Effektivitetsfaktor (effektivitet) er et begreb, der måske kan anvendes på ethvert system og enhver enhed. Selv mennesker har effektivitet, selvom der sandsynligvis ikke er nogen objektiv formel for at finde det endnu. I denne artikel vil vi forklare i detaljer, hvad effektivitet er, og hvordan den kan beregnes for forskellige systemer.
Definition af effektivitet
Effektivitet er en indikator, der karakteriserer effektiviteten af et system med hensyn til energioutput eller konvertering. Effektivitet er en umålelig størrelse og repræsenteres enten som en numerisk værdi i området fra 0 til 1 eller som en procentdel.
Generel formel
Effektiviteten er angivet med symbolet Ƞ.
Den generelle matematiske formel for at finde effektivitet er skrevet som følger:
Ƞ=A/Q, hvor A er den nyttige energi/det arbejde, der udføres af systemet, og Q er den energi, der forbruges af dette system for at organisere processen med at opnå nyttigt output.
Effektivitetsfaktoren er desværre altid mindre end eller lig med enhed, da vi ifølge loven om energibevarelse ikke kan opnå mere arbejde end den brugte energi. Derudover er effektiviteten faktisk ekstremt sjældent lig med enhed, da nyttigt arbejde altid ledsages af tilstedeværelsen af tab, for eksempel til opvarmning af mekanismen.
Varmemotoreffektivitet
En varmemotor er en enhed, der omdanner termisk energi til mekanisk energi. I en varmemotor bestemmes arbejdet af forskellen mellem mængden af varme modtaget fra varmeren og mængden af varme, der gives til køleren, og derfor bestemmes effektiviteten af formlen:
- Ƞ=Qн-Qх/Qн, hvor Qн er mængden af varme modtaget fra varmeren, og Qх er mængden af varme, der gives til køleren.
Det antages, at den højeste effektivitet leveres af motorer, der kører på Carnot-cyklussen. I dette tilfælde bestemmes effektiviteten af formlen:
- Ƞ=T1-T2/T1, hvor T1 er den varme kildes temperatur, T2 er den kolde kildes temperatur.
Effektivitet i elektrisk motor
En elektrisk motor er en enhed, der omdanner elektrisk energi til mekanisk energi, så effektivitet er i dette tilfælde effektivitetsforholdet for enheden ved omdannelse af elektrisk energi til mekanisk energi. Formlen til at finde effektiviteten af en elektrisk motor ser sådan ud:
- Ƞ=P2/P1, hvor P1 er den tilførte elektriske effekt, P2 er den nyttige mekaniske effekt genereret af motoren.
Elektrisk effekt findes som produktet af systemstrøm og spænding (P=UI) og mekanisk effekt som forholdet mellem arbejde pr. tidsenhed (P=A/t)
Transformer effektivitet
En transformer er en enhed, der konverterer vekselstrøm af en spænding til vekselstrøm af en anden spænding, mens frekvensen opretholdes. Derudover kan transformere også konvertere vekselstrøm til jævnstrøm.
Transformatorens effektivitet findes ved formlen:
- Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), hvor P0 er tomgangstabet, PL er belastningstabet, P2 er den aktive effekt, der leveres til belastningen, n er den relative grad af belastning.
Effektivitet eller ej effektivitet?
Det er værd at bemærke, at ud over effektivitet er der en række indikatorer, der karakteriserer effektiviteten af energiprocesser, og nogle gange kan vi støde på beskrivelser som - effektivitet i størrelsesordenen 130%, men i dette tilfælde skal vi forstå, at udtrykket er ikke brugt helt korrekt, og højst sandsynligt forstår forfatteren eller producenten denne forkortelse som en lidt anden egenskab.
Fx udmærker varmepumper sig ved, at de kan afgive mere varme, end de forbruger. En kølemaskine kan således fjerne mere varme fra den genstand, der køles, end der blev brugt i energiækvivalent for at organisere fjernelsen. Effektivitetsindikatoren for en kølemaskine kaldes kølekoefficienten, angivet med bogstavet Ɛ og bestemt af formlen: Ɛ=Qx/A, hvor Qx er varmen, der fjernes fra den kolde ende, A er det arbejde, der er brugt på fjernelsesprocessen . Men nogle gange kaldes kølekoefficienten også kølemaskinens effektivitet.
Det er også interessant, at effektiviteten af kedler, der kører på organisk brændsel, normalt beregnes ud fra den lavere brændværdi, og den kan være større end enheden. Det kaldes dog stadig traditionelt effektivitet. Det er muligt at bestemme effektiviteten af en kedel ved den højere brændværdi, og så vil den altid være mindre end én, men i dette tilfælde vil det være ubelejligt at sammenligne kedlers ydeevne med data fra andre installationer.
