что такое кпд в школе
Коэффициент полезного действия (КПД)
КПД: понятие коэффициента полезного действия
Представьте, что вы пришли на работу в офис, выпили кофе, поболтали с коллегами, посмотрели в окно, пообедали, еще посмотрели в окно — вот и день прошел. Если вы не сделали ни одного дела по работе, то можно считать, что ваш коэффициент полезного действия равен нулю.
В обратной ситуации, когда вы сделали все запланированное — КПД равен 100%.
По сути, КПД — это процент полезной работы от работы затраченной.
Вычисляется по формуле:
Формула КПД
η = (Aполезная/Aзатраченная) * 100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Aполезная — полезная работа [Дж]
Aзатраченная — затраченная работа [Дж]
Есть такое философское эссе Альбера Камю «Миф о Сизифе». Оно основано на легенде о неком Сизифе, который был наказан за обман. Его приговорили после смерти вечно таскать огромный булыжник вверх на гору, откуда этот булыжник скатывался, после чего Сизиф тащил его обратно в гору. То есть он делал совершенно бесполезное дело с нулевым КПД. Есть даже выражение «Сизифов труд», которое описывает какое-либо бесполезное действие.
Давайте пофантазируем и представим, что Сизифа помиловали и камень с горы не скатился. Тогда, во-первых, Камю бы не написал об этом эссе, потому что никакого бесполезного труда не было. А во-вторых, КПД в таком случае был бы не нулевым.
Полезная работа в этом случае равна приобретенной булыжником потенциальной энергии. Потенциальная энергия прямо пропорционально зависит от высоты: чем выше расположено тело, тем больше его потенциальная энергия. То есть, чем выше Сизиф прикатил камень, тем больше потенциальная энергия, а значит и полезная работа.
Потенциальная энергия
Еп = mg
Еп — потенциальная энергия [Дж]
g — ускорение свободного падения [м/с^2]
На планете Земля g ≃ 9,8 м/с^2
Затраченная работа здесь — это механическая работа Сизифа. Механическая работа зависит от приложенной силы и пути, на протяжении которого эта сила была приложена.
Механическая работа
А = FS
A — механическая работа [Дж]
F — приложенная сила [Н]
И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная?
Все очень просто! Задаем два вопроса:
В примере выше процесс происходит ради того, чтобы тело поднялось на какую-то высоту, а значит — приобрело потенциальную энергию (для физики это синонимы). Происходит процесс за счет энергии, затраченной Сизифом — вот и затраченная работа.
КПД в механике
Главный секрет заключается в том, что эта формула подойдет для всех видов КПД.
η = (Aполезная/Aзатраченная) * 100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Aполезная — полезная работа [Дж]
Aзатраченная — затраченная работа [Дж]
Дальше мы просто заменяем полезную и затраченную работы на те величины, которые ими являются.
Давайте разберемся на примере задачи.
Задача
Чтобы вкатить санки массой 4 кг в горку длиной 12 метров, мальчик приложил силу в 15 Н. Высота горки равна 2 м. Найти КПД этого процесса. Ускорение свободного падения принять равным g ≃9,8 м/с^2
Запишем формулу КПД.
η = (Aполезная/Aзатраченная) * 100%
Теперь задаем два главных вопроса:
Ради чего все это затеяли?
Чтобы санки в горку поднять — то есть ради приобретения телом потенциальной энергии. Значит в данном процессе полезная работа равна потенциальной энергии санок.
Потенциальная энергия
Еп = mgh
Еп — потенциальная энергия [Дж]
g — ускорение свободного падения [м/с^2]
На планете Земля g ≃9,8 м/с^2
За счет чего процесс происходит?
За счет мальчика, он же тянет санки. Значит затраченная работа равна механической работе
Механическая работа
А = FS
A — механическая работа [Дж]
F — приложенная сила [Н]
Заменим формуле КПД полезную работу на потенциальную энергию, а затраченную — на механическую работу:
η = Eп/A * 100% = mgh/FS * 100%
η = 4*9,8*2/15*12 * 100% = 78,4/180 * 100% ≃ 43,6 %
Ответ: КПД процесса приблизительно равен 43,6 %
КПД в термодинамике
В термодинамике КПД — очень важная величина. Она полностью определяет эффективность такой штуки, как тепловая машина.
