Ни одно выполняемое действие не проходит без потерь - они есть всегда. Полученный результат всегда меньше тех усилий, которые приходится затрачивать для его достижения. О том, насколько велики потери при выполнении работы, и свидетельствует коэффициент полезного действия (КПД).
Что же скрывается за этой аббревиатурой? По сути дела, это коэффициент эффективности механизма или показатель рационального использования энергии. Величина КПД не имеет каких-то единиц измерения, она выражается в процентах. Определяется этот коэффициент как отношение полезной работы устройства к затраченной на его функционирование. Для вычисления КПД формула расчета будет выглядеть таким образом:
КПД =100* (полезная выполненная работа/затраченная работа)
В различных устройствах для расчета такого соотношения используются разные значения. Для электрических двигателей КПД будет выглядеть как отношение совершаемой полезной работы к электрической энергии, полученной из сети. Для будет определяться как отношение полезной совершаемой работы к затраченному количеству теплоты.
Для определения КПД необходимо, чтобы все разные и работа выражались в одних единицах. Тогда возможно будет сравнивать любые объекты, например генераторы электроэнергии и биологические объекты, с точки зрения эффективности.
Как уже отмечалось, из-за неизбежных потерь при работе механизмов коэффициент полезного действия всегда меньше 1. Так, КПД тепловых станций достигает 90%, у двигателей внутреннего сгорания КПД меньше 30%, КПД электрического трансформатора составляет 98%. Понятие КПД может применяться как к механизму в целом, так и к его отдельным узлам. При общей оценке эффективности механизма в целом (его КПД) берется произведение КПД отдельных составных частей этого устройства.
Проблема эффективного использования топлива появилась не сегодня. При непрерывном росте стоимости энергоресурсов вопрос повышения КПД механизмов превращается из чисто теоретического в вопрос практический. Если КПД обычного автомобиля не превышает 30%, то 70% своих денег, расходуемых на заправку топливом авто, мы просто выбрасываем.
Рассмотрение эффективности работы ДВС (двигателя внутреннего сгорания) показывает, что потери происходят на всех этапах его работы. Так, только 75% поступающего топлива сгорает в цилиндрах мотора, а 25% выбрасывается в атмосферу. Из всего сгоревшего топлива только 30-35% выделившегося тепла расходуется на выполнение полезной работы, остальное тепло или теряется с выхлопными газами, или остается в системе охлаждения автомобиля. Из полученной мощности на полезную работу используется около 80%, остальная мощность тратится на преодоление сил трения и используется вспомогательными механизмами автомобиля.
Даже на таком простом примере анализ эффективности работы механизма позволяет определить направления, в которых должны проводиться работы для сокращения потерь. Так, одно из приоритетных направлений - обеспечение полного сгорания топлива. Достигается это дополнительным распылением топлива и повышением давления, поэтому так популярны становятся двигатели с непосредственным впрыском и турбонаддувом. Тепло, отводимое из двигателя, используется для подогрева топлива с целью лучшей его испаряемости, а механические потери уменьшаются за счет использования современных сортов
Здесь нами рассмотрено такое понятие, как описано, что он собой представляет и на что влияет. Рассмотрена на примере ДВС эффективность его работы и определены направления и пути повышения возможностей этого устройства, а, следовательно, и КПД.
КПД, по своему определению, это отношение полученной энергии к затраченной. Если двигатель сжигает бензин и только треть образовавшегося тепла превращается в энергию движения автомобиля, то КПД равен одной трети или (округляя до целых) 33%. Если лампочка дает световой энергии в пятьдесят раз меньше потребляемой электрической, ее КПД равен 1/50 или 2%. Однако тут сразу возникает вопрос: а если лампочка продается как инфракрасный обогреватель? После того как продажа ламп накаливания была запрещена, точно такие же по конструкции устройства стали продаваться как "инфракрасные обогреватели", поскольку именно в тепло преобразуется свыше 95% электроэнергии.
(Бес)полезное тепло
Обычно тепло, выделяющееся при работе чего-либо, записывают в потери. Но это далеко не бесспорно. Электростанция, например, превращает в электроэнергию примерно треть выделяющегося при сгорании газа или угля тепла, однако еще часть энергии может при этом пойти на нагрев воды. Если горячее водоснабжение и теплые батареи тоже записать в полезные результаты работы ТЭЦ, то КПД вырастет на 10-15%.
Схожим примером может служить автомобильная "печка": она передает в салон часть тепла, образующегося при работе двигателя. Это тепло может быть полезным и необходимым, а может рассматриваться как потери: по этой причине оно обычно не фигурирует в расчетах КПД автомобильного мотора.
