Faktor efikasnosti (efikasnost) je pojam koji se može primijeniti na, možda, svaki sistem i uređaj. Čak i osoba ima faktor efikasnosti, iako vjerovatno još ne postoji objektivna formula za njegovo pronalaženje. U ovom članku ćemo detaljno objasniti šta je efikasnost i kako se može izračunati za različite sisteme.
Definicija efikasnosti
Efikasnost je indikator koji karakteriše efektivnost sistema u smislu proizvodnje ili konverzije energije. Efikasnost je nemjerljiva veličina i predstavlja se ili kao brojčana vrijednost u rasponu od 0 do 1, ili kao postotak.
Opća formula
Efikasnost je označena simbolom Ƞ.
Opća matematička formula za pronalaženje efikasnosti je napisana na sljedeći način:
Ƞ=A/Q, gde je A korisna energija/rad koji sistem obavlja, a Q je energija koju ovaj sistem troši da organizuje proces dobijanja korisnog izlaza.
Faktor efikasnosti je, nažalost, uvijek manji ili jednak jedinici, jer prema zakonu održanja energije ne možemo dobiti više rada od utrošene energije. Osim toga, efikasnost je, zapravo, izuzetno rijetko jednaka jedinici, jer je koristan rad uvijek praćen gubicima, na primjer, za zagrijavanje mehanizma.
Efikasnost toplotnog motora
Toplotni motor je uređaj koji pretvara toplotnu energiju u mehaničku energiju. U toplotnom stroju, rad je određen razlikom između količine topline primljene od grijača i količine topline koja se daje hladnjaku, pa se stoga efikasnost određuje formulom:
- Ƞ=Qn-Qh/Qn, gdje je Qn količina topline primljena od grijača, a Qh je količina topline predane hladnjaku.
Vjeruje se da najveću efikasnost pružaju motori koji rade na Carnot ciklusu. U ovom slučaju, efikasnost se određuje formulom:
- Ƞ=T1-T2/T1, gdje je T1 temperatura vrelog izvora, T2 je temperatura hladnog izvora.
Efikasnost elektromotora
Elektromotor je uređaj koji pretvara električnu energiju u mehaničku energiju, pa je efikasnost u ovom slučaju odnos efikasnosti uređaja u pretvaranju električne energije u mehaničku energiju. Formula za pronalaženje efikasnosti elektromotora izgleda ovako:
- Ƞ=P2/P1, gdje je P1 isporučena električna snaga, P2 je korisna mehanička snaga koju proizvodi motor.
Električna snaga se nalazi kao proizvod struje i napona sistema (P=UI), a mehanička snaga kao omjer rada u jedinici vremena (P=A/t)
Efikasnost transformatora
Transformator je uređaj koji pretvara naizmjeničnu struju jednog napona u naizmjeničnu struju drugog napona uz održavanje frekvencije. Osim toga, transformatori također mogu pretvoriti naizmjeničnu struju u jednosmjernu.
Efikasnost transformatora se nalazi po formuli:
- Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), gdje je P0 gubitak u praznom hodu, PL je gubitak opterećenja, P2 je aktivna snaga dovedena do opterećenja, n je relativni stepen opterećenja.
Efikasnost ili ne efikasnost?
Vrijedi napomenuti da pored efikasnosti postoji niz pokazatelja koji karakteriziraju efikasnost energetskih procesa, a ponekad možemo naići i na opise poput - efikasnost reda veličine 130%, međutim u ovom slučaju moramo razumjeti da izraz nije u potpunosti upotrijebljen i, najvjerovatnije, autor ili proizvođač ovu kraticu shvaćaju kao nešto drugačiju karakteristiku.