Konceptet for ydeevnekoefficient (effektivitet) kan anvendes på en bred vifte af typer enheder og mekanismer, hvis drift er baseret på brugen af enhver ressource. Så hvis vi betragter den energi, der bruges til at drive systemet som en sådan ressource, bør resultatet af dette betragtes som mængden af nyttigt arbejde udført på denne energi.Generelt kan effektivitetsformlen skrives som følger: n = A*100%/Q. I denne formel bruges symbolet n til at angive effektivitet, symbolet A repræsenterer mængden af udført arbejde, og Q er mængden af brugt energi. Det er værd at understrege, at måleenheden for effektivitet er procent. Teoretisk er den maksimale værdi af denne koefficient 100%, men i praksis er det næsten umuligt at opnå en sådan indikator, da der i driften af hver mekanisme er visse energitab.
Motoreffektivitet
Forbrændingsmotoren (ICE), som er en af nøglekomponenterne i mekanismen i en moderne bil, er også en variant af et system baseret på brugen af en ressource - benzin eller diesel. Derfor kan effektivitetsværdien beregnes for det.
På trods af alle de tekniske præstationer i bilindustrien forbliver standardeffektiviteten af forbrændingsmotorer ret lav: afhængigt af de teknologier, der bruges til at designe motoren, kan den variere fra 25% til 60%. Dette skyldes det faktum, at driften af en sådan motor er forbundet med betydelige energitab.
Det største tab i forbrændingsmotorens effektivitet opstår således i driften af kølesystemet, som tager op til 40 % af den energi, der genereres af motoren. En betydelig del af energien - op til 25% - går tabt i processen med fjernelse af udstødningsgas, det vil sige, at den simpelthen føres væk i atmosfæren. Endelig bruges cirka 10 % af den energi, som motoren producerer, på at overvinde friktionen mellem de forskellige dele af forbrændingsmotoren.
Teknologer og ingeniører, der er involveret i bilindustrien, gør derfor en betydelig indsats for at øge effektiviteten af motorer ved at reducere tabene i alle de anførte varer. Således er hovedretningen for designudvikling, der sigter på at reducere tab relateret til driften af kølesystemet, forbundet med forsøg på at reducere størrelsen af de overflader, gennem hvilke varmeoverførsel sker. Reduktion af tab i gasudvekslingsprocessen udføres hovedsageligt ved hjælp af et turboladesystem, og reduktion af tab forbundet med friktion sker ved brug af mere teknologisk avancerede og moderne materialer ved design af motoren. Ifølge eksperter kan brugen af disse og andre teknologier øge effektiviteten af forbrændingsmotorer til 80% og højere.
Hovedbetydningen af formlen (5.12.2) opnået af Carnot for effektiviteten af en ideel maskine er, at den bestemmer den maksimalt mulige effektivitet for enhver varmemotor.
Carnot beviste, baseret på termodynamikkens anden lov*, følgende teorem: enhver rigtig varmemotor, der arbejder med en temperaturvarmerT 1 og køleskabstemperaturT 2 , kan ikke have en effektivitet, der overstiger effektiviteten af en ideel varmemotor.
* Carnot etablerede faktisk termodynamikkens anden lov før Clausius og Kelvin, da termodynamikkens første lov endnu ikke var blevet formuleret strengt.
Lad os først overveje en varmemotor, der kører i en reversibel cyklus med en rigtig gas. Cyklussen kan være hvad som helst, det er kun vigtigt, at temperaturerne på varmelegeme og køleskab er T 1 Og T 2 .
Lad os antage, at effektiviteten af en anden varmemotor (ikke fungerer i henhold til Carnot-cyklussen) η ’ > η . Maskinerne kører med fælles varmelegeme og fælles køleskab. Lad Carnot-maskinen køre i en omvendt cyklus (som en kølemaskine), og lad den anden maskine køre i en fremadgående cyklus (fig. 5.18). Varmemotoren udfører arbejde svarende til, ifølge formlerne (5.12.3) og (5.12.5):
En kølemaskine kan altid designes, så den tager mængden af varme fra køleskabet Q 2
= |
|
Derefter vil der ifølge formel (5.12.7) blive arbejdet på det
(5.12.12)
Da ved betingelse η" > η , At A" > A. Derfor kan en varmemotor drive en kølemaskine, og der vil stadig være et overskud af arbejde tilbage. Dette overskydende arbejde udføres af varme taget fra én kilde. Varmen overføres jo ikke til køleskabet, når to maskiner kører på én gang. Men dette er i modstrid med termodynamikkens anden lov.
