Cos'è l'efficienza nella formula fisica. Il tema dell’efficienza e del consumo di carburante

Non una singola azione eseguita avviene senza perdite: esistono sempre. Il risultato ottenuto è sempre inferiore allo sforzo necessario per raggiungerlo. Il coefficiente indica quanto sono grandi le perdite durante l'esecuzione del lavoro. azione utile(efficienza).

Cosa si nasconde dietro questa sigla? In sostanza, questo è il coefficiente di efficienza del meccanismo o indicatore uso razionale energia. Il valore dell'efficienza non ha unità di misura; è espresso in percentuale. Questo coefficiente è determinato come il rapporto tra il lavoro utile del dispositivo e il lavoro impiegato per il suo funzionamento. Per calcolare l'efficienza, la formula di calcolo sarà simile alla seguente:

Efficienza =100* (lavoro utile svolto/lavoro speso)

Vari dispositivi utilizzano per calcolare questo rapporto. significati diversi. Per motori elettrici L'efficienza sarà simile al rapporto tra il lavoro utile svolto e l'energia elettrica ricevuta dalla rete. Per sarà definito come il rapporto tra il lavoro utile svolto e la quantità di calore spesa.

Per determinazione dell’efficienzaÈ necessario che ognuno sia diverso e che il lavoro sia espresso nelle stesse unità. Sarà quindi possibile confrontare eventuali oggetti, come generatori di elettricità e oggetti biologici, in termini di efficienza.

Come già notato, a causa delle inevitabili perdite durante il funzionamento dei meccanismi, il fattore di efficienza è sempre inferiore a 1. Pertanto, l'efficienza delle centrali termiche raggiunge il 90%, l'efficienza dei motori a combustione interna è inferiore al 30% e l'efficienza di un trasformatore elettrico è al 98%. Il concetto di efficienza può essere applicato sia al meccanismo nel suo insieme che ai suoi singoli componenti. A valutazione complessiva l'efficienza del meccanismo nel suo complesso (la sua efficienza) è considerata come il prodotto dell'efficienza del singolo componenti questo dispositivo.

Problema utilizzo efficace il carburante non è apparso oggi. Con il continuo aumento del costo delle risorse energetiche, la questione dell'aumento dell'efficienza dei meccanismi si trasforma da una questione puramente teorica a una questione pratica. Se l'efficienza di un'auto normale non supera il 30%, buttiamo semplicemente via il 70% dei soldi spesi per il rifornimento dell'auto.

L'esame dell'efficienza del motore a combustione interna (ICE) mostra che le perdite si verificano in tutte le fasi del suo funzionamento. Pertanto, solo il 75% del carburante in entrata viene bruciato nei cilindri del motore e il 25% viene rilasciato nell'atmosfera. Di tutto il carburante bruciato, solo il 30-35% del calore rilasciato viene utilizzato per svolgere lavori utili; il resto del calore viene perso nei gas di scarico o rimane nel sistema di raffreddamento dell’auto. Dal potere ricevuto a lavoro utile viene utilizzato circa l'80%, il resto della potenza viene spesa per superare le forze di attrito e viene utilizzata meccanismi ausiliari auto.

Anche su questo semplice esempio l'analisi dell'efficienza del meccanismo ci consente di determinare le direzioni in cui dovrebbe essere effettuato il lavoro per ridurre le perdite. Pertanto, una delle aree prioritarie è garantire la completa combustione del carburante. Ciò si ottiene mediante un'ulteriore nebulizzazione del carburante e una maggiore pressione, motivo per cui i motori con iniezione diretta e turbocompressore stanno diventando così popolari. Il calore rimosso dal motore viene utilizzato per riscaldare il carburante per una migliore vaporizzazione e le perdite meccaniche vengono ridotte grazie all'uso di gradi moderni

Qui abbiamo considerato un concetto del genere, come descritto, cos'è e cosa influenza. Utilizzando l'esempio di un motore a combustione interna, viene considerata l'efficienza del suo funzionamento e vengono determinate le direzioni e le modalità per aumentare le capacità di questo dispositivo e, di conseguenza, l'efficienza.

