スライド 1

ノヴゴロド地方マラヤ・ヴィシェラ市立自治教育機関「中等学校第一」 効率性を判断するための問題解決アルゴリズム。 体積に対する圧力の依存性のグラフによる熱サイクル 2011 年最高資格カテゴリーの物理教師 Lukyanets Nadezhda Nikolaevna が編集

スライド 2

タスクは、圧力と体積のグラフから効率を決定することです。 単原子理想気体を作動流体として使用し、図に示すサイクルに従って動作する熱機関の効率を計算します。 新しい図面とレコードは、マウスをクリックした後にのみ表示されます。

スライド 3

タスクは、圧力と体積のグラフから効率を決定することです。 単原子理想気体を作動流体として使用し、図に示すサイクルに従って動作する熱機関の効率を計算します。

スライド 4

ヒントその1 したがって、各工程で受け取る熱量、または放出する熱量を温度変化から把握する必要があります。 熱量は熱力学の第一法則に基づいて計算されます。

スライド 5

ヒントその2 どのプロセスで実行される仕事も、数値的には座標P(V)のグラフの下に囲まれた図形の面積に等しくなります。 斜線の図の面積は工程2-3の仕事に等しく、斜線の図の面積は工程4-1の仕事に等しく、このガスの仕事がマイナスになります、 なぜなら 4 から 1 にすると、音量が下がります。 サイクルごとの仕事は、これらの仕事の合計に等しくなります。 したがって、サイクルごとにガスによって行われる仕事は、数値的にはこのサイクルの面積に等しくなります。

スライド 6

問題を解決するためのアルゴリズム。 1. 効率の計算式を書き留めます。 2. 座標 P、V のプロセス図形の面積に基づいてガスの仕事を決定します。 3. どの工程で熱量が吸収され、放出されないかを分析します。 4.熱力学第1法則を用いて、受け取る熱量を計算します。 5. 効率を計算します。

スライド 7

1. 効率の計算式を書き留めます。 2. 座標 P、V のプロセス図形の面積に基づいてガスの仕事を決定します。 解決

スライド 8

1. プロセス1～2。 V = const、P T Q が吸収されます。 2. プロセス 2 – 3. P = const、V 、T Q が吸収されます。 3. プロセス 3 – 4. V = const、P 、T Q が解放されます。 4. プロセス 4 – 1. P = const、 V 、T Q が放出される 3. どのプロセスで熱量が吸収され、放出されないかを分析します。

スライド 9

工程1-2の場合 4. 熱力学第1法則を用いて、受熱量を計算します。 したがって、等重過程の場合は、下の式から上の式を減算します。

エンジンによって行われる仕事は次のとおりです。

このプロセスは、1824 年にフランスの技術者で科学者の N. L. S. カルノーによって、「火の原動力とこの力を開発できる機械についての考察」という本の中で初めて検討されました。

カルノーの研究の目標は、当時の熱機関の不完全性 (効率が 5% 以下だった) の理由を解明し、それらを改善する方法を見つけることでした。

カルノー サイクルはすべてのサイクルの中で最も効率的です。 その効率は最大です。

この図は、サイクルの熱力学的プロセスを示しています。 温度での等温膨張中 (1-2) T 1 、仕事はヒーターの内部エネルギーの変化、つまりガスへの熱の供給によって行われます。 Q:

あ 12 = Q 1 ,

圧縮前のガス冷却 (3-4) は断熱膨張 (2-3) 中に発生します。 内部エネルギーの変化 ΔU 23 断熱プロセス中（ Q = 0) は完全に機械的な作業に変換されます。

あ 23 = -ΔU 23 ,

断熱膨張(2-3)によりガスの温度は冷凍機の温度まで下がります T 2 < T 1 。 工程(3-4)ではガスを等温圧縮し、その熱量を冷凍機に伝えます。 Q2:

A34 = Q2,

サイクルは断熱圧縮プロセス (4-1) で終了し、ガスはある温度まで加熱されます。 T1.

カルノーサイクルに従った理想的なガス熱機関の最大効率値:

.

式の本質は実証済みの形で表現されています。 と。 カルノーの定理。どのような熱機関の効率も、ヒーターと冷蔵庫の同じ温度で実行されるカルノー サイクルの効率を超えることはできません。

効率係数を見つける方法。 電力による効率の計算式

効率を見つける方法

効率は、消費された作業に対するメカニズムまたはデバイスによって実行される使用可能な作業の比率を示します。 多くの場合、消費された仕事量は、デバイスが仕事を実行するために消費するエネルギー量です。

必要になるだろう

• - 自動車。
• - 温度計;
• - 電卓。

説明書

2. ヒートモーターの効率を計算するときは、機構によって実行される機械的仕事を適切な仕事として考慮してください。 費やされる仕事として、エンジンのエネルギー源である燃焼した燃料から放出される熱の量を計算します。

3. 例。 車のエンジンの平均牽引力は 882 N です。100 km 走行するごとに 7 kg のガソリンを消費します。 モーターの効率を決定します。 まずは自分に合った仕事を見つけてください。 これは、力 F とその影響下で物体がカバーする距離 S の積 Аn=F?S に等しくなります。 7 kg のガソリンを燃焼させるときに放出される熱量を決定します。これは費やされる仕事になります。Az = Q = q?m、ここで、q は燃料の燃焼比熱です。ガソリンの場合、それは 42?m に等しくなります。 10^6 J/kg、m はこの燃料の質量です。 モーターの効率は、効率=(F?S)/(q?m)?100%= (882?100000)/(42?10^6?7)?100%=30%となります。

