Faktor účinnosti (efficiency) je pojem, který lze aplikovat snad na každý systém a zařízení. I člověk má faktor efektivity, i když zatím asi neexistuje žádný objektivní vzorec, jak ho najít. V tomto článku podrobně vysvětlíme, co je účinnost a jak ji lze vypočítat pro různé systémy.
Definice účinnosti
Účinnost je ukazatel, který charakterizuje účinnost systému z hlediska výdeje energie nebo přeměny. Účinnost je neměřitelná veličina a vyjadřuje se buď jako číselná hodnota v rozsahu od 0 do 1, nebo v procentech.
Obecný vzorec
Účinnost je označena symbolem Ƞ.
Obecný matematický vzorec pro zjištění účinnosti je napsán takto:
Ƞ=A/Q, kde A je užitečná energie/práce vykonaná systémem a Q je energie spotřebovaná tímto systémem k organizaci procesu získávání užitečného výstupu.
Faktor účinnosti je bohužel vždy menší nebo roven jednotce, protože podle zákona zachování energie nemůžeme získat více práce, než je vynaložená energie. Kromě toho se účinnost ve skutečnosti extrémně zřídka rovná jednotě, protože užitečná práce je vždy doprovázena přítomností ztrát, například při zahřívání mechanismu.
Účinnost tepelného motoru
Tepelný stroj je zařízení, které přeměňuje tepelnou energii na mechanickou energii. V tepelném motoru je práce určena rozdílem mezi množstvím tepla přijatého z ohřívače a množstvím tepla dodaného chladiči, a proto je účinnost určena vzorcem:
- Ƞ=Qн-Qх/Qн, kde Qн je množství tepla přijatého z ohřívače a Qх je množství tepla odevzdaného do chladiče.
Předpokládá se, že nejvyšší účinnost poskytují motory pracující na Carnotově cyklu. V tomto případě je účinnost určena vzorcem:
- Ƞ=T1-T2/T1, kde T1 je teplota horkého pramene, T2 je teplota studeného pramene.
Účinnost elektromotoru
Elektromotor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii, takže účinnost je v tomto případě poměr účinnosti zařízení při přeměně elektrické energie na mechanickou energii. Vzorec pro zjištění účinnosti elektromotoru vypadá takto:
- Ƞ=P2/P1, kde P1 je dodávaný elektrický výkon, P2 je užitečný mechanický výkon generovaný motorem.
Elektrický výkon se nachází jako součin proudu a napětí systému (P=UI) a mechanický výkon jako poměr práce za jednotku času (P=A/t)
Účinnost transformátoru
Transformátor je zařízení, které převádí střídavý proud jednoho napětí na střídavý proud jiného napětí při zachování frekvence. Transformátory navíc dokážou přeměnit střídavý proud na stejnosměrný proud.
Účinnost transformátoru se zjistí podle vzorce:
- Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), kde P0 je ztráta naprázdno, PL je ztráta zátěže, P2 je činný výkon dodávaný do zátěže, n je relativní stupeň zatížení.
Efektivita či neefektivita?
Stojí za zmínku, že kromě účinnosti existuje řada ukazatelů, které charakterizují účinnost energetických procesů a někdy se můžeme setkat s popisy jako - účinnost řádově 130 %, nicméně v tomto případě je třeba pochopit, že tento termín není použit zcela správně a autor nebo výrobce s největší pravděpodobností chápe tuto zkratku jako poněkud odlišnou charakteristiku.
Tepelná čerpadla se například vyznačují tím, že dokážou uvolnit více tepla, než spotřebují. Chladicí stroj tak může z ochlazovaného předmětu odebrat více tepla, než kolik bylo vynaloženo v ekvivalentu energie na organizaci odběru. Ukazatel účinnosti chladicího stroje se nazývá chladicí součinitel, označuje se písmenem Ɛ a určuje se vzorcem: Ɛ=Qx/A, kde Qx je teplo odebrané ze studeného konce, A je práce vynaložená na proces odebírání. . Někdy se však koeficient chlazení také nazývá účinnost chladicího stroje.
Zajímavé také je, že účinnost kotlů na organické palivo se obvykle počítá na základě nižší výhřevnosti a ta může být i větší než jedna. Stále se však tradičně nazývá účinnost. Účinnost kotle je možné určit podle vyšší výhřevnosti a pak bude vždy menší než jedna, ale v tomto případě bude nepohodlné porovnávat výkon kotlů s údaji z jiných instalací.
