Definisi dan rumus efisiensi dalam fisika. Apa itu efisiensi

Arti utama rumus (5.12.2) yang diperoleh Carnot untuk efisiensi mesin ideal adalah bahwa rumus tersebut menentukan efisiensi maksimum yang mungkin dari setiap mesin kalor.

Carnot membuktikan, berdasarkan hukum kedua termodinamika*, teorema berikut: ada yang nyata mesin panas bekerja dengan pemanas suhuT 1 dan suhu lemari esT 2 , tidak dapat memiliki efisiensi yang melebihi efisiensi mesin kalor ideal.

* Carnot sebenarnya menetapkan hukum kedua termodinamika sebelum Clausius dan Kelvin, ketika hukum pertama termodinamika belum dirumuskan secara ketat.

Pertama-tama mari kita perhatikan mesin kalor yang beroperasi dalam siklus reversibel dengan gas nyata. Siklusnya bisa apa saja, yang penting suhu pemanas dan lemari esnya sama T 1 Dan T 2 .

Mari kita asumsikan efisiensi mesin kalor lain (tidak beroperasi menurut siklus Carnot) η ’ > η . Mesin beroperasi dengan pemanas umum dan lemari es umum. Biarkan mesin Carnot beroperasi dalam siklus terbalik (seperti mesin pendingin), dan biarkan mesin lainnya beroperasi dalam siklus maju (Gbr. 5.18). Mesin kalor melakukan kerja yang sama dengan, menurut rumus (5.12.3) dan (5.12.5):

Mesin pendingin selalu dapat dirancang sedemikian rupa sehingga dapat menyerap sejumlah panas dari lemari es Q 2 = ||

Kemudian, menurut rumus (5.12.7), akan dilakukan usaha terhadapnya

(5.12.12)

Karena dengan syarat η" > η , Itu SEBUAH" > SEBUAH. Oleh karena itu, mesin kalor dapat menggerakkan mesin pendingin, dan masih terdapat sisa kerja berlebih. Kerja berlebih ini dilakukan oleh panas yang diambil dari satu sumber. Lagi pula, panas tidak berpindah ke lemari es ketika dua mesin beroperasi sekaligus. Namun hal ini bertentangan dengan hukum kedua termodinamika.

Jika kita berasumsi bahwa η > η ", maka Anda dapat membuat mesin lain bekerja dalam siklus terbalik, dan mesin Carnot dalam siklus maju. Kita akan kembali menemui kontradiksi dengan hukum kedua termodinamika. Akibatnya, dua mesin yang beroperasi pada siklus reversibel memiliki efisiensi yang sama: η " = η .

Lain halnya jika mesin kedua beroperasi dengan siklus yang tidak dapat diubah. Jika kita berasumsi η " > η , maka kita akan kembali mengalami kontradiksi dengan hukum kedua termodinamika. Namun asumsinya t|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, atau

Ini adalah hasil utamanya:

(5.12.13)

Efisiensi mesin panas nyata

Rumus (5.12.13) memberikan batas teoritis nilai efisiensi maksimum mesin kalor. Hal ini menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu pemanas dan semakin rendah suhu lemari es, semakin efisien suatu mesin kalor. Hanya pada suhu lemari es yang sama dengan nol mutlak η = 1.

Namun suhu lemari es praktis tidak bisa lebih rendah dari suhu lingkungan. Anda dapat meningkatkan suhu pemanas. Namun, bahan apa pun (benda padat) memiliki ketahanan panas atau ketahanan panas yang terbatas. Ketika dipanaskan, secara bertahap ia kehilangan sifat elastisnya, dan pada suhu yang cukup tinggi ia meleleh.

Kini upaya utama para insinyur ditujukan untuk meningkatkan efisiensi mesin dengan mengurangi gesekan bagian-bagiannya, kehilangan bahan bakar akibat pembakaran tidak sempurna, dll. Peluang nyata untuk meningkatkan efisiensi masih tetap besar di sini. Jadi, untuk turbin uap, suhu uap awal dan akhir kira-kira sebagai berikut: T 1 = 800K dan T 2 = 300 K. Pada suhu ini nilai koefisien maksimum tindakan yang bermanfaat sama dengan:

Nilai efisiensi aktual akibat berbagai jenis kehilangan energi adalah sekitar 40%. Efisiensi maksimum - sekitar 44% - dicapai oleh mesin pembakaran internal.

