Hva er effektivitet i fysikk formel. Temaet effektivitet og drivstoffeffektivitet

Ikke en eneste utført handling skjer uten tap - de eksisterer alltid. Resultatet som oppnås er alltid mindre enn innsatsen som må brukes for å oppnå det. Koeffisienten angir hvor store tapene er ved utførelse av arbeid. nyttig handling(effektivitet).

Hva skjuler seg bak denne forkortelsen? I hovedsak er dette effektivitetskoeffisienten til mekanismen eller indikatoren rasjonell bruk energi. Effektivitetsverdien har ingen måleenheter den er uttrykt i prosent. Denne koeffisienten bestemmes som forholdet mellom det nyttige arbeidet til enheten og arbeidet brukt på driften. For å beregne effektiviteten vil beregningsformelen se slik ut:

Effektivitet =100* (nyttig arbeid utført/brukt arbeid)

Ulike enheter bruker for å beregne dette forholdet. forskjellige betydninger. Til elektriske motorer Effektivitet vil se ut som forholdet mellom nyttig arbeid utført og elektrisk energi mottatt fra nettverket. For vil bli definert som forholdet mellom det utførte nyttearbeidet og mengden varme som brukes.

Til bestemmelse av effektivitet Det er nødvendig at alle er forskjellige og arbeidet kommer til uttrykk i de samme enhetene. Det vil da være mulig å sammenligne eventuelle objekter, som strømgeneratorer og biologiske objekter, med tanke på effektivitet.

Som allerede nevnt, på grunn av uunngåelige tap under driften av mekanismer, er effektivitetsfaktoren alltid mindre enn 1. Dermed når effektiviteten til termiske stasjoner 90%, effektiviteten til forbrenningsmotorer er mindre enn 30%, og effektiviteten til en elektrisk transformator er 98%. Begrepet effektivitet kan brukes både på mekanismen som helhet og på dens individuelle komponenter. På helhetsvurdering effektiviteten til mekanismen som helhet (dens effektivitet) tas som produktet av effektiviteten til individet komponenter denne enheten.

Problem effektiv bruk drivstoff dukket ikke opp i dag. Med den kontinuerlige økningen i kostnadene for energiressurser, blir spørsmålet om å øke effektiviteten til mekanismer fra et rent teoretisk til et praktisk problem. Hvis effektiviteten til en vanlig bil ikke overstiger 30 %, så kaster vi rett og slett 70 % av pengene våre brukt på å fylle drivstoff på bilen.

Betraktning av effektiviteten til forbrenningsmotoren (ICE) viser at tap oppstår i alle stadier av driften. Dermed forbrennes bare 75 % av det innkommende drivstoffet i motorsylindrene, og 25 % slippes ut i atmosfæren. Av alt det brente drivstoffet brukes bare 30-35% av den frigjorte varmen til å utføre nyttig arbeid; resten av varmen går enten tapt i eksosgassene eller forblir i bilens kjølesystem. Fra den mottatte kraften til nyttig arbeid ca 80 % brukes, resten av kraften brukes på å overvinne friksjonskrefter og brukes hjelpemekanismer bil.

Selv på dette enkelt eksempel analyse av effektiviteten til mekanismen lar oss bestemme retningene som arbeidet skal utføres for å redusere tap. Et av de prioriterte områdene er således å sikre fullstendig forbrenning av drivstoff. Dette oppnås ved ytterligere forstøvning av drivstoff og økt trykk, og det er grunnen til at motorer med direkte innsprøytning og turbolading blir så populære. Varmen som fjernes fra motoren brukes til å varme drivstoffet for bedre fordampning, og mekaniske tap reduseres ved bruk av moderne kvaliteter

Her har vi vurdert et slikt konsept, som beskrevet, hva det er og hva det påvirker. Ved å bruke eksemplet med en forbrenningsmotor vurderes effektiviteten av dens drift, og retninger og måter å øke egenskapene til denne enheten, og følgelig effektivitet, bestemmes.

Effektivitet er en egenskap ved driftseffektiviteten til en enhet eller maskin. Effektivitet er definert som forholdet mellom nyttig energi ved utgangen av systemet til totalt antall energi som tilføres systemet. Effektivitet er en dimensjonsløs verdi og bestemmes ofte som en prosentandel.

Formel 1 - effektivitet

Hvor- EN nyttig arbeid

—Q totalt arbeid som ble brukt

Ethvert system som gjør noe arbeid, må motta energi utenfra, ved hjelp av dette vil arbeidet bli utført. Ta for eksempel en spenningstransformator. Inngangen er levert nettspenning 220 volt, 12 volt fjernes fra utgangen for å drive for eksempel en glødelampe. Så transformatoren konverterer energien ved inngangen til den nødvendige verdien som lampen vil fungere ved.

