Qual è il coefficiente di utilità? Motore termico

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  Matematicamente, la definizione di efficienza può essere scritta come:

  η = UN Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q)),)

  Dove UN- lavoro utile (energia), e Q- energia spesa.

  Se l'efficienza è espressa in percentuale, viene calcolata con la formula:

  η = UN Q × 100% (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\times 100\%) ε X = Q X / A (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X) )=Q_(\mathrm (X) )/A),

  Dove Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- calore prelevato dall'estremità fredda (nelle macchine frigorifere, capacità di raffreddamento); A (\displaystyle A)

  Il termine utilizzato per le pompe di calore è rapporto di trasformazione

  ε Γ = Q Γ / A (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=Q_(\Gamma )/A),

  Dove QΓ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- calore di condensazione trasferito al liquido di raffreddamento; A (\displaystyle A)- il lavoro (o l'elettricità) speso per questo processo.

  Nell'auto perfetta Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), da qui all'auto ideale ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)

  Il ciclo inverso di Carnot ha i migliori indicatori di prestazione per le macchine di refrigerazione: ha un coefficiente di prestazione

  ε = T X T Γ − T X (\displaystyle \varepsilon =(T_(\mathrm (X) ) \over (T_(\Gamma )-T_(\mathrm (X)))), perché, oltre all'energia presa in considerazione UN(ad esempio elettrico), in calore Q C'è anche energia prelevata dalla fonte fredda.

  L’efficienza, per definizione, è il rapporto tra l’energia ricevuta e l’energia spesa. Se un motore brucia benzina e solo un terzo del calore risultante viene convertito in energia di propulsione del veicolo, l'efficienza è pari a un terzo o (arrotondato all'intero più vicino) al 33%. Se una lampadina produce energia luminosa cinquanta volte meno dell'energia elettrica consumata, la sua efficienza è 1/50 o 2%. Ma sorge subito la domanda: cosa succede se la lampadina viene venduta come riscaldatore a infrarossi? Dopo che la vendita delle lampade a incandescenza fu vietata, apparecchi esattamente identici nel design iniziarono a essere venduti come " riscaldatori a infrarossi", poiché oltre il 95% dell'elettricità viene convertita in calore.

  Calore (in)utile

  In genere, il calore generato durante il funzionamento di qualcosa viene registrato come perdite. Ma questo è tutt’altro che certo. Una centrale elettrica, ad esempio, converte circa un terzo del calore rilasciato durante la combustione del gas o del carbone in elettricità, ma un’altra parte dell’energia può essere utilizzata per riscaldare l’acqua. Se nei risultati utili dell'operazione di cogenerazione sono incluse anche la fornitura di acqua calda e le batterie calde, l'efficienza aumenterà del 10-15%.

  Un esempio simile è il “fornello” di un’auto: trasferisce parte del calore generato durante il funzionamento del motore all’interno. Questo calore può essere utile e necessario, oppure può essere considerato una perdita: per questo motivo solitamente non compare nei calcoli del rendimento del motore di un'auto.

  A distinguersi sono dispositivi come pompe di calore. La loro efficienza, se calcolata in base al rapporto tra calore fornito ed elettricità consumata, è superiore al 100%, ma ciò non smentisce le basi della termodinamica. Una pompa di calore pompa il calore da un corpo meno riscaldato a uno più riscaldato e consuma energia su questo, poiché senza dispendio energetico tale ridistribuzione del calore è vietata dalla stessa termodinamica. Se una pompa di calore preleva un kilowatt dalla presa e produce cinque kilowatt di calore, quattro kilowatt verranno prelevati dall'aria, dall'acqua o dal suolo all'esterno della casa. Ambiente nel luogo in cui il dispositivo assorbe calore, si raffredderà e la casa si riscalderà. Ma poi questo calore, insieme all'energia spesa dalla pompa, si dissiperà comunque nello spazio.

  Circuito esterno della pompa di calore: attraverso questi tubi di plastica viene pompato un liquido che preleva il calore dalla colonna d'acqua nell'edificio riscaldato. Mark Johnson/Wikimedia

  Molto o efficace?