Efisiensi mesin kalor mana pun tidak boleh melebihi nilai maksimum yang mungkin
, dimana T 1 - suhu absolut pemanas, dan T 2 - suhu absolut lemari es.

Meningkatkan efisiensi mesin kalor dan membawanya mendekati hasil maksimal- tantangan teknis yang paling penting.

Definisi

Secara matematis, pengertian efisiensi dapat dituliskan sebagai:

Di mana A- kerja bermanfaat (energi), dan Q- energi yang dikeluarkan.

Jika efisiensi dinyatakan dalam persentase, maka dihitung dengan rumus:

Di mana Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- panas yang diambil dari ujung dingin (dalam mesin pendingin, kapasitas pendinginan); A (\gaya tampilan A)

Istilah yang digunakan untuk pompa kalor adalah rasio transformasi

Di mana Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- panas kondensasi dipindahkan ke cairan pendingin; A (\gaya tampilan A)- usaha (atau listrik) yang dikeluarkan untuk proses ini.

Di dalam mobil yang sempurna Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), dari sini ke mobil ideal ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)

Siklus terbalik Carnot memiliki indikator kinerja terbaik untuk mesin pendingin: ia memiliki koefisien kinerja

Di mana T Γ (\displaystyle T_(\Gamma )), T X (\displaystyle T_(\mathrm (X) )) -

« Fisika - kelas 10"

Apa yang dimaksud dengan sistem termodinamika dan parameter apa yang menjadi ciri keadaannya.
Nyatakan hukum pertama dan kedua termodinamika.

Penciptaan teori mesin panas inilah yang mengarah pada perumusan hukum kedua termodinamika.

Cadangan energi dalam di kerak bumi dan lautan bisa dikatakan hampir tidak terbatas. Namun untuk menyelesaikan permasalahan praktis, memiliki cadangan energi saja tidak cukup. Energi juga diperlukan untuk menggerakkan peralatan mesin di pabrik dan pabrik, kendaraan, traktor dan mesin lainnya, untuk memutar rotor generator arus listrik, dll. Umat ​​manusia membutuhkan mesin – perangkat yang mampu melakukan pekerjaan. Sebagian besar mesin di Bumi adalah mesin panas.

Mesin panas- ini adalah perangkat yang mengubah energi internal bahan bakar menjadi kerja mekanis.

Prinsip pengoperasian mesin kalor.

Agar suatu mesin dapat melakukan kerja, perlu adanya perbedaan tekanan pada kedua sisi piston mesin atau bilah turbin. Di semua mesin kalor, perbedaan tekanan ini dicapai dengan menaikkan suhu fluida kerja(gas) ratusan atau ribuan derajat dibandingkan dengan suhu lingkungan. Peningkatan suhu ini terjadi ketika bahan bakar dibakar.

Salah satu bagian utama mesin adalah bejana berisi gas dengan piston yang dapat digerakkan. Fluida kerja semua mesin kalor adalah gas, yang melakukan kerja selama pemuaian. Mari kita nyatakan suhu awal fluida kerja (gas) dengan T 1 . Temperatur dalam turbin atau mesin uap ini dicapai oleh uap yang ada di dalam ketel uap. Di mesin pembakaran internal dan turbin gas Kenaikan suhu terjadi ketika bahan bakar terbakar di dalam mesin itu sendiri. Suhu T 1 disebut suhu pemanas.

Peran lemari es.

Saat kerja dilakukan, gas kehilangan energi dan mendingin hingga suhu tertentu T2, yang biasanya sedikit lebih tinggi dari suhu lingkungan. Mereka memanggilnya suhu lemari es. Kulkas adalah atmosfer atau perangkat khusus untuk mendinginkan dan mengembunkan uap limbah - kapasitor. Dalam kasus terakhir, suhu lemari es mungkin sedikit lebih rendah dari suhu lingkungan.

