Отношение энергии полезно затраченной на работу

Что такое КПД

Коэффициент полезного действия машины или механизма – это важная величина, характеризующая энергоэффективность данного устройства. Понятие используется и в повседневной жизни. Например, когда человек говорит, что КПД его усилий низкий, это значит, что сил затрачено много, а результата почти нет. Величина измеряет отношение полезной работы ко всей совершенной работе.

Согласно формуле, чтобы найти величину, нужно полезную работу разделить на всю совершенную работу. Или полезную энергию разделить на всю израсходованную энергию. Этот коэффициент всегда меньше единицы. Работа и энергия измеряется в Джоулях. Поделив Джоули на Джоули, получаем безразмерную величину. КПД иногда называют энергоэффективностью устройства.

Если попытаться объяснить простым языком, то представим, что мы кипятим чайник на плите. При сгорании газа образуется определенное количество теплоты. Часть этой теплоты нагревает саму горелку, плиту и окружающее пространство. Остальная часть идет на нагревание чайника и воды в нем. Чтобы рассчитать энергоэффективность данной плитки, нужно будет разделить количество тепла, требуемое для нагрева воды до температуры кипения на количество тепла, выделившееся при горении газа.

Данная величина всегда ниже единицы. Например, для любой атомной электростанции она не превышает 35%. Причиной является то, что электростанция представляет собой паровую машину, где нагретый за счет ядерной реакции пар вращает турбину. Большая часть энергии идет на нагрев окружающего пространства. Тот факт, что η не может быть равен 100%, следует из второго начала термодинамики.

Примеры расчета КПД

Пример 1. Нужно рассчитать коэффициент для классического камина. Дано: удельная теплота сгорания березовых дров – 107Дж/кг, количество дров – 8 кг. После сгорания дров температура в комнате повысилась на 20 градусов. Удельная теплоемкость кубометра воздуха – 1,3 кДж/ кг*град. Общая кубатура комнаты – 75 кубометров.

Чтобы решить задачу, нужно найти частное или отношение двух величин. В числителе будет количество теплоты, которое получил воздух в комнате (1300Дж*75*20=1950 кДж ). В знаменателе – количество теплоты, выделенное дровами при горении (10000000Дж*8 =8*107 кДж). После подсчетов получаем, что энергоэффективность дровяного камина – около 2,5%. Действительно, современная теория об устройстве печей и каминов говорит, что классическая конструкция не является энергоэффективной. Это связано с тем, что труба напрямую выводит горячий воздух в атмосферу. Для повышения эффективности устраивают дымоход с каналами, где воздух сначала отдает тепло кладке каналов, и лишь потом выходит наружу. Но справедливости ради, нужно отметить, что в процессе горения камина нагревается не только воздух, но и предметы в комнате, а часть тепла выходит наружу через элементы, плохо теплоизолированные – окна, двери и т.д.

Пример 2. Автомобиль проделал путь 100 км. Вес машины с пассажирами и багажом – 1400 кг. При этом было затрачено14 литров бензина. Найти: КПД двигателя.

Для решения задачи необходимо отношение работы по перемещению груза к количеству тепла, выделившемуся при сгорании топлива. Количество тепла также измеряется в Джоулях, поэтому не придется приводить к другим единицам. A будет равна произведению силы на путь( A=F*S=m*g*S). Сила равна произведению массы на ускорение свободного падения. Полезная работа = 1400 кг x 9,8м/с2 x 100000м=1,37*108 Дж

Удельная теплота сгорания бензина – 46 МДж/кг=46000 кДж/кг. Восемь литров бензина будем считать примерно равными 8 кг. Тепла выделилось 46*106*14=6.44*108 Дж. В результате получаем η ≈21%.

Единицы измерения

Коэффициент полезного действия – величина безразмерная, то есть не нужно ставить какую-либо единицу измерения. Но эту величину можно выразить и в процентах. Для этого полученное в результате деления по формуле число необходимо умножить на 100%. В школьном курсе математики рассказывали, что процент – этот одна сотая чего-либо. Умножая на 100 процентов, мы показываем, сколько в числе сотых.

От чего зависит величина КПД

Эта величина зависит от того, насколько общая совершенная работа может переходить в полезную. Прежде всего, это зависит от самого устройства механизма или машины. Инженеры всего мира бьются над тем, чтобы повышать КПД машин. Например, для электромобилей коэффициент очень высок – больше 90%.

А вот двигатель внутреннего сгорания, в силу своего устройства, не может иметь η, близкий к 100 процентам. Ведь энергия топлива не действует непосредственно на вращающиеся колеса. Энергия рассеивается на каждом передаточном звене. Слишком много передаточных звеньев, и часть выхлопных газов все равно выходит в выхлопную трубу.