  Alcuni dispositivi hanno un'efficienza molto elevata, ma allo stesso tempo una potenza inadeguata.

  I motori elettrici sono tanto più efficienti quanto più sono grandi, ma inserire il motore di una locomotiva elettrica in un giocattolo per bambini è fisicamente impossibile ed economicamente inutile. Pertanto, l'efficienza dei motori in una locomotiva supera il 95% e in una piccola automobile radiocomandata - al massimo l'80%. Inoltre, nel caso di un motore elettrico, la sua efficienza dipende anche dal carico: un motore sottocarico o sovraccarico funziona con minore efficienza. Selezione corretta un'attrezzatura può significare anche di più che semplicemente scegliere un dispositivo con la massima efficienza dichiarata.

  

  La più potente locomotiva di serie, la svedese IORE. Il secondo posto è occupato dalla locomotiva elettrica sovietica VL-85. Kabelleger/Wikimedia

  Se i motori elettrici vengono prodotti per una varietà di scopi, dai vibratori nei telefoni alle locomotive elettriche, allora il motore a ioni ha una nicchia molto più piccola. I motori a ioni sono efficienti, economici, durevoli (funzionano senza spegnersi per anni), ma si accendono solo nel vuoto e forniscono pochissima spinta. Sono ideali per l'invio a spazio profondo veicoli scientifici che possono volare verso un obiettivo per diversi anni e per i quali risparmiare carburante è più importante che spendere tempo.

  I motori elettrici, tra l’altro, consumano quasi la metà di tutta l’elettricità generata dall’umanità, quindi anche una differenza di un centesimo di punto percentuale su scala globale potrebbe significare la necessità di costruirne un altro. reattore nucleare o un'altra unità di potenza di una centrale termica.

  Efficace o economico?

  L’efficienza energetica non è sempre identica all’efficienza economica. Un buon esempio- Lampade a LED, che fino a poco tempo fa erano inferiori alle lampade a incandescenza e alle lampade fluorescenti “a risparmio energetico”. La complessità della produzione dei LED bianchi, l'alto costo delle materie prime e, d'altra parte, la semplicità di una lampada a incandescenza hanno costretto alla scelta di sorgenti luminose meno efficienti, ma più economiche.

  A proposito, per l'invenzione del LED blu, senza il quale sarebbe stato impossibile realizzare una lampada bianca brillante, i ricercatori giapponesi hanno ricevuto nel 2014 Premio Nobel. Non è la prima volta che il premio viene assegnato per i contributi allo sviluppo dell'illuminazione: nel 1912 il premio fu assegnato a Nils Dahlen, l'inventore che migliorò le torce ad acetilene per i fari.

  

  I LED blu sono necessari per produrre luce bianca in combinazione con rosso e verde. Si è appreso molto prima che questi due colori venivano prodotti in LED sufficientemente luminosi; blu per molto tempoè rimasto troppo noioso e costoso per un uso di massa

  Un altro esempio di dispositivi efficienti ma molto costosi sono le celle solari a base di arseniuro di gallio (un semiconduttore con la formula GaAs). La loro efficienza raggiunge quasi il 30%, ovvero da una volta e mezzo a due volte superiore rispetto alle batterie utilizzate sulla Terra basate sul silicio molto più comune. L’elevata efficienza ripaga solo nello spazio, dove trasportare un chilogrammo di carico può costare quasi quanto un chilogrammo d’oro. Quindi il risparmio sul peso della batteria sarà giustificato.

  L’efficienza delle linee elettriche può essere aumentata sostituendo il rame con l’argento, più conduttivo, ma i cavi d’argento sono troppo costosi e quindi vengono utilizzati solo in casi isolati. Ma all’idea di costruire linee elettriche superconduttrici con terre rare ceramiche che sono costose e richiedono il raffreddamento con azoto liquido in ultimi anni applicato più volte nella pratica. In particolare, un cavo di questo tipo è già stato posato e collegato nella città tedesca di Essen. È progettato per 40 megawatt di energia elettrica con una tensione di dieci kilovolt. Oltre al fatto che le perdite di riscaldamento sono ridotte a zero (tuttavia, in cambio è necessario alimentare gli impianti criogenici), tale cavo è molto più compatto del solito e grazie a ciò è possibile risparmiare sull'acquisto di costosi terreni nel centro città o rifiutarsi di costruire ulteriori tunnel.