4. 一般に、効率を検出するために、ガスによって仕事が行われる熱機関 (内燃機関、蒸気機関、タービンなど) は、ガスから発せられる熱の差に等しい効率指数を持ちます。ヒーターQ1から冷凍機Q2が受ける熱量から、ヒーターと冷凍機の熱の差を求め、ヒーター効率＝(Q1-Q2)/Q1の熱で割ります。 ここで、効率は 0 から 1 までの約数単位で測定され、結果をパーセンテージに変換するには、100 を掛けます。

5. 完璧な熱機関 (カルノー機械) の効率を求めるには、ヒーター T1 と冷凍機 T2 の温度差とヒーター効率の温度の比 = (T1-T2)/T1 を求めます。 これは、ヒーターと冷蔵庫の所定の温度における、特定のタイプの熱機関の最大許容効率です。

6. 電気モーターの場合、電力とそれが完了するまでにかかる時間の積として費やされる仕事を求めます。 たとえば、電力 3.2 kW のクレーン電動モーターが 800 kg の荷物を 10 秒で 3.6 m の高さまで持ち上げる場合、その効率は適切な仕事の比 Аp=m?g?h に等しくなります。 mは負荷の質量、g?10m /With? 自由落下の加速度、h は荷重が上昇した高さ、費やされた仕事 Az=P?t、ここで P はモーターの出力、t はその動作時間です。 効率を求める公式を取得します=Ap/Az?100%=(m?g?h)/(P?t)?100%=%=(800?10?3.6)/(3200?10)?100% =90%。

性能指標 (効率) は、自動車のエンジン、機械、その他の機構など、あらゆるシステムの性能を示す指標です。 これは、特定のシステムが受け取ったエネルギーをどの程度効果的に使用しているかを示します。 効率の計算は非常に簡単です。

説明書

1. ほとんどの場合、効率は、特定の時間間隔で受け取った各総エネルギーに対するシステムが使用できるエネルギーの比率から計算されます。 効率には特定の測定単位がないことに注意してください。 ただし、学校のカリキュラムでは、この値はパーセンテージとして測定されます。 この指標は、上記のデータに基づいて、次の式を使用して計算されます。 = (A/Q)*100%、どこ? (「これ」) は目的の効率、A はシステムの使用可能なパフォーマンス、Q は総エネルギー消費量、A と Q はジュールで測定されます。

2. システムの使用可能な仕事 (A) は次の式で計算されるため、効率を計算するための上記の方法は排他的ではありません。 A = Po-Pi (Po はシステムに外部から供給されるエネルギー、Pi はエネルギー)システム動作中のエネルギー損失。 上記の式の分子を展開すると、次の形式で書くことができます。 = ((ポ-ピ)/ポ)*100%。

3. 効率の計算をより明確かつ視覚的にするために、例を見てみましょう 例 1: システムの有効動作は 75 J、その動作に消費されるエネルギー量は 100 J、このシステムの効率。 この問題を解決するには、最初の式を使用します。 = 75/100 = 0.75 または 75% 答え: 提案されたシステムの効率は 75% です。

4. 例 2: モーターを動作させるために供給されるエネルギーは 100 J、このモーターの動作中のエネルギー損失は 25 J、効率を計算する必要があります。 提案された問題を解決するには、目的の指標を計算するための 2 番目の式を使用します。 = (100-25)/100 = 0.75 または 75%。 両方の例の結果は同じでしたが、2 番目の例では、分子データがより詳細に分析されました。

注記！ 多くの種類の最新のエンジン (ロケット エンジンやターボエア エンジンなど) には動作の複数の段階があり、段階全体に対して独自の効率があり、上記の各式を使用して計算されます。 ただし、普遍的な指標を見つけるには、特定のモーターの動作のすべての段階での有名な効率をすべて乗算する必要があります。 = ?1*?2*?3*…*?。

役立つアドバイス: 効率は 1 を超えることはできません。システムの動作中、エネルギー損失は避けられません。

付随輸送とは、空走中の車両に荷物を積み込んで輸送する輸送輸送のことです。 計画された輸送オーダーが完了する前後に、貨物なしで輸送を余儀なくされる状況は非常に頻繁に発生します。 企業にとって、追加の貨物を引き受ける可能性は、少なくとも財務上の損失の削減を意味します。

説明書

1. 企業にとって関連する貨物輸送を実際に利用する有効性を評価します。 理解すべき重要な点は、一次 (コア) 輸送要求の完了後に輸送が強制的に空になったときに、関連する貨物が輸送される可能性があるという事実です。 企業の活動においてそのような状況が定期的に発生する場合は、この輸送を最適化する方法を大胆に選択してください。

2. 重量と寸法の観点から、車両が輸送できる関連貨物を見積もります。 車の貨物スペースの一部が空いている場合でも、貨物の受け渡しは経済的に有利です。

3. 主要ルートのどの地点から通過貨物を受け取ることができるかを検討します。 計画されたルートの最終地点でそのような貨物を受け取り、輸送会社がある場所まで輸送できれば、誰にとってもより快適です。 しかし、そのような状況が常に起こるとは限りません。 したがって、当然のことながら、そのような変態の経済合理性を計算して、ルートからの何らかの逸脱の可能性も考慮します。

4. 定期貨物輸送を行っている会社が貨物の往復輸送を必要としているかどうかを確認します。 この場合、発行価格について合意し、追加の相互利益協力の安全性を確保することがはるかに簡単です。

