Цены снижены! Бесплатная доставка контурной маркировки по всей России

Коэффициент полезного действия физика: Формула КПД (коэффициента полезного действия) в физике

Содержание

Конспект по физике Коэффициент полезного действия механизма – euroki.org

Коэффициент полезного действия (КПД) – физическая величина, которая обозначается η («эта») – это безразмерная величина или измеряющаяся в процентах (%), которая показывает, какая часть затраченной работы идёт на полезное действие (η = \(\frac{А_{п}}{А_{з}}\)) (η = \(\frac{А_{п}}{А_{з}}\) • 100%).

КПД всегда меньше 100% или единицы, потому что нельзя избавиться от трения и сопротивления среды.

Повысить КПД механизмов можно с помощью конструкций, уменьшающих трение.

Энергия – это физическая величина, характеризующая способность системы совершать работу. Обозначается Е. Измеряется в СИ: Е [Дж], скалярная величина.

Работа является мерой энергии, то есть любое изменение энергии равно работе: Е2 – Е1 = А.

Различают два вида механической энергии:

1. Кинетическая Ек = \(\frac{mV^{2}}{2}\) .{2}}{2}\) , где к – жёсткость ( \(\frac{Н}{м}\) ), х – деформация (м).

Системы могут одновременно обладать кинетической и потенциальной энергией. Полная энергия системы обозначается Е = Ек + Еп .

Коэффициент полезного действия. Физика. 7 класс. — Объяснение нового материала.

Комментарии преподавателя

Согласно «золотому правилу» механики никакой механизм не дает выигрыша в работе. А вот некоторого «проигрыша в работе» избежать не удается. Рассмотрим простой пример.

Пусть человек поднимает с помощью неподвижного блока груз весом Р = 200 Н на высоту h = 10 м.

При этом полезная работа — это работа по подъему груза, то есть Апол = Ph = 200 Н · 10 м = 2000 Дж = 2 кДж.

Совершенная же работа — это работа, которую совершает сила, приложенная человеком к свободному концу троса. Если бы трения в блоке не было, то при подъеме груза человек тянул бы трос с силой, равной весу груза (200 Н). Однако из-за трения человеку пришлось тянуть трос с большей силой, например 250 Н. Поднимая груз на 10 м, человек вытянул трос тоже на 10 м. Поэтому совершенная работа Асов = Fh = 250 Н · 10 м = 2500 Дж = 2,5 кДж.

Опыты показывают, что полезная работа всегда меньше совершенной. Одну причину этого мы уже знаем — это трение. Вторая причина состоит в том, что сами механизмы и их части имеют некоторую массу. Например, поднимая груз с помощью подвижного блока, приходится вместе с грузом поднимать и блок, а при этом необходимо совершать «дополнительную» работу.

Отношение полезной работы Апол к совершенной Асов, выраженное в процентах, обозначают η и называют коэффициентом полезного действия (КПД): η = Апол/Асов · 100%.

Например, для рассмотренного выше неподвижного блока

По указанным выше причинам КПД любого реального механизма меньше 100%.

КПД механизма можно найти опытным путем (см. лабораторную работу № 13). Но КПД можно найти и с помощью расчетов..

Задача 1.

При подъеме груза массой 100 кг на высоту 9 м с помощью неподвижного блока совершили работу 10 кДж. Каков КПД блока?

С помощью рычага подняли груз массой 80 кг на 2 м. При этом сила, приложенная к другому плечу рычага, совершила работу 2 кДж. Чему равен КПД рычага?

Задача 2.

По наклонной плоскости поднимают груз массой 50 кг, прикладывая к нему силу 250 Н, направленную вдоль плоскости. Чему равен КПД плоскости, если ее длина равна 10 м, а высота равна 3 м?

Домашняя работа

Задание 1. Ответь на вопросы.

  1. Что такое коэффициент полезного действия?
  2. Может ли КПД быть больше или равен 100 % ? Обоснуйте ваш ответ.
  3. С помощью неподвижного блока поднимают груз массой 120 кг. Какую при этом прикладывают силу, если КПД блока равен 0,8?
  4. С помощью неподвижного блока поднимают груз массой 50 кг, прикладывая силу 600 Н. Каков КПД этого блока?

Задание 2. Реши ребус.

К занятию прикреплен файл  «Презентация». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.