Na primjer, toplinske pumpe se razlikuju po tome što mogu osloboditi više topline nego što ih troše. Dakle, rashladna mašina može ukloniti više topline iz predmeta koji se hladi nego što je utrošena u ekvivalentu energije za organiziranje uklanjanja. Pokazatelj efikasnosti rashladne mašine naziva se koeficijent hlađenja, označen slovom Ɛ i određen formulom: Ɛ=Qx/A, gdje je Qx toplina odvedena sa hladnog kraja, A je rad utrošen na proces uklanjanja . Međutim, ponekad se koeficijent hlađenja naziva i efikasnošću rashladne mašine.
Zanimljivo je i to da se efikasnost kotlova koji rade na organsko gorivo obično računa na osnovu niže kalorijske vrijednosti, a može biti veća od jedinice. Međutim, to se još uvijek tradicionalno naziva efikasnost. Efikasnost kotla je moguće odrediti po višoj kalorijskoj vrijednosti i tada će uvijek biti manja od jedan, ali u ovom slučaju neće biti zgodno upoređivati performanse kotlova sa podacima iz drugih instalacija.
Koncept koeficijenta performansi (efikasnosti) može se primijeniti na širok raspon tipova uređaja i mehanizama, čiji se rad temelji na korištenju bilo kojeg resursa. Dakle, ako energiju koja se koristi za rad sistema smatramo takvim resursom, onda rezultatom toga treba smatrati količinu korisnog rada obavljenog na ovoj energiji.Generalno, formula efikasnosti se može napisati na sledeći način: n = A*100%/Q. U ovoj formuli, simbol n se koristi za označavanje efikasnosti, simbol A predstavlja količinu obavljenog rada, a Q je količina potrošene energije. Vrijedi naglasiti da je mjerna jedinica efikasnosti procenat. Teoretski, maksimalna vrijednost ovog koeficijenta je 100%, ali u praksi je gotovo nemoguće postići takav pokazatelj, jer u radu svakog mehanizma postoje određeni gubici energije.
Efikasnost motora
Motor sa unutrašnjim sagorevanjem (ICE), koji je jedna od ključnih komponenti mehanizma modernog automobila, takođe je varijanta sistema zasnovanog na upotrebi resursa - benzina ili dizel goriva. Stoga se za njega može izračunati vrijednost efikasnosti.
Unatoč svim tehničkim dostignućima automobilske industrije, standardna efikasnost motora s unutarnjim sagorijevanjem ostaje prilično niska: ovisno o tehnologijama korištenim u dizajnu motora, može se kretati od 25% do 60%. To je zbog činjenice da je rad takvog motora povezan sa značajnim gubicima energije.
Dakle, najveći gubitak u efikasnosti motora sa unutrašnjim sagorevanjem nastaje u radu rashladnog sistema, koji uzima do 40% energije koju proizvodi motor. Značajan dio energije - do 25% - gubi se u procesu uklanjanja izduvnih plinova, odnosno jednostavno se prenosi u atmosferu. Konačno, otprilike 10% energije koju proizvodi motor troši se na prevladavanje trenja između različitih dijelova motora s unutrašnjim sagorijevanjem.
Stoga tehnolozi i inženjeri uključeni u automobilsku industriju ulažu značajne napore da povećaju efikasnost motora smanjenjem gubitaka u svim navedenim stavkama. Dakle, glavni pravac razvoja dizajna usmjerenog na smanjenje gubitaka povezanih s radom rashladnog sustava povezan je s pokušajima smanjenja veličine površina kroz koje se odvija prijenos topline. Smanjenje gubitaka u procesu izmjene plina provodi se uglavnom pomoću sistema turbo punjenja, a smanjenje gubitaka povezanih sa trenjem se vrši korištenjem tehnološki naprednijih i modernijih materijala pri projektovanju motora. Prema mišljenju stručnjaka, korištenje ovih i drugih tehnologija može povećati efikasnost motora sa unutrašnjim sagorijevanjem do 80% i više.
Glavni značaj formule (5.12.2) koju je Carnot dobio za efikasnost idealne mašine je da ona određuje maksimalnu moguću efikasnost bilo koje toplotne mašine.