Men ikke all energien som tas fra nettverket vil nå lampen, siden det er tap i transformatoren. For eksempel tap av magnetisk energi i kjernen av en transformator. Eller tap i den aktive motstanden til viklingene. Hvor Elektrisk energi vil bli til varme før den når forbrukeren. Denne termiske energien er ubrukelig i dette systemet.

Siden strømtap ikke kan unngås i noe system, er effektiviteten alltid under enhet.

Effektivitet kan vurderes for hele systemet, som består av mange enkeltdeler. Så, bestem effektiviteten for hver del separat, da vil den totale effektiviteten være lik produktet effektivitetskoeffisienter for alle dens elementer.

Avslutningsvis kan vi si at effektivitet bestemmer perfeksjonsnivået til enhver enhet i betydningen å overføre eller konvertere energi. Den angir også hvor mye energi som tilføres systemet som brukes på nyttig arbeid.

Som kjent, på dette øyeblikket Det er ennå ikke skapt mekanismer som fullstendig vil konvertere en type energi til en annen. Under drift bruker enhver menneskeskapt enhet en del av energien på å motstå krefter eller sløser den forgjeves. miljø. Det samme skjer i en lukket elektrisk krets. Når ladninger strømmer gjennom ledere, er det total motstand og nyttelast arbeid med elektrisitet. For å sammenligne forholdstallene deres, må du beregne ytelseskoeffisienten (effektivitet).

Hvorfor trenger du å beregne effektivitet?

Effektiviteten til en elektrisk krets er forholdet mellom nyttevarme og totalvarme.

For klarhetens skyld, la oss gi et eksempel. Ved å finne effektiviteten til en motor, er det mulig å bestemme om dens primære driftsfunksjon rettferdiggjør kostnaden for forbrukt elektrisitet. Det vil si at beregningen vil gi et klart bilde av hvor godt enheten konverterer den mottatte energien.

Merk! Effektivitet har som regel ingen verdi, men er en prosentandel eller en numerisk ekvivalent fra 0 til 1.

Effektivitet er funnet av generell formel beregninger for alle enheter generelt. Men for å få resultatet i en elektrisk krets, må du først finne kraften til elektrisitet.

Finne strømmen i en komplett krets

Det er kjent fra fysikken at enhver strømgenerator har sin egen motstand, som også kalles intern kraft. Bortsett fra denne betydningen har elektrisitetskilden også sin egen kraft.

La oss gi verdier til hvert element i kjeden:

• motstand – r;
• strømstyrke – E;

Så for å finne strømstyrken, hvis betegnelse vil være I, og spenningen over motstanden - U, vil det ta tid - t, med passasje av ladning q = lt.

På grunn av det faktum at kraften til elektrisitet er konstant, blir generatorens arbeid fullstendig omdannet til varme frigjort til R og r. Dette beløpet kan beregnes ved å bruke Joule-Lenz-loven:

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

Deretter blir høyresidene av formelen likestilt:

EIt = I2 (R + r) t.

Etter å ha utført reduksjonen, oppnås beregningen:

Ved å omorganisere formelen blir resultatet:

Denne endelige verdien vil være den elektriske kraften i denne enheten.

Etter å ha gjort en foreløpig beregning på denne måten, kan virkningsgraden nå bestemmes.

Beregning av elektrisk krets effektivitet

Strømmen mottatt fra gjeldende kilde kalles forbrukt, dens definisjon er skrevet - P1. Hvis dette fysisk mengde går fra generatoren til hele kretsen, anses det som nyttig og skrives ned - P2.

For å bestemme effektiviteten til en krets, er det nødvendig å huske loven om bevaring av energi. I samsvar med den vil effekten til mottakeren P2 alltid være mindre enn strømforbruket til P1. Dette forklares av det faktum at under drift i mottakeren er det alltid et uunngåelig sløsing med konvertert energi, som brukes på oppvarming av ledningene, deres kappe, virvelstrømmer, etc.

For å finne en vurdering av egenskapene til energikonvertering kreves en virkningsgrad, som vil være lik forholdet mellom potensene P2 og P1.

Så når vi kjenner alle verdiene til indikatorene som utgjør den elektriske kretsen, finner vi dens nyttige og fullstendige drift:

• Og nyttig. = qU = IUt =I2Rt;
• Og totalt = qE = IEt = I2(R+r)t.

I samsvar med disse verdiene finner vi kraften til gjeldende kilde:

• P2 = A nyttig /t = IU = I2R;
• P1 = A total /t = IE = I2 (R + r).

Etter å ha utført alle trinnene, får vi effektivitetsformelen:

n = A nyttig / A total = P2 / P1 =U / E = R / (R +r).

