効率とは何ですか？ 効率。 公式、定義面白くて奇妙

今日は、効率（効率係数）とは何か、それを計算する方法、そしてこの概念がどこに適用されるかをお話します。

人と機械

洗濯機と缶詰工場を統合するものは何ですか？ 自分ですべてを行う必要性から自分自身を解放したいという人の願望。 蒸気機関が発明される前は、人々は自分の筋肉しか自由に使えませんでした。 彼らはすべて自分たちでやった：彼らは耕し、種をまき、調理し、魚を捕まえ、亜麻を織った。 長い冬の間の生存を確実にするために、農民家族の各メンバーは、2歳から彼の死まで日中働いていました。 最年少の子供たちは動物の世話をし、大人を助けていました（連れてきて、教えて、電話して、連れて行ってください）。 女の子は5歳の時に最初に糸車の後ろに置かれました！ 深い老人でさえスプーンを切り、視力が許せば、最も年配の貧しい祖母は織機と糸車に座っていました。 彼らは星が何であるか、そしてなぜそれらが輝くのかについて考える時間がありませんでした。 人々は疲れました。健康状態、痛み、士気に関係なく、毎日出勤しなければなりませんでした。 当然のことながら、人は彼の過労した肩を少なくともわずかに和らげるアシスタントを見つけたいと思っていました。

面白くて奇妙

当時の最先端技術は馬とミルホイールでした。 しかし、彼らは人間の2、3倍の仕事しかしませんでした。 しかし、最初の発明者は非常に奇妙に見えるデバイスを思いつき始めました。 映画「永遠の愛の物語」では、レオナルド・ダ・ヴィンチが小さなボートを足に付けて水の上を歩きました。 科学者が服を着たまま湖に飛び込んだとき、これはいくつかの面白い事件につながりました。 このエピソードは脚本家の発明にすぎませんが、そのような発明は確かにそのように見えました-コミカルで面白いです。

19世紀：鉄と石炭

しかし、19世紀の半ばに、すべてが変わりました。 科学者たちは、蒸気を膨張させる圧力に気づきました。 当時の最も重要な商品は、ボイラーを製造するための鉄と、ボイラー内の水を加熱するための石炭でした。 当時の科学者は、蒸気とガスの物理学の効率と、それを高める方法を理解する必要がありました。

一般的な場合の係数の式は次のとおりです。

仕事と暖かさ

効率（略称効率）は無次元量です。 これはパーセンテージとして定義され、有用な作業に費やされたエネルギーの比率として計算されます。 後者の用語は、過失のある10代の母親が家の周りで何かをするように強制するときに、よく使用されます。 しかし実際には、これは費やされた努力の本当の結果です。 つまり、マシンの効率が20％の場合、受け取ったエネルギーの5分の1だけが動作に変換されます。 さて、車を買うとき、読者はエンジン効率が何であるかについて質問するべきではありません。

係数がパーセンテージで計算される場合、式は次のようになります。

η-効率、A-有用な仕事、Q-消費されたエネルギー。

喪失と現実

確かに、これらすべての議論は当惑を引き起こします。 より多くの燃料エネルギーを使用できる車を発明してみませんか？ 悲しいかな、現実の世界はそのようではありません。 学校では、子供たちは摩擦がなく、すべてのシステムが閉じられ、放射線が厳密に単色であるという問題を解決します。 製造工場の実際のエンジニアは、これらすべての要因の存在を考慮に入れることを余儀なくされています。 たとえば、この係数が何であり、それが何で構成されているかを考えてみてください。

この場合の式は次のようになります。

η\u003d（Q 1 -Q 2）/ Q 1

この場合、Q 1はエンジンが加熱によって受けた熱量であり、Q 2はエンジンが環境に与えた熱量です（一般的な場合、これは冷蔵庫と呼ばれます）。

燃料が加熱して膨張し、力がピストンを押して、回転要素を駆動します。 しかし、燃料はいくつかの容器に含まれています。 加熱されると、容器の壁に熱を伝達します。 これはエネルギー損失につながります。 ピストンが下降するためには、ガスを冷却する必要があります。 これを行うために、その一部が環境にリリースされます。 そして、ガスが有用な仕事にすべての熱を与えればそれは良いことです。 でも、残念ながら、冷えるのがとても遅いので、熱い蒸気が出てきます。 エネルギーの一部は空気の加熱に費やされます。 ピストンは中空の金属シリンダー内を移動します。 そのエッジは壁にぴったりとフィットします。移動すると、摩擦力が作用します。 ピストンが中空シリンダーを加熱し、これもエネルギーの損失につながります。 ロッドの上下の並進運動は、互いに摩擦して熱くなる一連のジョイントを介してトルクに伝達されます。つまり、一次エネルギーの一部もこれに費やされます。