Carnot je na osnovu drugog zakona termodinamike* dokazao sljedeću teoremu: bilo koji pravi toplotni motor koji radi sa temperaturnim grijačemT 1 i temperaturu frižideraT 2 , ne može imati efikasnost koja premašuje efikasnost idealnog toplotnog motora.
* Carnot je zapravo uspostavio drugi zakon termodinamike prije Klauzija i Kelvina, kada prvi zakon termodinamike još nije bio striktno formuliran.
Hajde da prvo razmotrimo toplotni motor koji radi u reverzibilnom ciklusu sa pravim gasom. Ciklus može biti bilo koji, bitno je samo da su temperature grijača i frižidera T 1 I T 2 .
Pretpostavimo da je efikasnost drugog toplotnog motora (koji ne radi prema Carnot ciklusu) η ’ > η . Mašine rade sa zajedničkim grijačem i zajedničkim hladnjakom. Neka Carnot mašina radi u obrnutom ciklusu (kao rashladna mašina), a neka druga mašina radi u ciklusu unapred (slika 5.18). Toplotni stroj obavlja rad jednak, prema formulama (5.12.3) i (5.12.5):
Mašina za hlađenje se uvijek može dizajnirati tako da uzima količinu topline iz hladnjaka Q 2
= |
|
Zatim će se prema formuli (5.12.7) raditi na njemu
(5.12.12)
Pošto je po uslovu η" > η , To A" > A. Dakle, toplotni motor može pokretati rashladnu mašinu, a posla će i dalje ostati višak. Ovaj višak rada obavlja toplina uzeta iz jednog izvora. Na kraju krajeva, toplota se ne prenosi na frižider kada dve mašine rade odjednom. Ali ovo je u suprotnosti s drugim zakonom termodinamike.
Ako pretpostavimo da je η > η ", onda možete učiniti da druga mašina radi u obrnutom ciklusu, a Carnot mašina u ciklusu unapred. Opet ćemo doći do kontradikcije sa drugim zakonom termodinamike. Prema tome, dvije mašine koje rade na reverzibilnim ciklusima imaju istu efikasnost: η " = η .
Druga je stvar ako druga mašina radi u nepovratnom ciklusu. Ako pretpostavimo η "
>
η ,
onda ćemo opet doći u kontradikciju sa drugim zakonom termodinamike. Međutim, pretpostavka t|"< г| не противоречит второму закону
термодинамики, так как необратимая
тепловая машина не может работать как
холодильная машина. Следовательно, КПД
любой тепловой машины η"
≤ η, ili 
Ovo je glavni rezultat:
(5.12.13)
Efikasnost pravih toplotnih motora
Formula (5.12.13) daje teoretsku granicu za maksimalnu vrijednost efikasnosti toplotnih motora. To pokazuje da što je viša temperatura grijača i niža temperatura hladnjaka, toplinski motor je efikasniji. Samo pri temperaturi frižidera jednakoj apsolutnoj nuli η = 1.
Ali temperatura frižidera praktički ne može biti mnogo niža od temperature okoline. Možete povećati temperaturu grijača. Međutim, svaki materijal (čvrsto tijelo) ima ograničenu otpornost na toplinu ili otpornost na toplinu. Kada se zagrije, postepeno gubi svoja elastična svojstva, a na dovoljno visokoj temperaturi se topi.
Sada su glavni napori inženjera usmjereni na povećanje efikasnosti motora smanjenjem trenja njihovih dijelova, gubitaka goriva zbog nepotpunog sagorijevanja, itd. Stvarne mogućnosti za povećanje efikasnosti ovdje su i dalje velike. Dakle, za parnu turbinu, početna i konačna temperatura pare su otprilike sljedeće: T 1 = 800 K i T 2 = 300 K. Na ovim temperaturama, maksimalna vrijednost efikasnosti je:
Stvarna vrijednost efikasnosti zbog različitih vrsta gubitaka energije je približno 40%. Maksimalnu efikasnost - oko 44% - postižu motori sa unutrašnjim sagorevanjem.