Denne formelen viser seg at R er over uendelig, og n er over 1, men med alt dette forblir strømmen i kretsen i en lav posisjon, og dens nyttige kraft er liten.

Alle ønsker å finne økt effektivitet. For å gjøre dette er det nødvendig å finne forhold under hvilke P2 vil være maksimal. De optimale verdiene vil være:

• P2 = I2R = (E/R + r)2R;
• dP2/dR = (E2 (R + r)2 - 2 (r + R) E2R) / (R + r)4 = 0;
• E2 ((R + r) -2R) = 0.

I dette uttrykket er ikke E og (R + r) lik 0, derfor er uttrykket i parentes lik det, det vil si (r = R). Da viser det seg at effekten har en maksimal verdi, og virkningsgraden = 50 %.

Det er kjent at elektrisk energi overføres over lange avstander ved spenninger som overstiger nivået som brukes av forbrukere. Bruken av transformatorer er nødvendig for å konvertere spenninger til de nødvendige verdiene, øke kvaliteten på elektrisitetsoverføringsprosessen og også redusere de resulterende tapene.

Beskrivelse og prinsipp for drift av transformatoren

En transformator er en enhet som brukes til å senke eller øke spenningen, endre antall faser og, i sjeldne tilfeller, endre frekvensen til vekselstrøm.

Følgende enhetstyper finnes:

• makt;
• måling;
• lite strøm;
• puls;
• topptransformatorer.

En statisk enhet består av følgende hovedstrukturelementer: to (eller flere) viklinger og en magnetisk krets, som også kalles en kjerne. I transformatorer tilføres spenning til primærviklingen og fjernes fra sekundæren i konvertert form. Viklingene er koblet induktivt gjennom magnetfelt i kjernen.

Sammen med andre omformere har transformatorer en effektivitetsfaktor (forkortet som Effektivitet), Med symbol. Denne koeffisienten representerer forholdet mellom energi som brukes effektivt og energi forbrukt fra systemet. Det kan også uttrykkes som forholdet mellom strømmen som forbrukes av lasten og strømmen som forbrukes av enheten fra nettverket. Effektivitet er en av de primære parametrene som karakteriserer effektiviteten til arbeidet som utføres av en transformator.

Typer tap i en transformator

Prosessen med å overføre elektrisitet fra primærviklingen til sekundæren er ledsaget av tap. Av denne grunn overføres ikke all energi, men det meste.

Utformingen av enheten inkluderer ikke roterende deler, i motsetning til andre elektriske maskiner. Dette forklarer fraværet av mekaniske tap i den.

Så enheten inneholder følgende tap:

• elektriske, i kobberviklinger;
• magnetisk, i stålkjerne.

Energidiagram og loven om bevaring av energi

Prinsippet for driften av enheten kan skjematisk presenteres i form av et energidiagram, som vist i bilde 1. Diagrammet gjenspeiler prosessen med energioverføring, der elektriske og magnetiske tap genereres .

I henhold til diagrammet er formelen for å bestemme den effektive effekten P 2 som følger:

P 2 =P 1 -ΔP el1 -ΔP el2 -ΔP m (1)

hvor P 2 er nyttig, og P 1 er strømmen som forbrukes av enheten fra nettverket.

Angir de totale tapene ΔP, vil loven om bevaring av energi se slik ut: P 1 =ΔP+P 2 (2)

Fra denne formelen er det klart at P 1 brukes på P 2, så vel som på de totale tapene ΔP. Derfor oppnås effektiviteten til transformatoren i form av forholdet mellom den tilførte (nyttige) kraften og den forbrukte effekten (forholdet P 2 og P 1).

Bestemmelse av effektivitet

Med den nødvendige nøyaktigheten for å beregne enheten, kan de tidligere utledede effektivitetsverdiene hentes fra tabell nr. 1:

Som vist i tabellen avhenger verdien av parameteren direkte av den totale effekten.

Bestemmelse av effektivitet ved direkte målinger

Formelen for beregning av effektivitet kan presenteres i flere versjoner:

Dette uttrykket reflekterer tydelig at effektivitetsverdien til transformatoren ikke er mer enn én, og heller ikke er lik den.

Følgende uttrykk bestemmer nettoeffektverdien:

P 2 =U 2 *J 2 *cosφ 2 , (4)

hvor U 2 og J 2 er sekundærspenningen og belastningsstrømmen, og cosφ 2 er effektfaktoren, hvis verdi avhenger av typen belastning.

Siden P 1 =ΔP+P 2, antar formel (3) følgende form:

Elektriske tap av primærviklingen ΔP el1n avhenger av kvadratet på strømmen som flyter i den. Derfor bør de defineres slik:

(6)

I sin tur:

(7)

der r mp er den aktive viklingsmotstanden.

