Номер 2, страница 146 - гдз по физике 9 класс учебник Шахмаев, Бунчук

Глава 8. Закон сохранения энергии. Параграф 33. Коэффициент полезного действия - номер 2, страница 146.

Условие.

2. Почему КПД машин и механизмов не может быть равен единице?

Решение.

2. Почему КПД машин и механизмов не может быть равен единице?

Решение

Коэффициент полезного действия (КПД), обозначаемый греческой буквой $ \eta $ (эта), является мерой эффективности машины или механизма. Он показывает, какая часть всей затраченной работы $ A_{з} $ преобразуется в полезную работу $ A_{п} $.
Формула для расчета КПД:
$ \eta = \frac{A_{п}}{A_{з}} $
Для выражения в процентах формулу умножают на 100%: $ \eta = \frac{A_{п}}{A_{з}} \cdot 100\% $.

КПД любой реальной машины или механизма всегда меньше единицы (или 100%) из-за неизбежных потерь энергии, которые происходят в процессе работы. Это связано с фундаментальными законами физики, в частности, с законом сохранения энергии и вторым законом термодинамики.

Основными причинами, по которым затраченная работа всегда больше полезной, являются:
1. Трение. Это главная причина потерь в механических системах. Трение возникает между движущимися частями механизма (например, в подшипниках, между поршнем и цилиндром, в зубчатых передачах). Работа, совершаемая против сил трения, преобразуется во внутреннюю энергию (теплоту), которая нагревает детали механизма и рассеивается в окружающей среде, но не совершает полезной работы.
2. Сопротивление среды. Любой механизм, работающий в реальных условиях, испытывает сопротивление со стороны окружающей среды (воздуха, воды и т.д.). На преодоление этого сопротивления также тратится часть подводимой энергии.
3. Тепловые потери. В тепловых двигателях (например, двигатель внутреннего сгорания) согласно второму закону термодинамики невозможно всю полученную от нагревателя теплоту преобразовать в механическую работу. Часть теплоты неизбежно должна быть передана холодильнику (окружающей среде).
4. Другие виды потерь. К ним можно отнести потери энергии на вибрацию, шум, деформацию деталей, а также потери в электрических и магнитных полях в электромашинах.

Таким образом, полная затраченная работа $ A_{з} $ всегда является суммой полезной работы $ A_{п} $ и работы, затраченной на преодоление всех видов потерь $ A_{потерь} $:
$ A_{з} = A_{п} + A_{потерь} $
Поскольку в любом реальном процессе потери существуют и их работа положительна ($ A_{потерь} > 0 $), то из этого уравнения следует, что полезная работа всегда строго меньше затраченной:
$ A_{п} < A_{з} $
Следовательно, их отношение $ \frac{A_{п}}{A_{з}} $ всегда будет меньше 1.

Гипотетическая машина с КПД, равным единице ($ \eta = 1 $), означала бы полное отсутствие потерь энергии ($ A_{потерь} = 0 $). Такое устройство, способное бесконечно совершать работу без потерь, называется вечным двигателем (perpetuum mobile). Создание вечного двигателя невозможно, так как это противоречит фундаментальным законам природы.

Ответ: КПД машин и механизмов не может быть равен единице, так как при их работе часть затраченной энергии неизбежно теряется (превращается в теплоту и другие виды энергии) из-за действия сил трения, сопротивления среды и прочих физических процессов. Вследствие этих потерь полезная работа всегда оказывается меньше затраченной работы, а их отношение (КПД) — строго меньше единицы.