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Definizione di efficienza in fisica. Motori diesel e benzina: confronto di efficienza

Informazioni teoriche di base

Lavoro meccanico

Le caratteristiche energetiche del movimento vengono introdotte sulla base del concetto lavoro meccanico o lavoro di forza. Lavoro compiuto da una forza costante F, è una quantità fisica pari al prodotto della forza e dei moduli di spostamento moltiplicato per il coseno dell'angolo tra i vettori della forza F e movimenti S:

Il lavoro è una quantità scalare. Può essere positivo (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). A α = 90° il lavoro compiuto dalla forza è zero. Nel sistema SI il lavoro si misura in joule (J). Un joule è uguale al lavoro compiuto da una forza di 1 newton per spostarsi di 1 metro nella direzione della forza.

Se la forza cambia nel tempo, per trovare il lavoro, costruisci un grafico della forza rispetto allo spostamento e trova l'area della figura sotto il grafico: questo è il lavoro:

Un esempio di forza il cui modulo dipende dalla coordinata (spostamento) è la forza elastica di una molla, che obbedisce alla legge di Hooke ( F controllo = kx).

Energia

Si chiama il lavoro compiuto da una forza per unità di tempo energia. Energia P(a volte indicato con la lettera N) – grandezza fisica pari al rapporto di lavoro UN ad un periodo di tempo T durante il quale è stato completato questo lavoro:

Questa formula calcola potenza media, cioè. potere che caratterizza generalmente il processo. Quindi il lavoro può essere espresso anche in termini di potenza: UN = Pt(se, ovviamente, si conoscono la potenza e il tempo di esecuzione del lavoro). L'unità di potenza è chiamata watt (W) o 1 joule al secondo. Se il moto è uniforme allora:

Usando questa formula possiamo calcolare potenza istantanea(potenza in un dato istante), se al posto della velocità sostituiamo nella formula il valore della velocità istantanea. Come fai a sapere quale potenza contare? Se il problema richiede potenza in un momento temporale o in un punto qualsiasi dello spazio, allora viene considerato istantaneo. Se chiedono informazioni sulla potenza per un determinato periodo di tempo o parte del percorso, cerca la potenza media.

Efficienza - fattore di efficienza, è uguale al rapporto tra lavoro utile e spesa, o potenza utile e spesa:

Quale lavoro è utile e quale è sprecato è determinato dalle condizioni di un compito specifico attraverso il ragionamento logico. Ad esempio, se una gru svolge il lavoro di sollevare un carico ad una certa altezza, allora il lavoro utile sarà il lavoro di sollevamento del carico (poiché è per questo scopo che è stata creata la gru), e il lavoro speso sarà il lavoro svolto dal motore elettrico della gru.

Pertanto, il potere utile e quello speso non hanno una definizione rigorosa e si trovano mediante un ragionamento logico. In ogni compito, noi stessi dobbiamo determinare quale fosse l'obiettivo del lavoro in questo compito (lavoro utile o potere) e quale fosse il meccanismo o il modo di eseguire tutto il lavoro (potere o lavoro speso).

In generale, l’efficienza mostra quanto efficientemente un meccanismo converte un tipo di energia in un altro. Se la potenza cambia nel tempo, il lavoro si trova come l'area della figura sotto il grafico della potenza in funzione del tempo:

Energia cinetica

Viene chiamata una quantità fisica pari alla metà del prodotto della massa di un corpo per il quadrato della sua velocità energia cinetica del corpo (energia del movimento):

Cioè, se un'auto che pesa 2000 kg si muove alla velocità di 10 m/s, allora ha un'energia cinetica pari a E k = 100 kJ ed è in grado di compiere 100 kJ di lavoro. Questa energia può trasformarsi in calore (quando un'auto frena, i pneumatici delle ruote, la strada e i dischi dei freni si riscaldano) o può essere spesa per deformare l'auto e la carrozzeria contro cui l'auto si scontra (in un incidente). Quando si calcola l'energia cinetica, non importa dove si muove l'auto, poiché l'energia, come il lavoro, è una quantità scalare.