5. 貨物輸送の分野で情報サービスを提供するいくつかの専門インターネット ポータルを見つけます。 いつものように、このような会社のウェブサイトには対応するセクションがあり、ルートに沿って関連する貨物を見つけて、対応するリクエストを残すことができます。 ほとんどの場合、そのような確率を使用するには、少なくともサイトへの登録が必要です。 情報ソースに、反対提案をロジスティックに検討するための確率が組み込まれていれば完璧です。

6. 異なる顧客からの小口貨物を 1 種類の輸送で選択した方向に輸送する場合は、混載輸送を無視しないでください。 この場合、交通機関は選択した方向にシャトル ルートを作成する必要があります。

注記！ 通過する貨物を検知することは決して難しいことではありません。 私たちのサービスの主なタスクは、さまざまなダウンロードを検索することであり、ユーザーはこれを最大限の利便性で行うだけでなく、無料で行うことができます。 最新の情報技術の使用に基づいて運用される当社のシステムの助けを借りて、貨物を非常に簡単に検出できます。

役立つアドバイス どうやら、あなたは巨大なトラックを購入またはレンタルすることに決めたようで、その助けを借りて、ロシア、CIS、ヨーロッパ中に商品を輸送してお金を稼ぐつもりです。 ドライバーを雇うか自分で運転するかに関係なく、輸送には顧客、つまり荷物が必要です。 そうすれば、トラックに運ぶ荷物をどこでどのように見つけるかについて間違いなく考えるでしょう、またはすでに考えていますか？

エンジンの適切な動作の指標を見つけるには、適切な仕事量を消費された仕事量で割って 100 パーセントを掛ける必要があります。 熱機関の場合、この値は、燃料の燃焼中に放出される熱に対する出力と運転時間の積の比によって求められます。 理論的には、熱機関の効率は冷蔵庫とヒーターの温度の比によって決まります。 電気モーターの場合は、その出力と消費電流の比率を求めます。

必要になるだろう

• 内燃機関 (ICE) パスポート、体温計、テスター

説明書

1. 内燃エンジンの効率の決定 特定のエンジンの技術文書でその出力を調べます。 タンクに一定量の燃料を充填し、エンジンを始動してフルサイクルでしばらく作動させ、パスポートに記載されている最大出力を発揮します。 ストップウォッチを使用して、エンジンの作動時間を秒単位で記録します。 しばらくしてからエンジンを停止し、残っている燃料を排出してください。 最初に注いだ燃料の量から最終の量を引くことによって、消費された燃料の量を求めます。 表を使用して、その密度を求め、体積を乗じて、消費された燃料の質量を取得します。 m =? V. 質量をキログラムで表します。 燃料の種類（ガソリンまたはディーゼル）に応じて、表から燃焼比熱を求めます。 効率を求めるには、最大出力にエンジンの運転時間と 100% を掛け、その結果をその質量と燃焼効率の比熱で段階的に割ります =P t 100%/(q m)。

2. 完璧な熱機関を実現するには、カルノーの公式を適用することが可能です。 これを行うには、燃料の燃焼温度を調べ、特殊な温度計で冷蔵庫の温度（排気ガス）を測定します。 摂氏で測定された温度を値に数値 273 を加えて無条件スケールに変換します。数値 1 から効率を決定するには、冷蔵庫とヒーターの温度の比 (燃料の燃焼温度) を引きます。効率 = (1 -Tcol/Tnag) 100%。 効率を計算するためのこのオプションでは、機械的摩擦や外部環境との熱交換は考慮されていません。

3. 電気モーターの効率の決定 技術文書に従って、電気モーターの定格電力を調べます。 これを電流源に接続して最大のシャフトサイクルを実現し、テスターの助けを借りて、その電圧と回路内の電流を測定します。 効率を求めるには、ドキュメントに記載されている電力を電流と電圧の積で割り、合計に 100% 効率 =P 100%/(I U) を掛けます。

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注記！ すべての計算において、効率は 100% 未満である必要があります。

正常な人口動態を検討するには、社会学者は全体的な係数を決定する必要があります。 主なものは、出生率、死亡率、結婚、自然収入の指標です。 それらに基づいて、特定の時点での人口統計の全体像を作成することができます。

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1. 総合指標は相対的な指標であることにご注意ください。 したがって、一定期間、たとえば年間の出生数は一般特殊出生率とは異なります。 これは、それを見つけるときに総人口に関するデータが考慮されるという事実によるものです。 これにより、現在の研究結果を過去の研究結果と比較することが可能になります。

2. 請求期間を決定します。 たとえば、結婚率を調べるには、どの期間の結婚数が気になるのかを判断する必要があります。 したがって、過去 6 か月のデータは、5 年間の期間を決定するときに受け取るデータとは大きく異なります。 総合指標を計算する際の計算期間は年単位で指定されることを考慮してください。

3. 総人口を決定します。 同様のデータは国勢調査データを参照することでも得られます。 出生率、死亡率、結婚率、離婚率の一般的な指標を決定するには、総人口と計算期間の積を求める必要があります。 結果の数値を分母に書き込みます。

4. 分子の代わりに、必要な相対指標に対応する無条件指標を置きます。 たとえば、普通出生率を決定するという課題に直面している場合、分子の代わりに、関心のある期間に生まれた子供の総数を反映する数字が必要です。 死亡率または結婚率の段階を決定することが目的の場合は、分子の代わりに、計算期間中に死亡した人の数または結婚した人の数をそれぞれ入力します。