  Non secondo le regole generali

  Da corso scolastico molti ricordano che l'efficienza non può superare il 100% e che maggiore è la più differenza temperature tra il frigorifero e il riscaldatore. Questo però vale solo per le cosiddette macchine termiche: macchina a vapore, motore combustione interna, reattivo e motori a razzo, turbine a gas e a vapore.

  I motori elettrici e tutti gli apparecchi elettrici non rispettano questa regola, poiché non sono motori termici. Per loro l'unica cosa vera è che l'efficienza non può superare il cento per cento e le limitazioni particolari vengono determinate in ogni caso in modo diverso.

  Nel caso di una batteria solare, le perdite sono determinate sia da effetti quantistici durante l'assorbimento dei fotoni, sia da perdite dovute alla riflessione della luce dalla superficie della batteria e all'assorbimento negli specchi focalizzatori. I calcoli hanno dimostrato che per andare oltre il 90% batteria solare in linea di principio non è possibile, ma in pratica sono raggiungibili valori di circa il 60-70%, e anche quelli con una struttura di fotocellule molto complessa.

  Le celle a combustibile hanno un'efficienza eccellente. Questi dispositivi ricevono determinate sostanze che entrano reazione chimica l'uno con l'altro e dare corrente elettrica. Questo processo, ancora una volta, non è il ciclo di un motore termico, quindi l'efficienza è piuttosto elevata, circa il 60%, mentre il diesel o motore a benzina di solito non vanno oltre il 50%.

  Erano gli elementi combustibili che venivano usati su coloro che volavano sulla Luna astronavi Apollo, e possono funzionare con idrogeno e ossigeno, per esempio. Il loro unico inconveniente è che l’idrogeno deve essere abbastanza puro e, inoltre, deve essere immagazzinato da qualche parte e in qualche modo trasferito dall’impianto ai consumatori. Le tecnologie che consentono di sostituire il normale metano con l'idrogeno non sono ancora state utilizzate su larga scala. Solo le auto sperimentali e alcuni sottomarini funzionano a idrogeno e celle a combustibile.

  

  Motori al plasma della serie SPD. Sono realizzati da OKB Fakel e vengono utilizzati per mantenere i satelliti in una determinata orbita. La spinta viene creata a causa del flusso di ioni che si formano dopo la ionizzazione di un gas inerte mediante una scarica elettrica. L'efficienza di questi motori raggiunge il 60%.

  Ionico e motori al plasma esistono già, ma funzionano anche solo nel vuoto. Inoltre, la loro spinta è troppo bassa ed è di ordini di grandezza inferiore al peso del dispositivo stesso: non decollerebbero dalla Terra anche in assenza di atmosfera. Ma durante i voli interplanetari che durano molti mesi e persino anni, la debole spinta è compensata da efficienza e affidabilità.

  Coefficiente azione utile(efficienza) è un termine che può essere applicato, forse, a ogni sistema e dispositivo. Anche una persona ha un fattore di efficienza, anche se probabilmente non esiste ancora una formula oggettiva per trovarlo. In questo articolo spiegheremo in dettaglio cos'è l'efficienza e come può essere calcolata per vari sistemi.

  Definizione di efficienza

  L'efficienza è un indicatore che caratterizza l'efficacia di un sistema in termini di produzione o conversione di energia. L'efficienza è una quantità incommensurabile e non è rappresentata valore numerico nell'intervallo da 0 a 1 o in percentuale.

  Formula generale

  L'efficienza è indicata dal simbolo Ƞ.

  La formula matematica generale per trovare l'efficienza è scritta come segue:

  Ƞ=A/Q, dove A è l'energia/lavoro utile svolto dal sistema e Q è l'energia consumata da questo sistema per organizzare il processo volto a ottenere un output utile.