L'efficienza è una caratteristica dell'efficienza operativa di un apparecchio o di una macchina. L'efficienza è definita come il rapporto tra l'energia utile in uscita dal sistema numero totale energia fornita al sistema. L'efficienza è un valore adimensionale ed è spesso determinata in percentuale.

Formula 1: efficienza

Dove- UN lavoro utile

—Q lavoro totale speso

Qualsiasi sistema che svolge un lavoro deve ricevere energia dall'esterno, con l'aiuto della quale il lavoro verrà svolto. Prendiamo, ad esempio, un trasformatore di tensione. L'ingresso è fornito tensione di rete 220 volt, 12 volt vengono rimossi dall'uscita per alimentare, ad esempio, una lampada a incandescenza. Quindi il trasformatore converte l'energia in ingresso nel valore richiesto al quale funzionerà la lampada.

Ma non tutta l'energia prelevata dalla rete raggiungerà la lampada, poiché ci sono perdite nel trasformatore. Ad esempio, la perdita di energia magnetica nel nucleo di un trasformatore. Oppure perdite nella resistenza attiva degli avvolgimenti. Dove energia elettrica si trasformerà in calore prima di raggiungere il consumatore. Questa energia termica è inutile in questo sistema.

Poiché le perdite di potenza non possono essere evitate in nessun sistema, l'efficienza è sempre inferiore all'unità.

L'efficienza può essere considerata per l'intero sistema, costituito da molte singole parti. Quindi, determina l'efficienza per ciascuna parte separatamente, quindi sarà l'efficienza totale uguale al prodotto coefficienti di efficienza di tutti i suoi elementi.

In conclusione, possiamo dire che l'efficienza determina il livello di perfezione di qualsiasi dispositivo nel senso di trasmettere o convertire energia. Indica anche quanta energia fornita al sistema viene spesa in lavoro utile.

Come è noto, su al momento non sono ancora stati creati meccanismi che convertano completamente un tipo di energia in un altro. Durante il funzionamento, qualsiasi dispositivo creato dall'uomo spende parte dell'energia per resistere alle forze o la spreca invano. ambiente. La stessa cosa accade in un circuito elettrico chiuso. Quando le cariche fluiscono attraverso i conduttori, c'è resistenza totale e carico utile lavoro dell'elettricità. Per confrontare i loro rapporti, dovrai calcolare il coefficiente di prestazione (efficienza).

Perché è necessario calcolare l'efficienza?

L'efficienza di un circuito elettrico è il rapporto tra il calore utile e il calore totale.

Per chiarezza, facciamo un esempio. Determinando l'efficienza di un motore è possibile determinare se la sua funzione operativa primaria giustifica il costo dell'elettricità consumata. Cioè, il suo calcolo fornirà un quadro chiaro di quanto bene il dispositivo converte l'energia ricevuta.

Fai attenzione! Di norma l’efficienza non ha un valore, ma è una percentuale o un equivalente numerico da 0 a 1.

L'efficienza si trova da formula generale calcoli per tutti i dispositivi in ​​generale. Ma per ottenere il risultato in un circuito elettrico, devi prima trovare la forza dell'elettricità.

Trovare la corrente in un circuito completo

È noto dalla fisica che ogni generatore di corrente ha una propria resistenza, chiamata anche potenza interna. Oltre a questo significato, la fonte di elettricità ha anche una propria potenza.

Diamo valori ad ogni elemento della catena:

• resistenza – r;
• forza attuale – E;

Quindi, per trovare l'intensità della corrente, la cui designazione sarà I, e la tensione ai capi del resistore - U, ci vorrà del tempo - t, con il passaggio della carica q = lt.

