Номер 4, страница 146 - гдз по физике 9 класс учебник Шахмаев, Бунчук

Глава 8. Закон сохранения энергии. Параграф 33. Коэффициент полезного действия - номер 4, страница 146.

Условие.

4. Как можно увеличить КПД?

Решение.

Решение

Коэффициент полезного действия (КПД) — это величина, показывающая, какая доля от всей затраченной энергии ($E_{затраченная}$) преобразуется в полезную работу или энергию ($E_{полезная}$). Он рассчитывается по формуле:
$\eta = \frac{E_{полезная}}{E_{затраченная}} \cdot 100\%$
Так как любая реальная система имеет неизбежные потери энергии (например, на трение, нагрев окружающих тел), затраченная энергия всегда больше полезной: $E_{затраченная} = E_{полезная} + E_{потерь}$. Поэтому КПД всегда меньше 100%. Формулу можно представить в виде:
$\eta = 1 - \frac{E_{потерь}}{E_{затраченная}}$
Из этой формулы следует основной и универсальный способ увеличения КПД — максимальное снижение потерь энергии. Конкретные способы снижения потерь зависят от типа системы (механической, тепловой, электрической и т.д.).

Способы увеличения КПД в механических системах
В механике основные потери энергии происходят из-за силы трения и сопротивления среды. Для увеличения КПД необходимо:
1. Уменьшать трение между движущимися частями механизма. Это достигается путем:
• применения смазочных материалов (масел, смазок);
• замены трения скольжения трением качения (использования шариковых и роликовых подшипников);
• тщательной шлифовки и полировки соприкасающихся поверхностей;
• использования материалов с низким коэффициентом трения.
2. Уменьшать сопротивление среды (воздуха, воды), придавая движущимся телам обтекаемую (аэродинамическую или гидродинамическую) форму.
Ответ: В механике для увеличения КПД следует уменьшать силы трения и сопротивления среды за счет смазки, использования подшипников и придания телам обтекаемой формы.

Способы увеличения КПД в тепловых двигателях
Эффективность тепловых двигателей принципиально ограничена законами термодинамики. Максимально возможный КПД для идеального теплового двигателя (работающего по циклу Карно) определяется формулой:
$\eta_{max} = \frac{T_{нагр} - T_{хол}}{T_{нагр}} = 1 - \frac{T_{хол}}{T_{нагр}}$
где $T_{нагр}$ — абсолютная температура нагревателя (источника тепла), а $T_{хол}$ — абсолютная температура холодильника (среды, куда отводится тепло). Чтобы увеличить КПД реального двигателя, необходимо стремиться к:
1. Повышению температуры нагревателя ($T_{нагр}$). Например, использовать топливо, сгорающее при более высокой температуре, или более жаропрочные материалы в конструкции.
2. Понижению температуры холодильника ($T_{хол}$). Например, обеспечивать более эффективное охлаждение отработанных газов.
Кроме того, в реальных двигателях важно уменьшать прямые потери тепла в окружающую среду за счет качественной теплоизоляции.
Ответ: Для увеличения КПД тепловых двигателей необходимо повышать температуру рабочего тела (нагревателя) и понижать температуру отработанных газов (холодильника), а также минимизировать утечки тепла.

Способы увеличения КПД в электрических цепях и устройствах
В электротехнике основные потери связаны с нагревом проводников при прохождении тока (эффект Джоуля-Ленца) и с перемагничиванием сердечников в трансформаторах и электродвигателях. Для увеличения КПД нужно:
1. Уменьшать тепловые потери в проводах. Количество теплоты, выделяемое в проводнике, описывается законом Джоуля-Ленца $Q = I^2Rt$. Для его снижения:
• используют проводники из материалов с низким удельным сопротивлением ($\rho$), например, из меди или алюминия;
• увеличивают площадь поперечного сечения провода ($\text{S}$), так как сопротивление $R = \rh°\frac{l}{S}$;
• при передаче электроэнергии на большие расстояния значительно повышают напряжение ($\text{U}$) в линии электропередач. Это позволяет при той же передаваемой мощности ($P=UI$) уменьшить силу тока ($\text{I}$), что ведет к резкому снижению потерь, пропорциональных квадрату тока ($I^2$).
2. Уменьшать потери в трансформаторах и электродвигателях. Это достигается использованием сердечников из специальных сортов электротехнической стали и их изготовлением из тонких, изолированных друг от друга пластин (шихтование) для борьбы с вихревыми токами.
Ответ: В электротехнике КПД повышают за счет использования проводников с низким сопротивлением, увеличения напряжения при передаче энергии на большие расстояния и применения специальных материалов и конструкций в электромагнитных устройствах.