Что показывает кпд тепловых двигателей

где Q X >> — тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах холодопроизводительность); A

Для тепловых насосов используют термин коэффициент трансформации

где Q Γ > — тепло конденсации, передаваемое теплоносителю; A — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).

В идеальной машине Q Γ = Q X + A =Q_ >+A> , отсюда для идеальной машины ε Γ = ε X + 1 =varepsilon _ >+1>

Наилучшими показателями производительности для холодильных машин обладает обратный цикл Карно : в нём холодильный коэффициент

ε = T X T Γ − T X > over -T_ >>>> , поскольку, кроме принимаемой в расчёт энергии A (напр., электрической), в тепло Q идёт и энергия, отбираемая от холодного источника.

Что показывает кпд тепловых двигателей

Кессова Екатерина Васильевна

МОУ СОШ № 111 г. Минеральные Воды Ставропольский край

© Copyright 2001-2007. Федерация Интернет Образования.

Зарегистрировано в Министерстве РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовой информации. Свидетельство Эл 77-4640 от 28.06.2001 г

«Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей», 10 класс

Тип урока: Урок изучения нового материала с элементами обобщения ранее изученного и первичного закрепления.

Цели урока:

1. образовательные — изучить принцип работы тепловых двигателей, сформировать представление об устройстве и принципе действия тепловых двигателей и понятие об идеальной тепловой машине Карно; осмыслить практическую значимость, полезность приобретаемых знаний и умений;
2. развивающие – создать условия для развития творческих и исследовательских навыков, формировать умения выделять главное, сопоставлять, делать выводы; развивать речь, совершенствовать интеллектуальные способности; решать тренировочные задачи.
3. воспитательные — способствовать привитию культуры умственного труда, создать условия для повышения интереса к изучаемому материалу.

Задачи урока:

1. Знать определения:

Теплового двигателя;
КПД теплового двигателя;
КПД идеального теплового двигателя (по циклу Карно).

Формулы:
Замкнутого цикла;
КПД теплового двигателя;
КПД цикла Карно

2. Уметь
— решать расчетные и графические задачи, используя формулы
— изучить принцип работы тепловых машин
— выяснить, пути повышения КПД тепловых двигателей
-научиться решать задачи;
— научиться определять КПД тепловых машин, делать самоанализ урока.

Приобретаемые навыки детей:
— работы с ЦОР
— мотивация к учебно-познавательной деятельности.
— экспериментальной работы:
— проведения исследования;
— развитие логического мышления, памяти, речи учащихся
— целенаправленная учебная деятельность, когда каждый ученик и класс в целом объединяются одной целью
— включение ученика в сам процесс активного участия в добывание новых знаний
— повышается уровень восприятия, осмысления и запоминания.
— воспитание внимательного отношения к окружающим, друг к другу, учебной дисциплины.
— подводить итоги своей работы, анализировать свою деятельность.

Формы организации работы детей:
— индивидуальная;
— фронтальная;
— групповая;
— парная

Формы организации работы учителя:
Использование различных методов для мотивации учащихся:
— словесно- иллюстративный метод;
— репродуктивный метод,
— практический метод,
— проблемный метод, в котором учитель ставит перед учащимися проблему и показывает пути ее решения,
— метод письменного текущего контроля,
— постановка цели занятия перед учащимися,
— организация восприятия новой информации,
— первичная проверка понимания изученного материала,
— организация усвоения нового материала путем практического применения новой информации,
— творческое применение и добывание знаний,
— обобщение изучаемого на уроке и введение его в систему ранее усвоенных знаний.

Технологические особенности: урок строится как цепочка этапов исследовательской деятельности учащихся
Технические условия: урок проводится в компьютерном классе (компьютеры подключены к сети Интернет), а также можно использовать один компьютер и проектор. Установка оболочки1С: Образование. Физика 10 класс. Единая коллекция цифровых ресурсов диск 1,2.

Используемое оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран, портреты ученых, презентация (приложение1).