Jadi, dalam suatu mesin, fluida kerja selama pemuaian tidak dapat melepaskan seluruh energi dalamnya untuk melakukan usaha. Sebagian panas pasti berpindah ke lemari es (atmosfer) bersama dengan limbah uap atau gas buang dari mesin pembakaran internal dan turbin gas.

Bagian energi internal bahan bakar ini hilang. Mesin kalor melakukan kerja karena energi internal fluida kerja. Selain itu, dalam proses ini, panas berpindah dari benda yang lebih panas (pemanas) ke benda yang lebih dingin (lemari es). Diagram skematik mesin kalor ditunjukkan pada Gambar 13.13.

Fluida kerja mesin menerima dari pemanas selama pembakaran bahan bakar sejumlah panas Q 1, melakukan kerja A" dan memindahkan sejumlah panas ke lemari es Pertanyaan 2< Q 1 .

Agar mesin dapat beroperasi terus menerus, fluida kerja perlu dikembalikan ke keadaan semula, dimana temperatur fluida kerja sama dengan T 1. Oleh karena itu, mesin beroperasi menurut proses tertutup yang berulang secara berkala, atau, seperti yang mereka katakan, dalam satu siklus.

Siklus adalah serangkaian proses yang mengakibatkan sistem kembali ke keadaan semula.

Koefisien kinerja (efisiensi) suatu mesin kalor.

Ketidakmungkinan transformasi lengkap Energi internal gas selama pengoperasian mesin panas disebabkan oleh proses yang tidak dapat diubah di alam. Jika panas dapat secara spontan kembali dari lemari es ke pemanas, maka energi dalam dapat diubah seluruhnya menjadi pekerjaan yang berguna menggunakan mesin panas apa pun. Hukum kedua termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut:

Hukum kedua termodinamika:
Tidak mungkin menciptakan mesin gerak abadi jenis kedua yang dapat sepenuhnya mengubah panas menjadi kerja mekanis.

Menurut hukum kekekalan energi, usaha yang dilakukan mesin adalah:

SEBUAH" = Q 1 - |Q 2 |, (13.15)

dimana Q 1 adalah jumlah panas yang diterima dari pemanas, dan Q2 adalah jumlah panas yang diberikan ke lemari es.

Koefisien kinerja (efisiensi) suatu mesin kalor adalah perbandingan kerja A” yang dilakukan mesin dengan banyaknya kalor yang diterima dari pemanas:

Karena semua mesin memindahkan sejumlah panas ke lemari es, maka η< 1.

Nilai efisiensi maksimum mesin kalor.

Hukum termodinamika memungkinkan untuk menghitung efisiensi maksimum yang mungkin dari mesin kalor yang beroperasi dengan pemanas pada suhu T1 dan lemari es pada suhu T2, serta menentukan cara untuk meningkatkannya.

Untuk pertama kalinya, efisiensi maksimum yang mungkin dari mesin kalor dihitung oleh insinyur dan ilmuwan Perancis Sadi Carnot (1796-1832) dalam karyanya “Refleksi pada penggerak api dan tentang mesin yang mampu mengembangkan kekuatan ini" (1824).

Carnot menemukan mesin kalor ideal dengan gas ideal sebagai fluida kerjanya. Mesin kalor Carnot yang ideal beroperasi dalam siklus yang terdiri dari dua isoterm dan dua adiabat, dan proses ini dianggap reversibel (Gbr. 13.14). Pertama, wadah berisi gas dikontakkan dengan pemanas, gas mengembang secara isotermal, menghasilkan pekerjaan yang positif, pada suhu T 1, sedangkan ia menerima sejumlah kalor Q 1.

