Что называется коэффициентом полезного действия нагревательного прибора
Запрос «КПД» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»)[1]. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах.
Определение[править | править код]
Математически КПД определяется как
где А — полезная работа (энергия), а Q — затраченная энергия.
Если КПД выражается в процентах, эту формулу иногда записывают в виде
.
Здесь умножение на не несёт содержательного смысла, поскольку . В связи с этим второй вариант записи формулы менее предпочтителен (одна и та же физическая величина может быть выражена в различных единицах независимо от формул, где она участвует).
В силу закона сохранения энергии и в результате неустранимых потерь энергии КПД реальных систем всегда меньше единицы, то есть невозможно получить полезной работы больше или столько, сколько затрачено энергии.
КПД теплово́го дви́гателя — отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле
,
где — количество теплоты, полученное от нагревателя, — количество теплоты, отданное холодильнику. Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах нагревателя T1 и холодильника T2, обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно; этот предельный КПД равен
.
Другие похожие показатели[править | править код]
Не все показатели, характеризующие эффективность энергетических процессов, соответствуют вышеприведённому описанию. Даже если они традиционно или ошибочно называются «коэффициент полезного действия», они могут иметь другие свойства, в частности, превышать 100 %.
КПД котлов[править | править код]
КПД котлов на органическом топливе традиционно рассчитывается по низшей теплоте сгорания; при этом предполагается, что влага продуктов сгорания покидает котёл в виде перегретого пара. В конденсационных котлах эта влага конденсируется, теплота конденсации полезно используется. При расчёте КПД по низшей теплоте сгорания он в итоге может получиться больше единицы. В данном случае корректнее было бы считать его по высшей теплоте сгорания, учитывающей теплоту конденсации пара; однако при этом показатели такого котла трудно сравнивать с данными о других установках.
Тепловые насосы и холодильные машины[править | править код]
Достоинством тепловых насосов как нагревательной техники является возможность получать больше теплоты, чем расходуется энергии на их работу. Холодильная машина может отвести от охлаждаемого конца больше теплоты, чем затрачивается энергии на организацию процесса.
Эффективность машин характеризует холодильный коэффициент[en]
,
где — тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах холодопроизводительность); — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).
Для тепловых насосов используют термин коэффициент трансформации
,
где — тепло конденсации, передаваемое теплоносителю; — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).
В идеальной машине , отсюда для идеальной машины
Наилучшими показателями производительности для холодильных машин обладает обратный цикл Карно: в нём холодильный коэффициент
,
где , — температуры горячего и холодного концов, K[2]. Данная величина, очевидно, может быть сколь угодно велика; хотя практически к ней трудно приблизиться, холодильный коэффициент может превосходить единицу. Это не противоречит первому началу термодинамики, поскольку, кроме принимаемой в расчёт энергии A (напр., электрической), в тепло Q идёт и энергия, отбираемая от холодного источника.
Литература[править | править код]
- Пёрышкин А. В. Физика. 8 класс. — Дрофа, 2005. — 191 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-7107-9459-7..
Примечания[править | править код]
Учитель физики поставил перед нами проблему под названием: «Определение коэффициента полезного действия бытового электрического нагревательного прибора». После продолжительных поисков бытового электрического нагревательного прибора (электрическая плитка, электрический утюг, кондиционер, электрическая сушилка, тепловентилятор, электрокалорифер и так далее), мы решили вычислить коэффициент полезного действия электрического чайника типа TEFAL и получили одобрение учителя. Мы вспомнили формулу коэффициента полезного действия
ŋ = ―― ,
A З где ŋ – коэффициент полезного действия,
А п – полезная работа,
А з – затраченная работа.
Повторили темы по физике темы: «Электричество», «Теплота» и пришли к выводу, что в качестве полезной работы можно использовать количество теплоты, а в качестве затраченной работы следует использовать работу электрического тока.
Расчетная формула представлена в следующем виде:
ŋ = ―― ,
A где ŋ – коэффициент полезного действия,
Q – количество теплоты, полученное водой,
А – работа электрического тока.
