Коэффициент полезного действия
Когда в какой-нибудь машине совершается работа за счет затрачиваемой энергии, то нужно отличать так называемую полезную работу от полной совершенной работы.
Полезная работа - это та работа, для выполнения которой создана и используется машина. Например, для подъемного крана - это работа подъема груза, для токарного станка - работа против сил трения изделия о резец и т. д.
Но в любой машине, в любом двигателе полезная работа всегда меньше полной работы, потому что всегда существуют силы трения, отрицательная работа которых приводит к нагреванию различных частей машины или двигателя. А нагревание нельзя считать полезным результатом работы машины, предназначенной для совершения механической работы. Нагревание приводит к тому, что часть энергии, подведенной к двигателю, преобразуется не в механическую энергию, а во внутреннюю, которая обычно не может быть использована для совершения работы.
Каждая машина, каждый двигатель или механизм характеризуется поэтому особой величиной, показывающей, насколько эффективно используется подводимая к ней энергия. Эта величина называется коэффициентом полезного действия (сокращенно к.п.д.).
Коэффициентом полезного действия машины или двигателя называется отношение полезной работы к полной совершенной работе.
Можно также говорить о к.п.д. генератора, в котором один вид энергии преобразуется в другой. Генератором, например, служит динамо-машина, в которой механическая энергия превращается в электрическую. Из-за работы сил трения и некоторых других причин количество полученной электрической энергии всегда несколько меньше затрачиваемой турбиной механической энергии. В свою очередь механическая энергия турбины меньше затраченной на ее вращение теплоты и т. д.
Коэффициентом полезного действия генератора называется отношение полученной полезной энергии к затраченной.
К.п.д. никогда не может быть больше единицы. В реальных машинах, двигателях и генераторах он всегда меньше единицы из-за неизбежных потерь энергии, вызванных прежде всего отрицательной работой сил трения. Но есть еще н другие, немеханические причины потерь энергии.
Подчеркнем еще раз, что слово «потеря» не означает исчезновение энергии. Оно только означает, что часть энергии превращается не в то, что нужно, и теряется для полезного использования.
Коэффициент полезного действия выражается в процентах. Если к.п.д. обозначить буквой $\eta$ (греческая буква «эта»), полезную работу (или энергию) через $A_{п}$, а затраченную работу (энергию) через $A_{з}$, то
$\eta = \frac{A_{п} }{A_{з} } 100$ %.
Задача 1. Подъемный кран приводится в действие двигателем мощностью 10 кет. Сколько времени потребуется для доставки на высоту 50 м груза массой 2 т, если к.п.д. двигателя равен 75%?
Решение. С помощью крана должна быть выполнена полезная работа
$A_{п} = mgh$.
Вся произведенная работа $A_{з}$ выражается формулой
$A_{з} = Nt$,
где $N$ - мощность двигателя, а $t$ - время работы крана.
Согласно условию задачи полезно используется только 75% работы двигателя. Поэтому
$A_{п} = 0,75 Nt$,
Отсюда $t = \frac{A_{н} }{0,75N} = \frac{mgh}{0,75N}$,
$t = \frac{2000 кг \cdot 9,8 \frac{м}{с^{2} } \cdot 50 м}{ 0,75 \cdot 10^{4} \frac{Дж}{c}} \approx 130 с$.
Задача 2. Автомобиль массой 2 т с включенными тормозами спускается с постоянной скоростью по горной дороге и проходит участок пути, опустившись по высоте на 80 м. Какое количество энергии $Q$ выделилось в тормозах?
Решение. Если бы тормоза не были включены, то убыль потенциальной энергии была бы равна приросту кинетической энергии. Но так как автомобиль двигался с постоянной скоростью, то кинетическая энергия при спуске не увеличилась. Следовательно, вся потерянная потенциальная энергия перешла во внутреннюю, т. е.
$Q = mg(h_{1} - h_{2})$.
Подставив числовые данные, получим
$Q = 2000 кг \cdot 9,8 \frac{м}{с^{2} } \cdot 80 м \approx 16 \cdot 10^{6} Дж$.