Особняком стоят такие устройства, как тепловые насосы. Их КПД, если считать его по соотношению выданного тепла и затраченного электричества, больше 100%, однако это не опровергает основы термодинамики. Тепловой насос перекачивает тепло от менее нагретого тела к более нагретому и затрачивает на это энергию, так как без затрат энергии подобное перераспределение теплоты запрещено той же термодинамикой. Если тепловой насос берет из розетки киловатт, а выдает пять киловатт тепла, то четыре киловатта будут взяты из воздуха, воды или грунта вне дома. Окружающая среда в том месте, откуда устройство черпает тепло, остынет, а дом прогреется. Но потом эта теплота вместе с потраченной насосом энергией все равно рассеется в пространстве.
Внешний контур теплового насоса: через эти пластиковые трубы прокачивается жидкость, забирающая тепло из толщи воды в отапливаемое здание. Mark Johnson / Wikimedia
Много или эффективно?
Некоторые устройства имеют очень высокий КПД, но при этом - неподходящую мощность.
Электрические моторы тем эффективнее, чем они больше, однако поставить электровозный двигатель в детскую игрушку физически невозможно и экономически бессмысленно. Поэтому КПД двигателей в локомотиве превышает 95%, а в маленькой машинке на радиоуправлении - от силы 80%. Причем в случае с электрическим двигателем его эффективность зависит так же от нагрузки: недогруженный или перегруженный мотор работает с меньшим КПД. Правильный подбор оборудования может значить даже больше, чем просто выбор устройства с максимальным заявленным КПД.
Самый мощный серийный локомотив, шведский IORE. Второе место удерживает советский электровоз ВЛ-85. Kabelleger / Wikimedia
Если электрические моторы выпускаются для самых разных целей, от вибраторов в телефонах до электровозов, то вот ионный двигатель имеет гораздо меньшую нишу. Ионные двигатели эффективны, экономичны, долговечны (работают без выключения годами), но включаются только в вакууме и дают очень малую тягу. Они идеально подходят для отправки в дальний космос научных аппаратов, которые могут лететь к цели несколько лет и для которых экономия топлива важнее затрат времени.
Электрические моторы, кстати, потребляют почти половину всей вырабатываемой человечеством электроэнергии, так что даже разница в одну сотую процента в мировом масштабе может означать необходимость построить еще один ядерный реактор или еще один энергоблок ТЭЦ.
Эффективно или дешево?
Энергетическая эффективность далеко не всегда тождественна экономической. Наглядный пример - светодиодные лампы, которые до недавнего времени проигрывали лампам накаливания и флуоресцентным "энергосберегайкам". Сложность изготовления белых светодиодов, дороговизна сырья и, с другой стороны, простота лампы накаливания заставляли выбирать менее эффективные, но зато дешевые источники света.
Кстати, за изобретение синего светодиода, без которого бы нельзя было сделать яркую белую лампу, японские исследователи получили в 2014 году Нобелевскую премию. Это не первая премия, вручаемая за вклад в развитие освещения: в 1912 году наградили Нильса Далена, изобретателя, который усовершенствовал ацетиленовые горелки для маяков.
Синие светодиоды нужны для получения белого света в сочетании с красными и зелеными. Эти два цвета научились получать в достаточно ярких светодиодах намного раньше; синие долгое время оставались слишком тусклыми и дорогими для массового применения
Другой пример эффективных, но очень дорогих устройств - солнечные батареи на основе арсенида галлия (полупроводник с формулой GaAs). Их КПД достигает почти 30%, что в полтора-два раза выше используемых на Земле батарей на основе куда более распространенного кремния. Высокая эффективность оправдывает себя только в космосе, куда доставка одного килограмма груза может стоить почти как килограмм золота. Тогда экономия на массе батареи будет оправдана.
КПД линий электропередач можно поднять за счет замены меди на лучше проводящее ток серебро, однако серебряные кабели слишком дороги и потому используются разве что в единичных случаях. А вот к идее построить сверхпроводящие ЛЭП из дорогой и требующей охлаждения жидким азотом редкоземельной керамики в последние годы несколько раз обращались на практике. В частности, такой кабель уже проложен и подключен в германском городе Эссене. Он рассчитан на 40 мегаватт электрической мощности при напряжении в десять киловольт. Кроме того что потери на нагрев сведены к нулю (однако взамен нужно питать криогенные установки), такой кабель намного компактнее обычного и за счет этого можно сэкономить на покупке дорогой земли в центре города или отказаться от прокладки дополнительных туннелей.
Не по общим правилам
Из школьного курса многие помнят, что КПД не может превышать 100% и что он тем выше, чем больше разница температур между холодильником и нагревателем. Однако это верно лишь для так называемых тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, реактивные и ракетные двигатели, газовые и паровые турбины.