  Il fattore di efficienza, purtroppo, è sempre inferiore o uguale all'unità, poiché, secondo la legge di conservazione dell'energia, non possiamo ottenere più lavoro dell'energia spesa. Inoltre, l'efficienza, infatti, è estremamente raramente uguale all'unità, poiché il lavoro utile è sempre accompagnato da perdite, ad esempio, per il riscaldamento del meccanismo.

  Efficienza del motore termico

  Un motore termico è un dispositivo che converte energia termica a meccanico. In una macchina termica, il lavoro è determinato dalla differenza tra la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore e la quantità di calore ceduta al frigorifero, e quindi l'efficienza è determinata dalla formula:

  • Ƞ=Qн-Qх/Qн, dove Qн è la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore e Qх è la quantità di calore ceduta al frigorifero.

  Si ritiene che la massima efficienza sia fornita dai motori che funzionano secondo il ciclo di Carnot. In questo caso l’efficienza è determinata dalla formula:

  • Ƞ=T1-T2/T1, dove T1 è la temperatura della sorgente calda, T2 è la temperatura della sorgente fredda.

  Efficienza del motore elettrico

  Un motore elettrico è un dispositivo che converte l'energia elettrica in energia meccanica, quindi l'efficienza in questo caso è il rapporto di efficienza del dispositivo in termini di conversione energia elettrica a meccanico. Formula per trovare l'efficienza motore elettrico assomiglia a questo:

  • Ƞ=P2/P1, dove P1 è l'energia elettrica fornita, P2 è utile potenza meccanica, generato dal motore.

  La potenza elettrica si trova come il prodotto della corrente e della tensione del sistema (P=UI) e la potenza meccanica come il rapporto tra lavoro per unità di tempo (P=A/t)

  Efficienza del trasformatore

  Un trasformatore è un dispositivo che converte la corrente alternata di una tensione in corrente alternata di un'altra tensione mantenendo la frequenza. Inoltre, i trasformatori possono anche convertire la corrente alternata in corrente continua.

  L'efficienza del trasformatore si trova dalla formula:

  • Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), dove P0 è la perdita a vuoto, PL è la perdita a carico, P2 è la potenza attiva fornita al carico, n è il grado relativo di carico.

  Efficienza o non efficienza?

  Vale la pena notare che oltre all'efficienza, ci sono una serie di indicatori che caratterizzano l'efficienza dei processi energetici, e talvolta possiamo imbatterci in descrizioni come - efficienza dell'ordine del 130%, tuttavia in questo caso dobbiamo capirlo il termine non è usato del tutto correttamente e, molto probabilmente, l'autore o il produttore interpreta questa abbreviazione come una caratteristica leggermente diversa.

  Ad esempio, le pompe di calore si distinguono per il fatto che possono rilasciare più calore di quanto ne consumano. Pertanto, una macchina di refrigerazione può rimuovere dall'oggetto da raffreddare più calore di quanto è stato speso in energia equivalente per organizzare la rimozione. L'indicatore di efficienza di una macchina di refrigerazione è chiamato coefficiente di refrigerazione, indicato con la lettera Ɛ e determinato dalla formula: Ɛ=Qx/A, dove Qx è il calore rimosso dall'estremità fredda, A è il lavoro impiegato nel processo di rimozione . Tuttavia, a volte il coefficiente di refrigerazione è anche chiamato efficienza della macchina frigorifera.

  È anche interessante notare l'efficienza delle caldaie in funzione combustibile organico, viene solitamente calcolato in base al potere calorifico inferiore, ma può essere maggiore dell'unità. Tuttavia, è ancora tradizionalmente chiamata efficienza. È possibile determinare l'efficienza di una caldaia dal potere calorifico più elevato, e quindi sarà sempre inferiore all'unità, ma in questo caso sarà scomodo confrontare le prestazioni delle caldaie con i dati di altri impianti.

  Efficienza (Efficienza) - caratteristica dell'efficienza di un sistema (dispositivo, macchina) in relazione alla conversione o trasmissione di energia. Determinato dal rapporto tra l'energia utilmente utilizzata e la quantità totale di energia ricevuta dal sistema; solitamente indicato con η (“questo”). η = Wpol/Wcym. L’efficienza è una quantità adimensionale e viene spesso misurata in percentuale. Matematicamente, la definizione di efficienza può essere scritta come:

  X 100%,

  Dove UN- lavoro utile e Q- energia spesa.