5. 結果の数値に 1000 を掛けます。これが希望する全体的なインジケーターになります。 一般的な所得指標を見つけるという課題に直面した場合は、出生率から死亡率を差し引きます。

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「仕事」という言葉は、人に生存手段を与えるあらゆる行為を指します。 言い換えれば、彼はそれに対して物理的な報酬を受け取ります。 それにもかかわらず、人々は自由な時間に、無料または純粋に象徴的な料金を払って、困っている人々の支援、中庭や街路の改善、造園などを目的とした社会的に有益な仕事にも参加する用意があります。 そのようなボランティアの数はおそらく依然として膨大であると思われますが、彼らは自分たちのサービスがどこに必要とされるのかを知らないことがよくあります。

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1. 社会的に役立つ活動の最も有名な種類の 1 つは慈善活動です。 これには、障害者、高齢者、ホームレスなど、社会的に弱い立場にある人々への支援が含まれます。 一言で言えば、何らかの理由で困難な生活状況に陥っているすべての人に。

2. このような支援の提供に参加したいボランティアは、最寄りの慈善団体または公的支援部門に連絡してください。 最寄りの教会に問い合わせることができます。おそらく牧師は、自分の群れのどれが特に支援を必要としているかを知っているでしょう。

3. 文字通り自分の居住地で主導権を握ることもできます。 アパートおそらく、口座にルーブル全額を持っている孤独な年金受給者、障害者、シングルマザーがいるでしょう。 彼らに可能な限りの援助を与えてください。 それは必ずしも金銭的な寄付で構成されている必要はありません。たとえば、薬を買うために食料品店や薬局に時々行くことは許容されます。

4. 故郷の改善に参加したいと考えている人はたくさんいます。 彼らは、地元自治体の関連組織、たとえば、領土の清掃や造園を担当する組織に連絡する必要があります。 おそらく仕事もあるでしょう。 また、例えば家の窓の下に花壇を作り、花を植えることも自主的に認められています。

5. 本当に動物が大好きで、野良犬や野良猫を助けたいと思っている人たちがいます。 このカテゴリーに該当する場合は、地元の動物愛護団体または動物保護施設の所有者に連絡してください。 動物園がある大都市に住んでいる場合は、動物の世話をするために助手が必要かどうか行政に尋ねてください。 いつものように、このような援助の申し出は感謝の気持ちをもって迎えられます。

6. 若い世代への教育を忘れることはできません。 熱心なボランティアが、たとえば学校のクラブや文化創造センターでクラスを教えることができれば、多大な利益をもたらすでしょう。 一言で言えば、あらゆる好みや確率に応じて、思いやりのある人にとって社会的に適した仕事はたくさんあります。 という願望もあるでしょう。

湿度インジケーターは、微気候パラメーターを決定するために使用されるインジケーターです。 かなり長期間にわたるその地域の降水量に関する情報があれば計算できます。

湿度指数

加湿係数は、特定の地域の微気候湿度の程度を評価するために気象学の分野の専門家によって開発された特別な指標です。 微気候は、特定の地域の気象条件に対する長期的な反応を表すことが考慮されました。 結果として、水分指標も長い時間枠で考慮することが決定され、通常通り、この指標は年間に収集されたデータに基づいて計算されます。検討中の地域にあります。 これは、この地域で普及している植生の種類を決定する主な要因の 1 つです。

水分指数の計算

水分指標の計算式は次のとおりです。K = R / E。この式では、記号 K は実際の水分指標を示し、記号 R は年間に指定された地域に降った降水量を示します。ミリメートル単位で。 最後に、記号 E は、同じ期間中に地表から蒸発した降水量を表します。 記載されている降水量はミリメートルでも表され、土壌の種類、特定の地域の特定の時間の気温、その他の要因によって異なります。 したがって、与えられた式は一見単純であるにもかかわらず、水分指標の計算には精密機器を使用した多数の事前測定が必要であり、かなり大規模な気象学者チームによってのみ実行できます。特定の地域では、通常どおり、これらすべての指標を考慮することで、この地域でどの種類の植生が優勢であるかを高い信頼性で判断できます。 したがって、湿度指数が 1 を超える場合、これは特定の地域の湿度が高いことを示しており、これはタイガ、ツンドラ、または森林ツンドラなどの種類の植生の利点を伴います。 満足のいく水分レベルは水分指数 1 に相当し、通常どおり、混葉林または広葉樹林が優勢であることが特徴です。 森林草原地域では 0.6 ～ 1 の湿度指数が一般的で、草原地域では 0.3 ～ 0.6、半砂漠地域では 0.1 ～ 0.3、砂漠地域では 0 ～ 0.1 が一般的です。

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効率

私たちはダーチャでリラックスしていて、井戸から水を汲む必要があるとします。 バケツをその中に下げ、水をすくって持ち上げ始めます。 私たちの目標を忘れましたか？ そうです、水を飲みましょう。 しかし見てください、私たちは水だけでなく、バ​​ケツそのものや、それがぶら下がっている重い鎖も持ち上げているのです。 これは 2 色の矢印で表されます。持ち上げる荷物の重量は、水の重量とバケツとチェーンの重量の合計です。

状況を定性的に考えると、水を汲むという有用な作業に加えて、バケツやチェーンを持ち上げるという他の作業も実行します。 もちろん、鎖とバケツがなければ水を汲むことはできませんが、最終的な目的から見ると、その重さは私たちに「害」を与えます。 この重みが小さければ、実行される総仕事量も少なくなります (同じ有益な仕事量でも)。

さて、これらの仕事の定量的な研究に移り、効率と呼ばれる物理量を導入しましょう。

タスク。 ローダーは加工用に選ばれたリンゴをカゴからトラックに積み込みます。 空のかごの重さは2kg、その中のリンゴは18kgです。 ローダーの全作業のうち、ローダーの役立つ作業の割合は何ですか?