Электродвигатели и все электрические устройства этому правилу не подчиняются, поскольку они не тепловые машины. Для них верно только то, что КПД не может превышать ста процентов, а частные ограничения в каждом случае определяются по-разному.
В случае с солнечной батареей потери определяются как квантовыми эффектами при поглощении фотонов, так и потерями на отражение света от поверхности батареи и на поглощение в фокусирующих зеркалах. Проведенные расчеты показали, что выйти за 90% солнечная батарея не может в принципе, а на практике достижимы значения около 60-70%, да и те при весьма сложной структуре фотоячеек.
Великолепным КПД обладают топливные элементы. В эти устройства поступают некие вещества, которые вступают в химическую реакцию друг с другом и дают электрический ток. Этот процесс опять-таки не является циклом тепловой машины, поэтому КПД получается достаточно высоким, порядка 60%, в то время как дизель или бензиновый двигатель не выходят обычно за 50%.
Именно топливные элементы стояли на летавших к Луне космических кораблях "Аполло", и они могут работать, например, на водороде и кислороде. Их недостаток заключается только в том, что водород должен быть достаточно чистым и к тому же его надо где-то хранить и как-то передавать от завода к потребителям. Технологии, позволяющие заменить водородом обычный метан, пока что не доведены до массового использования. На водороде и топливных элементах работают лишь экспериментальные автомобили и некоторое количество подводных лодок.
Плазменные двигатели серии СПД. Их делает ОКБ «Факел», и они используются для удержания спутников на заданной орбите. Тяга создается за счет потока ионов, которые возникают после ионизации инертного газа электрическим разрядом. КПД этих двигателей достигает 60 процентов
Ионные и плазменные двигатели уже существуют, но тоже работают лишь в вакууме. Кроме того, их тяга слишком мала и на порядки ниже веса самого устройства - с Земли они не взлетели бы даже при отсутствии атмосферы. Зато во время межпланетных полетов длительностью в многие месяцы и даже годы слабая тяга компенсируется экономичностью и надежностью.
В жизни человек сталкивается с проблемой и необходимостью превращения разных видов энергии. Устройства, которые предназначены для преобразований энергии, называют энергетическими машинами (механизмами). К энергетическим машинам, например, можно отнести: электрогенератор, двигатель внутреннего сгорания, электрический двигатель, паровую машину и др.
В теории любой вид энергии может полностью превратиться в другой вид энергии. Но на практике помимо преобразований энергии в машинах происходят превращения энергии, которые названы потерями. Совершенство энергетических машин определяет коэффициент полезного действия (КПД).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Коэффициентом полезного действия механизма (машины) называют отношение полезной энергии () к суммарной энергии (W), которая подводится к механизму. Обычно коэффициент полезного действия обозначают буквой (эта). В математическом виде определение КПД запишется так:
Коэффициент полезного действия можно определить через работу, как отношение (полезная работа) к A (полная работа):
Кроме того, можно найти как отношение мощностей:
где — мощность, которую подводят механизму; — мощность, которую получает потребитель от механизма. Выражение (3) можно записать иначе:
где — часть мощности, которая теряется в механизме.
Из определений КПД очевидно, что он не может быть более 100% (или не моет быть больше единицы). Интервал в котором находится КПД: .
Коэффициент полезного действия используют не только в оценке уровня совершенства машины, но и определения эффективности любого сложного механизма и всякого рода приспособлений, которые являются потребителями энергии.
Любой механизм стараются сделать так, чтобы бесполезные потери энергии были минимальны (). С этой целью пытаются уменьшить силы трения (разного рода сопротивления).
КПД соединений механизмов
При рассмотрении конструктивно сложного механизма (устройства), вычисляют КПД всей конструкции и коэффициенты полезного действия всех его узлов и механизмов, которые потребляют и преобразуют энергию.
Если мы имеем n механизмов, которые соединены последовательно, то результирующий КПД системы находят как произведение КПД каждой части:
При параллельном соединении механизмов (рис.1) (один двигатель приводит в действие несколько механизмов), полезная работа является суммой полезных работ на выходе из каждой отдельной части системы. Если работу затрачиваемую двигателем обозначить как , то КПД в данном случае найдем как:
Единицы измерения КПД
В большинстве случаев КПД выражают в процентах
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Какова мощность механизма, который поднимает n раз в секунду молот, имеющий массу m на высоту h, если КПД машины равен ? |
| Решение | Мощность (N) можно найти исходя из ее определения как:
Так как в условии задана частота () (молот поднимается n раз в секунду), то время найдем как:
Работа будет найдена как: В таком случае (принимая во внимание (1.2) и (1.3)) выражение (1.1) преобразуется к виду: Так как КПД системы равен , то запишем: где — искомая мощность, тогда:
|
| Ответ |
ПРИМЕР 2
| Задание | Каким будет КПД наклонной плоскости, если ее длина , высота h? Коэффициент трения при движении тела о данную плоскость равен . |
| Решение | Сделаем рисунок.