  Per la legge di conservazione dell'energia, l'efficienza è sempre inferiore o uguale all'unità, cioè è impossibile ottenere più lavoro utile dell'energia spesa.

  Efficienza del motore termico- atteggiamento del perfetto lavoro utile motore, all'energia ricevuta dal riscaldatore. Efficienza motore termico può essere calcolato utilizzando la seguente formula

  ,

  dove è la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore, è la quantità di calore ceduta al frigorifero. Massima efficienza tra le macchine cicliche che funzionano a determinate temperature della sorgente calda T 1 e freddo T 2, hanno motori termici funzionanti secondo il ciclo di Carnot; questa efficienza marginale è uguale a

  .

  Non tutti gli indicatori che caratterizzano l'efficienza dei processi energetici corrispondono alla descrizione di cui sopra. Anche se vengono tradizionalmente o erroneamente chiamati "efficienza", possono avere altre proprietà, in particolare superiori al 100%.

  Efficienza della caldaia

  Articolo principale: Bilancio termico della caldaia

  Il rendimento delle caldaie a combustibile fossile viene tradizionalmente calcolato in base al potere calorifico inferiore; si presuppone che l'umidità dei prodotti della combustione esca dalla caldaia sotto forma di vapore surriscaldato. IN caldaie a condensazione questa umidità si condensa, il calore di condensazione viene utilmente utilizzato. Quando si calcola l'efficienza in base al potere calorifico inferiore, potrebbe risultare maggiore di uno. In questo caso sarebbe più corretto calcolarlo in base al potere calorifico più elevato, che tiene conto del calore di condensazione del vapore; tuttavia, le prestazioni di una tale caldaia sono difficili da confrontare con i dati di altri impianti.

  Pompe di calore e refrigeratori

  Il vantaggio delle pompe di calore come apparecchi di riscaldamento è la capacità di ricevere talvolta più calore dell'energia consumata per il loro funzionamento; allo stesso modo, una macchina di refrigerazione può rimuovere più calore dall'estremità raffreddata di quanto ne viene speso per organizzare il processo.

  L'efficienza di tali motori termici è caratterizzata da coefficiente di prestazione(per macchine frigorifere) o rapporto di trasformazione(per pompe di calore)

  ,

  dov'è il calore prelevato dall'estremità fredda (nelle macchine frigorifere) o trasferito all'estremità calda (nelle pompe di calore); - il lavoro (o l'elettricità) speso per questo processo. Il ciclo inverso di Carnot ha i migliori indicatori di prestazione per tali macchine: ha un coefficiente di prestazione

  ,

  dove , sono le temperature delle estremità calde e fredde, . Questo valore, ovviamente, può essere arbitrariamente grande; Sebbene sia difficile da avvicinare praticamente, il coefficiente di prestazione può comunque superare l'unità. Ciò non contraddice la prima legge della termodinamica, poiché, oltre all'energia, viene presa in considerazione UN(ad esempio elettrico), per riscaldare Q C'è anche energia prelevata dalla fonte fredda.

  Letteratura

  • Peryškin A.V. Fisica. 8° grado. - Otarda, 2005. - 191 pag. - 50.000 copie.

  - ISBN 5-7107-9459-7.

  
  

  Note

  Fondazione Wikimedia.:

  2010.

  Sinonimi Scopri cos'è il "fattore di efficienza" in altri dizionari: efficienza

  - Rapporto tra potenza fornita e potenza attiva consumata. [OST 45.55 99] fattore di efficienza Efficienza Un valore che caratterizza la perfezione dei processi di trasformazione, trasformazione o trasferimento di energia, che è il rapporto tra utile ... ...

  Guida del traduttore tecnico Oppure il coefficiente di rendimento (efficienza) è una caratteristica della qualità di funzionamento di qualsiasi macchina o apparato in termini di efficienza. Per Efficienza si intende il rapporto tra la quantità di lavoro ricevuta da una macchina o di energia dall'apparato e la quantità ... ... Dizionario Marino

  - (efficienza), indicatore dell'efficienza di un meccanismo, definita come il rapporto tra il lavoro svolto dal meccanismo e il lavoro speso per il suo funzionamento. Efficienza solitamente espresso in percentuale. Un meccanismo ideale avrebbe efficienza =... ...