Количество теплоты вычисляется по формуле:
Q = cm(t2°-t1°), где с – удельная теплоёмкость воды, m – масса воды, t2° = 100 °C – температура кипения воды, t1° – начальная температура воды (измеряется термометром ).
Работа электрического тока вычисляется по формуле:
А = Р t, где А – работа электрического тока.
Р – электрическая мощность нагревательного прибора, t – промежуток времени, в течение которого нагревается вода.
В школе под руководством учителя мы познакомились с устройством и принципом действия электрического чайника, изучили правила техники безопасности. Возвратившись из школы домой, мы приступили к выполнению лабораторной работы в домашних условиях, предварительно получив разрешение родителей на проведение эксперимента на кухне.
Домашняя лабораторная работа.
Определение коэффициента полезного действия электрического чайника
Приборы и материалы:
1) электрический чайник типа TEFAL,
2) источник электрического тока (розетка квартирной электропроводки),
3) водопроводная вода,
4) термометр,
5) часы с секундной стрелкой (секундомер),
6) калькулятор.
Порядок выполнения работы.
Электрический чайник отключен от электрической сети. Берем в руки пустой чайник, переворачиваем его, изучаем паспорт чайника, записываем значение мощности нагревательного элемента
Опыт № 1.
1) Открываем крышку чайника, наливаем в него воду из крана объемом 1 литр ( 1 килограмм ).
2) Термометр помещаем в чайник с водой.
3) Измеряем температуру воды в чайнике
4) Вынимаем термометр из воды и помещаем его в футляр.
5) Плотно закрываем крышку чайника.
6) Ставим чайник на платформу.
7) Включаем чайник и засекаем время по часам. Вода в чайнике нагревается. Следим за показаниями часов.
8) Отмечаем момент автоматического отключения чайника (момент закипания воды).
9). Вычисляем промежуток времени, в течение которого нагревалась вода от начальной температуры до кипения
10) Осторожно снимаем с платформы чайник с горячей водой. Выливаем воду из чайника в раковину.
11). Рассчитываем работу электрического тока по формуле .
12). Вычисляем количество теплоты по формуле .
13) Рассчитываем коэффициент полезного действия нагревательного элемента электрического чайника по формуле .
14) Полученный результат выражаем в процентах и делаем вывод: а) коэффициент полезного действия нагревательного элемента электрического чайника равен 78,6 % ( Клементьев Александр ).
б) коэффициент полезного действия нагревательного элемента электрического чайника равен 72,3 % ( Щукин Иван ).
Примечание: в этой работе представлена для того, чтобы любой преподаватель, снявший копию с описания лабораторной работы, без особых затруднений предложил своим ученикам определить коэффициент полезного действия чайника, используемого в домашних условиях.
Цели:
- вычислить значение коэффициента полезного
действия электрического нагревательного
прибора при различной нагрузке (мощности), - исследовать зависимость коэффициента
полезного действия от мощности электрического
нагревательного прибора (электрического чайника
типа TEFAL).
План урока:
- Организационный момент.
- Краткое вступление учителя.
- Объявление темы.
- Теоретическое обоснование темы.
- Изучение устройства и принципа действия
электрического чайника типа TEFAL. - Ознакомление с набором приборов.
- Назначение и порядок пользования приборами.
- Повторение основных положений техники
безопасности. - Выполнение работы.
- Обсуждение результатов эксперимента.
- Построение графика.
- Подведение итогов работы.
- Рекомендации учителя для пользователей
электрических чайников.
Методические цели урока:
- Добиться усвоения понятия коэффициента
полезного действия. - Продолжить формирование навыков осуществлять
физический эксперимент. - Развить интерес к исследовательской
деятельности. - Научить использовать результаты исследований в
повседневной жизни. - Продолжить формирование коммуникативных
навыков работы в группах. - Закрепить знания основных положений техники
безопасности при работе с электрическими
приборами.
