполнения таких физических функций, как дыхание, циркуляция крови, переваривание пищи или выполнение упражнений. Энергия измеряется в калориях, а ваш общий дневной расход энергии (TDEE) — это количество калорий, которые вы сжигаете каждый день. Чтобы предотвратить увеличение веса, потребление энергии должно быть сбалансировано с расходом энергии.

Что такое расходы на энергию?

Чтобы понять расход энергии, вы должны понимать, как ваше тело производит энергию.Чтобы обеспечить топливо для движения и повседневных функций, ваше тело вырабатывает энергию в виде тепла.

Что такое килокалории?

Энергия, содержащаяся в пище, измеряется в килокалориях или калориях, как мы их обычно называем. Технически говоря, килокалория — это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного килограмма воды на один градус Цельсия.

Общее количество калорий, которые вы сжигаете для получения энергии каждый день, — это ваши общие дневные затраты энергии.

Общий дневной расход энергии варьируется от человека к человеку в зависимости от размера тела, пола, состава тела, генетики и уровня активности. Например, общий расход энергии для маленькой малоподвижной женщины может составлять 1800 калорий или меньше в день.

С другой стороны, TDEE для крупного активного мужчины может легко составлять более 2000 калорий. Поскольку мужчина в этом примере имеет большую мышечную массу, более высокий уровень дневной активности и крупнее, его TDEE больше.

Калькулятор расхода энергии

Вы можете оценить свои затраты энергии на конкретную деятельность с помощью онлайн-калькулятора активности, такого как тот, который предоставляется Американским советом по физическим упражнениям. Онлайн-калькуляторы также позволяют рассчитывать количество сжигаемых калорий за день по тем же формулам, которые используются в клинических условиях.

Важно помнить, что калькуляторы расхода энергии дают оценку вашего ежедневного сжигания калорий.Число основано на данных, которые вы предоставляете. Эти данные (например, уровень вашей активности) могут меняться день ото дня.

Каждый день расход энергии у каждого человека не бывает одинаковым, поэтому, чтобы получить максимальную отдачу от расчетов расхода энергии, используйте их в качестве ориентира для суточного потребления калорий. При необходимости скорректируйте числа в зависимости от изменений вашего уровня активности или веса.

Снижение веса

Чтобы похудеть, ваше тело должно потреблять больше калорий, чем вы едите.Это означает, что вам нужно либо увеличить расход энергии, либо уменьшить потребление калорий, либо, в идеале, сделать комбинацию того и другого, чтобы создать дефицит калорий. Большинство экспертов рекомендуют создавать общий дефицит калорий в размере 3500–7000 калорий в неделю, чтобы терять 1–2 фунта жира в неделю.

Вы можете встретить веб-сайты, диетические компании и даже «экспертов», которые говорят, что вам следует игнорировать расход энергии, когда вашей целью является потеря веса или, возможно, вы чувствуете, что метод ввода / вывода калорий не помогал вам в прошлом.Но важно отметить, что даже если вы получаете калории из питательной пищи, вам все равно необходимо снизить общее потребление, чтобы похудеть.

Создание дефицита калорий может показаться простым на бумаге, но попытка похудеть может оказаться сложной задачей. Научиться менять свои повседневные привычки сложно.

Увеличьте расход энергии

Физическая активность в повседневной жизни приносит массу преимуществ для здоровья, помимо влияния на расход энергии.Физические упражнения снижают риск диабета и сердечных заболеваний, а также повышают естественное настроение и энергию.

Хотя регулярные упражнения — самый эффективный способ увеличить расход энергии, есть несколько других проверенных методов.

Термогенез деятельности без упражнений

Ученые используют причудливое название для описания калорий, сожженных от небольших движений, которые вы делаете в течение дня, не считая физических упражнений. Эти затраты называются термогенезом активности без упражнений или NEAT.Сюда входят такие вещи, как ерзание, ношение продуктов и вставание из-за стола.

Хотите верьте, хотите нет, но NEAT может иметь большое значение, когда дело доходит до потери веса. Вы можете предпринять простые шаги, чтобы повысить NEAT, легко изменив свой распорядок дня.

Термический эффект пищевых продуктов (TEF)

Это может показаться контрпродуктивным, но вы также тратите энергию, когда едите. Процесс жевания и переваривания пищи требует усилий и энергии от вашего тела. И одни продукты сжигают больше калорий, чем другие.Ученые называют это термическим эффектом пищи или TEF.