Схема теплового двигателя выглядит так:
У теплового двигателя обязательно есть нагреватель, который (не может быть!) нагревает рабочее тело, передавая ему количество теплоты Q1 или Qнагревателя (оба варианта верны, это зависит лишь от учебника, в котором вы нашли формулу).
Оставшееся количество теплоты Q2 или Qхолодильника отводится к холодильнику, после чего возвращается к нагревателю и процесс повторяется.
КПД такой тепловой машины будет равен:
КПД тепловой машины
η = (Aполезная/Qнагревателя) * 100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Aполезная — полезная работа (механическая) [Дж]
Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя[Дж]
Если мы выразим полезную (механическую) работу через Qнагревателя и Qхолодильника, мы получим:
A = Qнагревателя — Qхолодильника.
Подставим в числитель и получим такой вариант формулы.
КПД тепловой машины
η = Qнагревателя — Qхолодильника/Qнагревателя * 100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя[Дж]
Qхолодильника — количество теплоты, отданное холодильнику [Дж]
А возможно ли создать тепловую машину, которая будет работать только за счет охлаждения одного тела?
Точно нет! Если у нас не будет нагревателя, то просто нечего будет передавать на механическую работу. Любой такой процесс — когда энергия не приходит из ниоткуда — означал бы возможность существования вечного двигателя.
Поскольку свидетельств такого процесса в мире не существует, то мы можем сделать вывод: вечный двигатель невозможен. Это второе начало термодинамики.
Запишем его, чтобы не забыть:
Невозможно создать периодическую тепловую машину за счет охлаждения одного тела без изменений в других телах.
Задача
Найти КПД тепловой машины, если рабочее тело получило от нагревателя 20кДж, а отдало холодильнику 10 кДж.
Решение:
Возьмем формулу для расчета КПД:
η = Qнагревателя — Qхолодильника/Qнагревателя * 100%
η = 20 — 10/20 *100% = 50%
Ответ: КПД тепловой машины равен 50%
Идеальная тепловая машина: цикл Карно
Давайте еще чуть-чуть пофантазируем: какая она — идеальная тепловая машина. Кажется, что это та, у которой КПД равен 100%.
На самом деле понятие «идеальная тепловая машина» уже существует. Это тепловая машина, у которой в качестве рабочего тела взят идеальный газ. Такая тепловая машина работает по циклу Карно. Зависимость давления от объема в этом цикле выглядит следующим образом
А КПД для цикла Карно можно найти через температуры нагревателя и холодильника.
КПД цикла Карно
η = Tнагревателя — Tхолодильника /Tнагревателя *100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Tнагревателя — температура нагревателя[Дж]
Tхолодильника — температура холодильника [Дж]
КПД в электродинамике
Мы каждый день пользуемся различными электронными устройствами: от чайника до смартфона, от компьютера до робота-пылесоса — и у каждого устройства можно определить, насколько оно эффективно выполняет задачу, для которой оно предназначено, просто посчитав КПД.
η = Aполезная/Aзатраченная *100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Aполезная — полезная работа [Дж]
Aзатраченная — затраченная работа [Дж]
Для электрических цепей тоже есть нюансы. Давайте разбираться на примере задачи.
Задачка, чтобы разобраться
Найти КПД электрического чайника, если вода в нем приобрела 22176 Дж тепла за 2 минуты, напряжение в сети — 220 В, а сила тока в чайнике 1,4 А.
Решение:
Цель электрического чайника — вскипятить воду. То есть его полезная работа — это количество теплоты, которое пошло на нагревание воды. Оно нам известно, но формулу вспомнить все равно полезно 😉
Количество теплоты, затраченное на нагревание
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
Работает чайник, потому что в розетку подключен. Затраченная работа в данном случае — это работа электрического тока.
Работа электрического тока
A = (I^2)*Rt = (U^2)/R *t = UIt
A — работа электрического тока [Дж]
R — сопротивление [Ом]
То есть в данном случае формула КПД будет иметь вид:
η = Q/A *100% = Q/UIt *100%
Переводим минуты в секунды — 2 минуты = 120 секунд. Теперь намм известны все значения, поэтому подставим их:
η = 22176/220*1,4*120 *100% = 60%
Ответ: КПД чайника равен 60%.