Un corpo ha energia se può compiere un lavoro. Ad esempio, un corpo in movimento ha energia cinetica, cioè energia del movimento ed è in grado di compiere lavoro per deformare i corpi o imprimere accelerazione ai corpi con cui avviene una collisione.

Il significato fisico dell'energia cinetica: in ordine per un corpo in riposo con una massa M cominciò a muoversi velocemente vè necessario compiere un lavoro pari al valore ottenuto dell'energia cinetica. Se il corpo ha una massa M si muove a velocità v, allora per fermarlo è necessario compiere un lavoro pari alla sua energia cinetica iniziale. In frenata l'energia cinetica viene principalmente (tranne nei casi di impatto, quando l'energia va a deformazione) “portata via” dalla forza di attrito.

Teorema sull'energia cinetica: il lavoro della forza risultante è uguale alla variazione dell'energia cinetica del corpo:

Il teorema dell'energia cinetica è valido anche nel caso generale, quando un corpo si muove sotto l'influenza di una forza variabile, la cui direzione non coincide con la direzione del movimento. È conveniente applicare questo teorema ai problemi che coinvolgono l'accelerazione e la decelerazione di un corpo.

Energia potenziale

Insieme all'energia cinetica o energia del movimento, il concetto gioca un ruolo importante in fisica energia potenziale o energia di interazione dei corpi.

L'energia potenziale è determinata dalla posizione relativa dei corpi (ad esempio, la posizione del corpo rispetto alla superficie della Terra). Il concetto di energia potenziale può essere introdotto solo per forze il cui lavoro non dipende dalla traiettoria del corpo ed è determinato solo dalle posizioni iniziale e finale (le cosiddette forze conservatrici). Il lavoro compiuto da tali forze su una traiettoria chiusa è zero. Questa proprietà è posseduta dalla gravità e dalla forza elastica. Per queste forze possiamo introdurre il concetto di energia potenziale.

Energia potenziale di un corpo nel campo gravitazionale terrestre calcolato con la formula:

Il significato fisico dell'energia potenziale di un corpo: l'energia potenziale è uguale al lavoro compiuto dalla gravità quando si abbassa il corpo al livello zero ( H– distanza dal baricentro del corpo al livello zero). Se un corpo ha energia potenziale, allora è in grado di compiere lavoro quando cade da un'altezza H al livello zero. Il lavoro compiuto dalla gravità è pari alla variazione dell'energia potenziale del corpo, presa con il segno opposto:

Spesso nei problemi energetici bisogna trovare il lavoro di sollevare (girare, uscire da un buco) il corpo. In tutti questi casi è necessario considerare il movimento non del corpo stesso, ma solo del suo baricentro.

L'energia potenziale Ep dipende dalla scelta del livello zero, cioè dalla scelta dell'origine dell'asse OY. In ogni problema il livello zero viene scelto per ragioni di comodità. Ciò che ha un significato fisico non è l'energia potenziale in sé, ma il suo cambiamento quando un corpo si sposta da una posizione all'altra. Questo cambiamento è indipendente dalla scelta del livello zero.

Energia potenziale di una molla allungata calcolato con la formula:

Dove: K– rigidità della molla. Una molla estesa (o compressa) può mettere in movimento un corpo ad essa attaccato, cioè impartire energia cinetica a questo corpo. Di conseguenza, una tale molla ha una riserva di energia. Tensione o compressione X deve essere calcolato dallo stato indeformato del corpo.

L'energia potenziale di un corpo elasticamente deformato è uguale al lavoro compiuto dalla forza elastica durante la transizione da un dato stato a uno stato con deformazione nulla. Se nello stato iniziale la molla era già deformata e il suo allungamento era pari a X 1, poi al passaggio ad un nuovo stato con allungamento X 2, la forza elastica compirà un lavoro pari alla variazione di energia potenziale, presa con il segno opposto (poiché la forza elastica è sempre diretta contro la deformazione del corpo):

L'energia potenziale durante la deformazione elastica è l'energia di interazione delle singole parti del corpo tra loro mediante forze elastiche.