Kemudian bejana diisolasi secara termal, gas terus memuai secara adiabatik, sedangkan suhunya turun hingga suhu lemari es T2. Setelah itu, gas dikontakkan dengan lemari es; selama kompresi isotermal, gas tersebut melepaskan sejumlah panas Q 2 ke lemari es, mengompresi hingga volume V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

Sebagai berikut dari rumus (13.17), efisiensi mesin Carnot berbanding lurus dengan perbedaan suhu mutlak pemanas dan lemari es.

Arti utama dari rumus ini adalah menunjukkan cara untuk meningkatkan efisiensi, untuk itu perlu menaikkan suhu pemanas atau menurunkan suhu lemari es.

Setiap mesin kalor nyata yang beroperasi dengan pemanas pada suhu T1 dan lemari es pada suhu T2 tidak dapat mempunyai efisiensi yang melebihi efisiensi mesin kalor ideal: Proses yang membentuk siklus mesin kalor sebenarnya tidak dapat dibalik.

Rumus (13.17) memberikan batasan teoritis nilai efisiensi maksimum mesin kalor. Hal ini menunjukkan bahwa semakin efisien mesin kalor, semakin besar perbedaan suhu antara pemanas dan lemari es.

Hanya pada suhu lemari es yang sama dengan nol mutlak η = 1. Selain itu, telah dibuktikan bahwa efisiensi yang dihitung dengan rumus (13.17) tidak bergantung pada zat kerja.

Namun suhu lemari es, yang biasanya dimainkan oleh atmosfer, praktis tidak boleh lebih rendah dari suhu udara sekitar. Anda dapat meningkatkan suhu pemanas. Namun, materi apa pun ( padat) memiliki ketahanan panas atau heat resistance yang terbatas. Ketika dipanaskan, secara bertahap ia kehilangan sifat elastisnya, dan bila dipanaskan, ia kehilangan sifat elastisnya suhu tinggi meleleh.

Sekarang upaya utama para insinyur ditujukan untuk meningkatkan efisiensi mesin dengan mengurangi gesekan bagian-bagiannya, kehilangan bahan bakar akibat pembakaran tidak sempurna, dll.

Untuk turbin uap, suhu uap awal dan akhir kira-kira sebagai berikut: T 1 - 800 K dan T 2 - 300 K. Pada suhu ini, nilai efisiensi maksimum adalah 62% (perhatikan bahwa efisiensi biasanya diukur dalam persentase) . Nilai efisiensi aktual akibat berbagai jenis kehilangan energi adalah sekitar 40%. Efisiensi maksimum - sekitar 44% - dicapai oleh mesin Diesel.

Perlindungan lingkungan.

Sulit untuk dibayangkan dunia modern tanpa mesin panas. Merekalah yang memberi kita kehidupan yang nyaman. Mesin panas menggerakkan kendaraan. Sekitar 80% listrik, meskipun terdapat pembangkit listrik tenaga nuklir, dihasilkan menggunakan mesin termal.

Namun, ketika mesin panas dioperasikan, pencemaran lingkungan yang tidak dapat dihindari terjadi. Hal ini merupakan suatu kontradiksi: di satu sisi, umat manusia membutuhkan energi yang semakin banyak setiap tahunnya, yang sebagian besar diperoleh melalui pembakaran bahan bakar, di sisi lain, proses pembakaran mau tidak mau disertai dengan pencemaran lingkungan.

Ketika bahan bakar terbakar, kandungan oksigen di atmosfer berkurang. Selain itu, hasil pembakarannya sendiri membentuk senyawa kimia yang berbahaya bagi organisme hidup. Polusi tidak hanya terjadi di darat, tetapi juga di udara, karena setiap penerbangan pesawat disertai dengan emisi kotoran berbahaya ke atmosfer.

Salah satu akibat dari pengoperasian mesin adalah terbentuknya karbon dioksida, yang menyerap radiasi infra merah dari permukaan bumi, yang menyebabkan peningkatan suhu atmosfer. Inilah yang disebut efek rumah kaca. Pengukuran menunjukkan bahwa suhu atmosfer meningkat sebesar 0,05 °C per tahun. Peningkatan suhu yang terus menerus dapat menyebabkan mencairnya es, yang pada gilirannya akan menyebabkan perubahan ketinggian air di lautan, yaitu banjir di benua.