Приборы и материалы.
- Штатив с лапкой и муфтой.
- Термометр.
- Измерительный цилиндр.
- Лабораторный автотрансформатор.
- Ваттметр.
- Электрический чайник типа TEFAL.
- Ведро с водой.
- Часы с секундной стрелкой (секундомер).
- Калькулятор.
Порядок выполнения работы.
Подготовительный этап.
- Укрепить термометр в лапке штатива.
- Измерить температуру воды в ведре (начальная
температура). - Собрать экспериментальную установку
(лабораторный автотрансформатор, ваттметр,
электрический чайник).
4. Получить разрешение преподавателя
на проведение опытов.
Основной этап. Опыт № 1.
- Используя измерительный цилиндр, налить в
чайник 0,5 литра воды (0,5 кг воды). - Одновременно включить установку в
электрическую сеть и запустить секундомер. - С помощью автотрансформатора и ваттметра
установить мощность 500 ватт. - Через промежуток времени, равный 100 секундам,
выключить установку (вынуть вилку из розетки). - Измерить температуру воды в чайнике.
- Вылить воду из чайника в раковину.
- Результаты опыта заносим в таблицу и вычисляем
коэффициент полезного действия, используя
формулу , или , где - Выполняя пункты (1 – 7), проделываем опыты № 2
(мощность 1000 Вт), - Заполняем таблицу и строим график зависимости
коэффициента полезного действия от мощности. - Изучая график, делаем вывод.
- Ученики обсуждают этот вывод, выдвигают
гипотезы, высказывают свои мысли и приходят к
правильному решению – использование
нагревательного прибора с большой мощностью
способствует экономии электрической энергии.
Таблица.
№ п/п | P | |||||
1 | ||||||
2 | ||||||
3 | ||||||
4 |
№ 3 (мощность 1500 Вт ), № 4 (мощность 2000
Вт),
Вывод: чем больше мощность
чайника, тем больше коэффициент полезного
действия.
Заключительный этап.
Учитель рекомендует ученикам
рассказать родителям о результатах своих
исследований и попросить родителей приобрести
для кухни современный чайник большой мощности
(2200 ватт) в целях: 1) быстрого приготовления чая
(кипятка), 2) экономии электрической энергии.
Примечание. Лабораторная работа
физпрактикума в 10 классе рассчитана на два
академических часа, проводится группой учеников
в составе (2-4) человек под руководством учителя.
Кабинет физики должен иметь евророзетки,
подключенные к трехпроводной электрической
сети. Ученики обязаны строго соблюдать правила
техники безопасности: только при отключенном
чайнике (вилка вынута из розетки) разрешается
наливать воду в чайник, измерять температуру
воды, выливать воду из чайника, запрещается
прикасаться к чайнику в то время, когда он
включен в электрическую сеть.
Литература:
- Касьянов В.А. Физика 10 кл.: Учебник для
общеобразовательных учреждений. – М.: Дрофа, 2003. - Энциклопедия для детей. Техника. – М.: Аванта +,
2001. - Пёрышкин А.В., Гутник Е.М. Физика 9 кл.: Учебник для
общеобразовательных учреждений.- М.: Дрофа, 2002. - Перельман Я.И. Знаете ли вы физику? – М.: ВАП, 1994.
Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах.
Коэффициент полезного действия (сокращенно – КПД) электрической установки показывает, какая доля активной электрической энергии Q, безвозвратно расходуемой данной установкой, приходится на полезную работу A, совершаемую этой установкой по назначению (если речь идет о преобразователе или о потребителе), либо какая доля подводимой к установке механической энергии (или энергии иной формы, например химической или световой) преобразуется в ней в полезную энергию (работу).
Таким образом КПД является безразмерной величиной, значение которой всегда меньше единицы, и может быть записано в виде десятичной дроби, или в виде числа (количества процентов) – от 0% до 100%.
