Faktor účinnosti (efficiency) je pojem, ktorý možno aplikovať snáď na každý systém a zariadenie. Aj človek má faktor efektivity, hoci objektívny vzorec na jeho nájdenie zatiaľ asi neexistuje. V tomto článku podrobne vysvetlíme, čo je účinnosť a ako ju možno vypočítať pre rôzne systémy.
Definícia účinnosti
Účinnosť je ukazovateľ, ktorý charakterizuje účinnosť systému z hľadiska výdaja energie alebo konverzie. Účinnosť je nemerateľná veličina a vyjadruje sa buď ako číselná hodnota v rozsahu od 0 do 1, alebo ako percento.
Všeobecný vzorec
Účinnosť je označená symbolom Ƞ.
Všeobecný matematický vzorec na zistenie efektívnosti je napísaný takto:
Ƞ=A/Q, kde A je užitočná energia/práca vykonaná systémom a Q je energia spotrebovaná týmto systémom na organizáciu procesu získavania užitočného výstupu.
Faktor účinnosti je, žiaľ, vždy menší alebo rovný jednote, keďže podľa zákona zachovania energie nemôžeme získať viac práce, ako je vynaložená energia. Okrem toho sa účinnosť v skutočnosti veľmi zriedka rovná jednote, pretože užitočná práca je vždy sprevádzaná prítomnosťou strát, napríklad pri zahrievaní mechanizmu.
Účinnosť tepelného motora
Tepelný motor je zariadenie, ktoré premieňa tepelnú energiu na mechanickú energiu. V tepelnom motore je práca určená rozdielom medzi množstvom tepla prijatého z ohrievača a množstvom tepla odovzdaného chladiču, a preto je účinnosť určená vzorcom:
- Ƞ=Qн-Qх/Qн, kde Qн je množstvo tepla prijatého z ohrievača a Qх je množstvo tepla odovzdaného chladiču.
Predpokladá sa, že najvyššiu účinnosť poskytujú motory pracujúce v Carnotovom cykle. V tomto prípade je účinnosť určená vzorcom:
- Ƞ=T1-T2/T1, kde T1 je teplota horúceho prameňa, T2 je teplota studeného prameňa.
Účinnosť elektromotora
Elektromotor je zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na mechanickú energiu, takže účinnosť je v tomto prípade pomer účinnosti zariadenia pri premene elektrickej energie na mechanickú energiu. Vzorec na zistenie účinnosti elektromotora vyzerá takto:
- Ƞ=P2/P1, kde P1 je dodávaná elektrická energia, P2 je užitočná mechanická energia generovaná motorom.
Elektrický výkon sa nachádza ako súčin prúdu a napätia systému (P=UI) a mechanický výkon ako pomer práce za jednotku času (P=A/t)
Účinnosť transformátora
Transformátor je zariadenie, ktoré premieňa striedavý prúd jedného napätia na striedavý prúd iného napätia pri zachovaní frekvencie. Okrem toho môžu transformátory premieňať aj striedavý prúd na jednosmerný prúd.
Účinnosť transformátora sa zistí podľa vzorca:
- Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), kde P0 je strata naprázdno, PL je strata záťaže, P2 je aktívny výkon dodávaný do záťaže, n je relatívny stupeň záťaže.
Efektívnosť či neefektívnosť?
Stojí za zmienku, že okrem účinnosti existuje množstvo ukazovateľov, ktoré charakterizujú účinnosť energetických procesov a niekedy sa môžeme stretnúť s popismi ako - účinnosť rádovo 130%, v tomto prípade však musíme pochopiť, že tento výraz nie je použitý úplne správne a autor alebo výrobca s najväčšou pravdepodobnosťou chápe túto skratku ako trochu inú charakteristiku.