Mari kita perhatikan satu lagi poin negatif saat menggunakan mesin kalor. Jadi, terkadang air sungai dan danau digunakan untuk mendinginkan mesin. Air panas kemudian dikembalikan kembali. Peningkatan suhu di badan air mengganggu keseimbangan alam; fenomena ini disebut polusi termal.

Untuk melindungi lingkungan, berbagai filter pembersih banyak digunakan untuk mencegah pelepasan zat berbahaya ke atmosfer, dan desain mesin ditingkatkan. Ada perbaikan terus-menerus pada bahan bakar yang menghasilkan lebih sedikit zat berbahaya selama pembakaran, serta teknologi pembakarannya. Sedang dikembangkan secara aktif sumber alternatif energi menggunakan angin, radiasi matahari, energi nuklir. Mobil listrik dan mobil bertenaga surya sudah diproduksi.

Seperti diketahui, pada saat ini belum tercipta mekanisme yang dapat sepenuhnya mengubah satu jenis energi menjadi jenis energi lainnya. Selama pengoperasian, setiap perangkat buatan manusia menghabiskan sebagian energinya untuk melawan gaya atau membuangnya dengan sia-sia. lingkungan. Hal serupa juga terjadi pada rangkaian listrik tertutup. Ketika muatan mengalir melalui konduktor, beban listrik penuh dan berguna akan dilawan. Untuk membandingkan rasionya, Anda perlu menghitung koefisien kinerja (efisiensi).

Mengapa Anda perlu menghitung efisiensi?

Efisiensi suatu rangkaian listrik adalah perbandingan antara panas yang berguna dengan panas total.

Untuk lebih jelasnya, mari kita beri contoh. Pada menemukan efisiensi mesin, dapat ditentukan apakah fungsi operasi utamanya sesuai dengan biaya listrik yang dikonsumsi. Artinya, perhitungannya akan memberikan gambaran yang jelas tentang seberapa baik perangkat mengubah energi yang diterima.

Memperhatikan! Biasanya, koefisien efisiensi tidak memiliki nilai, tetapi ada persentase atau setara numerik dari 0 hingga 1.

Efisiensi ditemukan oleh rumus umum perhitungan untuk semua perangkat secara umum. Namun untuk mendapatkan hasilnya pada suatu rangkaian listrik, pertama-tama Anda harus mencari gaya listrik.

Menemukan arus dalam rangkaian lengkap

Dari ilmu fisika diketahui bahwa setiap generator arus memiliki hambatannya sendiri, yang disebut juga daya internal. Selain pengertian tersebut, sumber listrik juga mempunyai tenaga tersendiri.

Mari kita beri nilai pada setiap elemen rantai:

• resistensi – r;
• kekuatan saat ini – E;

Jadi, untuk mencari kuat arus, yang notasinya adalah I, dan tegangan pada resistor - U, diperlukan waktu - t, dengan lewatnya muatan q = lt.

Karena daya listriknya konstan, maka kerja generator diubah seluruhnya menjadi panas yang dilepaskan ke R dan r. Jumlah ini dapat dihitung dengan menggunakan hukum Joule-Lenz:

Q = I2 + I2 rt = I2 (R + r) t.

Kemudian ruas kanan rumusnya disamakan:

EIt = I2 (R + r) t.

Setelah dilakukan pengurangan maka diperoleh perhitungan :

Dengan menyusun ulang rumus tersebut, hasilnya adalah:

Nilai akhir ini akan menjadi gaya listrik pada perangkat ini.

Setelah melakukan perhitungan awal dengan cara ini, efisiensi sekarang dapat ditentukan.

Perhitungan efisiensi rangkaian listrik

Daya yang diterima dari sumber arus disebut dikonsumsi, definisinya ditulis - P1. Jika ini kuantitas fisik berpindah dari generator ke rangkaian lengkap, dianggap berguna dan ditulis - P2.

