Что такое кпд в школе
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.
Коэффициент полезного действия (КПД)
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
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]
Урок «Коэффициент полезного действия»
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Коэффициент полезного действия. Конспект урока по физике, 7 класс
Горбачева И.И., учитель физики МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №12 им. С.Н.Перекальского». Уровень обучения физике в основной школе – базовый, в объёме 2 часа в неделю. Данная разработка использована в 7 классе при изучении раздела «Работа и мощность. Энергия». На уроке будут закреплены знания о простых механизмах, изучена новая характеристика простых механизмов КПД и проведена исследовательская работа по определению КПД.
План – конспект урока физики в 7 классе. 23.04.2015 года
Тема урока:
Коэффициент полезного действия
Цели урока:
обеспечить усвоение учащимися важнейшей характеристики машин и механизмов – КПД;
формировать умение находить КПД различных механизмов; обеспечить усвоение формулы для расчёта КПД при решении задач;
формировать у ребят умение осуществлять самоконтроль с помощью конкретных вопросов и использования дидактического материала.
совершенствовать навыки самостоятельной работы,
активизировать мышление школьников, умение самостоятельно формулировать выводы,
развитие умения правильно оформлять и решать задачи.
развитие чувства взаимопонимания и взаимопомощи в процессе совместного решения задач;
развитие навыка работы в паре,
развивать мотивацию изучения физики, используя разнообразные приёмы деятельности.
Тип урока
Изучения нового материала
Форма проведения
На основе системно-деятельностного подхода
Форма организации работы на уроке
Индивидуальная, групповая работа.
План занятия:
I. Организационный этап 1 мин.
II. Этап постановки целей и задач урока 1 мин.
III. Этап актуализации опорных знаний 8 мин.
IV. Этап изучения нового материала 10 мин.
V. Этап самостоятельной работы учащихся 12 мин.
VI. Рефлексия 10 мин.
VII. Заключительный этап 3 мин.
Ход урока:
I. Организационный этап
Учитель: Прозвенел звонок веселый.
Вы начать урок готовы? Да.
Садитесь ребята.
Будем слушать, рассуждать,
И друг другу помогать.
II. Этап постановки целей и задач урока
Учитель:
Ребята, какую тему мы изучаем?
Откройте тетради. Запишите сегодняшнее число 25.04.13.
Ученики:
З аписывают дату в тетрадях.
III. Этап актуализации опорных знаний
Учитель: 1. Повторим известный вам материал.
Приглашаю двух учеников к доске и прошу их рассказать о рычаге и блоке.
А) Блок определение, виды блоков, выигрыш в силе, выигрыш в работе, применение.
Б) Рычаг определение, условия равновесия рычага, выигрыш в работе, применение.
2. Учитель: Пока ребята готовятся, вспомните:
Что такое простой механизм?
Для чего применяют простые механизмы?
Учитель: Тиника Диана выполнила творческое задание «Простые механизмы вокруг нас»
3. Учитель: А теперь поработаем с задачами. Перед вами лежат листы самооценки. За каждый правильный ответ вы выставляете себе 1 балл.
1.Поставьте в соответствии простому механизму его виды. (приложение 2)
2. Какая сила удерживает рычаг в равновесии?
Г) расставьте силы, действующие на рычаг, отметьте плечи и точку опоры.
Д) Найдите ошибку в рисунке.
Ж) Сделай правильное соединение.
З) Разгадаем кроссворд:
Ребята! Что вы видите?
Как расшифровать КПД?
Ребята, а кто знает что такое КПД?
Вы хотите узнать, что такое КПД?
Сегодня мы научимся рассчитывать главную характеристику простых механизмов КПД (коэффициент полезного действия) и измерим его на практике для наклонной плоскости.
1А. 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.
Ученики: приспособление, служащее для преобразования силы
Ученики: Чтобы получать выигрыш в силе.
Рычаг – блок и ворот
Наклонная плоскость – клин и винт
Два блока, подвижный дает выигрыш в силе в 2 раза, неподвижный не дает выигрыша в силе.
Ученики выполняют в листах самооценки, а на доске открывается ответ и они проверяют.
Против короткого плеча должна лежать большая сила.
Коэффициент полезного действия.
IV. Этап изучения нового материала.
На доске: по мере изучения нового материала появляются пункты.
План изучения новой физической величины:
Условное обозначение. Формула. Единицы измерения.
Как определить КПД простого механизма?
