Куда распределяется энергия
Меняй затраты и КПД. Полосы показывают полезную часть и остальные преобразования энергии.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
100 % — идеальный предел без потерь; 0 % — отсутствие полезного результата. «Остальное» не исчезает, а переходит в другие формы.
Полезное определяется задачей
Полезная работа — та часть результата, ради которой используют устройство. Затраченная работа — вся работа, переданная устройству извне в выбранном процессе.
Для подъёмника полезная работа связана с подъёмом груза. Часть затрат уходит на преодоление трения, нагрев и движение деталей. Эти части не исчезают, а переходят в другие формы энергии.
Затраченная работа
Весь вход процесса
Полезная работа
Нужный результат
Остальные изменения
Нагрев, звук, движение деталей
Полезная работа зависит от назначения устройства.
Нагрев всегда бесполезен?
Нет. Для подъёмника он обычно потеря, а для нагревателя — нужный результат. Сначала задают цель процесса.
Отношение работ
КПД η = Aпол / Aзатр. В процентах η = (Aпол / Aзатр) · 100 %. Обе работы должны быть выражены в одинаковых единицах, а затраченная работа должна быть положительной.
Если из 500 Дж затрат 350 Дж идут на полезный результат, КПД равен 350/500 = 0,70 = 70 %. Остальные 150 Дж соответствуют другим изменениям энергии.
Затрачено
500 Дж
Полезно
350 Дж
КПД
350 / 500 · 100 % = 70 %
КПД показывает долю затраченной работы, превращённую в полезную.
Почему ответ 0,70 и 70 % обозначают одно?
Процент — сотая доля. При переходе к процентам отношение умножают на 100.
Гидравлический домкрат
Реальный механизм имеет потери; полезную и затраченную работу различают.
B722N · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Ветрогенераторы на острове Фаял
При сравнении преобразователей нужно учитывать вход энергии и полезный результат.
JopkeB · CC BY-SA 4.0 · Источник фотографии.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Границы модели
Для обычного механизма, где учтены все входы энергии, полезная работа не больше затраченной. Идеальная модель без потерь имеет КПД 100 %, реальная — меньше.
Если расчёт дал больше 100 %, нужно проверить единицы, границы процесса и учёт источников. Нельзя заключать, что устройство создаёт энергию из ничего.
| Модель | КПД | Смысл |
|---|---|---|
| Без полезного результата | 0 % | Полезная работа нулевая |
| Реальный механизм с потерями | Меньше 100 % | Часть затрат уходит на другое |
| Идеальный механизм | 100 % | Потери в модели отсутствуют |
КПД обычного механизма не превышает 100 % при полном учёте затрат.
Можно ли забыть про часть входящей энергии и получить завышенный КПД?
Да. Такой результат характеризует неполный учёт, а не нарушение закона сохранения энергии.
Решаем обратную задачу
Если известны КПД и затраты, Aпол = ηAзатр, где η записано долей. Если известен полезный результат, Aзатр = Aпол/η при η > 0.
Например, для полезной работы 200 Дж при КПД 50 % потребуется 400 Дж. Повышение КПД уменьшает затраты на один и тот же полезный результат.
Перевод процентов
50 % = 0,5
Формула затрат
Aзатр = Aпол / η
Ответ
200 / 0,5 = 400 Дж
В формулах умножения и деления КПД используют как долю, а не число процентов.
Устройство с большим КПД обязательно мощнее?
Нет. КПД характеризует долю полезного результата, а мощность — скорость выполнения работы.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 7 класс», § 37. Тема и содержание сверены с файлом «7 класс. Физика — § 37. Коэффициент полезного действия.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Число частиц, размеры и цвета учебных схем условны.