Il lavoro della forza di attrito dipende dal percorso percorso (questo tipo di forza, il cui lavoro dipende dalla traiettoria e dal percorso percorso si chiama: forze dissipative). Non è possibile introdurre il concetto di energia potenziale per la forza di attrito.

Efficienza

Fattore di efficienza (efficienza)– caratteristica dell'efficienza di un sistema (dispositivo, macchina) in relazione alla conversione o trasmissione di energia. È determinato dal rapporto tra l'energia utilmente utilizzata e la quantità totale di energia ricevuta dal sistema (la formula è già stata fornita sopra).

L’efficienza può essere calcolata sia attraverso il lavoro che attraverso la potenza. Il lavoro utile e speso (potere) sono sempre determinati da un semplice ragionamento logico.

Nei motori elettrici, l'efficienza è il rapporto tra il lavoro meccanico svolto (utile) e l'energia elettrica ricevuta dalla fonte. Nei motori termici, rapporto tra lavoro meccanico utile e quantità di calore spesa. Nei trasformatori elettrici, rapporto tra l'energia elettromagnetica ricevuta nell'avvolgimento secondario e l'energia consumata dall'avvolgimento primario.

Per la sua generalità, il concetto di efficienza consente di confrontare e valutare da un punto di vista unificato sistemi diversi come reattori nucleari, generatori e motori elettrici, centrali termiche, dispositivi a semiconduttore, oggetti biologici, ecc.

A causa delle inevitabili perdite di energia dovute all'attrito, al riscaldamento dei corpi circostanti, ecc. L'efficienza è sempre inferiore all'unità. Di conseguenza, l'efficienza è espressa come una frazione dell'energia spesa, cioè come una frazione propria o come percentuale, ed è una quantità adimensionale. L'efficienza caratterizza l'efficienza con cui funziona una macchina o un meccanismo. L’efficienza delle centrali termoelettriche raggiunge il 35–40%, i motori a combustione interna con sovralimentazione e preraffreddamento – 40–50%, dinamo e generatori ad alta potenza – 95%, trasformatori – 98%.

Un problema in cui è necessario trovare l'efficienza o è noto, è necessario iniziare con un ragionamento logico: quale lavoro è utile e quale è sprecato.

Legge di conservazione dell'energia meccanica

Energia meccanica totaleè chiamata la somma dell'energia cinetica (cioè l'energia del movimento) e potenziale (cioè l'energia di interazione dei corpi da parte delle forze di gravità ed elasticità):

Se l'energia meccanica non si trasforma in altre forme, ad esempio in energia interna (termica), la somma dell'energia cinetica e potenziale rimane invariata. Se l'energia meccanica si trasforma in energia termica, allora la variazione dell'energia meccanica è uguale al lavoro della forza di attrito o delle perdite di energia, o alla quantità di calore rilasciato, e così via, in altre parole, la variazione dell'energia meccanica totale è uguale al lavoro delle forze esterne:

La somma dell'energia cinetica e potenziale dei corpi che compongono un sistema chiuso (cioè in cui non agiscono forze esterne e il loro lavoro è corrispondentemente nullo) e delle forze gravitazionali ed elastiche che interagiscono tra loro rimane invariata:

Questa affermazione esprime legge di conservazione dell'energia (LEC) nei processi meccanici. È una conseguenza delle leggi di Newton. La legge di conservazione dell'energia meccanica è soddisfatta solo quando i corpi in un sistema chiuso interagiscono tra loro mediante forze di elasticità e gravità. In tutti i problemi sulla legge di conservazione dell'energia ci saranno sempre almeno due stati di un sistema di corpi. La legge afferma che l'energia totale del primo stato sarà uguale all'energia totale del secondo stato.