Нагревательные приборы
Наибольшим КПД (близким к 100%) обладают электрические нагревательные приборы, в которых энергия электрического тока преобразуется непосредственно в тепло. Практически это – так называемое джоулево тепло, которое выделяется по закону Джоуля-Ленца на нагревательном элементе (например на нихромовой спирали) при прохождении через него электрического тока, и является в данном случае полезной работой.
Пример такого прибора — масляный радиатор. Если, скажем, в электродвигателе или в трансформаторе нагрев обмоток является чистыми потерями, то в масляном радиаторе нагрев — это и есть полезная работа, других (неполезных) потерь здесь нет.
Асинхронные двигатели
У асинхронных электродвигателей КПД обычно не превышает 80-90%. Полезной работой здесь является механическая работа, выполняемая валом двигателя.
К двигателю подводится переменный ток из сети, этот ток, проходя по обмотке статора, порождает в магнитопроводе (статора) переменное магнитное поле, которое, действуя на ротор, вращает его. При этом неизбежно возникают активные потери мощности в проводе обмотки (джоулево тепло) и в магнитопроводе (вихревые токи, нагревающие металл статора и ротора).
По этой причине корпус работающего под нагрузкой двигателя всегда разогревается. Для отвода тепла, на роторе двигателя устанавливается крыльчатка вентилятора, а снаружи на корпусе делаются радиаторные ребра для лучшего охлаждения — для отвода тепловых потерь и сохранения рабочих характеристик двигателя на приемлемом уровне.
КПД электродвигателя можно узнать из шильдика (паспортной таблички).
Светодиод
В осветительном светодиоде полезной работой является производство видимого света. КПД таких светодиодов достигает сегодня 35%, это значит, что 65% подводимой к нему электрической энергии все же теряется в форме тепла. Поэтому данные светодиоды всегда имеют металлическую подложку как часть корпуса, при помощи которой они плотно крепятся к радиатору, либо просто массивные выводы, чтобы обеспечить необходимый отвод тепла.
Солнечная батарея
Рассмотрим случай генерации электроэнергии из солнечного света при помощи солнечной батареи на основе кремния. КПД обычной монокристаллической солнечной батареи находится в районе от 9 до 24%. Это значит, что в зависимости от количества падающих на солнечный элемент фотонов, ее КПД будет больше или меньше.
Так или иначе, не все фотоны, попадающие на элемент приводят к генерации электрического тока, а только те, что имеют наиболее адекватную для данного элемента длину волны. Другие фотоны просто отражаются, приводят к нагреву, или даже мешают генерации тока. Ученые многих стран мира непрерывно ведут исследования в поиске технологии создания более эффективных солнечных элементов.
Ранее ЭлектроВести писали, что китайскими учеными был разработан полимер, который значительно повышает производительность органических фотоэлементов — технологии, которая до тепершнего открытия проигрывала по КПД другим перспективным разработкам для получения энергии солнца.
По материалам: electrik.info.
Электрик Инфо » Начинающим электрикам, Энергосбережение, экономия энергии » Что такое коэффициент полезного действия (КПД) Коэффициент полезного действия (сокращенно – КПД) электрической установки показывает, какая доля активной электрической энергии Q, безвозвратно расходуемой данной установкой, приходится на полезную работу A, совершаемую этой установкой по назначению (если речь идет о преобразователе или о потребителе), либо какая доля подводимой к установке механической энергии (или энергии иной формы, например химической или световой) преобразуется в ней в полезную энергию (работу). Таким образом КПД является безразмерной величиной, значение которой всегда меньше единицы, и может быть записано в виде десятичной дроби, или в виде числа (количества процентов) – от 0% до 100%.
Нагревательные приборы Наибольшим КПД (близким к 100%) обладают электрические нагревательные приборы, в которых энергия электрического тока преобразуется непосредственно в тепло. Практически это – так называемое джоулево тепло, которое выделяется по закону Джоуля-Ленца на нагревательном элементе (например на нихромовой спирали) при прохождении через него электрического тока, и является в данном случае полезной работой.