もちろん、工場の機械では、すべての表面が原子レベルまで研磨され、すべての金属が強く、熱伝導率が最も低く、ピストンオイルが最高の特性を備えています。 しかし、どのエンジンでも、ガソリンのエネルギーは部品、空気、摩擦を加熱するために使われます。

ソースパンと大釜

ここで、ボイラーの効率とは何か、そしてボイラーが何で構成されているかを理解することを提案します。 主婦なら誰でも知っています。閉じた蓋の下でソースパンに水を入れて沸騰させると、水がストーブに滴り落ちるか、蓋が「踊り」ます。 最新のボイラーはほとんど同じように配置されています。

• 熱は、水で満たされた密閉容器を加熱します。
• 水は過熱蒸気になります。
• 膨張するとき、ガスと水の混合物はタービンを回転させるか、ピストンを動かします。

エンジンと同じように、ボイラー、パイプ、すべてのジョイントの摩擦を加熱するためにエネルギーが失われるため、100％に等しい効率を持つメカニズムはありません。

カルノーサイクルで動作するマシンの式は、熱量（温度）ではなく、熱機関の一般式のように見えます。

η=（T 1 -T 2）/T1。

宇宙ステーション

そして、あなたがそのメカニズムを宇宙に置いたら？ 無料の太陽エネルギーは24時間利用可能で、あらゆるガスを文字通り0度ケルビンまでほぼ瞬時に冷却できます。 たぶん宇宙では生産効率が高くなるのでしょうか？ 答えはあいまいです：はい、いいえ。 これらすべての要因は、実際、有用な仕事へのエネルギーの伝達を大幅に改善する可能性があります。 しかし、1000トンでも希望の高さに配送するのは、依然として信じられないほど高価です。 そのような工場が500年間稼働していても、設備を調達するコストを回収することはできません。そのため、SF作家は、宇宙エレベーターのアイデアを積極的に活用しています。これにより、作業が大幅に簡素化され、工場を宇宙に移すことは商業的に有益です。

効率は、デバイスまたはマシンの効率の特性です。 効率は、システムに供給されるエネルギーの総量に対するシステムの出力での有用なエネルギーの比率として定義されます。 効率は無次元であり、多くの場合、パーセンテージで表されます。

フォーミュラ1-効率

どこ- A役に立つ仕事

—Q費やされた総作業量

あらゆる作業を実行するシステムは、外部からエネルギーを受け取る必要があり、その助けを借りて作業が行われます。 たとえば、変圧器を考えてみましょう。 220ボルトの主電源電圧が入力に印加され、12ボルトが出力から除去されて、たとえば白熱灯に電力が供給されます。 したがって、変圧器は入力のエネルギーをランプが機能するのに必要な値に変換します。

ただし、変圧器に損失があるため、ネットワークから取得したすべてのエネルギーがランプに送られるわけではありません。 たとえば、変圧器のコアでの磁気エネルギーの損失。 または、巻線の有効抵抗の損失。 電気エネルギーが消費者に届かずに熱に変換される場所。 このシステムのこの熱エネルギーは役に立たない。

どのシステムでも電力損失を回避できないため、効率は常に1未満です。

多くの個別の部品で構成されるシステム全体の効率を考慮することができます。 したがって、各部品の効率を個別に決定するために、合計効率は、そのすべての要素の効率の積に等しくなります。

結論として、効率は、エネルギーの伝達または変換という意味で、あらゆるデバイスの完全性のレベルを決定すると言えます。 また、システムに供給されたエネルギーが有用な作業にどれだけ費やされているかも示します。

成績係数（COP）-おそらくすべてのシステムとデバイスに適用できる用語。 人でさえ効率がありますが、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どのように計算できるかについて詳しく説明します。

効率の定義

効率は、エネルギーの戻りまたは変換に関連する特定のシステムの効率を特徴付ける指標です。 効率は測定できない値であり、0から1の範囲の数値、またはパーセンテージとして表されます。

一般式

効率は記号Ƞで示されます。

効率を求める一般的な数式は次のように記述されます。

Ƞ=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/仕事であり、Qは有用な出力を取得するプロセスを編成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、効率係数は常に1以下です。これは、エネルギー保存の法則によれば、消費したエネルギーよりも多くの仕事を得ることができないためです。 さらに、実際には、効率が1に等しくなることはめったにありません。これは、有用な作業には、たとえばメカニズムの加熱などの損失が常に伴うためです。