解決。 リンゴをカゴに入れて移動するのが主な仕事です。 この作業はリンゴを持ち上げる作業とカゴを持ち上げる作業で構成されます。 重要: リンゴを持ち上げるのは有益な作業ですが、カゴを持ち上げるのは「無駄」です。ローダーの作業の目的はリンゴだけを移動することだからです。

表記法を紹介します。Fя は手でリンゴだけを持ち上げる力、Fк は手でかごだけを持ち上げる力です。 これらの力はそれぞれ、対応する重力に等しい: F=mg。

式 A =​​ ±(F||・ l) を使用して、これら 2 つの力の働きを「書き出し」ます。

役に立つ = +Fя · lя = mя g · h および 役に立たない = +Fк · lк = mк g · h

作業の合計は 2 つの作業で構成されます。つまり、作業の合計は次のとおりです。

フル = 役に立つ + 役に立たない = mя g h + mк g h = (mя + mк) · g h

この問題では、ローダーの総作業量からローダーの有用な作業の割合を計算するように求められています。 これを、有用な作業量を合計で割ってみましょう。

物理学では、このようなシェアは通常パーセンテージで表され、ギリシャ文字「η」（「これ」と読みます）で表されます。 結果として、次のことが得られます。

η = 0.9 または η = 0.9 100% = 90% は同じです。

この数字は、ローダーの総作業量 100% のうち、有益な作業の割合が 90% であることを示しています。 問題は解決された。

行われた総作業量に対する有用な作業量の比率に等しい物理量は、物理学において、効率、効率係数という独自の名前を持っています。

この式を使用して効率を計算した後、通常は 100% を掛けます。 逆も同様です。効率をこの式に代入するには、その値をパーセントから小数に変換し、100% で割る必要があります。

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熱機関の効率。 熱機関の効率

多くの種類の機械の動作は、熱機関の効率などの重要な指標によって特徴付けられます。 エンジニアは毎年、より低い燃料消費量で最大限の効果をもたらす、より高度な機器の開発に努めています。

熱機関装置

効率とは何かを理解する前に、このメカニズムがどのように機能するかを理解する必要があります。 その動作原理を知らなければ、このインジケーターの本質を理解することは不可能です。 熱機関は、内部エネルギーを使用して仕事を実行する装置です。 熱エネルギーを機械エネルギーに変換する熱機関は、温度の上昇に伴う物質の熱膨張を利用します。 固体エンジンでは、物質の体積だけでなく、物体の形状も変化させることができます。 このようなエンジンの動作は熱力学の法則に従います。

動作原理

熱機関がどのように動作するかを理解するには、その設計の基本を考慮する必要があります。 デバイスの操作には、ホット (ヒーター) とコールド (冷蔵庫、クーラー) の 2 つの本体が必要です。 熱機関の動作原理（熱機関効率）は種類によって異なります。 多くの場合、冷蔵庫は蒸気凝縮器であり、ヒーターは火室で燃焼するあらゆる種類の燃料です。 理想的な熱機関の効率は次の式で求められます。

効率 = (劇場 - クール) / 劇場。 × 100%。

この場合、実際のエンジンの効率は、この式に従って得られる値を超えることはできません。 また、この数値が上記の値を超えることはありません。 効率を高めるために、ほとんどの場合、ヒーターの温度を上げ、冷蔵庫の温度を下げます。 これらのプロセスはどちらも、機器の実際の動作条件によって制限されます。

熱機関が作動すると、ガスがエネルギーを失い始め、特定の温度まで冷却されるため、仕事が行われます。 後者は通常、周囲の大気よりも数度高いです。 これは冷蔵庫の温度です。 この特別な装置は、排気蒸気を冷却し、その後凝縮させるように設計されています。 凝縮器が存在する場合、冷蔵庫の温度は周囲温度よりも低くなることがあります。

熱機関では、物体が加熱して膨張するとき、仕事をするために内部エネルギーをすべて放棄することができません。 熱の一部は、排気ガスまたは蒸気とともに冷蔵庫に伝達されます。 熱内部エネルギーのこの部分は必然的に失われます。 燃料の燃焼中、作動流体はヒーターから一定量の熱 Q1 を受け取ります。 同時に、仕事 A も実行し、その間に熱エネルギーの一部を冷蔵庫に伝達します: Q2

効率は、エネルギー変換および伝達の分野におけるエンジンの効率を特徴付けます。 この指標は、多くの場合、パーセンテージとして測定されます。 効率の計算式:

η*A/Qx100%、ここで Q は消費されたエネルギー、A は有用な仕事です。

エネルギー保存則に基づくと、効率は常に 1 未満になると結論付けることができます。 言い換えれば、費やしたエネルギー以上に有益な仕事はないということです。

エンジン効率は、ヒーターによって供給されるエネルギーに対する有用な仕事の比率です。 これは次の式の形で表すことができます。

η = (Q1-Q2)/Q1、ここで Q1 はヒーターから受け取る熱、Q2 は冷凍機に与える熱です。

熱機関の運転

熱機関によって行われる仕事は、次の式を使用して計算されます。

A = |QH| - |QX|、ここで、A は仕事、QH はヒーターから受け取る熱量、QX はクーラーに与えられる熱量です。

|QH| - |QX|)/|QH| = 1 - |QX|/|QH|

これは、エンジンによって行われた仕事と受け取った熱量の比率に等しくなります。 この移動中に熱エネルギーの一部が失われます。

カルノーエンジン

熱機関の最大効率はカルノー装置で観察されます。 これは、このシステムではヒーター (Tn) とクーラー (Tx) の絶対温度のみに依存するためです。 カルノー サイクルに従って動作する熱機関の効率は、次の式で求められます。