A causa del fatto che la potenza dell'elettricità è costante, il lavoro del generatore viene interamente convertito in calore rilasciato a R e r. Questo importo può essere calcolato utilizzando la legge Joule-Lenz:

Q = I2 + I2 rt = I2 (R + r) t.

Quindi i lati destri della formula vengono equiparati:

EIt = I2 (R + r) t.

Effettuata la riduzione si ottiene il calcolo:

Riorganizzando la formula, il risultato è:

Questo valore finale sarà la forza elettrica in questo dispositivo.

Dopo aver effettuato in questo modo un calcolo preliminare, è ora possibile determinare l'efficienza.

Calcolo del rendimento del circuito elettrico

Viene chiamata la potenza ricevuta dalla fonte attuale consumata, la sua definizione è scritta - P1. Se questo quantità fisica passa dal generatore al circuito completo, è considerato utile e viene annotato - P2.

Per determinare l'efficienza di un circuito è necessario richiamare la legge di conservazione dell'energia. In base ad esso, la potenza del ricevitore P2 sarà sempre inferiore al consumo energetico di P1. Ciò è spiegato dal fatto che durante il funzionamento nel ricevitore si verifica sempre un inevitabile spreco di energia convertita, che viene spesa per riscaldare i fili, la loro guaina, le correnti parassite, ecc.

Per trovare una valutazione delle proprietà di conversione dell'energia, è necessaria un'efficienza, che sarà pari al rapporto tra le potenze P2 e P1.

Quindi, conoscendo tutti i valori degli indicatori che compongono il circuito elettrico, troviamo il suo funzionamento utile e completo:

• E utile. = qU = IUt =I2Rt;
• E totale = qE = IEt = I2(R+r)t.

In base a questi valori, troviamo la potenza della fonte attuale:

• P2 = A utile /t = IU = I2 R;
• P1 = A totale /t = IE = I2 (R + r).

Dopo aver eseguito tutti i passaggi, otteniamo la formula del rendimento:

n = A utile / A totale = P2 / P1 =U / E = R / (R +r).

Questa formula risulta che R è superiore all'infinito e n è superiore a 1, ma con tutto ciò la corrente nel circuito rimane in una posizione bassa e la sua potenza utile è piccola.

Tutti vogliono trovare una maggiore efficienza. Per fare ciò è necessario trovare le condizioni in cui P2 sarà massimo. I valori ottimali saranno:

• P2 = I2 R = (E / R + r)2 R;
• dP2 / dR = (E2 (R + r)2 - 2 (r + R) E2 R) / (R + r)4 = 0;
• E2 ((R + r) -2R) = 0.

In questa espressione, E e (R + r) non sono uguali a 0, quindi l'espressione tra parentesi è uguale ad esso, cioè (r = R). Quindi risulta che la potenza ha un valore massimo e l'efficienza = 50%.

È noto che l'energia elettrica viene trasmessa su lunghe distanze a tensioni superiori al livello utilizzato dai consumatori. L'uso di trasformatori è necessario per convertire le tensioni ai valori richiesti, aumentare la qualità del processo di trasmissione dell'elettricità e anche ridurre le perdite risultanti.

Descrizione e principio di funzionamento del trasformatore

Un trasformatore è un dispositivo utilizzato per abbassare o aumentare la tensione, modificare il numero di fasi e, in rari casi, modificare la frequenza della corrente alternata.

Esistono i seguenti tipi di dispositivi:

• energia;
• misurazione;
• bassa potenza;
• impulso;
• trasformatori di picco.

Un dispositivo statico è costituito dai seguenti elementi strutturali principali: due (o più) avvolgimenti e un circuito magnetico, chiamato anche nucleo. Nei trasformatori la tensione viene fornita all'avvolgimento primario e rimossa dal secondario in forma convertita. Gli avvolgimenti sono collegati induttivamente, attraverso campo magnetico nel nucleo.