Используемые ресурсы Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов:
«Основной принцип работы тепловых двигателей(N133902)»
«Адиабатный процесс (N113921)»
«Анимация. Тепловые двигатели(N133902)»
«Тепловые двигатели(N 100243)»
«Вселенная как тепловая машина (N90661)»
«Возможности использования самопроизвольных процессов для получения полезной работы (N100722)»
«Анимация. Изотермический процесс (N 13900)»
«Цикл Карно(N105276)»
«Цикл Карно (N1140088)»
«Задача. Внутренняя энергия идеального газа и ее изменение (N114045)»
« Зависимость КПД от температуры нагревателя (N102651)»
« Зависимость КПД от температуры нагревателя (N103712)»
«Тест (N 515)»
«Тест. Решение графических задач (N117238) »
«Графики тепловых машин(N101214)»

Используемые ресурсы из других общедоступных источников:
Картина. «С.Карно»
Учебник физики 10 класс. Автор: Г.Я. Мякишев.
Интернет – ресурсы: сайт «Социальный навигатор» http://www.edu.yar.ru/russian/projects/socnav/prep/phis001/tepl_test.html

План урока
1 Организационный момент.
2. Мотивация.
3. Актуализация знаний
4. Постановка цели занятия перед учащимися.
5. Организация восприятия новой информации.
6. Первичная проверка понимания.
7. Организация усвоения нового материала путем воспроизведения информации.
8. Творческое применение и добывание знаний.
9. Обобщение изучаемого на уроке и введение его в систему ранее усвоенных
знаний.
10. Домашнее задание.
11. Подведение итогов урока.
12. Рефлексия

Пезентация

Ход урока
Ум заключается не только в знании,
но и в умении применять знания на деле
Аристотель

1.Организационный момент.
Приветствую учащихся, проверяю готовность класса к уроку
2. Мотивация.
Учитель. Однажды великого мыслителя Сократа спросили о том, что, по его мнению, легче всего в жизни. Он ответил, что легче всего – поучать других, а труднее – познать самого себя.
На уроках физики мы говорим о познании мира. Как мы воспринимаем мир? Как мыслители или как художники? Проведем тест и определим преобладающий тип мышления.

Психологический тест.
Результаты теста таковы: есть мыслители, художники, а большинство из нас – гармонично развитые личности, которым свойственно логическое и образное мышление. Сегодня мы организуем работу так, чтобы каждый проявил свои способности, приобрел навыки работы в коллективе. Покажем умения и навыки при изучении темы: «Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей».

3.Постановка цели занятия перед учащимися.
Развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии. Использовать эту энергию — это значит совершать за счет ее полезную работу. Рассмотрим источники, которые совершают работу за счет внутренней энергии. Учащиеся самостоятельно формулируют тему и определят основные задачи урока, записывают в тетради тему урока.

4.Актуализация знаний.
В одно мгновенье видеть вечность,
Огромный мир — в зерне песка,
В единой горсти — бесконечность,
И небо — в чашечке цветка!
И.А.Бунин

Фронтальный опрос
—Как определить изменение внутренней энергии согласно первого закона термодинамики?
-На что расходуется количество теплоты, переданное системе?.
первого закона термодинамики
-Заселите формулами остров «Термодинамика».
-Опишите характер теплообмена газа в каждом процессе, составляющем замкнутый цикл.

Решите задачи (по вариантам):
1.При изотермическом сжатии газ передал окружающим телам теплоту 800 Дж. Какую работу совершает газ? Какую работу совершают внешние силы?
2. При адиабатном процессе газом была совершена работа 150 Дж.Как и насколько изменилась его внутренняя энергия?