Napríklad tepelné čerpadlá sa vyznačujú tým, že dokážu uvoľniť viac tepla ako spotrebujú. Chladiaci stroj teda môže odobrať z chladeného predmetu viac tepla, než koľko energie bolo vynaložené na organizáciu odstránenia. Ukazovateľ účinnosti chladiaceho stroja sa nazýva koeficient chladenia, označuje sa písmenom Ɛ a určuje sa podľa vzorca: Ɛ=Qx/A, kde Qx je teplo odvedené zo studeného konca, A je práca vynaložená na proces odvádzania. . Niekedy sa však koeficient chladenia nazýva aj účinnosť chladiaceho stroja.
Zaujímavé je aj to, že účinnosť kotlov na organické palivo sa zvyčajne počíta na základe nižšej výhrevnosti a tá môže byť aj väčšia ako jednota. Stále sa však tradične nazýva efektívnosť. Účinnosť kotla je možné určiť podľa vyššej výhrevnosti a potom bude vždy menšia ako jedna, ale v tomto prípade bude nepohodlné porovnávať výkon kotlov s údajmi z iných inštalácií.
Pojem koeficient výkonu (účinnosti) možno aplikovať na širokú škálu typov zariadení a mechanizmov, ktorých činnosť je založená na využití akýchkoľvek zdrojov. Ak teda považujeme energiu použitú na prevádzku systému za takýto zdroj, potom by sa za výsledok toho malo považovať množstvo užitočnej práce vykonanej na tejto energii.Vo všeobecnosti možno vzorec účinnosti napísať takto: n = A*100%/Q. V tomto vzorci sa symbol n používa na označenie účinnosti, symbol A predstavuje množstvo vykonanej práce a Q je množstvo vynaloženej energie. Je potrebné zdôrazniť, že meracou jednotkou účinnosti je percento. Teoreticky je maximálna hodnota tohto koeficientu 100%, ale v praxi je takmer nemožné dosiahnuť takýto ukazovateľ, pretože pri prevádzke každého mechanizmu dochádza k určitým stratám energie.
Účinnosť motora
Spaľovací motor (ICE), ktorý je jedným z kľúčových komponentov mechanizmu moderného automobilu, je tiež variantom systému založeného na využití zdroja - benzínu alebo nafty. Preto je možné preň vypočítať hodnotu účinnosti.
Napriek všetkým technickým výdobytkom automobilového priemyslu zostáva štandardná účinnosť spaľovacích motorov dosť nízka: v závislosti od technológií použitých pri konštrukcii motora sa môže pohybovať od 25 % do 60 %. Je to spôsobené tým, že prevádzka takéhoto motora je spojená so značnými energetickými stratami.
K najväčšej strate účinnosti spaľovacieho motora teda dochádza pri prevádzke chladiaceho systému, ktorý odoberá až 40 % energie generovanej motorom. Významná časť energie - až 25% - sa stráca v procese odstraňovania výfukových plynov, to znamená, že sa jednoducho odvádza do atmosféry. Nakoniec sa približne 10 % energie generovanej motorom vynakladá na prekonanie trenia medzi rôznymi časťami spaľovacieho motora.
Technológovia a inžinieri pôsobiaci v automobilovom priemysle preto vynakladajú značné úsilie na zvýšenie účinnosti motorov znižovaním strát vo všetkých uvedených položkách. Hlavný smer vývoja dizajnu zameraný na zníženie strát súvisiacich s prevádzkou chladiaceho systému je teda spojený s pokusmi o zmenšenie veľkosti plôch, cez ktoré dochádza k prenosu tepla. Znižovanie strát v procese výmeny plynu sa vykonáva hlavne pomocou systému preplňovania turbodúchadlom a znižovanie strát spojených s trením sa dosahuje použitím technologicky vyspelejších a modernejších materiálov pri konštrukcii motora. Podľa odborníkov môže použitie týchto a ďalších technológií zdvihnúť účinnosť spaľovacích motorov na 80 % a viac.
Hlavným významom vzorca (5.12.2) získaného Carnotom pre účinnosť ideálneho stroja je, že určuje maximálnu možnú účinnosť akéhokoľvek tepelného motora.