Учитель: 1.Ответим на первый пункт плана.
Откройте учебник на странице 190. Найдите определение. Прочитайте. Кто может ответить, что такое КПД?
Работа полезная – это работа, совершенная по подъему грузов или преодолению какого-либо сопротивления.
В реальных условиях, где есть силы трения, сопротивления для совершения необходимой нам работы (полезной работы Ап) всегда требуется совершить большую работу. Затраченная работа всегда больше полезной. Аз > Ап.
Величина показывающая какая часть от всей совершенной работы перейдет в полезную, выраженная в процентах, называется коэффициентом полезного действия.
Учитель: 2. КПД выражают в процентах и обозначают греческой буквой «эта»
КПД = А полезная / А полная (затраченная)
Учитель: Может ли КПД быть больше 100%?
Учитель: Как определить КПД?
Учитель: От чего может зависеть КПД наклонной плоскости?
Ученики: Отношение полезной работы к работе полной (затраченной) называется коэффициентом полезного действия механизма.
Ученики: Определить А полезная,
А полная (затраченная), разделив – вычислить КПД
Ученик: нет, так как так как часть полной работы тратиться на преодоление сил трения и сопротивления.
Ученики:
Если увеличить (уменьшить) высоту наклонной плоскости, то КПД при подъеме тела по наклонной плоскости не изменится (увеличится, уменьшится).
Если увеличить (уменьшить) вес тела, то КПД при подъеме тела по наклонной плоскости не изменится (увеличится, уменьшится).
Если уменьшить (увеличить) трение, то КПД при подъеме тела по наклонной плоскости не изменится (увеличится, уменьшится).
V. Этап самостоятельной работы учащихся.
Учитель: Сейчас вы проведете исследования:
При выполнение работы не забывайте о правилах ТБ при работе со штативом и динамометром.
Учитель: Заполните таблицу и не забудьте о выводах.
Оцените себя и поставьте 5 баллов, если вы получили КПД меньше 100% при выполнении лабораторной работы.
Ученики читают описание работы и выполняют исследования.
Ученики выполняют измерения и заполняют таблицу в тетради.
Ученик: Убедиться на опыте, что полезная работа, выполненная с помощью простого механизма, меньше полной
Ученики сообщают свои результаты.
Изобразите рычаг на своем теле так, чтобы центром являлась голова.
Изобразите наклонную плоскость так, что верхняя точка будет палец правой руки, а нижняя – носочек левой ноги.
Изобразите блок, силы которого приложены к правой и левой руке.
Учитель: Назовите новые физические термины, с которыми вы познакомились сегодня.
Учитель: А полная?
Учитель: А полезная?
Учитель: КПД= 70%. Что это значит?
Учитель: Рычагом мальчик поднимает груз. Назовите полезную и затраченную работу.
Учитель: Предлагаю вам выполнить небольшой тест
Каждый правильный ответ оцените в 1 балл.
Ученик:
КПД всегда получается меньше 100%.
Что означает Аз > Ап.
Ученики:
КПД, А полезная, А полная, этта
Ученики выполняют тестовое задание.
В результате выполненного теста ученики отмечают у себя в тетрадях набранный балл (от 1 до 3 баллов).
VII. Заключительный этап
Учитель: Ребята выполним еще один небольшой мини-тест:
Ваш КПД сегодня на уроке
У кого КПД В ыполнили ли вы, поставленную цель сегодняшнего урока?
Подсчитаем количество баллов за урок.
14-15 баллов—оценка “5”
Учитель: Запишите домашнее задание. Параграф 65
Творческое домашнее задание:
1. Как увеличить КПД?
2. «Вечный двигатель» и его создатели
Спасибо за работу, активность и внимание, старание, терпение, а так же понимание!
Урок окончен. До свидания.
Ученики записывают задание.
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс профессиональной переподготовки
Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Курс повышения квалификации
Современные педтехнологии в деятельности учителя
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Номер материала: 275890
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Педагогам Северной Осетии в 2022 году будут выплачивать надбавки за стаж
Время чтения: 2 минуты
ВПР для школьников в 2022 году пройдут весной
Время чтения: 1 минута
Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате
Время чтения: 1 минута
Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст
Время чтения: 1 минута
Минпросвещения намерено расширить программу ускоренного обучения рабочим профессиям
Время чтения: 2 минуты
Утверждены сроки заключительного этапа ВОШ
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.