熱機関の効率

熱機関は、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る熱量とクーラーに与えられる熱量の差によって決定されるため、効率は次の式で決定されます。

• Ƞ=Qн-Qх/Qн。ここで、Qнはヒーターから受け取った熱量であり、Qхはクーラーに与えられた熱量です。

最高の効率は、カルノーサイクルで作動するエンジンによって提供されると考えられています。 この場合、効率は次の式で決まります。

• Ƞ=T1-T2/ T1、ここでT1は高温源の温度、T2は低温源の温度です。

電気モーターの効率

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デバイスであるため、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ことに対するデバイスの効率比です。 電気モーターの効率を求める式は次のようになります。

• Ƞ=P2/ P1、ここでP1は供給電力、P2はエンジンによって生成される有用な機械的電力です。

電力はシステムの電流と電圧の積として求められ（P = UI）、機械的電力は仕事と単位時間の比率として求められます（P = A / t）

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ACをDCに変換することもできます。

トランスの効率は次の式で求められます。

• Ƞ=1/1+（P0 + PL * n2）/（P2 * n）、ここで、P0-無負荷損失、PL-負荷損失、P2-負荷に供給される有効電力、n-相対的な負荷の程度。

効率かどうか？

効率に加えて、エネルギープロセスの効率を特徴付ける多くの指標があり、タイプの説明を見つけることができることは注目に値します-130％のオーダーの効率ですが、この場合、あなたはする必要がありますこの用語が正しく使用されていないことを理解してください。おそらく、作成者または製造元は、この略語によってわずかに異なる特性を理解しています。

たとえば、ヒートポンプは、消費する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、除去の組織化に相当するエネルギーに費やされるよりも多くの熱を冷却対象から除去することができます。 冷凍機の効率指標は成績係数と呼ばれ、文字Ɛで表され、次の式で決定されます。Ɛ= Qx / A、ここでQxはコールドエンドから除去される熱、Aは除去プロセス。 ただし、成績係数は冷凍機の効率とも呼ばれます。

化石燃料で稼働するボイラーの効率は、通常、低い発熱量に基づいて計算されますが、複数になる可能性があることも興味深いことです。 ただし、それでも伝統的に効率と呼ばれています。 総発熱量でボイラーの効率を判断することは可能であり、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です。

効率係数（COP）は、受け取ったエネルギーを有用な仕事に変換することに関する特定のメカニズム（エンジン、システム）の効率をパーセンテージで表す値です。

この記事を読む

ディーゼル効率が高い理由

さまざまなエンジンの効率指数は大きく異なる可能性があり、多くの要因によって異なります。 このタイプのパワーユニットの動作中に発生する多数の機械的および熱的損失のため、効率は比較的低くなります。

2番目の要因は、嵌合部品の相互作用中に発生する摩擦です。 有用なエネルギー消費のほとんどは、エンジンのピストンと、ベアリングに構造的に固定されているモーター内部の部品の回転によって駆動されます。 ガソリンの燃焼エネルギーの約60％は、これらのユニットの動作を保証するためにのみ使用されます。

追加の損失は、他のメカニズム、システム、およびアタッチメントの操作によって発生します。 また、次回の燃料と空気の充填時の抵抗による損失の割合と、内燃機関のシリンダーからの排気ガスの放出も考慮に入れています。

ディーゼルプラントとガソリンエンジンを比較すると、ディーゼルエンジンはガソリンユニットに比べて著しく効率が高くなっています。 ガソリンパワーユニットの効率は、受け取ったエネルギーの総量の約25〜30％です。

言い換えれば、エンジンに費やされたガソリン10リットルのうち、有用な仕事に費やされたのはわずか3リットルです。 燃料の燃焼による残りのエネルギーは無駄になりました。

同じ排気量インジケーターを使用すると、大気圧ガソリンエンジンの出力は高くなりますが、より高速で達成されます。 エンジンを「回転」させる必要があり、損失が増加し、燃料消費量が増加します。 トルクについても言及する必要があります。これは、文字通り、モーターから車輪に伝達されて車を駆動する力を意味します。 ガソリンICEは、より高いRPMで最大トルクに達します。

同様の自然吸気ディーゼルは、低回転でピークトルクを達成しますが、有用な作業を行うために使用するディーゼルが少なくなるため、効率と燃費が向上します。

ディーゼル燃料はガソリンに比べて発熱量が多く、ディーゼル燃料の燃焼温度が高く、耐ノック性指数が高くなっています。 ディーゼル内燃エンジンは、特定の量の燃料に対してより有用な仕事をしていることがわかりました。