Carnot dokázal na základe druhého termodynamického zákona* nasledujúcu vetu: akýkoľvek skutočný tepelný motor pracujúci s teplotným ohrievačomT 1 a teplotu chladničkyT 2 , nemôže mať účinnosť, ktorá presahuje účinnosť ideálneho tepelného motora.
* Carnot v skutočnosti stanovil druhý termodynamický zákon pred Clausiusom a Kelvinom, keď prvý termodynamický zákon ešte nebol striktne formulovaný.
Uvažujme najprv tepelný motor pracujúci v reverzibilnom cykle so skutočným plynom. Cyklus môže byť akýkoľvek, dôležité je len to, aby boli teploty ohrievača a chladničky T 1 A T 2 .
Predpokladajme, že účinnosť iného tepelného motora (nepracujúceho podľa Carnotovho cyklu) η ’ > η . Stroje pracujú so spoločným ohrievačom a spoločnou chladničkou. Nechajte Carnotov stroj pracovať v spätnom cykle (ako chladiaci stroj) a nechajte druhý stroj pracovať v doprednom cykle (obr. 5.18). Tepelný motor vykoná podľa vzorcov (5.12.3) a (5.12.5) rovnakú prácu:
Chladiaci stroj môže byť vždy navrhnutý tak, aby odoberal množstvo tepla z chladničky Q 2
= |
|
Potom sa na ňom podľa vzorca (5.12.7) bude pracovať
(5.12.12)
Pretože podľa podmienky η" > η , To A" > A. Tepelný motor teda môže poháňať chladiaci stroj a aj tak zostane prebytok práce. Táto nadbytočná práca sa vykonáva v dôsledku tepla odoberaného z jedného zdroja. Koniec koncov, teplo sa neprenáša do chladničky, keď pracujú dva stroje naraz. To je však v rozpore s druhým zákonom termodynamiky.
Ak predpokladáme, že η > η ", potom môžete nechať iný stroj pracovať v spätnom cykle a Carnotov stroj v doprednom cykle. Opäť sa dostaneme do rozporu s druhým termodynamickým zákonom. V dôsledku toho majú dva stroje pracujúce v reverzibilných cykloch rovnakú účinnosť: η " = η .
Iná vec je, ak druhý stroj pracuje v nezvratnom cykle. Ak predpokladáme η "
>
η ,
potom sa opäť dostaneme do rozporu s druhým termodynamickým zákonom. Avšak predpoklad 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, alebo 
Toto je hlavný výsledok:
(5.12.13)
Účinnosť skutočných tepelných motorov
Vzorec (5.12.13) udáva teoretickú hranicu pre maximálnu hodnotu účinnosti tepelných motorov. Ukazuje, že čím vyššia je teplota ohrievača a čím nižšia je teplota chladničky, tým efektívnejší je tepelný motor. Iba pri teplote chladničky rovnej absolútnej nule je η = 1.
Teplota chladničky však prakticky nemôže byť oveľa nižšia ako teplota okolia. Môžete zvýšiť teplotu ohrievača. Akýkoľvek materiál (pevné teleso) má však obmedzenú tepelnú odolnosť, čiže tepelnú odolnosť. Pri zahrievaní postupne stráca elastické vlastnosti a pri dostatočne vysokej teplote sa topí.
Teraz je hlavné úsilie inžinierov zamerané na zvýšenie účinnosti motorov znížením trenia ich častí, strát paliva v dôsledku nedokonalého spaľovania atď. Skutočné možnosti na zvýšenie účinnosti tu stále zostávajú veľké. Pre parnú turbínu sú teda počiatočné a konečné teploty pary približne nasledovné: T 1 = 800 K a T 2 = 300 K. Pri týchto teplotách je maximálna hodnota účinnosti:
Skutočná hodnota účinnosti v dôsledku rôznych druhov energetických strát je približne 40 %. Maximálnu účinnosť - asi 44% - dosahujú spaľovacie motory.
Účinnosť akéhokoľvek tepelného motora nemôže prekročiť maximálnu možnú hodnotu 
,
kde T 1
-
absolútna teplota ohrievača a T 2
-
absolútna teplota chladničky.