Hvis vi antager, at η > η ", så kan du få en anden maskine til at arbejde i en omvendt cyklus, og en Carnot-maskine i en fremadgående cyklus. Vi vil igen komme til en modsigelse med termodynamikkens anden lov. Følgelig har to maskiner, der arbejder på reversible cyklusser, samme effektivitet: η " = η .
Det er en anden sag, hvis den anden maskine kører på en irreversibel cyklus. Hvis vi antager η "
>
η ,
så vil vi igen komme til en modsigelse med termodynamikkens anden lov. Imidlertid er antagelsen 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, eller 
Dette er hovedresultatet:
(5.12.13)
Effektivitet af rigtige varmemotorer
Formel (5.12.13) giver den teoretiske grænse for varmemotorers maksimale virkningsgrad. Den viser, at jo højere temperatur på varmeren og jo lavere temperatur i køleskabet, jo mere effektiv er en varmemotor. Kun ved en køleskabstemperatur lig med det absolutte nulpunkt er η = 1.
Men temperaturen i køleskabet kan praktisk talt ikke være meget lavere end den omgivende temperatur. Du kan øge varmelegemets temperatur. Imidlertid har ethvert materiale (fast legeme) begrænset varmemodstand eller varmemodstand. Når den opvarmes, mister den gradvist sine elastiske egenskaber, og ved en tilstrækkelig høj temperatur smelter den.
Nu er ingeniørernes hovedindsats rettet mod at øge motorernes effektivitet ved at reducere deres deles friktion, brændstoftab på grund af ufuldstændig forbrænding osv. Reelle muligheder for at øge effektiviteten her er stadig store. For en dampturbine er de indledende og endelige damptemperaturer omtrent som følger: T 1 = 800 K og T 2 = 300 K. Ved disse temperaturer er den maksimale effektivitetsværdi:
Den faktiske virkningsgrad på grund af forskellige typer energitab er ca. 40 %. Den maksimale effektivitet - omkring 44% - opnås af forbrændingsmotorer.
Effektiviteten af enhver varmemotor kan ikke overstige den maksimalt mulige værdi 
,
hvor T 1
-
varmelegemets absolutte temperatur og T 2
-
absolut temperatur i køleskabet.
Forøgelse af effektiviteten af varmemotorer og bringer den tættere på det maksimalt mulige- den vigtigste tekniske udfordring.
Fysik er en videnskab, der studerer processer, der forekommer i naturen. Denne videnskab er meget interessant og nysgerrig, fordi hver af os ønsker at tilfredsstille os selv mentalt ved at opnå viden og forståelse for, hvordan og hvad der fungerer i vores verden. Fysik, hvis love er blevet udledt gennem århundreder og af snesevis af videnskabsmænd, hjælper os med denne opgave, og vi bør kun glæde os og absorbere den viden, der gives.
Men samtidig er fysik en langt fra simpel videnskab, ligesom naturen selv, men det ville være meget interessant at forstå det. I dag vil vi tale om effektivitet. Vi vil lære, hvad effektivitet er, og hvorfor det er nødvendigt. Lad os se på alt klart og interessant.
Forklaring af forkortelsen - effektivitet. Men selv denne fortolkning er måske ikke særlig klar første gang. Denne koefficient karakteriserer effektiviteten af et system eller enhver individuel krop, og oftere en mekanisme. Effektivitet er kendetegnet ved produktion eller konvertering af energi.
Denne koefficient gælder for næsten alt, der omgiver os, og endda for os selv, og i højere grad. Vi laver jo brugbart arbejde hele tiden, men hvor ofte og hvor vigtigt det er, er et andet spørgsmål, og begrebet "effektivitet" bruges sammen med det.
Det er vigtigt at overveje det denne koefficient er en ubegrænset værdi, repræsenterer det normalt enten matematiske værdier, for eksempel 0 og 1, eller, som det oftere er tilfældet, som en procentdel.
I fysik er denne koefficient betegnet med bogstavet Ƞ, eller, som det almindeligvis kaldes, Eta.
Nyttigt arbejde
Når vi bruger nogen mekanismer eller enheder, udfører vi nødvendigvis arbejde. Som regel er det altid større, end hvad vi skal bruge for at løse opgaven. Baseret på disse fakta skelnes der mellem to typer arbejde: brugt, som er angivet med et stort bogstav, A med et lille z (Az), og nyttigt - A med bogstavet p (An). Lad os for eksempel tage denne sag: Vi har en opgave at løfte en brosten med en vis masse til en vis højde. I dette tilfælde karakteriserer arbejde kun at overvinde tyngdekraften, som igen virker på belastningen.