5. Организация восприятия новой информации.
Решение графических задач
Используются: «Анимация изотермического процесса (N13900)»
Рассмотрим теплообмен в ходе газовых процессов
Используются: «Анимация изобарного процесса (N113921)»
Учащиеся делают выводы.
Рассмотрим возможности использования энергии самопроизвольных процессов для получения полезной работы. Используются: ресурс: «Возможности использования самопроизвольных процессов для получения полезной работы (N100722)»
Решаем задачу. Ресурс: «Внутренняя энергия идеального газа и ее изменение (N114045)»

6. Организация усвоения нового материала путем воспроизведения информации.
Учитель. Как можно использовать внутреннюю энергию газа для совершения работы?
Механизмы, превращающие внутреннюю энергию газа в механическую называются тепловыми машинами. Рассмотрим принцип работы тепловых двигателей и каков КПД их? Какие существуют способы повышения их.кпд.

7. Творческое применение и добывание знаний.
Вид ЦОР. Мультимедиа «Основной принцип работы тепловых двигателей (N133902)», «Тепловой двигатель (N100243)», «Анимация тепловой двигатель (N1339902)»
Основные вопросы из ЦОР:
— определение теплового двигателя;
— принцип работы ( дана энергетическая схема);
— график цикла;
— формулы определения КПД и КПД цикла Карно. Вид ЦОР. «Иллюстрация. (N114088)»
— вывод формулы для КПД идеального теплового двигателя.
Вид ЦОР. Иллюстрация. Вывод формулы для КПД идеального теплового двигателя «N113991)»
— графики, показывающие работу тепловых машин. «(N101214)»

8.Обобщение изученного на уроке.
Итак. Какие механизмы называются тепловыми двигателями?
Каков принцип работы тепловых машин?
Каков принцип работы идеальной тепловой машины?
Формулы расчета КПД идеальной тепловой машины и КПД теплового двигателя.
Интерактивное задание. Зависимость КПД от температуры нагревателя и «(N102651)» и холодильника «(N103712)».
Решение задач. Тест. Решение графических задач «(N117238)».

9. Закрепление материала.

1. Какие машины называются тепловыми?
2. Назовите основные элементы теплового двигателя и их назначение.
3. Что называют кпд теплового двигателя?
4. Назовите какие виды тепловых машин вам известны?

Первая группа решает разноуровневые задачи.

1 уровень. Чему равен КПД идеального теплового двигателя, если температура нагревателя 4550 С, а температура холодильника 2730 С?
2 уровень. Тепловой двигатель совершает работу за цикл 100 Дж. Какое количество теплоты получено при этом от нагревателя, если КПД двигателя 20%?
3 уровень. Двигатель получает от нагревателя каждую секунду 7200 Дж теплоты и отдает в холодильник 6400 Дж. Определите КПД.
На рабочем столе компьютера учащиеся открывают папку «Проверь себя» и листок самоконтроля с тестовыми заданиями, которое выполняет вторая группа.

1. Какие устройства относятся к тепловым двигателям:
а) превращающие тепловую энергию в механическую;
б) электрическую энергию в тепловую;
в) внутреннюю энергию в тепловую

2. Какой элемент теплового двигателя совершает работу:
а) холодильник;
б) газ или пар;
в) нагреватель;

3. Какие условия необходимы для циклического получения механической работы в тепловом двигателе:
а) наличие нагревателя и холодильника;
б) наличие рабочего тела и холодильника;
в) наличие нагревателя и рабочего тела

4. КПД теплового двигателя всегда:
а) больше1;
б) равен 1;
в) меньше 1.

5. При каком замкнутом процессе тепловой двигатель имеет максимальный КПД:
а) состоящий из двух изотерм и двух изобар:
б) состоящий из двух изохор и двух изобар:
в) состоящий из двух изотерм и двух адиабат.

Тест, который выполняет третья группа.

