Разместить заказ
Вы будете перенаправлены на Автор24

Формула полезной работы в физике для КПД

Все предметы / Физика / Формула полезной работы в физике для КПД
Содержание статьи
Определение 1

КПД (коэффициент полезного действия) - величина, характеризующая соотношение используемой энергии к затрачиваемой, т.е. энергетическую эффективность системы.

КПД измеряется в процентах или указывается как десятичная дробь от 0 до 1. КПД 50% (или, что тоже самое– 0,5) означает, что только половина энергии используется для выполнения работы. Остальная рассеивается в окружающем пространстве, как правило, в форме тепла.

Замечание 1

Коэффициент полезного действия паровозов, применявшихся для железнодорожных перевозок в XIX - первой половине XX вв., составлял менее 10%, т.е. 90 и более процентов тепла от сжигаемого в топках угля улетучивалось в атмосферу, не выполняя полезной работы по вращению колес, приводящему к движению состав. Для сравнения: КПД пришедших на смену паровозам тепловозов (в них используются не паровые, а дизельные двигатели) достигает 40%.

КПД в формулах обозначают греческой буквой $\eta$ (эта).

$\eta = \frac{A_п}{A_з}$

, где $A_п$ - полезная работа, $A_з$ - затраченная.

Полезная работа и потери энергии

"Полезность" выполняемой работы - величина субъективная, связанная с человеческим восприятием, поэтому о КПД говорят чаще всего применительно к искусственно созданным системам. Несмотря на то, что технологии совершенствуются, избежать потерь в рукотворных системах инженерам не удастся:

  • в механических устройствах часть затрачиваемой энергии всегда тратится на преодоление сил трения между соприкасающимися деталями (эти силы уменьшают за счет более тщательной обработки и смазки);
  • в электрических системах часть энергии рассеивается в виде тепла при преодолении сопротивления проводников (явление сверхпроводимости еще не применимо к практике и требует низких температур);
  • в нагревательных приборах утечки происходят в силу дефектов теплоизоляции и т.п.

Таким образом,

$A_з$ > $A_п$

, где $A_з$ - работа затраченная, $A_п$ - работа полезная.

Готовые работы на аналогичную тему

Потери энергии можно сводить к минимуму, но полностью исключить их невозможно. Какое бы совершенное устройство мы не придумали, КПД никогда не достигнет единицы в силу второго закона термодинамики, действие которого исключает создание механизмов с КПД равным или большим 100%.

КПД различных физических процессов

Методики подсчета КПД разнятся в зависимости от физической природы явлений, задействованных в преобразующих энергию системах.

При практических расчетах, связанных с движением, знаменатель формулы КПД удобнее представить не как работу (произведение силы на расстояние), а как затраченную энергию, выделившуюся, например, при сжигании топлива:

$\eta = \frac{A_п}{Q}$

, где $A_п$ — выполненная системой полезная работа, $Q$ — затраченная системой энергия.

Например, зная сколько бензина истрачено двигателем автомобиля (количество выделившегося в результате тепла можно легко подсчитать), а также массу, скорость и пройденное расстояние, легко найти КПД.

Если речь идет не об автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, а об электромобиле, то затраты энергии в знаменателе можно подсчитать как произведение средних тока и напряжения за время движения рассматриваемого транспортного средства.

Поскольку мощность представляет собой работу, выполняемую в единицу времени, КПД иногда бывает удобно посчитать как соотношение входной и выходной мощностей системы:

$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}}$

, где $P_{in}$ - мощность на входе системы, $P_{out}$ - на выходе.

Такой подход удобен, например, при расчете КПД солнечных батарей. В знаменателе в этом случае будет мощность светового излучения, падающего на их поверхность, в числителе - мощность генерируемого тока.

Пример 1

Лебедка, потребляющая мощностью 500 Вт, за время 10 с подняла груз массой 70 кг на высоту 5м. Найти КПД лебедки.

Лебедка преодолела силу тяжести, совершив работу

$A_л = m \cdot g \cdot h$

, где $m$ - масса, $g$ - ускорение свободного падения, $h$ высота.

Подставив значения, получаем:

$A = 70 \cdot 9,8 \cdot 5 = 3430 Дж$

Затраченную энергию найдем через мощность и время:

$Q = P \cdot t$

, где $Q$ - энергия, $P$ - мощность, $t$ - время.

Подставив значения, получаем:

$Q = 500 Вт \cdot 10 с = 5000 Дж$

КПД находим как соотношение

$\eta = \frac{A}{Q} = \frac{3430}{5000}\cdot 100$% = $68,6$%

Ответ: КПД лебедки равен 68,6%.

Сообщество экспертов Автор24

Автор этой статьи

Автор статьи

Сергей Феликсович Савельев

Эксперт по предмету «Физика»

Статья предоставлена специалистами сервиса Автор24
Автор24 - это сообщество учителей и преподавателей, к которым можно обратиться за помощью с выполнением учебных работ.
как работает сервис