Pojem koeficientu výkonu (účinnosti) lze aplikovat na širokou škálu typů zařízení a mechanismů, jejichž provoz je založen na využití libovolných zdrojů. Pokud tedy uvažujeme energii použitou k provozu systému jako takový zdroj, pak by měl být výsledek toho považován za množství užitečné práce vykonané na této energii.Obecně lze vzorec účinnosti zapsat následovně: n = A*100%/Q. V tomto vzorci se symbol n používá k označení účinnosti, symbol A představuje množství vykonané práce a Q je množství vynaložené energie. Je třeba zdůraznit, že měrnou jednotkou účinnosti jsou procenta. Teoreticky je maximální hodnota tohoto koeficientu 100%, ale v praxi je téměř nemožné dosáhnout takového ukazatele, protože při provozu každého mechanismu dochází k určitým energetickým ztrátám.
Účinnost motoru
Spalovací motor (ICE), který je jednou z klíčových součástí mechanismu moderního automobilu, je také variantou systému založeného na využití zdroje - benzínu nebo motorové nafty. Lze pro něj tedy vypočítat hodnotu účinnosti.
Přes všechny technické úspěchy automobilového průmyslu zůstává standardní účinnost spalovacích motorů poměrně nízká: v závislosti na technologiích použitých při konstrukci motoru se může pohybovat od 25 % do 60 %. To je způsobeno tím, že provoz takového motoru je spojen se značnými energetickými ztrátami.
K největší ztrátě účinnosti spalovacího motoru tedy dochází při provozu chladicího systému, který odebírá až 40 % energie generované motorem. Významná část energie - až 25% - se ztrácí v procesu odstraňování výfukových plynů, to znamená, že je jednoduše odnesena do atmosféry. Nakonec je přibližně 10 % energie generované motorem vynaloženo na překonání tření mezi různými částmi spalovacího motoru.
Technici a inženýři působící v automobilovém průmyslu proto vynakládají značné úsilí na zvýšení účinnosti motorů snížením ztrát ve všech uvedených položkách. Hlavní směr vývoje designu zaměřeného na snížení ztrát souvisejících s provozem chladicího systému je tedy spojen s pokusy o zmenšení velikosti povrchů, kterými dochází k přenosu tepla. Snížení ztrát v procesu výměny plynů se provádí především pomocí systému přeplňování turbodmychadlem a snížení ztrát spojených s třením se provádí použitím technologicky vyspělejších a modernějších materiálů při konstrukci motoru. Podle odborníků může použití těchto a dalších technologií zvednout účinnost spalovacích motorů na 80 % a výše.
Hlavní význam vzorce (5.12.2) získaného Carnotem pro účinnost ideálního stroje je ten, že určuje maximální možnou účinnost jakéhokoli tepelného motoru.
Carnot dokázal na základě druhého termodynamického zákona* následující větu: jakýkoli skutečný tepelný motor pracující s teplotním ohřívačemT 1 a teplotu chladničkyT 2 , nemůže mít účinnost, která by převyšovala účinnost ideálního tepelného motoru.
* Carnot ve skutečnosti zavedl druhý termodynamický zákon před Clausiem a Kelvinem, když první termodynamický zákon ještě nebyl striktně formulován.
Uvažujme nejprve tepelný motor pracující ve vratném oběhu s reálným plynem. Cyklus může být jakýkoli, důležité je pouze to, aby byly teploty ohřívače a chladničky T 1 A T 2 .
Předpokládejme, že účinnost jiného tepelného motoru (nefungujícího podle Carnotova cyklu) η ’ > η . Stroje pracují se společným topením a společnou lednicí. Nechte Carnotův stroj pracovat ve zpětném cyklu (jako chladicí stroj) a nechte druhý stroj pracovat v dopředném cyklu (obr. 5.18). Tepelný stroj vykonává práci rovnou podle vzorců (5.12.3) a (5.12.5):
Chladicí stroj může být vždy navržen tak, aby odebíral množství tepla z chladničky Q 2
= |
|
Poté se na něm podle vzorce (5.12.7) bude pracovat
(5.12.12)
Protože podle podmínky η" > η , Že A" > A. Tepelný motor tedy může pohánět chladící stroj a stejně zbyde přebytek práce. Tato přebytečná práce je vykonána díky teplu odebranému z jednoho zdroje. Při provozu dvou strojů najednou se totiž teplo nepřenáší do chladničky. Ale to odporuje druhému zákonu termodynamiky.