Insieme agli altri convertitori, i trasformatori hanno un fattore di efficienza (abbreviato come Efficienza), Con simbolo. Questo coefficiente rappresenta il rapporto tra l'energia effettivamente utilizzata e l'energia consumata dal sistema. Può anche essere espresso come il rapporto tra la potenza consumata dal carico e la potenza consumata dal dispositivo dalla rete. L'efficienza è uno dei parametri primari che caratterizzano l'efficienza del lavoro svolto da un trasformatore.

Tipi di perdite in un trasformatore

Il processo di trasferimento dell'elettricità dall'avvolgimento primario a quello secondario è accompagnato da perdite. Per questo motivo non tutta l’energia viene trasferita, ma la maggior parte.

Il design del dispositivo non prevede parti rotanti, a differenza di altre macchine elettriche. Ciò spiega l'assenza di perdite meccaniche in esso.

Pertanto, il dispositivo contiene le seguenti perdite:

• elettrici, in avvolgimenti di rame;
• magnetico, con anima in acciaio.

Diagramma energetico e legge di conservazione dell'energia

Il principio di funzionamento del dispositivo può essere presentato schematicamente sotto forma di diagramma energetico, come mostrato nell'immagine 1. Il diagramma riflette il processo di trasferimento di energia, durante il quale vengono generate perdite elettriche e magnetiche .

Secondo il diagramma, la formula per determinare la potenza effettiva P 2 è la seguente:

P2 =P1 -ΔP el1 -ΔP el2 -ΔP m (1)

dove P 2 è utile e P 1 è la potenza consumata dal dispositivo dalla rete.

Indicando le perdite totali ΔP, la legge di conservazione dell'energia sarà simile a: P 1 = ΔP+P 2 (2)

Da questa formula è chiaro che P 1 viene speso per P 2, nonché per le perdite totali ΔP. Pertanto, l'efficienza del trasformatore si ottiene sotto forma di rapporto tra la potenza fornita (utile) e la potenza consumata (rapporto tra P 2 e P 1).

Determinazione dell'efficienza

Con la precisione richiesta per il calcolo del dispositivo, i valori di efficienza precedentemente ricavati possono essere presi dalla Tabella n. 1:

Come mostrato nella tabella, il valore del parametro dipende direttamente dalla potenza totale.

Determinazione dell'efficienza mediante misurazioni dirette

La formula per il calcolo dell'efficienza può essere presentata in diverse versioni:

Questa espressione riflette chiaramente che il valore di efficienza del trasformatore non è superiore a uno e non è nemmeno uguale ad esso.

La seguente espressione determina il valore della potenza netta:

P2 =U2 *J2 *cosφ2 , (4)

dove U 2 e J 2 sono la tensione e la corrente secondarie del carico e cosφ 2 è il fattore di potenza, il cui valore dipende dal tipo di carico.

Poiché P 1 =ΔP+P 2, la formula (3) assume la seguente forma:

Le perdite elettriche dell'avvolgimento primario ΔP el1n dipendono dal quadrato della corrente che vi scorre. Pertanto andrebbero definiti in questo modo:

(6)

A sua volta:

(7)

dove r mp è la resistenza attiva dell'avvolgimento.

Poiché il funzionamento di un dispositivo elettromagnetico non è limitato alla modalità nominale, la determinazione del grado di carico di corrente richiede l'uso di un fattore di carico pari a:

β=J2 /J2н, (8)

dove J 2n è la corrente nominale dell'avvolgimento secondario.

Da qui scriviamo le espressioni per determinare la corrente dell'avvolgimento secondario:

J2 =β*J2n (9)

Se sostituiamo questa uguaglianza nella formula (5), otteniamo la seguente espressione:

Si noti che la determinazione del valore di efficienza utilizzando l'ultima espressione è consigliata da GOST.

Riassumendo le informazioni presentate, notiamo che l'efficienza di un trasformatore può essere determinata dai valori di potenza degli avvolgimenti primari e secondari del dispositivo in modalità nominale.