I det tilfælde, hvor en anden anordning end brostens tyngdekraft bruges til at løfte, er det også vigtigt at tage hensyn til tyngdekraften af delene af denne enhed. Og udover alt dette er det vigtigt at huske, at mens vi vinder i styrke, vil vi altid tabe undervejs. Alle disse fakta leder til én konklusion om, at det brugte arbejde under alle omstændigheder vil være mere nyttigt, Az > An, spørgsmålet er, hvor meget mere det er, fordi du kan reducere denne forskel så meget som muligt og derved øge effektiviteten, vores eller vores enhed.
Nyttigt arbejde er den del af brugt arbejde, som vi udfører ved hjælp af en mekanisme. Og effektivitet er netop den fysiske størrelse, der viser, hvilken del af det nyttige arbejde, der er af det samlede forbrugte arbejde.
Resultat:
- Det forbrugte arbejde Az er altid større end det nyttige arbejde Ap.
- Jo større forholdet mellem nyttigt og brugt, jo højere koefficient, og omvendt.
- Ap findes ved at gange massen med tyngdeaccelerationen og opstigningshøjden.
Der er en bestemt formel for at finde effektivitet. Det går sådan her: For at finde effektivitet i fysik skal du dividere mængden af energi med det arbejde, systemet udfører. Det vil sige, at effektivitet er forholdet mellem energiforbrug og udført arbejde. Ud fra dette kan vi drage en simpel konklusion, at jo bedre og mere effektivt systemet eller kroppen er, jo mindre energi bruges på at udføre arbejdet.
Selve formlen ser kort og meget enkel ud: den svarer til A/Q. Det vil sige Ƞ = A/Q. Denne korte formel fanger de elementer, vi har brug for til beregning. Det vil sige, at A i dette tilfælde er den brugte energi, der forbruges af systemet under drift, og det store bogstav Q vil igen være det brugte A, eller igen den brugte energi.
Ideelt set er effektiviteten lig med enhed. Men som det plejer at ske, er han mindre end hende. Dette sker på grund af fysikken og selvfølgelig på grund af loven om energibevarelse.
Sagen er, at loven om energibevarelse antyder, at der ikke kan opnås mere A end modtaget energi. Og selv denne koefficient vil være lig med en ekstremt sjældent, da energi altid er spildt. Og arbejde er ledsaget af tab: for eksempel i en motor ligger tabet i dens overdrevne opvarmning.
Så effektivitetsformlen:
Ƞ=A/Q, Hvor
- A er det nyttige arbejde, systemet udfører.
- Q er den energi, der forbruges af systemet.
Anvendelse inden for forskellige fysikområder
Det er bemærkelsesværdigt, at effektivitet ikke eksisterer som et neutralt koncept, hver proces har sin egen effektivitet, det er ikke en friktionskraft, det kan ikke eksistere alene.
Lad os se på nogle eksempler på processer med effektivitet.
f.eks. lad os tage en elektrisk motor. En elektrisk motors opgave er at omdanne elektrisk energi til mekanisk energi. I dette tilfælde vil koefficienten være motorens effektivitet med hensyn til at konvertere elektrisk energi til mekanisk energi. Der er også en formel for dette tilfælde, og det ser sådan ud: Ƞ=P2/P1. Her er P1 kraften i den generelle version, og P2 er den nyttige kraft, som motoren selv producerer.
Det er ikke svært at gætte, at strukturen af koefficientformlen altid bevares, kun de data, der skal erstattes i den, ændres. De afhænger af det specifikke tilfælde, hvis det er en motor, som i tilfældet ovenfor, så er det nødvendigt at arbejde med den brugte kraft, hvis det er et job, vil den oprindelige formel være anderledes.
Nu kender vi definitionen af effektivitet og vi har en idé om dette fysiske koncept, såvel som om dets individuelle elementer og nuancer. Fysik er en af de største videnskaber, men den kan opdeles i små stykker for at forstå den. I dag undersøgte vi et af disse stykker.
Video
Denne video hjælper dig med at forstå, hvad effektivitet er.
Fik du ikke svar på dit spørgsmål? Foreslå et emne til forfatterne.
Effektivitetskoefficienten (effektivitet) er en værdi, der i procent udtrykker effektiviteten af en bestemt mekanisme (motor, system) til at konvertere den modtagne energi til nyttigt arbejde.