Pokud předpokládáme, že η > η ", pak můžete nechat jiný stroj pracovat ve zpětném cyklu a Carnotův stroj v dopředném cyklu. Opět se dostaneme do rozporu s druhým termodynamickým zákonem. V důsledku toho mají dva stroje pracující na reverzibilních cyklech stejnou účinnost: η " = η .
Jiná věc je, pokud druhý stroj pracuje v nevratném cyklu. Pokud předpokládáme η "
>
η ,
pak se opět dostaneme do rozporu s druhým termodynamickým zákonem. Nicméně předpoklad 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, nebo 
Toto je hlavní výsledek:
(5.12.13)
Účinnost skutečných tepelných motorů
Vzorec (5.12.13) udává teoretický limit pro maximální hodnotu účinnosti tepelných motorů. Ukazuje, že čím vyšší je teplota ohřívače a čím nižší je teplota chladničky, tím je tepelný motor účinnější. Pouze při teplotě chladničky rovné absolutní nule je η = 1.
Teplota chladničky však prakticky nemůže být o mnoho nižší než okolní teplota. Můžete zvýšit teplotu ohřívače. Jakýkoli materiál (pevné těleso) má však omezenou tepelnou odolnost, neboli tepelnou odolnost. Při zahřívání postupně ztrácí své elastické vlastnosti a při dostatečně vysoké teplotě taje.
Nyní je hlavní úsilí inženýrů zaměřeno na zvýšení účinnosti motorů snížením tření jejich částí, ztrát paliva v důsledku nedokonalého spalování atd. Skutečné příležitosti pro zvýšení účinnosti zde zůstávají stále velké. Pro parní turbínu je tedy počáteční a konečná teplota páry přibližně následující: T 1 = 800 K a T 2 = 300 K. Při těchto teplotách je maximální hodnota účinnosti:
Skutečná hodnota účinnosti v důsledku různých typů energetických ztrát je přibližně 40 %. Maximální účinnosti - asi 44 % - dosahují spalovací motory.
Účinnost žádného tepelného motoru nemůže překročit maximální možnou hodnotu 
,
kde T 1
-
absolutní teplota ohřívače a T 2
-
absolutní teplota chladničky.
Zvýšení účinnosti tepelných motorů a její přiblížení k maximu možnému- nejdůležitější technickou výzvou.
Fyzika je věda, která studuje procesy probíhající v přírodě. Tato věda je velmi zajímavá a kuriózní, protože každý z nás se chce duševně uspokojit tím, že získá znalosti a pochopení toho, jak a co funguje v našem světě. K tomuto úkolu nám pomáhá fyzika, jejíž zákonitosti byly vyvozovány po staletí a desítkami vědců, a měli bychom se jen radovat a vstřebávat poskytnuté poznatky.
Ale zároveň je fyzika daleko od jednoduché vědy, jako ve skutečnosti příroda sama, ale bylo by velmi zajímavé jí porozumět. Dnes budeme mluvit o efektivitě. Dozvíme se, co je to efektivita a proč je potřeba. Podívejme se na vše přehledně a zajímavě.
Vysvětlení zkratky - účinnost. Ani tento výklad však nemusí být napoprvé zvlášť jasný. Tento koeficient charakterizuje účinnost systému nebo jakéhokoli jednotlivého orgánu a častěji mechanismu. Účinnost je charakterizována výdejem nebo přeměnou energie.
Tento koeficient platí téměř pro vše, co nás obklopuje, a dokonce i pro nás samotné, a to ve větší míře. Koneckonců, užitečnou práci děláme neustále, ale jak často a jak důležitá je to, je jiná otázka a používá se s tím pojem „efektivita“.
Je důležité to vzít v úvahu tento koeficient je neomezená hodnota, obvykle představuje buď matematické hodnoty, například 0 a 1, nebo, jak je tomu častěji, procenta.
Ve fyzice se tento koeficient označuje písmenem Ƞ nebo, jak se běžně říká, Eta.