(Tn - Tx)/ Tn = - Tx - Tn。

熱力学の法則により、可能な最大効率を計算することが可能になりました。 この指標は、フランスの科学者および技術者のサディ・カルノーによって最初に計算されました。 彼は理想気体で作動する熱機関を発明しました。 2 つの等温線と 2 つの断熱線のサイクルで動作します。 その動作原理は非常に単純です。ヒーターがガスの入った容器に接続されており、その結果として作動流体が等温膨張します。 同時に機能し、一定量の熱を受け取ります。 その後、容器は断熱されます。 それにもかかわらず、ガスは断熱的に（環境との熱交換なしで）膨張し続けます。 このとき、温度は冷蔵庫の温度まで下がります。 このとき、ガスは冷蔵庫と接触し、その結果、等角圧縮中に一定量の熱を放出します。 その後、容器は再び断熱されます。 この場合、ガスは断熱圧縮されて元の体積と状態になります。

品種

現在、さまざまな原理とさまざまな燃料で動作する多くの種類の熱機関があります。 それらにはそれぞれ独自の効率があります。 これらには次のものが含まれます。

内燃機関 (ピストン)。燃焼する燃料の化学エネルギーの一部を機械エネルギーに変換する機構です。 このようなデバイスは気体でも液体でも構いません。 エンジンには2ストロークと4ストロークがあります。 連続的なデューティサイクルを持つことができます。 混合燃料を調製する方法によれば、そのようなエンジンはキャブレター（外部混合気形成付き）とディーゼル（内部混合気付き）です。 エネルギー変換器の種類に基づいて、ピストン、ジェット、タービン、複合型に分類されます。 このような機械の効率は 0.5 を超えません。

スターリング エンジンは、作動流体が限られた空間内に配置される装置です。 外燃機関の一種です。 その動作原理は、体積の変化によるエネルギーの生成による体の定期的な冷却/加熱に基づいています。 これは最も効率的なエンジンの 1 つです。

燃料を外部燃焼させるタービン (ロータリー) エンジン。 このような設備は火力発電所で最もよく見られます。

タービン (ロータリー) 内燃エンジンは、火力発電所でピークモードで使用されます。 他のものほど普及していません。

タービン エンジンは、推力の一部をプロペラを通じて生成します。 残りは排気ガスから得ます。 その設計は、シャフトにプロペラが取り付けられたロータリー エンジン (ガス タービン) です。

他のタイプの熱機関

排気ガスから推力を得るロケット、ターボジェット、ジェット エンジン。

ソリッドステートエンジンは固体物質を燃料として使用します。 動作中に変化するのはその体積ではなく、その形状です。 装置を動作させる際には、非常に小さな温度差が使用されます。

どうすれば効率を高めることができますか

熱機関の効率を上げることは可能でしょうか? 答えは熱力学で探さなければなりません。 彼女は、さまざまな種類のエネルギーの相互変換を研究しています。 利用可能なすべての熱エネルギーを電気的、機械的などに変換することは不可能であることが確立されています。しかし、熱エネルギーへの変換は制限なく行われます。 これは、熱エネルギーの性質が粒子の無秩序な（混沌とした）動きに基づいているという事実によって可能になります。

物体の温度が上がると、その構成分子の動きが速くなります。 粒子の動きはさらに不安定になります。 これに加えて、秩序は簡単に混乱に変わり、秩序を保つのは非常に難しいことを誰もが知っています。

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現代の現実では、熱機関の広範な使用が必要です。 それらを電気モーターに置き換えようとする多くの試みはこれまでのところ失敗しています。 自律システムにおける電力の蓄積に関連する問題は解決することが困難です。

長期間の使用を考慮した電力用電池の製造技術の問題は依然として存在する。 電気自動車の速度特性は、内燃機関を搭載した自動車の速度特性とは大きく異なります。

ハイブリッド エンジンを作成するための最初のステップは、大都市における有害な排出物を大幅に削減し、環境問題を解決することができます。

ちょっとした歴史

蒸気エネルギーを運動エネルギーに変換する可能性は古代に知られていました。 紀元前 130 年: アレクサンドリアの哲学者ヘロンは、蒸気のおもちゃ - アエオリパイル - を聴衆にプレゼントしました。 蒸気で満たされた球体は、そこから発せられるジェットの影響を受けて回転し始めました。 この現代の蒸気タービンの原型は当時は使用されていませんでした。

何年も何世紀にもわたって、哲学者の発展は単なる楽しいおもちゃとみなされていました。 1629 年にイタリアの D. Branchi がアクティブなタービンを作成しました。 蒸気はブレードを備えた円盤を駆動しました。

その瞬間から、蒸気エンジンの急速な開発が始まりました。

熱機関

燃料を機械部品や機構の運動エネルギーに変換することは、熱機関で使用されます。

機械の主要部分：ヒーター（外部からエネルギーを得るシステム）、作動流体（有用な作用を実行する）、冷凍機。

ヒーターは、有効な仕事を実行するために作動流体が十分な内部エネルギーを蓄積できるように設計されています。 冷蔵庫は余分なエネルギーを取り除きます。

効率の主な特性は、熱機関の効率と呼ばれます。 この値は、暖房に費やされるエネルギーのうち、有益な仕事を行うためにどれだけのエネルギーが費やされるかを示します。 効率が高いほど、機械の運用の収益性は高くなりますが、この値は 100% を超えることはできません。