Læs i denne artikel
Hvorfor er dieseleffektiviteten højere?
Effektivitetsindikatoren for forskellige motorer kan variere meget og afhænger af en række faktorer. har en relativt lav effektivitet på grund af det store antal mekaniske og termiske tab, der opstår under driften af en kraftenhed af denne type.
Den anden faktor er friktion, der opstår under samspillet mellem parringsdele. Det meste af det nyttige energiforbrug drives af bevægelsen af motorstemplerne samt rotationen af dele inde i motoren, som er strukturelt fastgjort til lejer. Omkring 60% af benzinens forbrændingsenergi bruges kun til at sikre driften af disse enheder.
Yderligere tab er forårsaget af driften af andre mekanismer, systemer og vedhæftede filer. Procentdelen af modstandstab på tidspunktet for optagelse af den næste ladning af brændstof og luft, og derefter frigivelsen af udstødningsgasser fra forbrændingsmotorens cylinder, tages også i betragtning.
Hvis vi sammenligner en dieselenhed og en benzinmotor, har en dieselmotor en mærkbart højere effektivitet sammenlignet med en benzinenhed. Benzinkraftenheder har en effektivitet på omkring 25-30% af den samlede mængde energi, der modtages.
Med andre ord, ud af 10 liter benzin brugt på motordrift, bruges kun 3 liter til at udføre nyttigt arbejde. Resten af energien fra brændstofforbrænding gik tabt.
Med samme slagvolumen er effekten af en naturligt aspireret benzinmotor højere, men opnås ved højere hastigheder. Motoren skal "vendes", tabene stiger, brændstofforbruget stiger. Det er også nødvendigt at nævne drejningsmoment, hvilket bogstaveligt talt betyder den kraft, der overføres fra motoren til hjulene og flytter bilen. Benzinforbrændingsmotorer når maksimalt drejningsmoment ved højere hastigheder.
En lignende naturligt aspireret dieselmotor når maksimalt drejningsmoment ved lave hastigheder, mens den bruger mindre diesel til at udføre nyttigt arbejde, hvilket betyder højere effektivitet og brændstoføkonomi.
Dieselbrændstof genererer mere varme sammenlignet med benzin, forbrændingstemperaturen for dieselbrændstof er højere, og detonationsmodstandsindekset er højere. Det viser sig, at en dieselforbrændingsmotor producerer mere nyttigt arbejde på en vis mængde brændstof.
Energiværdi af diesel og benzin
Dieselbrændstof består af tungere kulbrinter end benzin. Den lavere effektivitet af en benzinenhed sammenlignet med en dieselmotor ligger også i benzinens energikomponent og egenskaberne ved dens forbrænding. Fuldstændig forbrænding af lige store mængder diesel og benzin vil producere mere varme i det første tilfælde. Varme i en dieselforbrændingsmotor omdannes mere fuldstændigt til nyttig mekanisk energi. Det viser sig, at når man brænder den samme mængde brændstof pr. tidsenhed, er det dieselmotoren, der vil gøre mere arbejde.
Det er også værd at tage højde for funktionerne ved injektion og skabelsen af passende betingelser for fuldstændig forbrænding af blandingen. I en dieselmotor tilføres brændstof separat fra luften, det sprøjtes ikke ind i indsugningsmanifolden, men direkte ind i cylinderen i slutningen af kompressionsslaget. Resultatet er en højere temperatur og den mest komplette forbrænding af en del af den arbejdende brændstof-luftblanding.
Resultater
Designere stræber konstant efter at forbedre effektiviteten af både diesel- og benzinmotorer. Forøgelse af antallet af indsugnings- og udstødningsventiler pr. cylinder, aktiv brug, elektronisk styring af brændstofindsprøjtning, drosselventil og andre løsninger kan øge effektiviteten markant. Det gælder i højere grad for dieselmotoren.
Takket være disse funktioner er en moderne dieselmotor i stand til fuldstændig at forbrænde en del af dieselbrændstof mættet med kulbrinter i cylinderen og producere højt drejningsmoment ved lave hastigheder. Lavt omdrejningstal betyder mindre friktionstab og deraf følgende modstand. Af denne grund er dieselmotoren i dag en af de mest produktive og økonomiske typer forbrændingsmotorer, hvis effektivitet ofte overstiger 50%.
Læs også
Hvorfor er det bedre at varme motoren op før kørsel: smøring, brændstof, slid på kolde dele. Sådan opvarmes en dieselmotor korrekt om vinteren.