Efikasnost bilo kojeg toplotnog motora ne može premašiti maksimalnu moguću vrijednost 
,
gdje je T 1
-
apsolutnu temperaturu grijača, i T 2
-
apsolutnu temperaturu frižidera.
Povećanje efikasnosti toplotnih motora i približavanje maksimalnom mogućem- najvažniji tehnički izazov.
Fizika je nauka koja proučava procese koji se dešavaju u prirodi. Ova nauka je veoma zanimljiva i radoznala, jer svako od nas želi da se psihički zadovolji sticanjem znanja i razumevanja kako i šta funkcioniše u našem svetu. U ovom zadatku nam pomaže fizika, čije su zakone izvlačili vekovima i desetine naučnika, a mi samo treba da se radujemo i upijamo dobijeno znanje.
Ali u isto vrijeme, fizika je daleko od jednostavne nauke, kao, u stvari, sama priroda, ali bilo bi vrlo zanimljivo razumjeti je. Danas ćemo pričati o efikasnosti. Naučićemo šta je efikasnost i zašto je potrebna. Pogledajmo sve jasno i zanimljivo.
Objašnjenje skraćenice - efikasnost. Međutim, čak ni ovo tumačenje možda neće biti posebno jasno prvi put. Ovaj koeficijent karakteriše efikasnost sistema ili bilo kog pojedinačnog tela, a češće i mehanizma. Učinkovitost karakterizira izlaz ili konverzija energije.
Ovaj koeficijent se odnosi na gotovo sve što nas okružuje, pa čak i na nas same, i to u većoj mjeri. Na kraju krajeva, mi stalno radimo koristan posao, ali koliko je to često i koliko je važno, drugo je pitanje, a uz to se koristi pojam „efikasnost“.
Važno je to uzeti u obzir ovaj koeficijent je neograničena vrijednost, obično predstavlja ili matematičke vrijednosti, na primjer, 0 i 1, ili, što je češće slučaj, kao postotak.
U fizici se ovaj koeficijent označava slovom Ƞ, ili, kako se obično naziva, Eta.
Korisno djelo
Kada koristimo bilo koje mehanizme ili uređaje, obavezno obavljamo posao. Po pravilu, uvijek je veći od onoga što nam je potrebno da završimo zadatak. Na osnovu ovih činjenica razlikuju se dvije vrste rada: potrošeno, koje se označava velikim slovom, A sa malim z (Az), i korisno - A sa slovom p (An). Na primjer, uzmimo ovaj slučaj: imamo zadatak da podignemo kaldrmu određene mase na određenu visinu. U ovom slučaju rad karakterizira samo prevladavanje sile gravitacije, koja zauzvrat djeluje na opterećenje.
U slučaju kada se za podizanje koristi bilo koja druga naprava osim gravitacije kaldrme, važno je uzeti u obzir i gravitacije dijelova ovog uređaja. I pored svega ovoga, važno je zapamtiti da dok pobjeđujemo u snazi, uvijek ćemo gubiti na putu. Sve ove činjenice upućuju na jedan zaključak da će utrošeni rad u svakom slučaju biti korisniji, Az > An, pitanje je koliko je više, jer ovu razliku možete smanjiti što je više moguće i time povećati efikasnost, našu ili naš uređaj.
Korisni rad je dio utrošenog posla koji obavljamo pomoću mehanizma. A efikasnost je upravo ona fizička veličina koja pokazuje koliki je dio korisnog rada od ukupno utrošenog rada.
rezultat:
- Utrošeni rad Az je uvijek veći od korisnog rada Ap.
- Što je veći omjer korisnog i utrošenog, veći je koeficijent, i obrnuto.
- Ap se nalazi množenjem mase sa ubrzanjem gravitacije i visinom uspona.