効率計算

ヒーターが外部から Q 1 に等しいエネルギーを取得するとします。 作動流体は仕事 A を行い、冷凍機に与えられたエネルギーは Q 2 になります。

定義に基づいて、効率値を計算します。

η＝Ａ／Ｑ １． A = Q 1 - Q 2 であることを考慮してみましょう。

したがって、熱機関の効率 (式は η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1) により、次の結論を導き出すことができます。

• 効率は 1 (または 100%) を超えることはできません。
• この値を最大化するには、ヒーターから受け取るエネルギーを増やすか、冷蔵庫に与えるエネルギーを減らす必要があります。
• ヒーターのエネルギーを増やすには、燃料の品質を変更します。
• エンジンの設計上の特徴により、冷蔵庫に与えられるエネルギーを削減できます。

理想的な熱機関

効率が最大 (理想的には 100%) になるエンジンを作成することは可能ですか? フランスの理論物理学者であり才能あるエンジニアのサディ・カルノーは、この質問に対する答えを見つけようとしました。 1824 年に、気体中で起こるプロセスに関する彼の理論計算が公開されました。

理想機械に固有の主なアイデアは、理想気体を使用して可逆プロセスを実行すると考えることができます。 まず、温度 T 1 でガスを等温膨張させます。 このために必要な熱量は Q 1 であり、その後、ガスは熱交換なしで膨張し、温度 T 2 に達すると等温圧縮され、エネルギー Q 2 が冷凍機に伝達されます。 気体は断熱的に元の状態に戻ります。

理想的なカルノー熱機関の効率は、正確に計算すると、加熱装置と冷却装置の間の温度差とヒーターの温度の比に等しくなります。 次のようになります: η=(T 1 - T 2)/ T 1。

熱機関の可能な効率 (式: η = 1 - T 2 / T 1) はヒーターとクーラーの温度にのみ依存し、100% を超えることはできません。

さらに、この関係により、冷蔵庫が所定の温度に達した場合にのみ、熱機関の効率が 1 に等しくなることが証明できます。 知られているように、この値は達成不可能です。

カルノーの理論計算により、あらゆる設計の熱機関の最大効率を決定することができます。

カルノーによって証明された定理は次のとおりです。 いかなる状況においても、任意の熱機関の効率が理想的な熱機関の同じ効率値を超えることはあり得ません。

問題解決の例

例1. ヒーターの温度が 800 ℃、冷蔵庫の温度が 500 ℃ 低い場合、理想的な熱機関の効率はどれくらいですか?

T 1 = 800 o C = 1073 K、ΔT = 500 o C = 500 K、η - ?

定義により: η=(T 1 - T 2)/ T 1。

冷蔵庫の温度は与えられていませんが、ΔT= (T 1 - T 2) であるため、次のようになります。

η= ΔT / T1 = 500 K/1073 K = 0.46。

答え: 効率 = 46%。

例2。 取得した 1 キロジュールのヒーター エネルギーにより 650 J の有用な仕事が実行される場合の理想的な熱機関の効率を求めます。クーラーの温度が 400 K の場合、熱機関のヒーターの温度はいくらですか?

Q 1 = 1 kJ = 1000 J、A = 650 J、T 2 = 400 K、η - ?、T 1 = ?

この問題では熱設備について話しています。その効率は次の式を使用して計算できます。

ヒーターの温度を決定するには、理想的な熱エンジンの効率を求める公式を使用します。

η = (T 1 - T 2)/T 1 = 1 - T 2 / T 1。

数学的変換を実行すると、次の結果が得られます。

T 1 = T 2 /(1-η)。

T 1 = T 2 /(1- A / Q 1)。

計算してみましょう:

η= 650 J/1000 J = 0.65。

T1 = 400 K / (1 - 650 J / 1000 J) = 1142.8 K。

答え: η= 65%、T 1 = 1142.8 K。

実際の状況

理想的な熱エンジンは、理想的なプロセスを念頭に置いて設計されています。 仕事は等温プロセスでのみ実行され、その値はカルノー サイクルのグラフによって制限される領域として決定されます。

実際には、温度変化を伴わずに気体の状態変化のプロセスが起こる条件を作り出すことは不可能です。 周囲の物体との熱交換を排除する材料はありません。 断熱プロセスが実行できなくなります。 熱交換の場合、ガス温度は必然的に変化する必要があります。

実際の条件で作成された熱エンジンの効率は、理想的なエンジンの効率とは大きく異なります。 実際のエンジンのプロセスは非常に急速に発生するため、作動物質の体積変化の過程における内部熱エネルギーの変化は、ヒーターからの熱の流入と冷凍機への伝達では補償できないことに注意してください。

その他の熱機関

実際のエンジンはさまざまなサイクルで動作します。

• オットーサイクル: 一定量のプロセスが断熱的に変化し、閉じたサイクルを形成します。
• ディーゼル サイクル: 等圧線、断熱、等平均線、断熱。
• 一定の圧力で発生するプロセスは断熱プロセスに置き換えられ、サイクルが終了します。

現代のテクノロジーの下では、実際のエンジンに平衡プロセスを作成する（理想的なエンジンに近づける）ことは不可能です。 熱機関の効率は、理想的な熱設備と同じ温度条件を考慮しても大幅に低くなります。