Determinazione dell'efficienza mediante metodo indiretto

A causa degli elevati valori di efficienza, che possono essere pari o superiori al 96%, nonché della natura antieconomica del metodo di misurazione diretta, non è possibile calcolare il parametro con un elevato grado di precisione. Pertanto, la sua determinazione viene solitamente effettuata con un metodo indiretto.

Riassumendo tutte le espressioni ottenute, otteniamo la seguente formula per il calcolo dell'efficienza:

η=(P 2 /P 1)+ΔP m +ΔP el1 +ΔP el2, (11)

In sintesi, va notato che un indicatore di alta efficienza indica il funzionamento efficiente del dispositivo elettromagnetico. Le perdite negli avvolgimenti e nell'acciaio del nucleo, secondo GOST, sono determinate dall'esperienza o dal cortocircuito e le misure volte a ridurle contribuiranno a raggiungere i massimi valori di efficienza possibili, che è ciò a cui dobbiamo tendere.

Fattore di efficienza (efficienza)è una caratteristica della prestazione del sistema in relazione alla conversione o trasferimento di energia, che è determinata dal rapporto tra l'energia utile utilizzata e l'energia totale ricevuta dal sistema.

Efficienza- una quantità adimensionale, solitamente espressa in percentuale:

Fattore di efficienza (efficienza) motore termicoè determinato dalla formula: , dove A = Q1Q2. Il rendimento di un motore termico è sempre inferiore a 1.

Ciclo di Carnotè un processo circolare reversibile del gas, che consiste nel fare in modo sequenziale due processi isotermici e due adiabatici eseguiti con il fluido di lavoro.

Un ciclo circolare, che comprende due isoterme e due adiabat, corrisponde alla massima efficienza.

L'ingegnere francese Sadi Carnot nel 1824 derivò la formula per la massima efficienza di un motore termico ideale, dove il fluido di lavoro è gas ideale, il cui ciclo consisteva di due isoterme e due adiabati, cioè il ciclo di Carnot. Il ciclo di Carnot è il vero e proprio ciclo di lavoro di una macchina termica che compie lavoro grazie al calore fornito al fluido di lavoro in una trasformazione isotermica.

La formula per il rendimento del ciclo di Carnot, cioè il rendimento massimo di un motore termico, ha la forma: , dove T1 - temperatura assoluta riscaldatore, T2 - temperatura assoluta del frigorifero.

Motori termici- si tratta di strutture in cui l'energia termica viene convertita in energia meccanica.

I motori termici sono diversi sia nel design che nello scopo. Questi includono motori a vapore, turbine a vapore, motori a combustione interna e motori a reazione.

Tuttavia, nonostante la diversità, in linea di principio il funzionamento di vari motori termici lo è caratteristiche comuni. I componenti principali di ogni motore termico sono:

• stufa;
• fluido di lavoro;
• frigo.

Il riscaldatore emette energia termica, riscaldando il fluido di lavoro, che si trova nella camera di lavoro del motore. Il fluido di lavoro può essere vapore o gas.

Avendo accettato la quantità di calore, il gas si espande, perché la sua pressione è maggiore della pressione esterna e muove il pistone producendo lavoro positivo. Allo stesso tempo, la sua pressione diminuisce e il suo volume aumenta.

Se comprimiamo il gas, attraversando gli stessi stati, ma nella direzione opposta, faremo lo stesso valore assoluto, ma lavoro negativo. Di conseguenza, tutto il lavoro per ciclo sarà zero.

Affinché il lavoro di una macchina termica sia diverso da zero, il lavoro di compressione del gas deve essere inferiore al lavoro di espansione.

Affinché il lavoro di compressione diventi inferiore al lavoro di espansione, è necessario che il processo di compressione avvenga a una temperatura inferiore; per questo il fluido di lavoro deve essere raffreddato, motivo per cui la progettazione del motore termico prevede un frigorifero. Il fluido di lavoro trasferisce calore al frigorifero quando entra in contatto con esso.