Zvýšenie účinnosti tepelných motorov a jej priblíženie k maximálnemu možnému- najdôležitejšia technická výzva.
Fyzika je veda, ktorá študuje procesy prebiehajúce v prírode. Táto veda je veľmi zaujímavá a kuriózna, pretože každý z nás sa chce duševne uspokojiť získavaním vedomostí a porozumením toho, ako a čo funguje v našom svete. V tejto úlohe nám pomáha fyzika, ktorej zákonitosti boli odvodené stáročiami a desiatkami vedcov a mali by sme sa len tešiť a absorbovať poskytnuté poznatky.
Ale zároveň je fyzika ďaleko od jednoduchej vedy, ako v skutočnosti samotná príroda, ale bolo by veľmi zaujímavé jej porozumieť. Dnes budeme hovoriť o efektívnosti. Dozvieme sa, čo je efektívnosť a prečo je potrebná. Pozrime sa na všetko prehľadne a zaujímavo.
Vysvetlenie skratky - efektívnosť. Ani tento výklad však nemusí byť na prvý raz obzvlášť jasný. Tento koeficient charakterizuje účinnosť systému alebo akéhokoľvek jednotlivého orgánu a častejšie mechanizmu. Účinnosť je charakterizovaná výstupom alebo premenou energie.
Tento koeficient platí takmer pre všetko, čo nás obklopuje, a dokonca aj pre nás samých, a to vo väčšej miere. Koniec koncov, vždy robíme užitočnú prácu, ale ako často a aká dôležitá je to iná otázka a používa sa s ňou pojem „efektívnosť“.
Je dôležité to zvážiť tento koeficient je neobmedzená hodnota, zvyčajne predstavuje buď matematické hodnoty, napríklad 0 a 1, alebo, ako je to častejšie, v percentách.
Vo fyzike sa tento koeficient označuje písmenom Ƞ alebo, ako sa bežne nazýva, Eta.
Užitočná práca
Pri použití akýchkoľvek mechanizmov alebo zariadení nevyhnutne vykonávame prácu. Spravidla je to vždy väčšie ako to, čo potrebujeme na splnenie úlohy. Na základe týchto skutočností sa rozlišujú dva druhy práce: vynaložená, ktorá sa označuje veľkým písmenom, A s malým z (Az) a užitočná - A s písmenom p (An). Vezmime si napríklad tento prípad: máme za úlohu zdvihnúť dlažobný kameň s určitou hmotnosťou do určitej výšky. V tomto prípade práca charakterizuje iba prekonanie gravitačnej sily, ktorá zase pôsobí na záťaž.
V prípade, že sa na zdvíhanie používa akékoľvek iné zariadenie ako gravitácia dlažobného kameňa, je tiež dôležité vziať do úvahy gravitácie častí tohto zariadenia. A popri tom všetkom je dôležité mať na pamäti, že aj keď vyhrávame v sile, cestou vždy prehráme. Všetky tieto skutočnosti vedú k jednému záveru, že vynaložená práca bude v každom prípade užitočnejšia, Az > An, otázkou je, o koľko viac, pretože tento rozdiel môžete maximálne znížiť a tým zvýšiť efektivitu, našu resp. naše zariadenie.
Užitočná práca je časť vynaloženej práce, ktorú vykonávame pomocou mechanizmu. A efektívnosť je práve fyzikálna veličina, ktorá ukazuje, aká časť užitočnej práce je z celkovej vynaloženej práce.
výsledok:
- Vynaložená práca Az je vždy väčšia ako užitočná práca Ap.
- Čím väčší je pomer užitočného k vynaloženému, tým vyšší je koeficient a naopak.
- Ap sa zistí vynásobením hmotnosti gravitačným zrýchlením a výškou stúpania.
