Любое устройство, совершающее какую-либо работу, имеет определенную эффективность. Этот показатель можно оценивать с интуитивной точки зрения. Например, чем меньше автомобиль потребляет топлива, чтобы проехать некоторое расстояние, тем он эффективнее.
В физике эффективность выполняемой работы оценивается с помощью коэффициента полезного действия — КПД.
КПД: понятие коэффициента полезного действия
Величина КПД показывает, насколько эффективно используется энергия, затраченная на производство работы, которая считается нужной.
Для обозначения КПД традиционно используется греческая буква η («эта»). Значение рассчитывается по формуле:
η = (А / Q) • 100%, где
- А — полезная работа;
- Q — энергия, затраченная для выполнения А.
КПД всегда оказывается меньше 100%, так как при производстве работы неизбежно присутствуют энергетические потери.
Вместо работы в формулу можно подставлять значения мощности:
η = (Рполезная / Рполная) • 100%.
Полезная работа

Полезная работа — это часть той работы, выполненной устройством, которая идет непосредственно на достижение нужного результата. Пусть, например, нам нужно поднять груз массой m на высоту h. Тогда полезной будет работа, направленная на преодоление силы тяжести, то есть Ап = mgh. Если мы используем для подъема блок, то нам нужно будет преодолевать силу трения, тратить энергию на приведение в движение частей блока. Поэтому затраченная работа обязательно будет превышать величину Ап.
КПД в механике

Универсальная формула для расчета КПД выглядит следующим образом:
η = (Аполезная / Азатраченная) • 100%.
Она справедлива не только для механики, но и для любого другого раздела физики.
Продемонстрируем применение этой формулы при решении задачи.
Задача. Чтобы втащить груз массой m = 40 кг по наклонной плоскости на высоту h = 3 м, человек приложил силу F = 120 Н. Найти КПД этого процесса, если длина наклонной плоскости равна L = 20 м. Значение ускорения свободного падения принять равным 10 м/с2.
Ради чего все это затеяли?
Прежде всего находим полезную работу. Она равна увеличению потенциальной энергии груза в результате подъема.
Аполезная = mgh = 40 •10 •3 = 1200 Н.
За счет чего процесс происходит?
Подъем груза происходит за счет его движения по наклонной плоскости. При этом перемещение груза составляет L = 20 м, и на всем пути действует сила F = 120 Н. Следовательно, затраченная работа будет иметь значение:
Азатраченная = F• L = 120 • 20 =2400 Н.
Находим значение КПД:
η = (Аполезная / Азатраченная) • 100%.
η = 1200 / 2400 • 100%.
η = 50%.
Ответ: КПД равен 50%.
КПД в термодинамике
Коэффициент полезного действия термодинамических процессов тоже вычисляется как выраженное в процентах отношение Ап к затраченной работе. Численное значение коэффициента позволяет оценивать эффективность разнообразных тепловых машин: двигателей внутреннего сгорания, холодильников, паровых турбин.
Для расчетов КПД в термодинамике также применяется формула:
η = (Q1 − Q2) / Q1 • 100%.
где Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя; Q2 — количество теплоты, переданное холодильнику.
Идеальная тепловая машина: цикл Карно
Тепловая машина представляет собой устройство, которое преобразует полученную тепловую энергию в механическую работу. Этот процесс происходит за счет передачи холодильнику тепла, полученного от нагревателя. Передача осуществляется через рабочее тело — газ или жидкость.
Идеальной тепловой машиной, обладающей максимально возможным КПД, является цикл Карно. Цикл состоит из четырех последовательных процессов:
- Изотермическое расширение рабочего тела при температуре нагревателя Тн.
- Адиабатическое расширение, температура снижается до температуры холодильника Тх.
- Изотермическое сжатие при температуре холодильника Тх.
- Адиабатическое сжатие с повышением температуры до Тн.
Формула КПД тепловой машины Карно:
η = (Q1 − Q2) / Q1 • 100% = (Тн - Тх) / Тн • 100%.
КПД в электродинамике

Коэффициент полезного действия в электродинамике характеризует эффективность преобразования электрической энергии в другие виды энергии.
КПД источника тока можно рассчитывать, используя следующие формулы:
η = U/εI • 100% = U/ε • 100% = R/(R + r) • 100%,
где ε — ЭДС источника тока, U — напряжение на внешней цепи, I — сила тока, R — сопротивление на внешней цепи, r — сопротивление источника тока.
Заключение
КПД — это основная характеристика эффективности процесса преобразования энергии. Этот коэффициент показывает, какая доля поступающей энергии успешно превращается в полезную работу. Достижение стопроцентного значения для КПД практически неосуществимо. Этому препятствуют как физические законы, так и технические возможности.
Молодой и энергичный учитель математики, которая превращает сложные уравнения и теоремы в увлекательные головоломки. Для неё физика — это не просто цифры и формулы, а настоящий мир, полный загадок и открытий. Она верит, что каждый может полюбить физику, если найти к ней правильный подход