Postoji određena formula za pronalaženje efikasnosti. To ide ovako: da biste pronašli efikasnost u fizici, potrebno je podijeliti količinu energije radom sistema. To jest, efikasnost je omjer utrošene energije i obavljenog rada. Iz ovoga možemo izvući jednostavan zaključak da što je sistem ili tijelo bolji i efikasniji, to se manje energije troši na obavljanje posla.
Sama formula izgleda kratko i vrlo jednostavno: jednaka je A/Q. To jest, Ƞ = A/Q. Ova kratka formula obuhvata elemente koji su nam potrebni za proračun. Odnosno, A u ovom slučaju je utrošena energija koju sistem troši tokom rada, a veliko slovo Q će zauzvrat biti potrošena A, ili opet potrošena energija.
U idealnom slučaju, efikasnost je jednaka jedinici. Ali, kako to obično biva, on je manji od nje. To se dešava zbog fizike i zbog, naravno, zakona održanja energije.
Stvar je u tome što zakon održanja energije sugeriše da se više A ne može dobiti nego što je primljena energija. Pa čak i ovaj koeficijent će izuzetno rijetko biti jednak jedan, jer se energija uvijek gubi. A rad je praćen gubicima: na primjer, u motoru, gubitak leži u njegovom prekomjernom zagrijavanju.
Dakle, formula efikasnosti:
Ƞ=A/Q, Gdje
- A je koristan rad koji sistem obavlja.
- Q je energija koju sistem troši.
Primena u raznim oblastima fizike
Važno je napomenuti da efikasnost ne postoji kao neutralan koncept, svaki proces ima svoju efikasnost, nije sila trenja, ne može postojati sam za sebe.
Pogledajmo nekoliko primjera efikasnih procesa.
npr. uzmimo električni motor. Zadatak elektromotora je pretvaranje električne energije u mehaničku energiju. U ovom slučaju, koeficijent će biti efikasnost motora u smislu pretvaranja električne energije u mehaničku energiju. Postoji i formula za ovaj slučaj, a ona izgleda ovako: Ƞ=P2/P1. Ovdje je P1 snaga u općoj verziji, a P2 je korisna snaga koju proizvodi sam motor.
Nije teško pretpostaviti da je struktura formule koeficijenta uvijek očuvana, mijenjaju se samo podaci koje je potrebno zamijeniti. Zavise od konkretnog slučaja, ako se radi o motoru, kao u gore navedenom slučaju, onda je potrebno raditi s utrošenom snagom, ako je posao, tada će početna formula biti drugačija.
Sada znamo definiciju efikasnosti i imamo ideju o ovom fizičkom konceptu, kao io njegovim pojedinačnim elementima i nijansama. Fizika je jedna od najvećih nauka, ali se može razbiti na male komadiće da bi se razumela. Danas smo ispitali jedan od ovih komada.
Video
Ovaj video će vam pomoći da shvatite šta je efikasnost.
Niste dobili odgovor na svoje pitanje? Predložite temu autorima.
Faktor efikasnosti (efikasnost) je vrijednost koja u procentima izražava efikasnost određenog mehanizma (motora, sistema) u pretvaranju primljene energije u koristan rad.
Pročitajte u ovom članku
Zašto je efikasnost dizela veća?
Pokazatelj efikasnosti za različite motore može se značajno razlikovati i ovisi o brojnim faktorima. imaju relativno nisku efikasnost zbog velikog broja mehaničkih i toplotnih gubitaka koji nastaju tokom rada agregata ovog tipa.
Drugi faktor je trenje koje nastaje tokom interakcije dijelova koji se spajaju. Najveći dio korisne potrošnje energije potiče od kretanja klipova motora, kao i rotacije dijelova unutar motora, koji su strukturno pričvršćeni na ležajeve. Oko 60% energije sagorevanja benzina troši se samo na osiguranje rada ovih jedinica.