Existuje určitý vzorec na zistenie efektívnosti. Znie to takto: aby ste našli efektívnosť vo fyzike, musíte vydeliť množstvo energie prácou vykonanou systémom. To znamená, že účinnosť je pomer vynaloženej energie k vykonanej práci. Z toho môžeme vyvodiť jednoduchý záver, že čím je systém alebo telo lepšie a efektívnejšie, tým menej energie sa vynakladá na vykonanie práce.
Samotný vzorec vyzerá krátko a veľmi jednoducho: bude sa rovnať A/Q. To znamená, Ƞ = A/Q. Tento stručný vzorec zachytáva prvky, ktoré potrebujeme na výpočet. To znamená, že A je v tomto prípade použitá energia, ktorú systém spotrebuje počas prevádzky, a veľké písmeno Q bude zase vynaložené A alebo opäť vynaložená energia.
V ideálnom prípade sa účinnosť rovná jednote. Ale ako sa zvyčajne stáva, je menší ako ona. Deje sa tak kvôli fyzike a, samozrejme, zákonu zachovania energie.
Ide o to, že zákon zachovania energie naznačuje, že nemožno získať viac A, ako je prijatá energia. A dokonca aj tento koeficient sa bude rovnať jednému veľmi zriedka, pretože energia sa vždy plytvá. A prácu sprevádzajú straty: napríklad v motore strata spočíva v jeho nadmernom zahrievaní.
Takže vzorec účinnosti:
Ƞ=A/Q, Kde
- A je užitočná práca, ktorú systém vykonáva.
- Q je energia spotrebovaná systémom.
Aplikácia v rôznych oblastiach fyziky
Je pozoruhodné, že účinnosť neexistuje ako neutrálny pojem, každý proces má svoju vlastnú účinnosť, nie je trecou silou, nemôže existovať sám o sebe.
Pozrime sa na niekoľko príkladov procesov s efektívnosťou.
napr. zoberme si elektromotor. Úlohou elektromotora je premieňať elektrickú energiu na mechanickú energiu. V tomto prípade bude koeficientom účinnosť motora z hľadiska premeny elektrickej energie na mechanickú energiu. Pre tento prípad existuje aj vzorec a vyzerá takto: Ƞ=P2/P1. Tu P1 je výkon vo všeobecnej verzii a P2 je užitočný výkon, ktorý produkuje samotný motor.
Nie je ťažké uhádnuť, že štruktúra koeficientového vzorca je vždy zachovaná len tie údaje, ktoré je potrebné v ňom dosadiť. Závisia od konkrétneho prípadu, ak ide o motor, ako v prípade vyššie, potom je potrebné pracovať s vynaloženým výkonom, ak ide o prácu, potom bude počiatočný vzorec iný.
Teraz poznáme definíciu efektívnosti a máme predstavu o tomto fyzickom koncepte, ako aj o jeho jednotlivých prvkoch a nuansách. Fyzika je jednou z najväčších vied, ale dá sa rozdeliť na malé kúsky, aby sme jej porozumeli. Dnes sme jeden z týchto kúskov preskúmali.
Video
Toto video vám pomôže pochopiť, čo je efektívnosť.
Nedostali ste odpoveď na svoju otázku? Navrhnite autorom tému.
Faktor účinnosti (účinnosť) je hodnota, ktorá v percentách vyjadruje účinnosť konkrétneho mechanizmu (motora, systému) pri premene prijatej energie na užitočnú prácu.
Prečítajte si v tomto článku
Prečo je účinnosť nafty vyššia?
Ukazovateľ účinnosti pre rôzne motory sa môže značne líšiť a závisí od množstva faktorov. majú relatívne nízku účinnosť v dôsledku veľkého počtu mechanických a tepelných strát, ktoré vznikajú pri prevádzke pohonnej jednotky tohto typu.
Druhým faktorom je trenie, ku ktorému dochádza pri interakcii párovaných častí. Väčšinu užitočnej spotreby energie poháňa pohyb piestov motora, ako aj rotácia častí vo vnútri motora, ktoré sú konštrukčne pripevnené k ložiskám. Asi 60 % energie spaľovania benzínu sa vynakladá len na zabezpečenie prevádzky týchto komponentov.