Algoritmo per la risoluzione di problemi sulla legge di conservazione dell'energia:

Trova i punti della posizione iniziale e finale del corpo.
Annota quali o quali energie ha il corpo in questi punti.
Equiparare l'energia iniziale e finale del corpo.
Aggiungi altre equazioni necessarie da argomenti di fisica precedenti.
Risolvere l'equazione o il sistema di equazioni risultante utilizzando metodi matematici.

È importante notare che la legge di conservazione dell'energia meccanica ha permesso di ottenere una relazione tra le coordinate e le velocità di un corpo in due diversi punti della traiettoria senza analizzare la legge del moto del corpo in tutti i punti intermedi. L'applicazione della legge di conservazione dell'energia meccanica può semplificare notevolmente la soluzione di molti problemi.

Nelle condizioni reali sui corpi in movimento agiscono quasi sempre, oltre alle forze gravitazionali, alle forze elastiche e ad altre forze, anche forze di attrito o forze di resistenza ambientale. Il lavoro compiuto dalla forza di attrito dipende dalla lunghezza del percorso.

Se tra i corpi che compongono un sistema chiuso agiscono forze di attrito, l’energia meccanica non si conserva. Parte dell'energia meccanica viene convertita in energia interna dei corpi (riscaldamento). Pertanto, l’energia nel suo insieme (cioè non solo quella meccanica) viene comunque conservata.

Durante qualsiasi interazione fisica, l'energia non appare né scompare. Cambia semplicemente da una forma all'altra. Questo fatto stabilito sperimentalmente esprime una legge fondamentale della natura: legge di conservazione e trasformazione dell'energia.

Una delle conseguenze della legge di conservazione e trasformazione dell'energia è l'affermazione sull'impossibilità di creare una "macchina a moto perpetuo" (perpetuum mobile) - una macchina che potrebbe lavorare indefinitamente senza consumare energia.

Vari compiti per il lavoro

Se il problema richiede la ricerca di lavoro meccanico, seleziona prima un metodo per trovarlo:

Un lavoro può essere trovato utilizzando la formula: UN = FS∙cos α . Trova la forza che compie il lavoro e l'entità dello spostamento del corpo sotto l'influenza di questa forza nel sistema di riferimento scelto. Si noti che l'angolo deve essere scelto tra i vettori forza e spostamento.
Il lavoro compiuto da una forza esterna può essere trovato come differenza di energia meccanica nella situazione finale e in quella iniziale. L’energia meccanica è uguale alla somma dell’energia cinetica e potenziale del corpo.
Il lavoro compiuto per sollevare un corpo a velocità costante può essere calcolato utilizzando la formula: UN = mgh, Dove H- altezza a cui sale baricentro del corpo.
Il lavoro può essere trovato come il prodotto di potenza e tempo, cioè secondo la formula: UN = Pt.
Il lavoro può essere trovato come l'area della figura sotto il grafico della forza rispetto allo spostamento o della potenza rispetto al tempo.

Legge di conservazione dell'energia e dinamica del moto rotatorio

I problemi di questo argomento sono matematicamente piuttosto complessi, ma se si conosce l'approccio, possono essere risolti utilizzando un algoritmo completamente standard. In tutti i problemi dovrai considerare la rotazione del corpo nel piano verticale. La soluzione si ridurrà alla seguente sequenza di azioni:

Devi determinare il punto che ti interessa (il punto in cui devi determinare la velocità del corpo, la forza di tensione del filo, il peso e così via).
Scrivi a questo punto la seconda legge di Newton, tenendo conto che il corpo ruota, cioè ha un’accelerazione centripeta.
Annota la legge di conservazione dell'energia meccanica in modo che contenga la velocità del corpo in quel punto molto interessante, nonché le caratteristiche dello stato del corpo in uno stato di cui si sa qualcosa.
A seconda della condizione, esprimi la velocità al quadrato da un'equazione e sostituiscila nell'altra.
Eseguire le restanti operazioni matematiche necessarie per ottenere il risultato finale.