Užitečná práce
Při použití jakýchkoliv mechanismů nebo zařízení nutně vykonáváme práci. Zpravidla je vždy větší, než kolik potřebujeme ke splnění úkolu. Na základě těchto skutečností se rozlišují dva druhy práce: vynaložená, která se označuje velkým písmenem, A s malým z (Az) a užitečná - A s písmenem p (An). Vezměme si například tento případ: máme za úkol zvednout dlažební kostku o určité hmotnosti do určité výšky. V tomto případě práce charakterizuje pouze překonání gravitační síly, která zase působí na zátěž.
V případě, že se ke zvedání používá jiné zařízení než gravitace dlažební kostky, je také důležité vzít v úvahu gravitaci částí tohoto zařízení. A kromě toho všeho je důležité si pamatovat, že i když vítězíme v síle, cestou vždy prohrajeme. Všechny tyto skutečnosti vedou k jednomu závěru, že vynaložená práce bude v každém případě užitečnější, Az > An, otázkou je, o kolik více, protože tento rozdíl můžete maximálně snížit a tím zvýšit efektivitu, naši, resp. naše zařízení.
Užitečná práce je část vynaložené práce, kterou vykonáváme pomocí mechanismu. A účinnost je právě ta fyzikální veličina, která ukazuje, jaká část užitečné práce je z celkové vynaložené práce.
Výsledek:
- Vydaná práce Az je vždy větší než užitečná práce Ap.
- Čím větší je poměr užitečného k vynaloženému, tím vyšší je koeficient a naopak.
- Ap se zjistí vynásobením hmotnosti gravitačním zrychlením a výškou výstupu.
Existuje určitý vzorec pro zjištění účinnosti. Zní to takto: abyste našli účinnost ve fyzice, musíte vydělit množství energie prací vykonanou systémem. To znamená, že účinnost je poměr vynaložené energie k vykonané práci. Z toho můžeme vyvodit jednoduchý závěr, že čím lepší a efektivnější systém nebo tělo je, tím méně energie je vynaloženo na provádění práce.
Samotný vzorec vypadá krátce a velmi jednoduše: bude se rovnat A/Q. To znamená, Ƞ = A/Q. Tento stručný vzorec zachycuje prvky, které potřebujeme pro výpočet. To znamená, že A je v tomto případě použitá energie, kterou systém spotřebovává během provozu, a velké písmeno Q zase bude vynaložené A, nebo opět vynaložená energie.
V ideálním případě se účinnost rovná jednotě. Ale jak už to tak bývá, je menší než ona. Děje se to kvůli fyzice a samozřejmě kvůli zákonu zachování energie.
Jde o to, že zákon zachování energie naznačuje, že nelze získat více A, než je energie přijata. A dokonce i tento koeficient se bude rovnat jedné velmi zřídka, protože energie je vždy plýtvána. A práci provázejí ztráty: například u motoru je ztráta v jeho nadměrném zahřívání.
Takže vzorec účinnosti:
Ƞ=A/Q, Kde
- A je užitečná práce, kterou systém vykonává.
- Q je energie spotřebovaná systémem.
Aplikace v různých oblastech fyziky
Je pozoruhodné, že účinnost neexistuje jako neutrální pojem, každý proces má svou vlastní účinnost, není to třecí síla, nemůže existovat sám o sobě.
Podívejme se na několik příkladů procesů s účinností.
Např, vezmeme elektromotor. Úkolem elektromotoru je přeměňovat elektrickou energii na mechanickou energii. V tomto případě bude koeficientem účinnost motoru z hlediska přeměny elektrické energie na mechanickou energii. Pro tento případ existuje také vzorec a vypadá takto: Ƞ=P2/P1. Zde P1 je výkon v obecné verzi a P2 je užitečný výkon, který produkuje samotný motor.
Není těžké uhodnout, že struktura vzorce koeficientu je vždy zachována pouze ta data, která je v něm třeba dosadit. Závisí na konkrétním případě, pokud se jedná o motor, jako v případě výše, pak je nutné operovat s vynaloženým výkonem, pokud jde o práci, pak bude výchozí vzorec jiný.
Nyní známe definici účinnosti a máme představu o tomto fyzikálním konceptu, stejně jako o jeho jednotlivých prvcích a nuancích. Fyzika je jednou z největších věd, ale lze ji rozdělit na malé kousky, abychom jí porozuměli. Dnes jsme jeden z těchto kousků zkoumali.
Video
Toto video vám pomůže pochopit, co je efektivita.
Nedostali jste odpověď na svou otázku? Navrhněte autorům téma.
Faktor účinnosti (efektivita) je hodnota, která v procentech vyjadřuje účinnost určitého mechanismu (motoru, systému) při přeměně přijaté energie na užitečnou práci.