1. Коэффициент полезного действия теплового двигателя:
   Отношение времени полезной работы ко времени, затраченному на техническое обслуживание и ремонт;
   Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии;
   Отношение температуры нагревателя к температуре охладителя.
2. Классический цикл Карно состоит из:
   4-х изотерм;
   4-х адиабат;
   2-х изохор и 2-х адиабат;
   Ничего из перечисленного не верно.
3. Полезная работа в цикле Карно — это:
   Площадь под верхней изотермой;
   Сумма площадей под верхней изотермой и верхней адиабатой;
   Сумма площадей под верхней изотермой и нижней изотермой;
   Площадь, ограниченная обоими изотермами и обоими адиабатами;
4. Для приближения КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, к единице, необходимо:
   Повышать температуру нагревателя и понижать температуру холодильника;
   Повышать температуру холодильника и понижать температуру нагревателя;
   Повышать температуру холодильника и нагревателя;
   Понижать температуру холодильника и нагревателя;
   Стремиться сделать равной температуру холодильника и нагревателя.

Аналогичный тест в электронном варианте можно попробовать на сайте «Социальный навигатор», по ссылке http://www.edu.yar.ru/russian/projects/socnav/prep/phis001/tepl_test.html

10. Подведение итогов урока. ( Рефлексия). Выставление оценок учащимся.

11. Домашнее задание. § 84.
1 уровень. Упражнение 15, задача №15, №16
2 уровень. Экспериментальные задания: используя ЦОРы (№113923.113960,114062), объясните общий принцип работы тепловых машин.

§5.12. МАКСИМАЛЬНЫЙ КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Из-за того что часть теплоты при работе тепловых двигателей неизбежно передается холодильнику, КПД двигателей не может равняться единице. Представляет большой интерес нахождение максимально возможного КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем температуры Тг и холодильником температуры Т2.

Идеальная тепловая машина Карно

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Все процессы в машине Карно рассматриваются как равновесные (обратимые).

В машине осуществляется круговой процесс или цикл, при котором система после ряда преобразований возвращается в исходное состояние. Цикл Карно состоит из двух изотерм и

двух, адиабат (рис. 5.16). Кривые 1 —2 и 3—4 — это изотермы, а 2—3 и 4—1 — адиабаты.

Сначала газ расширяется изотермически при температуре Т1. При этом он получает от нагревателя количество теплоты Затем он расширяется адиабатно и не обменивается теплотой с окру-жающими телами. Далее следует

изотермическое сжатие газа при о

температуре Т2. Газ отдает в этом рис g jg

процессе холодильнику количество теплоты Q2• Наконец газ сжимается адиабатно и возвращается в начальное состояние.

При изотермическом расширении газ совершает работу > 0, равную количеству теплоты При адиабатном рас-ширении 2—3 положительная работа А’3 равна уменьшению внутренней энергии при охлаждении газа от температуры 7 до температуры Т2: А’3 = -AU12 = ЩТХ) — U (Т2).

Изотермическое сжатие при температуре Т2 требует совершения над газом работы А2. Газ совершает соответственно отри цательную работу А 2

Q2. Наконец, адиабатное сжатие требует совершения над газом работы А4 = AU21. Работа самого

Карно Никола Леонар Сади (1796— 1832) — талантливый французский инженер и физик, один из основателей термодинамики.

бота газа при двух адиабатных процессах равна нулю.

За цикл газ совершает работу

А’= А[ + A’2=Q1 + Q2 = IQJ — |Q2|. (5.12.1)

Эта работа численно равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла (заштрихована на рис. 5.16).

Для вычисления коэффициента полезного действия нужно вычислить работы при изотермических процессах 1—2 и 3—4. Расчеты приводят к следующему результату:

(5.12.2) Коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен отношению разности абсолютных температур нагревателя и холодильника к абсолютной температуре нагревателя.

Можно выразить работу, совершаемую машиной за цикл, и количество отданной холодильнику теплоты Q2 через КПД ма-шины и полученное от нагревателя количество теплоты Согласно определению КПД

Л’ = л 0- Такое количество теплоты получает рабочее тело от холо-дильника.