Давайте выведем еще одну формулу для КПД, которая часто пригождается для электрических цепей, но применима ко всему. Для этого нужна формула работы через мощность:
Работа электрического тока
A — работа электрического тока [Дж]
Подставим эту формулу в числитель и в знаменатель, учитывая, что мощность разная — полезная и затраченная. Поскольку мы всегда говорим об одном процессе, то есть полезная и затраченная работа ограничены одним и тем же промежутком времени, можно сократить время и получить формулу КПД через мощность.
η = Pполезная/Pзатраченная *100%
η — коэффициент полезного действия [%]
Pполезная — полезная мощность [Дж]
Pзатраченная — затраченная мощность [Дж]
Понятие КПД: определение, формула и применение в физике
Физика — это наука, которая изучает процессы, происходящие в природе. Наука эта очень интересная и любопытная, ведь каждому из нас хочется удовлетворить себя ментально, получив знания и понимание того, как и что в нашем мире устроено. Физика, законы которой выводились не одно столетие и не одним десятком ученных, помогает нам с этой задачей, и мы должны только радоваться и поглощать предоставленные знания.
Но в то же время физика — наука далеко непростая, как, собственно, и сама природа, но разобраться в ней было бы очень интересно. Сегодня мы будем говорить о коэффициенте полезного действия. Мы узнаем, что такое КПД и зачем он нужен. Рассмотрим все наглядно и интересно.
Определение и расшифровка КПД
Расшифровка аббревиатуры — коэффициент полезного действия. Однако и такое толкование с первого раза может оказаться не особо понятным. Этим коэффициентом характеризуется эффективность системы или какого-либо отдельного тела, а чаще — механизма. Эффективность характеризуется отдачей или преобразованием энергии.
Этот коэффициент применим практически ко всему, что нас окружает, и даже к нам самим, причём в большей степени. Ведь совершаем мы полезную работу все время, только вот как часто и насколько это важно, уже другой вопрос, с ним и используется термин «КПД».
Важно учесть, что этот коэффициент — величина неограниченная, она, как правило, представляет собой либо математические значения, к примеру, 0 и 1, либо же, как это чаще бывает — в процентах.
В физике этот коэффициент обозначается буквой Ƞ, или, как её привыкли называть, Эта.
Полезная работа
При использовании каких-либо механизмов или устройств мы обязательно совершаем работу. Она, как правило, всегда больше той, что необходима нам для выполнения поставленной задачи. Исходя из этих фактов различается два типа работы: это затраченная, которая обозначается большой буквой, А с маленькой з (Аз), и полезная — А с буквой п (Ап). Для примера, возьмем такой случай: у нас есть задача поднять булыжник определенной массой на определенную высоту. В этом случае работа характеризует только преодоление силы тяжести, которая, в свою очередь, действует на груз.
В случае когда для подъема применяется какое-либо устройство, кроме силы тяжести булыжника, важно учесть еще и силу тяжести частей этого устройства. И кроме всего этого, важно помнить, что, выигрывая в силе, мы всегда будем проигрывать в пути. Все эти факты приводят к одному выводу, что затрачиваемая работа в любом варианте окажется больше полезной, Аз > Ап, вопрос как раз заключается в том, насколько её больше, ведь можно максимально сократить эту разницу и тем самым увеличить КПД, наш или нашего устройства.
Полезная работа — это часть затрачиваемой, которую мы совершаем, используя механизм. А КПД — это как раз та физическая величина, которая показывает, какую часть составляет полезная работа от всей затраченной.
Итог:
Физическая формула КПД
Существует определенная формула для нахождения КПД. Она звучит следующим образом: чтобы найти КПД в физике, нужно количество энергии разделить на проделанную системой работу. То есть КПД — это отношение затраченной энергии к выполненной работе. Отсюда можно сделать простой вывод, что тем лучше и эффективнее система или тело, чем меньше энергии затрачивается на выполнение работы.
Сама формула выглядит кратко и очень просто Ƞ будет равняться A/Q. То есть Ƞ = A/Q. В этой краткой формулы и фиксируют нужные нам элементы для вычисления. То есть A в этом случае является использованной энергией, которая потребляется системой во время работы, а большая буква Q, в свою очередь, будет являться затраченной A, или опять же затраченной энергией.
В идеале КПД равен единице. Но, как это обычно бывает, он её меньше. Так происходит по причине физики и по причине, конечно же, закона о сохранении энергии.