Ďalšie straty sú spôsobené prevádzkou iných mechanizmov, systémov a príloh. Do úvahy sa berie aj percento strát odporu v momente vpustenia ďalšej náplne paliva a vzduchu a následne uvoľnenie výfukových plynov z valca spaľovacieho motora.
Ak porovnáme naftový agregát a benzínový motor, naftový motor má v porovnaní s benzínovým agregátom citeľne vyššiu účinnosť. Benzínové pohonné jednotky majú účinnosť asi 25-30% z celkového množstva prijatej energie.
Inými slovami, z 10 litrov benzínu vynaloženého na prevádzku motora sa na užitočnú prácu spotrebujú iba 3 litre. Zvyšok energie zo spaľovania paliva sa stratil.
Pri rovnakom zdvihovom objeme je výkon atmosférického benzínového motora vyšší, ale dosahuje sa vo vyšších otáčkach. Motor je potrebné „vytočiť“, straty sa zvyšujú, spotreba paliva stúpa. Je potrebné spomenúť aj krútiaci moment, čo doslova znamená silu, ktorá sa prenáša z motora na kolesá a hýbe autom. Benzínové spaľovacie motory dosahujú maximálny krútiaci moment pri vyšších otáčkach.
Podobný naftový motor s prirodzeným nasávaním dosahuje maximálny krútiaci moment pri nízkych otáčkach, pričom spotrebuje menej nafty na vykonanie užitočnej práce, čo znamená vyššiu účinnosť a úsporu paliva.
Motorová nafta generuje viac tepla v porovnaní s benzínom, teplota spaľovania motorovej nafty je vyššia a index detonačnej odolnosti je vyšší. Ukazuje sa, že naftový spaľovací motor produkuje užitočnejšiu prácu s určitým množstvom paliva.
Energetická hodnota motorovej nafty a benzínu
Motorová nafta pozostáva z ťažších uhľovodíkov ako benzín. Nižšia účinnosť benzínového agregátu v porovnaní s naftovým motorom spočíva aj v energetickej zložke benzínu a charakteristike jeho spaľovania. Úplné spaľovanie rovnakého množstva motorovej nafty a benzínu vyprodukuje v prvom prípade viac tepla. Teplo v dieselovom spaľovacom motore sa úplnejšie premieňa na užitočnú mechanickú energiu. Ukazuje sa, že pri spaľovaní rovnakého množstva paliva za jednotku času vykoná nafta viac práce.
Je tiež potrebné vziať do úvahy vlastnosti vstrekovania a vytvorenie vhodných podmienok pre úplné spálenie zmesi. V dieselovom motore sa palivo dodáva oddelene od vzduchu; vstrekuje sa nie do sacieho potrubia, ale priamo do valca na samom konci kompresného zdvihu. Výsledkom je vyššia teplota a najdokonalejšie spálenie časti pracovnej zmesi paliva a vzduchu.
Výsledky
Konštruktéri sa neustále snažia zlepšovať účinnosť dieselových aj benzínových motorov. Zvýšenie počtu sacích a výfukových ventilov na valec, aktívne používanie, elektronické ovládanie vstrekovania paliva, škrtiacej klapky a ďalšie riešenia môžu výrazne zvýšiť efektivitu. Vo väčšej miere to platí pre naftový motor.
Vďaka týmto vlastnostiam je moderný dieselový motor schopný úplne spáliť časť motorovej nafty nasýtenej uhľovodíkmi vo valci a produkovať vysoký krútiaci moment pri nízkych otáčkach. Nízke otáčky znamenajú menšie straty trením a výsledný odpor. Z tohto dôvodu je dnes dieselový motor jedným z najproduktívnejších a najhospodárnejších typov spaľovacích motorov, ktorých účinnosť často presahuje 50 %.
Prečítajte si tiež
Prečo je lepšie motor pred jazdou zahriať: mazanie, palivo, opotrebovanie studených častí. Ako správne zahriať dieselový motor v zime.