Как обозначается

В русских учебниках обозначается двояко. Либо так и пишется – КПД, либо обозначается греческой буквой η. Эти обозначения равнозначны.

Символ, обозначающий КПД

Символом является греческая буква эта η. Но чаще все же используют выражение КПД.

Мощность и КПД

Мощность механизма или устройства равна работе, совершаемой в единицу времени. Работа(A) измеряется в Джоулях, а время в системе Си – в секундах. Но не стоит путать понятие мощности и номинальной мощности. Если на чайнике написана мощность 1 700 Ватт, это не значит, что он передаст 1 700 Джоулей за одну секунду воде, налитой в него. Это мощность номинальная. Чтобы узнать η электрочайника, нужно узнать количество теплоты(Q), которое должно получить определенное количество воды при нагреве на энное количество градусов. Эту цифру делят на работу электрического тока, выполненную за время нагревания воды.

Величина A будет равна номинальной мощности, умноженной на время в секундах. Q будет равно объему воды, умноженному на разницу температур на удельную теплоемкость. Потом делим Q на A тока и получаем КПД электрочайника, примерно равное 80 процентам. Прогресс не стоит на месте, и КПД различных устройств повышается, в том числе бытовой техники.

Напрашивается вопрос, почему через мощность нельзя узнать КПД устройства. На упаковке с оборудованием всегда указана номинальная мощность. Она показывает, сколько энергии потребляет устройство из сети. Но в каждом конкретном случае невозможно будет предсказать, сколько конкретно потребуется энергии для нагрева даже одного литра воды.

Например, в холодной комнате часть энергии потратится на обогрев пространства. Это связано с тем, что в результате теплообмена чайник будет охлаждаться. Если, наоборот, в комнате будет жарко, чайник закипит быстрее. То есть КПД в каждом из этих случаев будет разным.

Формула работы в физике

Для механической работы формула несложна: A = F x S. Если расшифровать, она равна приложенной силе на путь, на протяжении которого эта сила действовала. Например, мы поднимаем груз массой 15 кг на высоту 2 метра. Механическая работа по преодолению силы тяжести будет равна F x S = m x g x S. То есть, 15 x 9,8 x 2 = 294 Дж. Если речь идет о количестве теплоты, то A в этом случае равняется изменению количества теплоты. Например, на плите нагрели воду. Ее внутренняя энергия изменилась, она увеличилась на величину, равную произведению массы воды на удельную теплоемкость на количество градусов, на которое она нагрелась.

Это интересно

Наукой обосновано, что коэффициент полезного действия любого механизма всегда меньше единицы. Это связано со вторым началом термодинамики.

Для сравнения, коэффициенты полезного действия различных устройств:

• гидроэлектростанций 93-95%;
• АЭС – не более 35%;
• тепловых электростанций – 25-40%;
• бензинового двигателя – около 20%;
• дизельного двигателя – около 40%;
• электрочайника – более 95%;
• электромобиля – 88-95%.

Наука и инженерная мысль не стоит на месте. постоянно изобретаются способы, как уменьшить теплопотери, снизить трение между частями агрегата, повысить энергоэффективность техники.

Коэффициент полезного действия (КПД) человеческого организма – это отношение совершаемой им полезной работы к величине затраченной энергии. Он зависит от вида деятельности, интенсивности нагрузок, состояния психического и психологического здоровья (во время болезни большое количество энергии расходуется на борьбу с возникшими нарушениями) и многих других факторов.

Любая деятельность человека, в том числе и умственная, сопровождается энергетическими затратами. Энергию мы получаем из продуктов питания. В результате сложных биохимических процессов пища подвергается окислению, что сопровождается высвобождением внутренней энергии. Больше всего организм получает энергетического топлива из углеводов. Немаловажная роль в снабжении человека энергией отведена жирам, после распада которых образуются жирные кислоты. Расщепление их молекул происходит в митохондриях — органоидах, отвечающих за высвобождение и производство энергии в клетках.

Для того, чтобы человеку хватало энергии, необходим постоянный приток жирных кислот, за транспорт которых в митохондрии отвечает L-карнитин — витаминоподобное вещество, синтезируемое в нашем организме. Оно образуется в печени и поперечно-полосатых мышцах человека.

Роль L-карнитина в организме человека

Выделение энергии из жиров происходит с помощью разнообразных веществ, и самым важным из них является L-карнитин (левокарнитин, витамин B11). Энергия образуется в результате окисления жирных кислот и образования АТФ в митохондриях.