Все дело в том, что закон сохранения энергии предполагает, что не может быть получено больше А, чем получено энергии. И даже единице этот коэффициент будет равняться крайне редко, поскольку энергия тратится всегда. И работа сопровождается потерями: к примеру, у двигателя потеря заключается в его обильном нагреве.
Ƞ=А/Q, где
Применение в разных сферах физики
Примечательно, что КПД не существует как понятие нейтральное, для каждого процесса есть свой КПД, это не сила трения, он не может существовать сам по себе.
Рассмотрим несколько из примеров процессов с наличием КПД.
К примеру, возьмем электрический двигатель. Задача электрического двигателя — преобразовывать электрическую энергию в механическую. В этом случае коэффициентом будет являться эффективность двигателя в отношении преобразования электроэнергии в энергию механическую. Для этого случая также существует формула, и выглядит она следующим образом: Ƞ=P2/P1. Здесь P1 — это мощность в общем варианте, а P2 — полезная мощность, которую вырабатывает сам двигатель.
Нетрудно догадаться что структура формулы коэффициента всегда сохраняется, меняются в ней лишь данные, которые нужно подставить. Они зависят от конкретного случая, если это двигатель, как в случае выше, то необходимо оперировать затрачиваемой мощностью, если работа, то исходная формула будет другая.
Теперь мы знаем определение КПД и имеем представление об этом физическом понятии, а также об отдельных его элементах и нюансах. Физика — это одна из самых масштабных наук, но её можно разобрать на маленькие кусочки, чтобы понять. Сегодня мы исследовали один из этих кусочков.
Видео
Это видео поможет вам понять, что такое КПД.
Проект урока по физике на тему «Коэффициент полезного действия». 7-й класс
Разделы: Физика
Класс: 7
| 1. Организационный момент | Прозвенел звонок веселый. Вы начать урок готовы? |
Садитесь ребята.
Будем слушать, рассуждать,
И друг другу помогать.
А уроке будь старательным!
Будь спокойным и внимательным!
Какую тему мы повторяли на прошлом уроке?
Сегодня на уроке мы продолжим изучать тему “Простые механизмы”, познакомимся с новой физической величиной.
Откройте тетради. Запишите сегодняшнее число 25.04.13.
Подготовившиеся ребята, дают ответы по плану.
2. Чтобы получать выигрыш в силе.
1. Блок представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме. Подвижный и неподвижный блок. Выигрыша в работе блок не дает. Применяется для поднятия грузов, при этом подвижный блок дает выигрыш в силе.
Рычаг находится в равновесии, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил. Выигрыша в работе нет. Применяют рычаг в технике (педаль автомобиля, подъемный кран), быту (ножницы, весы), природе.
За каждое последующее правильно выполненное задание вы будете оценивать себя и ставить в тетради 1 балл.
4. Поставьте в соответствии простому механизму его виды. (приложение 2)
Ученик на интерактивной доске перетаскивает слова в соответствующую ячейку.
Учителем открывается правильный ответ и проверяется ответ ученика.
В) Расставьте на доске силы, действующие на рычаг, отметьте плечи и точку опоры.
Г) В тетради расставьте силы, действующие на рычаг, отметьте плечи и точку опоры.
Д) Найдите ошибку в рисунке.
Е) Запиши формулу в тетради
3. Правило равновесия рычага
5. Выигрыш в силе подвижного блока.
После выполненного задания на доске появляются правильные ответы и команда учителя: “Проверь себя”. Ученики ставят себе за каждую формулу баллы.
Ж) Сделай правильное соединение. Один ученик на доске выпоняет. А все ученики у себя в тетрадях пишут для физисеской величины ей соответствующую единицу измерения.
Выполняющий у доски называет для данных физических величин единицы измерения, остальные ученики проверяют и оценивают себя.
Блок подвижный, поэтому F=P/2=10Н.
Ученик открывает ответ и дает объяснения.
F=P=250H. Два блока, подвижный дает выигрыш в силе в 2 раза, неподвижный не дает выигрыша в силе.
Ученик на интерактивной доске расставляет силы, действующие на рычаг, отмечает плечи и точку опоры.
Ученики выполняют в тетрадях, а на интерактивной доске открывается ответ и они проверяют.
Против длинного плеча должна лежать большая сила.
Выделенные буквы в кроссворде показывают тему сегодняшнего урока. Назовите тему урока. Как расшифровать КПД?
Запишите в тетради тему урока. “Коэффициет полезного действия”.
