§ 19. Коефіцієнт корисної дії (ККД)

Закон збереження і перетворення енергії стверджує, що енергія не зникає і не виникає, а лише переходить з однієї форми в іншу. У попередньому параграфі ми

встановили, що в результаті хімічної реакції горіння виділяється теплота. Називатимемо нагрівником тіло або систему, що є джерелом теплоти. Теплота отримується внаслідок енергетичних перетворень. Це можуть бути хімічні, атомні, ядерні або інші (наприклад, електричні) перетворення. Кожен нагрівник характеризується кількістю теплоти, яку він може виділити. Позначимо цю кількість теплоти Q₃. Наприклад, при згоранні 1 кг мазуту виділиться 40 МДж енергії. Проте так буде, коли мазут повністю згорить з утворенням вуглекислого газу та води.

Чи можна використати для нагрівання іншого тіла ці 40 МДж теплоти? Практично ні. Частина теплоти буде втрачена у вигляді внутрішньої енергії продуктів згорання (CO₂ та H₂O), частина піде на нагрівання повітря або інших тіл з оточуючого середовища. На практиці частина мазуту може не згоріти, утворюючи дим та сажу.

Із сказаного зрозуміло, що використана корисно частина теплоти Q_k менша, ніж Q₃ на величину втрат Q_et.

Відношення корисно використаної теплоти нагрівника до кількості теплоти, яку він витратив, називається коефіцієнтом корисної дії ККД нагрівника:

Енергетичні перетворення у нагрівнику характеризує спеціальна діаграма. Ці діаграми є різних типів. Щоб з ними ознайомитись, розглянемо такий приклад.

Приклад. За допомогою пальника нагріли 3 кг води від 25 C до кипіння. При цьому було витрачено ЗО г

бензину. Визначити ККД пальника та побудувати діаграму енергетичних перетворень під час його роботи. Розв’язування

Щоб нагріти воду від 25 °С до 100 “С (ΔT = 75 К), потрібно було використати кількість теплоти Q_k= ст^АТ. Підставивши дані, отримаємо:

При згоранні бензину виділилося Q₃ = qm_b теплоти, тобто Q₃ = 45 кДж/г· ЗО г = 1350 кДж. Отже, ККД нагрівника рівний:

Для побудови діаграми малюємо круг, площа якого символізує виділену теплоту Q₃. Тоді частина круга (70%) є корисно витрачена теплота, а ЗО % — втрачена теплота (мал. 32 ).

Можлива побудова діаграми і згідно мал. 33. При побудові цієї діаграми довжина відрізка AB = 70% від довжини відрізка АС, що символізує Q₃.

При згоранні палива частина теплоти втрачається. Втрати обумовлені нагріванням оточуючого середовища, неповним згоранням палива. Тому на виконання корисної роботи може бути віддана тільки частина теплоти, яка може бути отримана від згорання палива.

Проект

Визначення ККД нагрівника

1.    Визначте за допомогою терезів масу шматочка сухого спирту (яі_сп), покладіть його у спиртівку.

2.    Відміряйте мірним циліндром 80 —100 мл води (маса води Шв дорівнює відповідно 80 —100 г). Закріпіть пробірку у штативі та вилийте в неї воду з мірного циліндра.

3.    Виміряйте температуру води J₁. Всі дані занесіть у таблицю.

4. Поставте спиртівку під пробіркою (мал. 35). Запитайте у вчителя дозволу щодо підпалювання спирту. Чекайте, поки згорить весь шматочок спирту. Над пробіркою можна тримати скло, щоб теплота не виносилася з парою. Коли весь спирт згорить, виміряйте температуру води U. Дані занесіть у таблицю.

5.    Визначте кількість теплоти, що виділилася при згоранні спирту.

Q₃=</m_cn, та кількість теплоти, що пішла на нагрівання води Q_k=C т_ъ (t₂ — ί_χ). Обчисліть KKД =

QJQ..

Дані занесіть у таблицю.

6.    Зробіть висновок про величину KKД та точність вимірювання.

Відношення корисно витраченої теплоти до загальної кількості теплоти (одержаної від повного згорання палива) називається коефіцієнтом корисної дії нагрівника.

^ 1. Від чого залежить кількість теплоти, яка виділиться при згоранні палива? 2. Що називається коефіцієнтом корисної дії нагрівника? 3. Що характеризує діаграма енергетичних перетворень нагрівника?

? 1. Залізної каструлі 0,5 кг. Нагріваючи воду від 15“С до 70“С, витратили 25 л природного газу. А. Яку енергію отримала вода? Б. діаграму енергетичних перетворень у нагрівнику. 2. Для нагрівання 5 л води від 20*С до 75*С у газонагрівнику спалили 50 л природного газу. Визначте ККД газонагрівника та побудуйте діаграму енергетичних перетворень у ньому. 3. Сонячний колектор має площу 5м² та KKД = 95 %. Скільки бензину потрібно витратити, щоб отримати таку ж кількість енергії, яку дав колектор протягом дня? Вважати, що на 1 м² площі протягом дня падає 10 МДж сонячної енергії. ККД бензинового нагрівана 40%. 4. Які шляхи підвищення ККД нагрівачів ви можете запропонувати? 5. Яким способом підвищували ККД пічки, що зображена на мал. 34?

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Гуз