Холодильная машина работает как тепловой насос . Горячему телу передается количество теплоты Qj, большее того ко- личества, которое забирается от холодильника. Согласно фор-муле (5.12.7) Q2 = ^ -А = -Qj — А. Отсюда

Эффективность холодильной машины определяется отно-

шением є = —г, так как ее назначение отнимать как можно

большее количество теплоты от охлаждаемой системы при совершении как можно меньшей работы. Величина є называется холодильным коэффициентом. Для идеальной холодильной машины согласно формулам (5.12.7) и (5.12.2)

т. е. холодильный коэффициент тем больше, чем меньше разность температур, и тем меньше, чем меньше температура того тела, от которого отбирается теплота. Очевидно, холодильный коэффициент может быть больше единицы. Для реальных холодильников он более трех. Разновидностью холодильной машины является кондиционер, который забирает теплоту из комнаты и передает ее окружающему воздуху.

При отоплении помещений электрообогревателями энергетически выгоднее использовать тепловой насос, а не просто нагреваемую током спираль. Насос дополнительно будет передавать в помещение количество теплоты Q2 из окружающего воздуха. Однако это не делают из-за дороговизны холодильной установки по сравнению с обычной электрической печкой или камином.

При использовании теплового насоса практический интерес представляет количество теплоты Qj, получаемое нагреваемым телом, а не количество теплоты Q2, отдаваемое холодному телу.

зываемый отопительный коэффициент ?от= .

Для идеальной машины, учитывая соотношения (5.12.6) и (5.12.2), будем иметь Єот=т^V’ (5.12.10)

где 7’1 — абсолютная температура нагреваемого помещения, а Г2 — абсолютная температура атмосферного воздуха. Таким образом, отопительный коэффициент всегда больше единицы. Для реальных устройств при температуре окружающей среды t2 = 0 °С и температуре помещения t-l = 25 °С єот = 12. В помещение передается количество теплоты, почти в 12 раз превышающее количество затраченной электроэнергии.

Максимальный КПД тепловых машин

Главное значение полученной Карно формулы (5.12.2) для КПД идеальной машины состоит в том, что она определяет максимально возможный КПД любой тепловой машины.

Карно доказал, основываясь на втором законе термодинамики , следующую теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры Tt и холодильником температуры Т2, не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Рассмотрим вначале тепловую машину, работающую по об-ратимому циклу с реальным газом. Цикл может быть любым, важно лишь, чтобы температуры нагревателя и холодильника были Т1ъТ2.

Допустим, что КПД другой тепловой машины (не работающей по циклу Карно) г’ > Г|. Машины работают с общим нагревателем и общим холодильником. Пусть машина Карно работает по обратному циклу (как холодильная машина), а другая машина — по прямому циклу (рис. 5.18). Тепловая машина совершает работу, равную согласно формулам (5.12.3) и (5.12.5)

Холодильную машину всегда можно сконструировать так, чтобы она брала от холодильника количество теплоты Q2 = Q2.

Тогда согласно формуле (5.12.7) над ней будет совершаться работа

Так как по условию Г|’ > т|, то А’ > А. Поэтому тепловая машина может привести в действие холодильную машину, да еще останется избыток работы.

Если допустить, что Т| > Т|’, то можно другую машину заставить работать по обратному циклу, а машину Карно — по прямому. Мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Следовательно, две машины, работающие по обратимым циклам, имеют одинаковые КПД: г|’ = Г|.

Иное дело, если вторая машина работает по необратимому циклу. Если допустить Г)’ > Г), то мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Однако допущение Г)’

КПД — что это, по какой формуле считается и как найти КПД тепловой машины или механизма

Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. Эта аббревиатура вряд ли требует расшифровки: она неизвестна разве что тем, у кого в школе был «неуд» по физике.

Но для забывчивых всё же напомним, что под этим сокращением скрывается коэффициент полезного действия. Что же собой представляет эта величина?

Поговорим о ней простым и понятным языком – это может пригодиться даже в повседневной жизни.