しかし、効率計算式の役割を減らすべきではありません。それはまさに、実際のエンジンの効率を高める取り組みのプロセスにおける出発点となるからです。

効率を変える方法

理想的な熱機関と実際の熱機関を比較するとき、後者の冷蔵庫の温度はどのようなものであってもいけないことに注意する価値があります。 通常、大気は冷蔵庫とみなされます。 大気の温度は近似計算でのみ受け入れられます。 経験上、内燃機関 (ICE と略称) の場合と同様、冷却剤の温度はエンジン内の排気ガスの温度と等しいことがわかっています。

ICE は、私たちの世界で最も一般的な熱機関です。 この場合の熱機関の効率は、燃料の燃焼によって生成される温度に依存します。 内燃エンジンと蒸気エンジンの大きな違いは、ヒーターの機能と混合気内の装置の作動流体が統合されていることです。 混合気が燃焼すると、エンジンの可動部分に圧力が発生します。

作動ガスの温度が上昇し、燃料の特性が大幅に変化します。 残念ながら、これを無期限に行うことはできません。 エンジンの燃焼室を構成する材料にはそれぞれ独自の融点があります。 このような材料の耐熱性はエンジンの主な特性であり、効率に大きな影響を与える能力です。

モーター効率の値

入口での作動蒸気の温度が800 K、排気ガスの温度が300 Kであることを考慮すると、この機械の効率は62％です。 実際には、この値は 40% を超えません。 この減少は、タービンケーシングを加熱する際の熱損失により発生します。

内燃機関の最高値は 44% を超えません。 この値を増やすことは近い将来の問題です。 材料と燃料の特性を変えることは、人類の最高の頭脳が取り組んでいる問題です。

効率係数 (効率) は、おそらくあらゆるシステムやデバイスに適用できる用語です。 人間にも効率係数がありますが、おそらくそれを見つけるための客観的な公式はまだありません。 この記事では、効率とは何か、さまざまなシステムでの効率の計算方法について詳しく説明します。

効率の定義

効率は、エネルギー出力または変換の観点からシステムの有効性を特徴付ける指標です。 効率は計り知れない量であり、0 ～ 1 の範囲の数値またはパーセンテージで表されます。

一般式

効率は記号 Š で示されます。

効率を求めるための一般的な数式は次のように記述されます。

Š=A/Q、ここで、A はシステムによって実行される有用なエネルギー/仕事、Q は有用な出力を得るプロセスを組織するためにこのシステムによって消費されるエネルギーです。

残念ながら、エネルギー保存則によれば、消費したエネルギー以上の仕事を得ることができないため、効率係数は常に 1 以下になります。 さらに、実際には、有用な仕事には常に損失が伴うため、効率が 1 に等しくなることは非常にまれです (たとえば、機構の加熱など)。

熱機関の効率

熱エンジンは、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する装置です。 熱機関では、仕事はヒーターから受け取った熱量とクーラーに与えられた熱量の差によって決まるため、効率は次の式で決まります。

• Ϡ=Qн-Qх/Qн、ここでQнはヒーターから受け取る熱量、Qхはクーラーに与える熱量です。

カルノーサイクルで動作するエンジンによって最高の効率が得られると考えられています。 この場合、効率は次の式で求められます。

• Ϡ=T1-T2/T1、T1は温泉の温度、T2は冷泉の温度です。

電動機の効率

電気モーターは電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置であるため、この場合の効率は電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置の効率の比率です。 電気モーターの効率を求める公式は次のようになります。

• Ϡ=P2/P1、ここで、P1 は供給される電力、P2 はエンジンによって生成される有効な機械的動力です。

電力はシステム電流と電圧の積 (P=UI) として求められ、機械的電力は単位時間あたりの仕事の比率 (P=A/t) として求められます。

変圧器の効率

変圧器は、周波数を維持しながら、ある電圧の交流を別の電圧の交流に変換する装置です。 さらに、変圧器は交流を直流に変換することもできます。

変圧器の効率は次の式で求められます。

• Š=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n)、P0 は無負荷損失、PL は負荷損失、P2 は負荷に供給される有効電力、n は相対次数負荷の。

効率か非効率か？

効率に加えて、エネルギープロセスの効率を特徴付ける指標が多数あることは注目に値します。時々、130%程度の効率などの説明に遭遇することがありますが、この場合は次のことを理解する必要があります。この用語は完全に正しく使用されているわけではありません。おそらく、作成者または製造者は、この略語がわずかに異なる特性を意味すると理解しています。

たとえば、ヒートポンプは、消費する熱よりも多くの熱を放出できるという事実によって区別されます。 したがって、冷凍機は、冷却対象物から、除去を組織するのに費やしたエネルギーと同等の熱よりも多くの熱を除去することができます。 冷凍機の効率指標は冷凍係数と呼ばれ、Ɛという文字で表され、次の式で求められます。Ɛ=Qx/A、ここでQxは低温側から除去される熱、Aは除去プロセスに費やされる仕事量です。 。 ただし、冷凍係数を冷凍機の効率と呼ぶこともあります。

有機燃料で稼働するボイラーの効率は通常、より低い発熱量に基づいて計算され、それが 1 より大きくなる場合があることも興味深いです。 しかし、それは依然として伝統的に効率と呼ばれています。 より高い発熱量によってボイラーの効率を決定することは可能であり、その場合、常に 1 未満になりますが、この場合、ボイラーの性能を他の設備のデータと比較するのは不便になります。