В качестве основы для решения задачи примем формулу для вычисления КПД в виде:
Полезной работой будет работа по подъему груза на высоту h: Произведенную работу, при доставке груза путем перемещения его по данной плоскости можно найти как: где — сила тяги, которую найдем из второго закона Ньютона, рассмотрев силы, которые приложены к телу (рис.1): |
Коэффициент полезного действия это характеристика эффективности работы, какого либо устройства или машины. КПД определяется как отношение полезной энергии на выходе системы к общему числу энергии подведенной к системе. КПД величина безразмерная и зачастую определяется в процентах.
Формула 1 — коэффициент полезного действия
Где—A полезная работа
—Q суммарная работа, которая была затрачена
Любая система, совершающая какую либо работу, должна из вне получать энергию, с помощью которой и будет совершаться работа. Возьмем, к примеру, трансформатор напряжения. На вход подается сетевое напряжение 220 вольт, с выхода снимается 12 вольт для питания, к примеру, лампы накаливания. Так вот трансформатор преобразует энергию на входе до необходимого значения, при котором будет работать лампа.
Но не вся энергия, взятая от сети, попадет к лампе, поскольку в трансформаторе существуют потери. Например, потери магнитной энергии в сердечнике трансформатора. Или потери в активном сопротивлении обмоток. Где электрическая энергия будет переходить в тепловую не доходя до потребителя. Эта тепловая энергия в данной системе является бесполезной.
Поскольку потерь мощности избежать невозможно в любом системе то коэффициент полезного действия всегда ниже единицы.
КПД можно рассматривать как для всей системы целиком, состоящей из множество отдельных частей. Так и определять КПД для каждой части в отдельности тогда суммарный КПД будет равен произведению коэффициентов полезного действия всех его элементов.
В заключение можно сказать, что КПД определяет уровень совершенства, какого либо устройства в смысле передачи или преобразования энергии. Также говорит о том, сколько энергии подводимой к системе расходуется на полезную работу.
Коэффициент полезного действия (КПД) - это характеристика результативности системы в отношении преобразования или передачи энергии, который определяется отношением полезно использованной энергии к суммарной энергии, полученной системой.
КПД
- величина безразмерная, обычно ее выражают в процентах: 
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя определяется по формуле: , где A = Q1Q2. КПД теплового двигателя всегда меньше 1.
Цикл Карно
- это обратимый круговой газовый процесс, который состоит из последовательно стоящих двух изотермических и двух адиабатных процессов, выполняемых с рабочим телом. 
Круговой цикл, включающий в себя две изотермы и две адиабаты, соответствует максимальному КПД.
Французский инженер Сади Карно в 1824 г. вывел формулу максимального КПД идеального теплового двигателя, где рабочее тело - это идеальный газ, цикл которого состоял из двух изотерм и двух адиабат, т. е. цикл Карно. Цикл Карно - реальный рабочий цикл теплового двигателя, свершающего работу за счет теплоты, подводимой рабочему телу в изотермическом процессе.
Формула КПД цикла Карно, т. е. максимального КПД теплового двигателя имеет вид: 
, где T1 - абсолютная температура нагревателя, Т2 - абсолютная температура холодильника.
Тепловые двигатели - это конструкции, в которых тепловая энергия превращается в механическую.
Тепловые двигатели многообразны как по конструкции, так и по назначению. К ним относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели.
Однако, несмотря на многообразие, в принципе действия различных тепловых двигателей есть общие черты. Основные компоненты каждого теплового двигателя:
- нагреватель;
- рабочее тело;
- холодильник.
Нагреватель выделяет тепловую энергию, при этом нагревает рабочее тело, которое находится в рабочей камере двигателя. Рабочим телом может быть пар или газ.
Приняв количество теплоты, газ расширяется, т.к. его давление больше внешнего давления, и двигает поршень, производя положительную работу. При этом его давление падает, а объем увеличивается.
Если сжимать газ, проходя те же состояния, но в обратном направлении, то совершим ту же по абсолютному значению, но отрицательную работу. В итоге вся работа за цикл будет равна нулю.
Для того чтобы работа теплового двигателя была отлична от нуля, работа сжатия газа должна быть меньше работы расширения.
Чтобы работа сжатия стала меньше работы расширения, необходимо, чтобы процесс сжатия проходил при меньшей температуре, для этого рабочее тело нужно охладить, поэтому в конструкцию теплового двигателя входит холодильник. Холодильнику рабочее тело отдает при соприкосновении с ним количество теплоты.