Quando risolvi i problemi, devi ricordare che:

La condizione per superare il punto superiore durante la rotazione su una filettatura alla velocità minima è la forza di reazione del supporto N nel punto più alto è 0. La stessa condizione è soddisfatta quando si supera il punto più alto del circuito morto.
Quando si ruota su un'asta, la condizione per percorrere l'intero cerchio è: la velocità minima nel punto più alto è 0.
La condizione per la separazione di un corpo dalla superficie della sfera è che la forza di reazione del supporto nel punto di separazione sia zero.

Urti anelastici

La legge di conservazione dell'energia meccanica e la legge di conservazione della quantità di moto consentono di trovare soluzioni a problemi meccanici nei casi in cui le forze agenti sono sconosciute. Un esempio di questo tipo di problema è l'interazione d'impatto dei corpi.

Per impatto (o collisione)È consuetudine chiamare un'interazione a breve termine dei corpi, a seguito della quale le loro velocità subiscono cambiamenti significativi. Durante una collisione di corpi, tra loro agiscono forze di impatto a breve termine, la cui entità, di regola, è sconosciuta. Pertanto, è impossibile considerare l'interazione d'impatto utilizzando direttamente le leggi di Newton. L'applicazione delle leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto in molti casi consente di escludere dalla considerazione il processo di collisione stesso e ottenere una connessione tra le velocità dei corpi prima e dopo la collisione, aggirando tutti i valori intermedi di queste quantità.

Spesso abbiamo a che fare con l'interazione d'impatto dei corpi nella vita di tutti i giorni, nella tecnologia e nella fisica (soprattutto nella fisica dell'atomo e delle particelle elementari). In meccanica vengono spesso utilizzati due modelli di interazione d'impatto: impatti assolutamente elastici e assolutamente anelastici.

Impatto assolutamente anelastico Chiamano questa interazione di impatto in cui i corpi si collegano (si attaccano insieme) tra loro e si muovono come un unico corpo.

In un urto completamente anelastico l’energia meccanica non si conserva. Si trasforma parzialmente o completamente nell'energia interna dei corpi (riscaldamento). Per descrivere eventuali impatti è necessario trascrivere sia la legge di conservazione della quantità di moto che la legge di conservazione dell'energia meccanica, tenendo conto del calore sprigionato (è altamente consigliabile fare prima un disegno).

Impatto assolutamente elastico

Impatto assolutamente elastico chiamato urto in cui si conserva l'energia meccanica di un sistema di corpi. In molti casi, le collisioni di atomi, molecole e particelle elementari obbediscono alle leggi dell'impatto assolutamente elastico. Con un impatto assolutamente elastico, insieme alla legge di conservazione della quantità di moto, è soddisfatta la legge di conservazione dell'energia meccanica. Un semplice esempio di urto perfettamente elastico sarebbe l'impatto centrale di due palle da biliardo, una delle quali era ferma prima dell'urto.

Colpo centrale palle si chiama collisione in cui le velocità delle palle prima e dopo l'impatto sono dirette lungo la linea dei centri. Pertanto, utilizzando le leggi di conservazione dell'energia meccanica e della quantità di moto, è possibile determinare la velocità delle sfere dopo una collisione se si conosce la loro velocità prima della collisione. L'impatto centrale viene implementato molto raramente nella pratica, soprattutto quando si tratta di collisioni di atomi o molecole. In un urto elastico non centrale, le velocità delle particelle (sfere) prima e dopo l'urto non sono dirette su una linea retta.

Un caso speciale di impatto elastico decentrato può essere la collisione di due palle da biliardo della stessa massa, una delle quali era immobile prima dell'urto e la velocità della seconda non era diretta lungo la linea dei centri delle palle . In questo caso, i vettori velocità delle sfere dopo un urto elastico sono sempre diretti perpendicolari tra loro.

Leggi di conservazione. Compiti complessi

Corpi multipli

In alcuni problemi sulla legge di conservazione dell'energia, i cavi con cui si muovono determinati oggetti possono avere massa (cioè non essere privi di peso, come potresti già essere abituato). In questo caso bisogna tenere conto anche del lavoro di spostamento di tali cavi (ovvero del loro baricentro).

