Ответьте на вопросы, страница 48 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопрос

Почему $ \cos \varphi $ называют коэффициентом мощности, а не коэффициентом полезного действия?

Коэффициент полезного действия (КПД), обозначаемый как $\eta$, и коэффициент мощности, $\cos\varphi$, являются фундаментально разными понятиями, описывающими различные аспекты работы электрических устройств и систем.

Коэффициент полезного действия (КПД) — это универсальная характеристика эффективности любого процесса преобразования энергии. Он определяется как отношение полезно использованной мощности (или энергии) $P_{полезная}$ к всей затраченной мощности $P_{затраченная}$:

$\eta = \frac{P_{полезная}}{P_{затраченная}}$

Разница между затраченной и полезной мощностью ($P_{затраченная} - P_{полезная}$) представляет собой безвозвратные потери. Эта мощность необратимо преобразуется в другие виды энергии, которые не являются целью работы устройства, чаще всего — в теплоту из-за трения, сопротивления проводников и других диссипативных процессов. Эти потери являются фактической тратой энергии.

Коэффициент мощности ($\cos\varphi$) — это характеристика, применимая исключительно к цепям переменного тока. В таких цепях существует три вида мощности:

• Активная мощность $\text{P}$: Та часть мощности, которая совершает полезную работу, то есть преобразуется в механическую, тепловую, световую и другие виды энергии.
• Реактивная мощность $\text{Q}$: Мощность, которая не совершает работы, а расходуется на создание и поддержание электромагнитных полей в индуктивных (электродвигатели, трансформаторы) и емкостных (конденсаторы) элементах цепи. Эта энергия не потребляется безвозвратно, а циркулирует, периодически запасаясь в нагрузке и возвращаясь обратно в источник питания.
• Полная мощность $\text{S}$: Геометрическая сумма активной и реактивной мощностей ($S = \sqrt{P^2 + Q^2}$), которая фактически нагружает источник тока и провода.

Коэффициент мощности как раз и является отношением полезной, активной мощности к полной мощности, которую генератор отдает в сеть:

$\cos\varphi = \frac{P}{S}$

Ключевое отличие заключается в том, что реактивная мощность, в отличие от потерь, учитываемых в КПД, не является безвозвратно потерянной. Она совершает обратимый обмен энергией с сетью. Таким образом, $\cos\varphi$ показывает, какая доля от полной мощности, передаваемой по проводам, идет на совершение полезной работы, а какая — циркулирует «вхолостую». Низкий $\cos\varphi$ не означает, что энергия теряется в нагрузке, но он означает, что для передачи той же активной мощности требуется больший ток, что увеличивает потери уже в самих проводах.

Ответ: $cos\varphi$ называют коэффициентом мощности, а не КПД, потому что он характеризует не безвозвратные потери энергии (как КПД), а наличие реактивной составляющей мощности. Реактивная мощность не выполняет полезной работы, но и не теряется безвозвратно в нагрузке, а лишь циркулирует между источником и потребителем. КПД же учитывает именно ту часть энергии, которая необратимо рассеивается, в основном в виде тепла.