Přečtěte si v tomto článku
Proč je účinnost dieselu vyšší?
Ukazatel účinnosti pro různé motory se může značně lišit a závisí na řadě faktorů. mají relativně nízkou účinnost v důsledku velkého počtu mechanických a tepelných ztrát, které vznikají při provozu pohonné jednotky tohoto typu.
Druhým faktorem je tření, ke kterému dochází při interakci protilehlých částí. Většina užitečné spotřeby energie je poháněna pohybem pístů motoru a také rotací částí uvnitř motoru, které jsou konstrukčně upevněny na ložiskách. Asi 60 % energie spalování benzínu je vynaloženo pouze na zajištění provozu těchto komponent.
Další ztráty jsou způsobeny provozem jiných mechanismů, systémů a příslušenství. Zohledňuje se také procento ztrát odporu v okamžiku vpuštění další náplně paliva a vzduchu a poté únik výfukových plynů z válce spalovacího motoru.
Porovnáme-li naftový agregát a benzínový motor, má naftový motor ve srovnání s benzínovým agregátem znatelně vyšší účinnost. Benzínové pohonné jednotky mají účinnost cca 25-30% z celkového množství přijímané energie.
Jinými slovy, z 10 litrů benzínu vynaložených na provoz motoru se pouze 3 litry spotřebují na užitečnou práci. Zbytek energie ze spalování paliva byl ztracen.
Při stejném zdvihovém objemu je výkon atmosféricky plněného zážehového motoru vyšší, ale dosahuje se ve vyšších otáčkách. Motor je třeba „točit“, zvyšují se ztráty, zvyšuje se spotřeba paliva. Dále je nutné zmínit točivý moment, což doslova znamená sílu, která se přenáší z motoru na kola a rozpohybuje vůz. Benzínové spalovací motory dosahují maximálního točivého momentu ve vyšších otáčkách.
Podobný vznětový motor s přirozeným sáním dosahuje maximálního točivého momentu při nízkých otáčkách, přičemž k užitečné práci spotřebuje méně nafty, což znamená vyšší účinnost a úsporu paliva.
Motorová nafta generuje více tepla ve srovnání s benzínem, teplota spalování motorové nafty je vyšší a index detonační odolnosti je vyšší. Ukazuje se, že vznětový spalovací motor vyprodukuje na určité množství paliva užitečnější práci.
Energetická hodnota motorové nafty a benzínu
Motorová nafta se skládá z těžších uhlovodíků než benzín. Nižší účinnost benzinového agregátu oproti vznětovému motoru spočívá také v energetické složce benzinu a charakteristice jeho spalování. Úplné spálení stejného množství motorové nafty a benzínu bude v prvním případě produkovat více tepla. Teplo ve vznětovém motoru s vnitřním spalováním je plně přeměněno na užitečnou mechanickou energii. Ukazuje se, že při spálení stejného množství paliva za jednotku času udělá nafta více práce.
Rovněž stojí za to vzít v úvahu vlastnosti vstřikování a vytvoření správných podmínek pro úplné spálení směsi. U vznětového motoru je palivo dodáváno odděleně od vzduchu, není vstřikováno do sacího potrubí, ale přímo do válce na samém konci kompresního zdvihu. Výsledkem je vyšší teplota a nejúplnější spalování části pracovní směsi paliva a vzduchu.
Výsledek
Konstruktéři se neustále snaží zlepšovat účinnost jak dieselových, tak benzínových motorů. Zvýšení počtu sacích a výfukových ventilů na válec, aktivní používání, elektronické řízení vstřikování paliva, škrticí klapka a další řešení mohou výrazně zvýšit účinnost. To platí ve větší míře pro naftový motor.
Díky těmto vlastnostem je moderní vznětový motor schopen zcela spálit část motorové nafty nasycené uhlovodíky ve válci a produkovat vysoký točivý moment v nízkých otáčkách. Nízké otáčky znamenají menší ztráty třením a výsledný odpor. Z tohoto důvodu je dnes vznětový motor jedním z nejproduktivnějších a nejhospodárnějších typů spalovacích motorů, jejichž účinnost často přesahuje 50 %.
Přečtěte si také
Proč je lepší motor před jízdou zahřát: mazání, palivo, opotřebení studených dílů. Jak správně zahřát dieselový motor v zimě.