Untuk menentukan efisiensi suatu rangkaian, perlu diingat hukum kekekalan energi. Sesuai dengan itu, daya penerima P2 akan selalu lebih kecil dari konsumsi daya P1. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa selama pengoperasian di penerima selalu ada pemborosan energi yang dikonversi, yang dihabiskan untuk memanaskan kabel, selubungnya, arus eddy, dll.

Untuk mengetahui penilaian sifat-sifat konversi energi diperlukan suatu efisiensi yang sama dengan perbandingan daya P2 dan P1.

Jadi, mengetahui semua nilai indikator yang membentuk rangkaian listrik, kami menemukan pengoperasiannya yang berguna dan lengkap:

• Dan bermanfaat. = qU = IUt =I2Rt;
• Dan jumlah = qE = IEt = I2(R+r)t.

Sesuai dengan nilai-nilai ini, kami menemukan kekuatan sumber saat ini:

• P2 = A berguna /t = IU = I2 R;
• P1 = Jumlah /t = YAITU = I2 (R + r).

Setelah menyelesaikan semua langkah, kami memperoleh rumus efisiensi:

n = A berguna / A total = P2 / P1 =U / E = R / (R +r).

Rumus ini ternyata R berada di atas tak terhingga, dan n di atas 1, namun dengan semua itu, arus dalam rangkaian tetap pada posisi rendah, dan daya manfaatnya kecil.

Semua orang ingin menemukannya Peningkatan efisiensi makna. Untuk melakukan ini, perlu dicari kondisi di mana P2 akan maksimum. Nilai optimalnya adalah:

• P2 = I2 R = (E / R + r)2 R;
• dP2 / dR = (E2 (R + r)2 - 2 (r + R) E2 R) / (R + r)4 = 0;
• E2 ((R + r) -2R) = 0.

Dalam persamaan ini, E dan (R + r) tidak sama dengan 0, oleh karena itu ekspresi dalam tanda kurung sama dengan itu, yaitu (r = R). Maka ternyata daya mempunyai nilai maksimum dan efisiensi = 50%.

Efisiensi merupakan suatu ciri efisiensi pengoperasian suatu alat atau mesin. Efisiensi didefinisikan sebagai rasio energi berguna yang dihasilkan sistem dengan jumlah total energi yang disuplai ke sistem. Efisiensi adalah nilai yang tidak berdimensi dan sering kali ditentukan dalam persentase.

Formula 1 - efisiensi

Di mana- A pekerjaan yang berguna

—Q total pekerjaan yang dikeluarkan

Sistem apa pun yang melakukan pekerjaan apa pun harus menerima energi dari luar, yang dengannya pekerjaan itu akan dilakukan. Ambil contoh, transformator tegangan. Tegangan listrik 220 volt disuplai ke input, dan 12 volt dialihkan dari output ke daya, misalnya lampu pijar. Jadi trafo mengubah energi pada masukan menjadi nilai yang diperlukan agar lampu akan beroperasi.

Namun tidak semua energi yang diambil dari jaringan akan sampai ke lampu, karena terdapat rugi-rugi pada trafo. Misalnya saja hilangnya energi magnet pada inti transformator. Atau hilangnya resistansi aktif belitan. Di mana energi listrik akan berubah menjadi panas sebelum mencapai konsumen. Energi panas ini tidak berguna dalam sistem ini.

Karena rugi-rugi daya tidak dapat dihindari dalam sistem apa pun, efisiensinya selalu di bawah satu.

Efisiensi dapat dipertimbangkan untuk keseluruhan sistem, yang terdiri dari banyak bagian individual. Jadi, jika Anda menentukan efisiensi setiap bagian secara terpisah, maka efisiensi total akan sama dengan hasil kali koefisien efisiensi semua elemennya.

Kesimpulannya, kita dapat mengatakan bahwa efisiensi menentukan tingkat kesempurnaan perangkat apa pun dalam hal transmisi atau konversi energi. Ini juga menunjukkan berapa banyak energi yang disuplai ke sistem dihabiskan untuk pekerjaan yang bermanfaat.