Что такое КПД в физике и какова его формула

Для выполнения какой-либо работы необходимо затратить определённое количество энергии. Чтобы ехал велосипед, вы тратите мышечную энергию крутя педали. Чтобы двигался автомобиль, используется энергия сжигаемого топлива (бензина, солярки или газа).

Для горения лампочки требуется энергия электрического тока. Список можно продолжать до бесконечности. Точку можно поставить на солнечной энергии, благодаря которой существует жизнь на Земле.

Далее возникает логичный вопрос: а насколько эффективно расходуется эта энергия? В идеале хотелось бы, чтобы вся она шла «в дело», то есть использовалась только по прямому назначению. Но, к сожалению, на практике такого не бывает.

Затраченная энергия будет всегда больше, чем полезная работа, так как для достижения основной цели (движение, подъём груза, освещение, отопление и т.д.) часть энергии неизбежно уйдёт на неустранимые потери (преодоление силы трения, нагрев электропроводки, выброс продуктов горения в атмосферу и т.д.). Понятно, что чем меньше такие потери, тем лучше.

Критерием того, насколько эффективно работает система (устройство, агрегат, двигатель, машина и т.д.), служит показатель, получивший название коэффициент полезного действия (КПД).

Иными словами, КПД показывает, какова доля полезной работы в общих энергозатратах. Математически КПД (чаще всего обозначается символом ŋ) определяется по формуле:

где A — полезная энергия (работа);
Q — энергия, затраченная на совершение полезной работы.

Понятно, что ŋ – величина безразмерная и не может быть больше единицы (да и равной единице она может быть чисто теоретически).

Выражается она в виде десятичной дроби либо в процентах (в последнем случае в формулу вставляется множитель х100).

Так, если КПД равен 0,9 (90%), то это значит, что 10% полезной мощности составили безвозвратные потери.

КПД теплового двигателя (машины)

Под тепловым двигателем понимается машина (агрегат), в которой энергия, высвобождающаяся в процессе расширения рабочего тела, преобразуется в механическую работу.

В качестве рабочего тела обычно выступает газ или газообразные вещества (пары бензина, водяной пар и т.п.).

Тепловые машины работают по замкнутому циклу. Это значит, что процесс преобразования энергии и сопутствующей теплопередачи периодически повторяется, а рабочее тело совершает круговой цикл, возвращаясь в исходное состояние.

К тепловым двигателям относятся:

1. поршневые (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания);
2. роторные/турбинные (газовые или паровые турбины АЭС и ТЭЦ);
3. реактивные (авиация);
4. ракетные (космическая техника).

Используя положения предыдущего параграфа, КПД тепловой машины можно сформулировать как отношение полезной работы, совершённой за один цикл, к энергии (количеству теплоты), поступившей от энергоносителя (нагревателя).

Тогда формулу (1) можно преобразовать следующим образом:

где Q1 — количество теплоты, полученное двигателем от нагревателя за цикл;
Q2 — количество теплоты, отданное двигателем охладителю (холодильнику) за цикл;
Q1 – Q2 – количество теплоты, которое пошло на совершение работы.

Предположим, что Q1 = Q2, то есть на совершение полезной работы ничего не осталось – вся энергия «ушла в трубу». Тогда и КПД будет нулевым. Если же Q2 = 0, то есть вся энергия отдана полезной работе (потери отсутствуют), то КПД будет равен 1.

Но это теория, на практике ни то ни другое нереалистично. В первом случае двигатель просто бесполезен, во втором – идеален, но недосягаем.

Значения КПД для различных типов тепловых двигателей приведены ниже.

Самым большим КПД обладают тепловые двигатели, работающие на основе цикла Карно (процесс назван в честь французского инженера, открывшего это явление в 1824 г.). В термодинамике оно характеризует круговой цикл, включающий в себя две стадии: расширение и сжатие рабочего тела.