А L-карнитин как раз и является своеобразным «транспортом» для жирных кислот. Он доставляет их через мембрану митохондрий, где из них образуется энергия. Кроме того, L-карнитин — это своеобразный катализатор процессов метаболизма. Он позволяет эффективнее извлекать энергию из жиров. При этом белков затрачивается значительно меньше, и они могут использоваться для наращивания мышечной массы.

Без левокарнитина жирные кислоты не могут проникать сквозь мембраны митохондрий, поэтому от количества L-карнитина в организме во-многом зависит интенсивность энергетического обмена. При стрессе, переутомлении, болезни расход левокарнитина резко возрастает. Если не увеличить его содержание в клетках, то могут развиваться различные нарушения. Дополнительный прием левокарнитина в лекарственных препаратах помогает увеличить работоспособность, получать больше энергии из питания, нормализовать вес.

L-карнитин защищает нервную систему. Он принимает участие в синтезе холина (провещества ацетилхолина) — нейромедиатора, отвечающего за процесс запоминания информации. Таким образом, при недостатке левокарнитина могут возникать проблемы с памятью и концентрацией внимания.

Многие люди принимают L-карнитин во время диеты, так как он нормализует обменные процессы, укрепляет иммунитет и повышает адаптационные возможности организма. Любые нагрузки с ним переносятся легче. Диетологи, невропатологи и другие специалисты рекомендуют принимать левокарнитин курсами: в периоды интенсивных физических нагрузок, после перенесенных инфекционных заболеваний, травм, операций, стрессовых ситуаций. Для поддержания оптимального количества L-карнитина можно принимать препарат Элькар фармацевтической компании ПИК-ФАРМА.

Кому показан L-карнитин?

Элькар содержит натуральный L-карнитин, отпускается без рецепта и может применяться даже детьми с первых дней жизни. Этот препарат рекомендован при состояниях, сопровождающихся большими энергетическими затратами.

Основные показания для приема L-карнитина:

• синдром хронической усталости, повышенная утомляемость;

• реабилитация после оперативных вмешательств, травм, автомобильных катастроф;

• интенсивные физические или умственные нагрузки;

• необходимость придерживаться диетического питания;

• авитаминоз;

• снижение защитных сил организма;

• коррекция веса, лечение целлюлита;

• профилактика респираторно-вирусных инфекций;

• депрессивные расстройства, апатия;

• подготовка к беременности;

• кожные заболевания, патологии желудочно-кишечного тракта (Элькар ускоряет процессы регенерации тканей);

• ответственные периоды в жизни, требующие сосредоточения и концентрации внимания;

• профилактика снижения памяти.

Принимать Элькар необходимо по инструкции: за полчаса до еды, разбавляя в небольшом количестве жидкости. Дозировка подбирается в соответствии с массой тела и имеющимися показаниями. Средство рекомендуется приобретать только в аптечных сетях. При наличии каких-либо хронических патологий, аллергических реакций перед использованием препарата посоветуйтесь со своим лечащим врачом.

Реклама

Общее определение мощности

Схема цепи

Важно! При работе любого аппарата (механического или электрического) полезной мощностью будет та, которая останется для совершения нужной работы после преодоления факторов, вызывающих потери (нагрев, трение, противодействующие силы).

ЭДС определение

К сведению. Измерить значение E (ЭДС) представляется возможным только в режиме холостого хода (х.х.). Подключение любой нагрузки вызывает потерю напряжения внутри ИП.

Разность потенциалов

Схема для измерения R0

Важно! КПД и Pпол не одно и то же. В разных рабочих процессах добиваются максимума или одного, или другого.

К сведению. Чтобы увеличить КПД подъёмных кранов, нагнетательных насосов или двигателей самолётов, нужно уменьшить силы трения механизмов или сопротивления воздуха. Этого достигают применением разнообразных смазок, установкой подшипников повышенного класса (заменив скольжение качением), изменением геометрии крыла и т.д.

График зависимости Рпол и η от тока в цепи

К сведению. Термический коэффициент полезного действия повышается с повышением доли теплоты, подаваемой к рабочему телу, которая преобразуется в работу. Подаваемая теплота делится на два вида энергии: внутренняя в виде температуры и энергия давления.

Информация. Все доработки двигателей внутреннего сгорания в виде: нагнетателя турбонадува, организации многократного или распределённого впрыска, а также повышения влажности воздуха, доведения топлива при впрыске до состояния пара, не дали ощутимых результатов резкого повышения КПД.

КПД двигателя внутреннего сгорания

Исключение. Принцип теплового насоса, применяемый в работе холодильников и кондиционеров, приближает их КПД к 100%. Там нагрев одного радиатора приводит к охлаждению другого.