Коэффициент полезного действия (КПД)

Введение

Когда мы пользуемся механизмами — поднимаем груз с помощью рычага, работаем насосом, едем на велосипеде или включаем электродвигатель, — мы замечаем, что часть приложенной энергии всегда «теряется».
Чем бы мы ни пользовались — машиной, блоком, домкратом или лампочкой, — невозможно, чтобы вся затраченная энергия превратилась в полезную.
Причина проста: в любом устройстве есть потери энергии, например, на трение, нагрев, излучение и звук.
Чтобы оценить, насколько эффективно работает механизм, учёные ввели понятие коэффициента полезного действия (КПД).

Полезная и затраченная работа

Работа — это физическая величина, характеризующая действие силы на тело и изменение его положения.
Она вычисляется по формуле:

A = F × s,
где
A — работа,
F — сила,
s — путь, пройденный под действием силы.

Но не вся работа, совершаемая человеком или машиной, идёт на выполнение полезного действия.
Например, при подъёме груза через блок часть энергии тратится на преодоление трения в оси блока.
Поэтому различают:

• Затраченную работу (Aзатр) — всю работу, совершаемую человеком или источником энергии.

• Полезную работу (Aп) — часть работы, которая идёт на выполнение нужного действия, например, подъём груза или движение вагона.

Очевидно, что полезная работа всегда меньше затраченной:
Aп < Aзатр.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Чтобы количественно выразить, насколько эффективно работает механизм, вводят величину коэффициент полезного действия, обозначаемую греческой буквой η (эта).

η = (Aп / Aзатр) × 100%

КПД показывает, какая доля всей затраченной работы пошла на полезное действие.
Если КПД = 100%, это означает, что потерь нет, и вся энергия используется полностью — но в реальной жизни такого не бывает.
Например:

• КПД рычага или блока может составлять 70–90%;

• КПД электродвигателя — 80–95%;

• КПД автомобиля — около 25%, потому что большая часть энергии топлива уходит в тепло.

Пример расчёта КПД

Задача. Рабочий при помощи подвижного блока поднимает груз весом 400 Н на высоту 2 м. Для этого он прикладывает силу 250 Н и тянет за верёвку на 3,2 м. Найти КПД механизма.

Решение:

1. Полезная работа:
   Aп = Fтяж × h = 400 × 2 = 800 Дж.

2. Затраченная работа:
   Aзатр = Fчел × s = 250 × 3,2 = 800 Дж.

3. КПД:
   η = (Aп / Aзатр) × 100% = (800 / 800) × 100% = 100%.

На практике КПД будет меньше, потому что есть потери на трение, например, 85–90%.
Если учесть реальное трение, результат будет:
η ≈ 85–90%.

Эксперимент по определению КПД простого механизма

Можно провести школьный опыт по определению КПД подвижного блока.

1. Подвесьте блок к штативу и поднимите груз с помощью нити, измеряя силу динамометром.

2. Измерьте высоту, на которую поднялся груз, и длину вытянутой нити.

3. Вычислите полезную и затраченную работу.

4. Найдите КПД по формуле.

Вывод: даже при аккуратной работе КПД окажется меньше 100%, что наглядно подтверждает существование потерь энергии.

Причины потерь энергии

• Трение в подвижных частях механизма;

• Деформации деталей (растяжение, изгиб);

• Нагрев частей при движении;

• Воздушное сопротивление;

• Неидеальные материалы и смазка.

Для уменьшения потерь используют подшипники, смазку, более лёгкие материалы и современные технологии обработки поверхностей.

Значение КПД

Зная КПД, можно оценить, насколько экономно работает механизм или машина.
Инженеры стремятся повышать КПД, чтобы уменьшить расход энергии и топлива.
Это важно и для экологии, и для развития технологий.
В быту мы тоже сталкиваемся с КПД: при выборе ламп, электродвигателей, обогревателей или бытовой техники.

Итоги

• Работа бывает полезная и затраченная.

• Коэффициент полезного действия (КПД) показывает эффективность преобразования энергии.

• КПД всегда меньше 100%.

• Потери энергии связаны с трением, нагревом и сопротивлением среды.

• Повышение КПД — одна из главных задач техники и энергетики.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют полезной работой?

2. Чем полезная работа отличается от затраченной?

3. Что такое коэффициент полезного действия?

4. Как вычисляется КПД?

5. Может ли КПД быть больше 100%? Почему?

6. От чего зависят потери энергии в механизмах?

7. Приведите примеры устройств с высоким и низким КПД.

8. Почему инженеры стремятся повысить КПД машин?

9. Как можно уменьшить потери энергии?

10. Какую роль играет КПД в современной технике и жизни человека?