Пример такого прибора — масляный радиатор. Если, скажем, в электродвигателе или в трансформаторе нагрев обмоток является чистыми потерями, то в масляном радиаторе нагрев — это и есть полезная работа, других (неполезных) потерь здесь нет. Смотрите по этой теме: Современные нагревательные элементы Устройство и приницп работы электрического конвектора Какой нагреватель воздуха лучше: ТЭНовый или керамический Асинхронные двигатели
У асинхронных электродвигателей КПД обычно не превышает 80-90%. Полезной работой здесь является механическая работа, выполняемая валом двигателя. К двигателю подводится переменный ток из сети, этот ток, проходя по обмотке статора, порождает в магнитопроводе (статора) переменное магнитное поле, которое, действуя на ротор, вращает его. При этом неизбежно возникают активные потери мощности в проводе обмотки (джоулево тепло) и в магнитопроводе (вихревые токи, нагревающие металл статора и ротора). По этой причине корпус работающего под нагрузкой двигателя всегда разогревается. Для отвода тепла, на роторе двигателя устанавливается крыльчатка вентилятора, а снаружи на корпусе делаются радиаторные ребра для лучшего охлаждения — для отвода тепловых потерь и сохранения рабочих характеристик двигателя на приемлемом уровне. КПД электродвигателя можно узнать из шильдика (паспортной таблички). Подробнее об этом смотите здесь: Характеристики асинхронных двигателей Электродвигатели с самым высоким КПД: Современные синхронные реактивные электродвигатели Информация про электродвигатели в бытовых приборах: Бытовые двигатели и их использование Светодиод
В осветительном светодиоде полезной работой является производство видимого света. КПД таких светодиодов достигает сегодня 35%, это значит, что 65% подводимой к нему электрической энергии все же теряется в форме тепла. Поэтому данные светодиоды всегда имеют металлическую подложку как часть корпуса, при помощи которой они плотно крепятся к радиатору, либо просто массивные выводы, чтобы обеспечить необходимый отвод тепла. Подробнее про светодиоды: Как устроены и работают светодиоды Современные светодиоды – на что обратить внимание Солнечная батарея
Рассмотрим случай генерации электроэнергии из солнечного света при помощи солнечной батареи на основе кремния. КПД обычной монокристаллической солнечной батареи находится в районе от 9 до 24%. Это значит, что в зависимости от количества падающих на солнечный элемент фотонов, ее КПД будет больше или меньше. Так или иначе, не все фотоны, попадающие на элемент приводят к генерации электрического тока, а только те, что имеют наиболее адекватную для данного элемента длину волны. Другие фотоны просто отражаются, приводят к нагреву, или даже мешают генерации тока. Ученые многих стран мира непрерывно ведут исследования в поиске технологии создания более эффективных солнечных элементов. Подробнее об этом смотрите здесь: Как устроены и работают солнечные батареи Солнечные батареи с наиболее высоким КПД Солнечные батареи из перовскита 5 необычных солнечных батарей будущего Источник тока
КПД реального источника тока сильно зависит от сопротивления нагрузки, а точнее — от соотношения между сопротивлением нагрузки R и внутренним сопротивлением источника тока r. Например для щелочной батарейки, питающей маленький нагреватель, можно сказать, что подводится химическая энергия преобразуется в тепловую. Когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника тока, КПД равен 50%, причем в данных условиях источник отдает максимально возможную мощность, половина которой, однако, рассеивается в самом источнике. А чем сопротивление нагрузки больше — тем выше КПД источника, так как в этом случае большая мощность приходится на сопротивление нагрузки, и меньшая — рассеивается в самом источнике. Это значит, что лучший КПД получается тогда, когда источник работает почти что «вхолостую», то есть когда сопротивление нагрузки сильно больше его внутреннего сопротивления. Смотрите также про коэффициент полезного действия различных лампочек: Типы ламп для домашнего освещения – какие лучше и в чем разница ВКонтакте | |