Se due corpi collegati da un'asta priva di peso ruotano su un piano verticale, allora:

scegli un livello zero per calcolare l'energia potenziale, ad esempio a livello dell'asse di rotazione o a livello del punto più basso di uno dei pesi e assicurati di fare un disegno;
annotare la legge di conservazione dell'energia meccanica, in cui sul lato sinistro scriviamo la somma dell'energia cinetica e potenziale di entrambi i corpi nella situazione iniziale, e sul lato destro scriviamo la somma dell'energia cinetica e potenziale di entrambi gli organi nella situazione finale;
si tenga conto che le velocità angolari dei corpi sono le stesse, allora le velocità lineari dei corpi sono proporzionali ai raggi di rotazione;
se necessario, scrivi separatamente la seconda legge di Newton per ciascuno dei corpi.

Il proiettile è scoppiato

Quando un proiettile esplode, viene rilasciata energia esplosiva. Per trovare questa energia è necessario sottrarre l'energia meccanica del proiettile prima dell'esplosione dalla somma delle energie meccaniche dei frammenti dopo l'esplosione. Utilizzeremo anche la legge di conservazione della quantità di moto, scritta sotto forma di teorema del coseno (metodo vettoriale) o sotto forma di proiezioni su assi selezionati.

Collisioni con una piastra pesante

Incontriamo un piatto pesante che si muove velocemente v, una palla leggera di massa si muove M con velocità tu N. Poiché la quantità di moto della palla è molto inferiore alla quantità di moto del piatto, dopo l'impatto la velocità del piatto non cambierà e continuerà a muoversi alla stessa velocità e nella stessa direzione. Come risultato dell'impatto elastico, la palla volerà via dal piatto. È importante capirlo qui la velocità della palla rispetto al piatto non cambierà. In questo caso, per la velocità finale della palla otteniamo:

Pertanto, la velocità della palla dopo l'impatto aumenta del doppio della velocità del muro. Un ragionamento simile per il caso in cui prima dell'impatto la palla e la piastra si muovevano nella stessa direzione porta al risultato che la velocità della palla diminuisce del doppio della velocità del muro:

In fisica e matematica, tra le altre cose, devono essere soddisfatte tre condizioni importantissime:

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Impara tutte le formule e le leggi della fisica e le formule e i metodi della matematica. In realtà, anche questo è molto semplice da fare: in fisica ci sono solo circa 200 formule necessarie e in matematica anche un po' meno. In ciascuna di queste materie esistono circa una dozzina di metodi standard per risolvere problemi di livello base di complessità, che possono anche essere appresi e, quindi, in modo completamente automatico e senza difficoltà, risolvendo la maggior parte dei TC al momento giusto. Dopodiché dovrai pensare solo ai compiti più difficili.
Partecipa a tutte e tre le fasi delle prove generali di fisica e matematica. Ogni RT può essere visitato due volte per decidere su entrambe le opzioni. Ancora una volta, nel TC, oltre alla capacità di risolvere problemi in modo rapido ed efficiente e alla conoscenza di formule e metodi, è necessario anche essere in grado di pianificare adeguatamente il tempo, distribuire le forze e, soprattutto, compilare correttamente il modulo di risposta, senza confondere i numeri delle risposte e dei problemi, o il proprio cognome. Inoltre, durante il RT, è importante abituarsi allo stile di porre domande sui problemi, che può sembrare molto insolito per una persona impreparata al DT.

L'implementazione riuscita, diligente e responsabile di questi tre punti ti consentirà di mostrare un risultato eccellente al CT, il massimo di ciò di cui sei capace.

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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 con lo stesso 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.

Dispositivi come le pompe di calore si distinguono. 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 spende 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. L'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: il liquido viene pompato attraverso questi tubi di plastica, portando il calore dalla colonna d'acqua all'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. Una corretta selezione delle apparecchiature 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 inviare nello spazio profondo veicoli scientifici, che possono volare verso un bersaglio per diversi anni e per i quali risparmiare carburante è più importante che perdere tempo.