ディーゼル燃料とガソリンのエネルギー価値

ディーゼル燃料は、ガソリンよりも重い炭化水素で構成されています。 ディーゼルエンジンと比較してガソリンプラントの効率が低いのも、ガソリンのエネルギー成分とその燃焼の特徴にあります。 等量のディーゼル燃料とガソリンを完全に燃焼させると、最初のケースではより多くの熱が発生します。 ディーゼルエンジンの熱は、より完全に有用な機械的エネルギーに変換されます。 単位時間あたり同じ量の燃料を燃焼させるとき、より多くの仕事をするのはディーゼルエンジンであることがわかります。

噴射の特徴と混合気の完全燃焼のための適切な条件の作成も検討する価値があります。 ディーゼルエンジンでは、燃料は空気とは別に供給され、インテークマニホールドに噴射されるのではなく、圧縮行程の最後にシリンダーに直接噴射されます。 その結果、温度が高くなり、作動燃料と空気の混合気の一部が最も完全に燃焼します。

結果

設計者は、ディーゼルエンジンとガソリンエンジンの両方の効率を改善するために絶えず努力しています。 シリンダーあたりの吸気バルブと排気バルブの数の増加、アクティブな使用、燃料噴射の電子制御、スロットルバルブ、およびその他のソリューションは、効率を大幅に向上させることができます。 これは、ディーゼルエンジンにも当てはまります。

これらの機能のおかげで、最新のディーゼルエンジンは、シリンダー内の炭化水素で飽和したディーゼル燃料の一部を完全に燃焼させ、低回転で大きなトルクを生成することができます。 RPMが低いということは、摩擦損失が少なく、結果として生じる抗力が少ないことを意味します。 このため、ディーゼルエンジンは今日、最も生産的で経済的なタイプの内燃エンジンの1つであり、その効率は50％を超えることがよくあります。

また読む

運転する前にエンジンを暖めることが良い理由：潤滑、燃料、冷たい部品の摩耗。 冬にディーゼルエンジンを暖める方法。

最も信頼性の高いガソリンおよびディーゼルエンジンのリスト：4気筒パワーユニット、直列6気筒内燃エンジンおよびV字型発電所。 評価。

車のさまざまなメカニズムの多くの特徴の中で、決定的な要因は次のとおりです。 内燃機関の効率。 この概念の本質を知るためには、古典的な内燃機関が何であるかを正確に知る必要があります。

内燃機関の効率-それは何ですか？

まず、モーターは燃料の燃焼中に発生する熱エネルギーを一定量の機械的仕事に変換します。 蒸気エンジンとは異なり、これらのエンジンはより軽量でコンパクトです。 それらははるかに経済的であり、厳密に定義された液体および気体燃料を消費します。 したがって、最新のエンジンの効率は、技術的特性やその他の指標に基づいて計算されます。

効率（成績係数）は、ガスの作用によってピストンが受け取る動力に対する、エンジンシャフトに実際に伝達される動力の比率です。 異なる出力のエンジンの効率を比較すると、それぞれのエンジンのこの値には独自の特性があることがわかります。

両方のエンジンは、設計の類似性にもかかわらず、異なるタイプの混合気形成を持っています。 したがって、キャブレターエンジンのピストンは、高品質の冷却を必要とする高温で動作します。 このため、機械的エネルギーに変わる可能性のある熱エネルギーが無駄に消費され、全体的な効率値が低下します。

ただし、ガソリンエンジンの効率を上げるために、一定の対策が講じられています。 たとえば、1つの吸気バルブと1つの排気バルブの代わりに、シリンダーごとに2つの吸気バルブと排気バルブを取り付けることができます。 さらに、一部のエンジンには、スパークプラグごとに個別の点火コイルがあります。 多くの場合、スロットル制御は、通常のケーブルではなく、電気駆動装置を使用して実行されます。

ディーゼルエンジンの効率–顕著な効率

ディーゼルは、圧縮の結果として作動混合物の点火が行われる内燃機関の種類の1つです。 したがって、シリンダー内の空気圧はガソリンエンジンの空気圧よりもはるかに高くなります。 ディーゼルエンジンの効率を他の設計の効率と比較すると、その最高の効率に気付くことができます。

低速で大きな排気量が存在する場合、効率指数は50％を超える可能性があります。

ディーゼル燃料の消費量が比較的少なく、排気ガス中の有害物質の含有量が少ないことに注意を払う必要があります。したがって、内燃機関の効率の価値は、そのタイプと設計に完全に依存します。 多くの車両では、全体的なパフォーマンスを向上させるためのさまざまな改善によって、低効率が相殺されています。