  Dizionario enciclopedico scientifico e tecnico Enciclopedia moderna - (efficienza) caratteristica dell'efficienza di un sistema (dispositivo, macchina) in relazione alla conversione dell'energia; è determinato dal rapporto tra l'energia utilmente utilizzata (convertita in lavoro durante un processo ciclico) e la quantità totale di energia,... ...

  Grande Dizionario enciclopedico

  - (efficienza) rapporto dell'energia utilmente utilizzata W p, ad esempio. sotto forma di lavoro, alla quantità totale di energia W ricevuta dal sistema (macchina o motore), W p/W. A causa delle inevitabili perdite di energia dovute all'attrito e ad altri processi di non equilibrio per i sistemi reali... ... Dizionario enciclopedico

  Il rapporto tra il lavoro utile speso o l'energia ricevuta e tutto il lavoro speso o, rispettivamente, l'energia consumata. Ad esempio, l'efficienza di un motore elettrico è il rapporto tra meccanico. la potenza che cede all'elettricità che gli viene fornita. energia; A.… … Dizionario tecnico ferroviario

  Sostantivo, numero di sinonimi: 8 efficienza (4) rendimento (27) fecondità (10) ... Dizionario dei sinonimi

  Efficienza- è una quantità che caratterizza la perfezione di qualsiasi sistema in relazione a qualsiasi processo di trasformazione o trasferimento di energia che avviene in esso, definita come il rapporto tra il lavoro utile e il lavoro speso per l'attuazione.... ... Enciclopedia dei termini, definizioni e spiegazioni dei materiali da costruzione

  Efficienza- (efficienza), una caratteristica numerica dell'efficienza energetica di qualsiasi dispositivo o macchina (compreso un motore termico). L’efficienza è determinata dal rapporto tra l’energia utilmente utilizzata (cioè convertita in lavoro) e la quantità totale di energia... ... Dizionario enciclopedico illustrato

  Il lavoro compiuto dal motore è:

  Questo processo fu considerato per la prima volta dall’ingegnere e scienziato francese N. L. S. Carnot nel 1824 nel libro “Riflessioni sulla forza motrice fuoco e sulle macchine capaci di sviluppare questa forza."

  L'obiettivo della ricerca di Carnot era scoprire le ragioni dell'imperfezione dei motori termici dell'epoca (avevano un'efficienza ≤ 5%) e trovare modi per migliorarli.

  Il ciclo di Carnot è il più efficiente di tutti. La sua efficienza è massima.

  

  La figura mostra i processi termodinamici del ciclo. Durante l'espansione isotermica (1-2) a temperatura T 1 , il lavoro viene svolto a causa del cambiamento energia interna riscaldatore, cioè dovuto alla fornitura di calore al gas Q:

  UN 12 = Q 1 ,

  Il raffreddamento del gas prima della compressione (3-4) avviene durante l'espansione adiabatica (2-3). Cambiamento di energia interna ∆U 23 durante una trasformazione adiabatica ( Q = 0) viene completamente convertito in lavoro meccanico:

  UN 23 = -ΔU 23 ,

  La temperatura del gas a seguito dell'espansione adiabatica (2-3) scende alla temperatura del frigorifero T 2 < T 1 . Nel processo (3-4), il gas viene compresso isotermicamente, trasferendo la quantità di calore al frigorifero Domanda 2:

  A34 = Q2,

  Il ciclo termina con il processo di compressione adiabatica (4-1), in cui il gas viene riscaldato ad una certa temperatura T1.

  Il valore massimo di efficienza dei motori termici funzionanti a gas ideale, secondo il ciclo di Carnot:

  .

  L'essenza della formula è espressa nel provato CON. Teorema di Carnot secondo cui l'efficienza di qualsiasi motore termico non può superare l'efficienza di un ciclo di Carnot effettuato alla stessa temperatura del riscaldatore e del frigorifero.