I motori elettrici, tra l'altro, consumano quasi la metà di tutta l'elettricità generata dall'umanità, quindi anche una differenza del centesimo di punto percentuale su scala globale può significare la necessità di costruire 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 chiaro esempio sono le 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 il Premio Nobel nel 2014. 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; il blues è rimasto a lungo 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 l’idea di costruire linee elettriche superconduttrici con costose ceramiche delle terre rare che richiedono il raffreddamento con azoto liquido è stata affrontata nella pratica più volte negli ultimi anni. 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

Molte persone ricordano dai corsi scolastici che l'efficienza non può superare il 100% e che maggiore è la differenza di temperatura tra il frigorifero e il riscaldamento, maggiore è questa. Tuttavia, questo vale solo per i cosiddetti motori termici: motore a vapore, motore a combustione interna, motori a reazione e 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. Dai calcoli è emerso che in linea di principio una batteria solare non può andare oltre il 90%, 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 reagiscono chimicamente tra loro e producono una 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 un motore diesel o benzina di solito non va oltre il 50%.

Sono state le celle a combustibile installate sulla navicella spaziale Apollo che volò sulla Luna e possono funzionare, ad esempio, con idrogeno e ossigeno. 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%.

I motori a ioni e 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.

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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.
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 da un campo magnetico nel nucleo.

Insieme agli altri convertitori, i trasformatori hanno un fattore di efficienza (abbreviato come Efficienza), con un 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 secondaria e la corrente di 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)

Nel suo turno:

(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 nel nucleo in acciaio, secondo GOST, sono determinate dall'esperienza o da un cortocircuito e le misure volte a ridurle contribuiranno a raggiungere i massimi valori di efficienza possibili, che è ciò a cui dobbiamo tendere.

Probabilmente tutti si sono interrogati sull'efficienza (Coefficient of Efficiency) di un motore a combustione interna. Dopotutto, più alto è questo indicatore, più efficiente sarà il funzionamento dell'unità di potenza. Il tipo più efficiente al momento è considerato il tipo elettrico, la sua efficienza può arrivare fino al 90-95%, ma per i motori a combustione interna, siano essi diesel o benzina, è, per usare un eufemismo, tutt'altro che ideale. ..

Ad essere onesti, le opzioni del motore moderno sono molto più efficienti delle loro controparti rilasciate 10 anni fa e ci sono molte ragioni per questo. Pensa tu stesso prima, la versione da 1,6 litri produceva solo 60-70 CV. E ora questo valore può raggiungere 130-150 CV. Si tratta di un lavoro scrupoloso per aumentare l’efficienza, in cui ogni “passo” è dato da tentativi ed errori. Partiamo però da una definizione.

- questo è il valore del rapporto tra due quantità, la potenza fornita all'albero motore e la potenza ricevuta dal pistone, dovuta alla pressione dei gas che si sono formati accendendo il carburante.

In termini semplici, si tratta della conversione dell'energia termica o termica che appare durante la combustione di una miscela di carburante (aria e benzina) in energia meccanica. Va notato che ciò è già accaduto, ad esempio, con le centrali elettriche a vapore: anche il carburante, sotto l'influenza della temperatura, spingeva i pistoni delle unità. Tuttavia, gli impianti erano molte volte più grandi e il combustibile stesso era solido (solitamente carbone o legna da ardere), il che rendeva difficile il trasporto e il funzionamento; era costantemente necessario “alimentarlo” con le pale nella fornace. I motori a combustione interna sono molto più compatti e leggeri di quelli “a vapore”, ed il carburante è molto più facile da immagazzinare e trasportare.