Ребята, а кто знает что такое КПД? Где слышали?
Вы хотите узнать, что такое КПД?
Давайте составим план, по которому изучим новую физическую величину. Предложите.
План изучения новой физической величины:
Учитель записывает на доске каждый пункт плана:
План изучения новой физической величины:
Итак, для изучения новой физической величины мы должы ответить на каждый пункт плана.
Ответим на первый пункт плана.
Откройте учебник на странице 150. Найдите определение. Прочитайте. Кто может ответить, что такое КПД?
Работу, совершенную телом при движении по наклонной плоскости мы вычисляли, но не учитывали, что часть работы совершается против сил трения в механизме и по перемещению его отдельных частей.
Рассмотрим наклонную плоскость и поднимем по ней тело.
Работа полезная заключается в том, чтобы поднять тело на высоту h.
Ребята, какая работа называется полезной?
Какая работа называется полной?
Учитель открывает и еще раз проговаривается определение и формулы для полной и полезной работы.
2. Как обозначается?
4 Единицы измерения.
5. Как определить КПД. простого мехаизма?
Из чего состоит полная работа?
Рассмотрите и по картинке назовите в чем заключается полезная и полная работа при подъеме мальчиком раычага?
Конспект и презентация для урока по теме «КПД»
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Выбранный для просмотра документ samoanaliz-uroka-po-fizike.doc
Предлагаемый урок по теме «Коэффициент полезного действия» входит в раздел темы «Работа и мощность. Энергия», на которую отводится в программе 13 часов. Тип данного урока – комбинированный (изучение нового материала, формирование и совершенствование навыков и умений).
Урок построен в соответствии с программными требованиями. Основной целью обучения физики в школе является – представление о физических законах природы, формирование физических взглядов и принципов, а задачи следующие:
1.Формирование научных физических знаний.
2. Формирование специальных и общеучебных умений.
3. Создание интереса учащихся к предмету физики.
Обучение должно способствовать воспитанию самостоятельности, критичности мышления, трудолюбия.
Основные цели данного урока.
Образовательная: обеспечить усвоение учащимися важнейшей характеристики машин и механизмов –КПД; формировать умение находить КПД различных механизмов; обеспечить усвоение формулы для расчёта КПД при решении зпдач; формировать у ребят умение осуществлять самоконтроль с помощью конкретных вопросов и использования дидактического материала.
Развивающая: совершенствовать навыки самостоятельной работы, активизировать мышление школьников, умение самостоятельно формулировать выводы, развивать речь. Развитие умения правильно оформлять и решать задачи.
Воспитательная: развитие чувства взаимопонимания и взаимопомощи в процессе совместного решения задач; развитие навыка работы в паре, развивать мотивацию изучения физики, используя разнообразные приёмы деятельности.
В основу построения данного урока был положен объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый, репродуктивный метод обучения, так как я считаю, что именно эти методы наилучшим образом способствуют реализации главных целей урока.
Решению поставленных задач способствовали организационные формы обучения с использованием информационных технологий: беседа, обмен мнениями, игровая, фронтальная, индивидуальная, самоконтроль. Оптимальность содержания урока достаточная. Мне удалось на уроке уделить должное внимание формированию логических умений анализировать, обобщать, делать выводы. На уроке использовались общеучебные умения работать с текстом и внетекстовыми компонентами.
Выбранная мною комбинированная форма урока дала мне возможность донести до учеников материал данного урока.
На уроке использовались «тактика сотрудничества» ученик-учитель-ученик. Что бы вовлечь всех ребят в работу на уроке за основу я взял развитие познавательного интереса учащихся, через работу с приборами во время практической работы, а также работа с ЭОРами для мультимедийного оборудования. Кроме того, при планировании урока я старался больше внимания уделять организации работы детей на уроке, предлагая смену деятельности учащихся, но при этом четко распределяя время на каждый вид деятельности. Полученные теоретические знания успешно применили в практической деятельности при решении задачи и выполнений заданий.
Использование мультимедийного оборудования явилось средством, помогающим сделать урок наиболее продуктивным. На уроке использовались различные виды работ: работа с учебником, самостоятельная работа.
Использованная презентация является некоторым эстетическим, наглядным и информационным фоном урока, сопровождающим его от начала и до конца. Был дан инструктаж по домашнему заданию.
Поставленные задачи были выполнены, реальный результат совпал с прогнозируемым мною.