Siden driften av en elektromagnetisk enhet ikke er begrenset til den nominelle modusen, krever bestemmelse av graden av strømbelastning bruk av en lastfaktor som er lik:

β=J2/J2n, (8)

hvor J 2n er merkestrømmen til sekundærviklingen.

Herfra skriver vi ned uttrykk for å bestemme sekundærviklingsstrømmen:

J 2 =β*J 2n (9)

Hvis vi erstatter denne likheten med formel (5), får vi følgende uttrykk:

Merk at å bestemme effektivitetsverdien ved å bruke det siste uttrykket anbefales av GOST.

Ved å oppsummere informasjonen som presenteres, merker vi at effektiviteten til en transformator kan bestemmes av effektverdiene til enhetens primære og sekundære viklinger i nominell modus.

Bestemmelse av effektivitet ved indirekte metode

På grunn av de store effektivitetsverdiene, som kan være lik 96 % eller mer, samt den uøkonomiske karakteren til den direkte målemetoden, er det ikke mulig å beregne parameteren med høy grad av nøyaktighet. Derfor utføres dens bestemmelse vanligvis ved en indirekte metode.

Ved å oppsummere alle de oppnådde uttrykkene får vi følgende formel for å beregne effektiviteten:

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

For å oppsummere, bør det bemerkes at en høyeffektivitetsindikator indikerer effektiv drift av den elektromagnetiske enheten. Tap i viklinger og kjernestål, ifølge GOST, bestemmes av erfaring eller kortslutning, og tiltak rettet mot å redusere dem vil bidra til å oppnå høyest mulig effektivitetsverdier, som er det vi må strebe etter.

Effektivitetsfaktor (effektivitet) er en karakteristikk av systemets ytelse i forhold til konvertering eller overføring av energi, som bestemmes av forholdet mellom den nyttige energien som brukes og den totale energien som mottas av systemet.

Effektivitet- en dimensjonsløs mengde, vanligvis uttrykt i prosent:

Effektivitetsfaktor (effektivitet) varmemotor bestemmes av formelen: , hvor A = Q1Q2. Effektiviteten til en varmemotor er alltid mindre enn 1.

Carnot syklus er en reversibel sirkulær gassprosess, som består av sekvensielt stående to isotermiske og to adiabatiske prosesser utført med arbeidsfluidet.

En sirkulær syklus, som inkluderer to isotermer og to adiabater, tilsvarer maksimal effektivitet.

Den franske ingeniøren Sadi Carnot i 1824 utledet formelen for maksimal effektivitet til en ideell varmemotor, der arbeidsvæsken er ideell gass, hvis syklus besto av to isotermer og to adiabater, dvs. Carnot-syklusen. Carnot-syklusen er den virkelige arbeidssyklusen til en varmemotor som utfører arbeid på grunn av varmen som tilføres arbeidsvæsken i en isoterm prosess.

Formelen for effektiviteten til Carnot-syklusen, det vil si den maksimale effektiviteten til en varmemotor, har formen: , hvor T1 - absolutt temperatur varmeapparat, T2 - absolutt temperatur på kjøleskapet.

Varmemotorer- dette er strukturer der termisk energi omdannes til mekanisk energi.

Varmemotorer er forskjellige både i design og formål. Disse inkluderer dampmotorer, dampturbiner, forbrenningsmotorer og jetmotorer.

Men til tross for mangfoldet, er i prinsippet driften av ulike varmemotorer vanlige trekk. Hovedkomponentene i hver varmemotor er:

• varmeapparat;
• arbeidsvæske;
• kjøleskap.

Varmeren avgir Termisk energi, mens du varmer opp arbeidsvæsken, som er plassert i arbeidskammeret til motoren. Arbeidsvæsken kan være damp eller gass.

Etter å ha akseptert mengden varme, utvider gassen seg, fordi trykket er større enn det ytre trykket, og beveger stemplet, og gir positivt arbeid. Samtidig synker trykket og volumet øker.

Hvis vi komprimerer gassen, går gjennom de samme tilstandene, men i motsatt retning, vil vi gjøre den samme absolutte verdien, men negativt arbeid. Som et resultat vil alt arbeid per syklus være null.

For at arbeidet til en varmemotor skal være forskjellig fra null, må arbeidet med gasskompresjon være mindre enn arbeidet med ekspansjon.

For at kompresjonsarbeidet skal bli mindre enn ekspansjonsarbeidet, er det nødvendig at kompresjonsprosessen foregår ved en lavere temperatur, for dette må arbeidsvæsken avkjøles, og det er derfor et kjøleskap er inkludert i designet av varmemotoren. Arbeidsvæsken overfører varme til kjøleskapet når den kommer i kontakt med den.