Maggiori informazioni sulle perdite

Guardando al futuro, possiamo affermare con sicurezza che l'efficienza di un motore a benzina varia dal 20 al 25%. E ci sono molte ragioni per questo. Se prendiamo il carburante in entrata e lo convertiamo in percentuali, sembra che otteniamo “il 100% dell’energia” che viene trasferita al motore, e poi ci sono delle perdite:

1)Efficienza del carburante . Non tutto il carburante viene bruciato, una piccola parte va con i gas di scarico, a questo livello perdiamo già fino al 25% di efficienza. Naturalmente, ora i sistemi di alimentazione stanno migliorando, è apparso un iniettore, ma è tutt'altro che ideale.

2) Il secondo sono le perdite termicheE . Il motore riscalda se stesso e molti altri elementi, come i radiatori, la sua carrozzeria e il liquido che circola al suo interno. Inoltre, parte del calore se ne va con i gas di scarico. Tutto ciò si traduce in una perdita di efficienza fino al 35%.

3) Il terzo sono le perdite meccaniche . SU tutti i tipi di pistoni, bielle, anelli, tutti i punti in cui è presente attrito. Ciò può includere anche perdite derivanti dal carico del generatore, ad esempio più elettricità genera il generatore, più rallenta la rotazione dell'albero motore. Naturalmente, anche i lubrificanti hanno fatto progressi, ma ancora una volta nessuno è riuscito a superare completamente l'attrito: le perdite sono ancora del 20%.

Pertanto, il risultato finale è che l’efficienza è di circa il 20%! Naturalmente, tra le opzioni a benzina, ci sono opzioni straordinarie in cui questa cifra sale al 25%, ma non ce ne sono molte.

Cioè, se la tua auto consuma carburante 10 litri ogni 100 km, solo 2 litri andranno direttamente al lavoro e il resto sono perdite!

Naturalmente, puoi aumentare la potenza, ad esempio annoiando la testa, guarda un breve video.

Se ricordi la formula, risulta:

Quale motore ha la massima efficienza?

Ora voglio parlare delle opzioni benzina e diesel e scoprire quale di queste è la più efficiente.

Per dirla in un linguaggio semplice e senza entrare nei termini tecnici, se si confrontano i due fattori di efficienza, il più efficiente è, ovviamente, il diesel ed ecco perché:

1) Un motore a benzina converte solo il 25% dell'energia in energia meccanica, ma un motore diesel ne converte circa il 40%.

2) Se si equipaggia un tipo diesel con turbocompressore, è possibile ottenere un'efficienza del 50-53%, e questo è molto significativo.

Allora perché è così efficace? È semplice: nonostante il tipo di lavoro simile (entrambi sono unità a combustione interna), il diesel svolge il suo lavoro in modo molto più efficiente. Ha una compressione maggiore e il carburante si accende utilizzando un principio diverso. Si riscalda meno, il che significa che si risparmia sul raffreddamento, ha meno valvole (risparmio sull'attrito), e inoltre non ha le solite bobine di accensione e candele, il che significa che non richiede costi energetici aggiuntivi dal generatore . Funziona a velocità più basse, non è necessario girare freneticamente l'albero motore: tutto ciò rende la versione diesel un campione in termini di efficienza.

Informazioni sull'efficienza del carburante diesel

DA un valore di efficienza più elevato, segue l'efficienza del carburante. Quindi, ad esempio, un motore da 1,6 litri può consumare solo 3-5 litri in città, a differenza del tipo a benzina, dove il consumo è di 7-12 litri. Il diesel è molto più efficiente; il motore stesso è spesso più compatto e leggero e, recentemente, anche più rispettoso dell’ambiente. Tutti questi aspetti positivi si ottengono grazie al valore maggiore, esiste una relazione diretta tra rendimento e compressione, vedi targhetta.

Tuttavia, nonostante tutti i vantaggi, presenta anche molti svantaggi.

Come diventa chiaro, l'efficienza di un motore a combustione interna è tutt'altro che ideale, quindi il futuro appartiene chiaramente alle opzioni elettriche: non resta che trovare batterie efficienti che non temono il gelo e mantengano la carica per lungo tempo.

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