Dodatni gubici su uzrokovani radom drugih mehanizama, sistema i priključaka. Također se uzima u obzir i postotak gubitaka otpora u trenutku prijema sljedećeg punjenja goriva i zraka, a zatim i ispuštanja izduvnih plinova iz cilindra motora s unutrašnjim sagorijevanjem.
Ako uporedimo dizel agregat i benzinski motor, dizel motor ima znatno veću efikasnost u odnosu na benzinsku jedinicu. Benzinski agregati imaju efikasnost od oko 25-30% ukupne količine primljene energije.
Drugim riječima, od 10 litara benzina potrošenih na rad motora, samo 3 litre se koriste za obavljanje korisnog rada. Ostatak energije iz sagorevanja goriva je izgubljen.
Uz istu zapreminu, snaga benzinskog motora sa prirodnim usisavanjem je veća, ali se postiže pri većim brzinama. Motor treba "okrenuti", gubici se povećavaju, potrošnja goriva se povećava. Neophodno je spomenuti i obrtni moment, koji doslovno znači silu koja se prenosi sa motora na točkove i pokreće automobil. Benzinski motori sa unutrašnjim sagorevanjem postižu maksimalni obrtni moment pri većim brzinama.
Sličan dizel motor sa prirodnim usisavanjem postiže vršni obrtni moment pri malim brzinama, dok koristi manje dizel goriva za obavljanje korisnog rada, što znači veću efikasnost i ekonomičnost goriva.
Dizel gorivo proizvodi više topline u odnosu na benzin, temperatura sagorijevanja dizel goriva je veća, a otpornost na detonaciju je veća. Ispostavilo se da dizel motor s unutarnjim sagorijevanjem proizvodi korisniji rad na određenoj količini goriva.
Energetska vrijednost dizel goriva i benzina
Dizel gorivo se sastoji od težih ugljovodonika od benzina. Niža efikasnost benzinske jedinice u odnosu na dizel motor takođe leži u energetskoj komponenti benzina i karakteristikama njegovog sagorevanja. Potpuno sagorevanje jednakih količina dizel goriva i benzina će proizvesti više toplote u prvom slučaju. Toplina u dizel motoru sa unutrašnjim sagorevanjem se potpunije pretvara u korisnu mehaničku energiju. Ispostavilo se da kada sagorijeva istu količinu goriva u jedinici vremena, dizel motor će obaviti više posla.
Također je vrijedno uzeti u obzir karakteristike ubrizgavanja i stvaranje odgovarajućih uslova za potpuno sagorijevanje smjese. U dizel motoru gorivo se dovodi odvojeno od zraka, ne ubrizgava se u usisnu granu, već direktno u cilindar na samom kraju takta kompresije. Rezultat je viša temperatura i najpotpunije sagorijevanje dijela radne mješavine goriva i zraka.
Rezultati
Dizajneri neprestano nastoje poboljšati efikasnost i dizel i benzinskih motora. Povećanje broja usisnih i izduvnih ventila po cilindru, aktivna upotreba, elektronska kontrola ubrizgavanja goriva, ventila za gas i druga rješenja mogu značajno povećati efikasnost. To se u većoj mjeri odnosi na dizel motor.
Zahvaljujući ovim karakteristikama, moderni dizel motor može u potpunosti sagorjeti dio dizel goriva zasićenog ugljovodonicima u cilindru i proizvesti veliki okretni moment pri malim brzinama. Nizak broj obrtaja znači manji gubitak trenja i rezultujući otpor. Iz tog razloga, danas je dizel motor jedan od najproduktivnijih i najekonomičnijih tipova motora sa unutrašnjim sagorevanjem, čija efikasnost često prelazi 50%.
Pročitajte također
Zašto je bolje zagrijati motor prije vožnje: podmazivanje, gorivo, habanje hladnih dijelova. Kako pravilno zagrijati dizel motor zimi.
