Номер 4, страница 134 - гдз по физике 7 класс учебник Громов, Родина

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

Условие.

Решение.

Коэффициент полезного действия (КПД), обозначаемый греческой буквой $ \eta $ (эта), является мерой эффективности системы в преобразовании энергии. Он определяется как отношение полезной работы (или энергии) $ A_{полезная} $ к полной затраченной работе (или энергии) $ A_{затраченная} $.

Формула для КПД: $ \eta = \frac{A_{полезная}}{A_{затраченная}} \cdot 100\% $.

Поскольку часть затраченной энергии всегда теряется (превращается в нежелательные виды энергии, например, в теплоту из-за трения), КПД всегда меньше 100%. Увеличить КПД означает уменьшить долю бесполезно теряемой энергии. Существует несколько основных способов для этого, применимых в разных областях физики и техники.

1. Уменьшение потерь на трение в механизмах

Трение является одним из главных источников потерь энергии в движущихся механизмах. Энергия, затрачиваемая на преодоление сил трения, превращается во внутреннюю энергию (теплоту), которая рассеивается в окружающей среде. Способы уменьшения трения:
- Замена трения скольжения трением качения. Например, использование шариковых или роликовых подшипников вместо втулок скольжения.
- Применение смазочных материалов (масел, смазок) между трущимися поверхностями.
- Шлифовка и полировка контактирующих поверхностей для уменьшения их шероховатости.
- Использование материалов с низким коэффициентом трения (например, тефлон).

2. Уменьшение сопротивления среды

При движении тел в газе или жидкости (например, автомобилей, самолетов, кораблей) возникает сила сопротивления среды, на преодоление которой затрачивается энергия. Для уменьшения этих потерь придают телам обтекаемую (аэродинамическую или гидродинамическую) форму, что снижает вихреобразование и лобовое сопротивление.

3. Повышение эффективности тепловых двигателей

КПД идеального теплового двигателя (работающего по циклу Карно) зависит от температуры нагревателя ($T_{нагревателя}$) и температуры холодильника ($T_{холодильника}$): $ \eta_{max} = \frac{T_{нагревателя} - T_{холодильника}}{T_{нагревателя}} = 1 - \frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}} $. Температуры здесь абсолютные (в Кельвинах). Из формулы следует, что для повышения КПД необходимо:
- Повышать температуру нагревателя. В двигателях внутреннего сгорания это означает повышение температуры сгорания топлива.
- Понижать температуру холодильника. В реальных условиях это температура отработанных газов или окружающей среды, которую сложно существенно понизить.
Также для реальных двигателей важно обеспечить наиболее полное сгорание топлива и уменьшить потери тепла через стенки цилиндров.

4. Снижение электрических потерь

При протекании электрического тока по проводникам часть энергии теряется в виде тепла (закон Джоуля-Ленца: $ Q = I^2Rt $). Чтобы уменьшить эти потери:
- Используют проводники из материалов с низким удельным сопротивлением ($ \rho $), например, из меди или алюминия.
- Увеличивают площадь поперечного сечения проводника ($ S $), так как сопротивление обратно пропорционально площади ($ R = \rho \frac{l}{S} $).
- При передаче электроэнергии на большие расстояния значительно повышают напряжение ($ U $) и, соответственно, уменьшают силу тока ($ I $), так как передаваемая мощность $ P = UI $. Это позволяет кардинально снизить тепловые потери, пропорциональные квадрату силы тока ($ I^2 $).

Ответ: Для увеличения КПД необходимо уменьшать бесполезные потери энергии. Основные способы:
1. В механике: уменьшение трения (использование подшипников качения, смазки, полировка поверхностей) и сопротивления среды (придание телам обтекаемой формы).
2. В тепловых двигателях: повышение температуры нагревателя (рабочего тела) и, по возможности, понижение температуры холодильника.
3. В электротехнике: использование проводников с малым удельным сопротивлением и большим сечением, а также повышение напряжения при передаче электроэнергии на большие расстояния для уменьшения силы тока.