Номер 2, страница 134 - гдз по физике 7 класс учебник Громов, Родина

Глава 4. Работа, мощность, энергия. Параграф 36. Коэффициент полезного действия. Темы докладов - номер 2, страница 134.

Условие.

Решение.

Коэффициент полезного действия (КПД), обозначаемый греческой буквой эта ($ \eta $), является мерой эффективности системы в преобразовании или передаче энергии. Он определяется как отношение полезно использованной энергии (или мощности) к общему количеству энергии (или мощности), полученному системой.

$ \eta = \frac{A_{полезная}}{E_{затраченная}} \times 100\% $ или $ \eta = \frac{P_{полезная}}{P_{затраченная}} \times 100\% $

Где $ A_{полезная} $ — полезная работа, $ E_{затраченная} $ — полная затраченная энергия, $ P_{полезная} $ — полезная мощность, а $ P_{затраченная} $ — полная затраченная мощность.

Из определения следует, что КПД всегда меньше 100%, так как в любой реальной системе существуют неизбежные потери энергии (например, на трение, нагрев окружающей среды), которые превращаются в бесполезные виды энергии, чаще всего в теплоту. Таким образом, повышение КПД сводится к минимизации этих потерь. Рассмотрим основные способы повышения КПД.

1. Уменьшение механических потерь

Механические потери возникают в основном из-за сил трения и сопротивления среды. Способы их уменьшения включают:

Использование смазочных материалов. Жидкие и консистентные смазки создают тонкий слой между трущимися поверхностями, заменяя сухое трение на значительно меньшее вязкое трение, что снижает потери энергии и износ деталей.

Замена трения скольжения трением качения. Применение шариковых и роликовых подшипников вместо подшипников скольжения (втулок) позволяет снизить силу трения в десятки раз.

Оптимизация формы. Придание телам, движущимся в жидкости или газе (автомобили, самолеты, корабли), обтекаемой (аэродинамической или гидродинамической) формы уменьшает силу сопротивления среды.

Использование современных материалов. Применение материалов с низким коэффициентом трения (например, политетрафторэтилен) и более легких и прочных материалов (композиты, сплавы) уменьшает инерционные нагрузки и трение.

Ответ: Для повышения КПД за счет уменьшения механических потерь необходимо использовать смазки, подшипники качения, придавать телам обтекаемую форму и применять современные материалы с низким коэффициентом трения.

2. Повышение эффективности тепловых двигателей

КПД теплового двигателя принципиально ограничен Вторым началом термодинамики. Максимально возможный КПД для двигателя, работающего между двумя тепловыми резервуарами, — это КПД идеального цикла Карно:

$ \eta_{max} = \frac{T_{H} - T_{X}}{T_{H}} = 1 - \frac{T_{X}}{T_{H}} $

Где $ T_{H} $ — абсолютная температура нагревателя (рабочего тела в самой горячей точке цикла), а $ T_{X} $ — абсолютная температура холодильника (окружающей среды).

Для повышения КПД тепловых двигателей необходимо:

Повышать температуру нагревателя ($ T_{H} $). В паровых турбинах для этого используют перегретый пар под высоким давлением. В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) стремятся к более высоким температурам сгорания топлива, что требует применения новых жаропрочных сплавов.

Понижать температуру холодильника ($ T_{X} $). На тепловых и атомных электростанциях в качестве холодильника часто выступают крупные водоемы (реки, озера). Чем ниже температура охлаждающей воды, тем выше КПД станции.

Уменьшение необратимых потерь. В реальных двигателях КПД всегда ниже, чем у цикла Карно, из-за потерь на трение, теплопроводности через стенки цилиндров, неполного сгорания топлива. Улучшение конструкции, теплоизоляция и оптимизация рабочих процессов (например, использование турбонаддува) позволяют приблизить реальный КПД к теоретическому пределу.

Ответ: Для повышения КПД тепловых двигателей следует увеличивать температуру нагревателя, понижать температуру холодильника и минимизировать необратимые потери энергии, такие как теплопотери и трение.

3. Уменьшение электрических потерь

В электрических устройствах и сетях основные потери связаны с нагревом проводников при прохождении тока (закон Джоуля-Ленца) и с процессами в магнитных полях.

Использование проводников с низким сопротивлением. Применение материалов с высокой электропроводностью (медь, алюминий) и увеличение площади поперечного сечения проводов уменьшает их сопротивление ($ R = \rho \frac{l}{S} $) и, следовательно, тепловые потери ($ P_{потерь} = I^2R $).

Повышение напряжения при передаче энергии. Для снижения потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния по линиям электропередачи (ЛЭП) значительно повышают напряжение. Так как передаваемая мощность $ P = UI $, при повышении напряжения $ U $ для передачи той же мощности требуется меньший ток $ I $, что приводит к квадратичному снижению потерь $ I^2R $.

Оптимизация магнитных систем. В трансформаторах и электродвигателях для уменьшения потерь на гистерезис (перемагничивание) сердечники изготавливают из специальных сортов электротехнической стали. Для борьбы с потерями на вихревые токи сердечники делают шихтованными, то есть набирают из тонких, изолированных друг от друга пластин.

Применение эффективных компонентов. Замена ламп накаливания, где большая часть энергии уходит в тепло, на светодиодные (LED) лампы, имеющие значительно более высокий КПД преобразования электроэнергии в свет.

Ответ: Снижение электрических потерь и повышение КПД достигается за счет использования проводников с низким сопротивлением, повышения напряжения при передаче энергии, оптимизации конструкций трансформаторов и двигателей, а также применения современных энергоэффективных компонентов.