Причём на протяжении обеих стадий попеременно проходят два процесса: изотермический (протекающий при постоянной температуре), и адиабатический (протекающий без теплообмена с окружающей средой). Максимальное значение КПД здесь достигается за счёт того, что тела с разной температурой не контактируют, а значит, без осуществления работы теплопередача исключается.

КПД механизма — по какой формуле вычисляют

Человек придумал разнообразные механизмы, с помощью которых можно поднимать тяжёлые грузы на определённую высоту. Так, для подъёма ведра с водой из колодца изобрели ворот, для подъёма автомобиля – домкрат. При помощи лебёдки и наклонной плоскости египтяне построили свои грандиозные пирамиды.

Пользуясь этими приспособлениями, человек редко вспоминает об их КПД. В качестве примера рассмотрим этот показатель для наклонной плоскости.

Принцип расчёта КПД остаётся неизменным: нужно найти отношение полезной работы ко всей затраченной энергии. То есть опять-таки используем общую формулу (1), сделав соответствующие преобразования.

Предположим, тело массой m нужно поднять (точнее затолкать или затянуть) на высоту h. При постоянной скорости подъёма полезная работа будет равна произведению силы тяжести (mg) на высоту (h).

Затраченная работа определяется произволением силы толчка или тяги F на длину наклонной плоскости L. Заметим, что толчковое (тяговое) усилие идёт на преодоление силы трения Fтр.

Таким образом, КПД такого простейшего механизма можно посчитать по формуле:

Несложный анализ показывает, что КПД наклонной плоскости обратно пропорционален силе трения и длине аппарели. Последняя, в свою очередь, зависит от угла наклона: чем он больше, тем короче аппарель.

Как можно увеличить КПД

Современная наука постоянно ищет пути повышения КПД двигателей и отдельных механизмов, внедряя новые технические решения и технологические инновации.

Чем выше будет КПД, тем экономичней будет двигатель, тем больше энергоресурсов удастся сберечь.

Тепловой двигатель

Из формулы (2) следует, что для увеличения КПД есть два пути: а) повышение температуры нагревателя; б) понижение температуры холодильника. Оба пути малоперспективны.

Нагреватель нельзя разогревать до бесконечности, так как любой материал имеет предел жаропрочности. Холодильником почти всегда служит окружающая среда, а внедрение в систему дополнительного теплообменника (например, баллона с жидким азотом) нецелесообразно: это резко увеличит вес, габариты и стоимость двигателя.

Установлено, что на КПД не влияют характеристики рабочего тела. Что же остаётся?

А остаётся немало практически реализуемых способов, таких как уменьшение трения в механических узлах, минимизация теплопотерь путём достижения максимально полного сгорания топлива, создание обтекаемых форм для снижения лобового сопоставления (воздуха или воды) и т.д.

Учитывая, что в механике хорошим показателем на сегодняшний день считается КПД 30-40%, учёным и практикам есть над чем работать.

Наклонная плоскость

Из формулы (3) следует, что для повышения КПД нужно снижать силу трения (прежде всего, путём создания гладких соприкасающихся поверхностей) и увеличивать угол наклона. Но! При крутом уклоне силёнок для поднятия тяжёлого груза может и не хватить.

В заключение отметим, что в электротехнике ситуация с КПД обстоит гораздо лучше (показатель в 95% для электродвигателя – норма). На то есть объективные причины, объяснение которых выходит за рамки рассматриваемой темы.

Удачи вам! До скорых встреч на страницах блога KtoNaNovenkogo.ru

Эта статья относится к рубрикам:

Комментарии и отзывы (2)

Так как показано на рисунке, где мужик тянет груз вверх по наклонной плоскости, повысить КПД, снижая силу трения, невозможно, поскольку этот мужик не сможет передвигаться по данной поверхности.

Если человек лежит весь день на диване и лишь вечером выносит ведро мусора, то его КПД стремится к нулю. А вот если он при этом сочиняет что-то, за что получает хорошие бабки, то КПД стремительно возрастает. Значит он уже не просто «дурака валяет», а занимается творческим процессом! ))