К сожалению, еда сама по себе не сожжет достаточно калорий, чтобы заметно улучшить вашу программу похудания. Но чтобы получить все преимущества, выбирайте продукты, сжигающие больше калорий, чтобы немного подтолкнуть вашу TDEE.

Роль таблеток и добавок

Есть несколько таблеток и добавок, которые, как утверждается, помогают ускорить метаболизм, позволяя без особых усилий сжигать больше калорий каждый день.Но многие из этих таблеток для похудения либо небезопасны, либо неэффективны. Таблетки для похудания и пищевые добавки обычно не рекомендуются, если они не прописаны врачом.

К сожалению, если что-то звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, обычно так оно и есть. Всегда лучше перестраховаться, чем сожалеть, если вы думаете об эксперименте с таблетками для похудения.

Слово от Verywell

Пытаетесь ли вы похудеть, набрать вес или поддерживать свой вес, ваш расход энергии является главным регулятором, а поиск правильного баланса является ключевым. Не каждый день будет идеальным, но соответствие потребления энергии с течением времени и в среднем поможет вам поддерживать здоровый вес в долгосрочной перспективе.

Если вам нужно изменить вес, чтобы улучшить свое здоровье, измените прием пищи и TDEE вместе, чтобы улучшить композицию тела и при этом чувствовать себя лучше.

Как рассчитать TDEE (общий дневной расход энергии)

Как рассчитать TDEE и макроэлементы

Установить цели в области питания сложно, если у вас нет отправной точки.Хотя большинство людей могут получить существенную пользу от качественного образа жизни, бывают моменты, когда требуется больше рекомендаций в виде подсчета калорий или макроэлементов. Но для того, чтобы подсчитать калории или макросы, нужно сначала вычислить их общий дневной расход энергии (TDEE).

TDEE — это количество калорий, сжигаемых за день. Это число важно знать, поскольку оно дает основу для сравнения текущего потребления, а затем при необходимости корректировать его в зависимости от целей.

Расчет TDEE

TDEE рассчитывается путем сложения четырех чисел: основной скорости метаболизма, термического эффекта кормления, расхода энергии при физической нагрузке и термогенеза физической активности.

TDEE = BMR + TEF + EEE + NEAT

Базальный уровень метаболизма (BMR)

Скорость основного обмена — это количество калорий, необходимое организму, чтобы оставаться в живых и поддерживать функционирование органов в состоянии покоя. Лучший способ точно рассчитать BMR — использовать такую ​​машину, как InBody. Однако, если у вас нет доступа к нему, вы можете просто умножить массу тела человека в килограммах на 20. Если вы тренер, эта информация обычно собирается в процессе оценки.

Пример:

176 фунтов = 80 кг

80 кг x 20 = 1600

BMR клиента с весом 176 фунтов = 1600 калорий.

Термический эффект подачи (TEF)

При расчете TDEE необходимо учитывать, сколько энергии требуется для переваривания потребляемой пищи. Это термический эффект кормления. Чтобы рассчитать TEF, просто умножьте BMR на 0,1.

Пример:

BMR = 1600

1600 х 0.1 = 160 калорий, сжигаемых в результате термического эффекта кормления.

Расход энергии на упражнения (EEE)

Третьей переменной в вычислении TDEE является расход энергии на упражнения (EEE). Это количество энергии, которое человек расходует во время тренировки. Для этого нет точного расчета, поскольку EEE уникален для всех, но практическое правило состоит в том, что он может варьироваться от 250 калорий для легких упражнений до 500 для интенсивных упражнений.

Пример:

Начинающий клиент, тренирующийся по часу = 250 EEE

Продвинутый клиент, отработавший час плюс = 500 EEE

Термогенез физической активности (NEAT)

Четвертая и последняя переменная — термогенез физической активности (NEAT).Это учитывает количество калорий, которые клиент сжигает в повседневной жизни вне физических упражнений, будь то выгул собаки, сидение за рабочим столом весь день или работа вручную. Для NEAT нет точного расчета, и снова он колеблется от 250 до 500 калорий в зависимости от активности в течение дня.

Пример:

Сидячий рабочий стол = 250 NEAT

Водитель-разносчик или строитель = 500 NEAT

Пример расчета TDEE:

Вес клиента 80 кг

BMR = 1600

TEF = 160

EEE = 250

NEAT = 250

TDEE 1600 + 160 + 250 + 250 = 2260

Как рассчитать макросы с помощью TDEE