Использованные источники: http://www.tepka.ru/fizika_7  

 

 

Интегрированный урок физики и информатики на тему: «Коэффициент полезного действия»

этап урока (регламент, мин.)

Деятельность учителя

Деятельность обучающихся

Познавательная

Коммуникативная

Регулятивная

Осуществляемые действия

Формируемые способы деятельности

Осуществляемые действия

Формируемые способы деятельности

Осуществляемые действия

Формируемые способы деятельности

Организационный (2 мин.)

Приветствует обучающихся, отмечает отсутствующих, проверяет готовность обучающихся к уроку.

           

Актуализация знаний (8 мин.)

Выводит на экран слайд презентации «КПД». Раскрывает выбранный учеником вопрос, комментирует данный на него ответ.

Обучающиеся один за другим выбирают номер вопроса, отвечают на него, остальные слушают, анализируют данный ответ.

Умение осознанно строить речевое высказывание в устной форме, структурировать знания.

При необходимости дополняют или исправляют данный ответ на вопрос.

Умение слушать и вступать в диалог, точно

выражать свои мысли, владение монологической и диалогической формами речи в соответствии с нормами родного языка.

Контролируют и оценивают собственные знания, при необходимости их корректируют.

Выработка способности к мобилизации сил и энергии.

Создание проблемной ситуации (4 мин.)

Создает и предлагает обучающимся найти выход из проблемной ситуации: Рабочему надо загрузить тяжелую бочку на корабль. Чтобы это сделать, надо приложить очень большую силу – силу, равную весу бочки. Такую силу рабочий приложить не может.

Выводит на экран слайд (раскрывает сцену ).

Задает вопрос: только ли на подъем груза расходуется затраченная рабочим энергия?

Выводит на экран слайд (раскрывает сцену ).

Выделяют и формулируют познавательную цель: найти способ подъема тела на высоту, применяя меньшую, чем вес тела, силу.

Выбирают наиболее эффективный способ решения задачи: применить наклонную плоскость.

Предполагают, что часть энергии расходуется на преодоление силы трения.

Делают вывод, чем меньше энергии расходуется на преодоление силы трения, тем эффективнее простой механизм.

Постановка и решение проблемы.

Выбор наиболее эффективных способов выхода из проблемной ситуации в зависимости от конкретных условий

Выдвижение предположения о существовании физической величины, характеризующей эффективность простого механизма.

Предлагают выход из проблемной ситуации:

пригласить помощников, применить наклонную плоскость.

Умение участвовать в коллективном обсуждении проблемы

Оценивают умение определять работу по преодолению силы тяжести и трения, но не знают, как их связать друг с другом.

Ставят учебную задачу: познакомиться с физической величиной, характеризующей эффективность наклонной плоскости.

Постановка учебной задачи на основе соотнесения того, что уже известно, и того, что еще неизвестно обучающимся.

Изучение нового материала (8 мин.)

Демонстрирует подъем тела с помощью наклонной плоскости, измеряет вес тела и силу трения, высоту и длину наклонной плоскости.

Выводит на экран

слайды .

Дает характеристику КПД простого механизма.

Сравнивают вес тела с силой трения, высоту наклонной плоскости с ее длиной.

Делают вывод о выигрыше в силе и проигрыше в расстоянии при использовании наклонной плоскости.

Выполняют чертеж наклонной плоскости с обозначением ее длины, высоты, записывают определение и расчетную формулу КПД простого механизма.

Формирование знаково-символических УУД.

Задают вопрос об единицах измерения КПД наклонной плоскости

Развитие умения точно выражать свои мысли в соответствии с нормами родного языка.

Выделяют и осознают то, что уже усвоено (расчет работы силы) и что еще подлежит усвоению (Какую работу считать полезной, какую затраченной, как рассчитать КПД наклонной плоскости через работу полезную и затраченную)

Развитие оценки знаний.

Исследовательская практическая работа (17 мин.)

Организует обсуждение плана исследования.

Выводит на экран

слайды презентации «КПД наклонной плоскости».

Проводит инструктаж по безопасному выполнению лабораторной работы.

Формулирует проблемный вопрос: от каких параметров зависит КПД наклонной плоскости.

Раздает комплекты оборудования, ИОТ, технологические карты группам учеников(учитель информатики)

Оказывает помощь группам обучающихся в выполнении работы. (учитель информатики)

Составляют план и последовательность действий для определения КПД наклонной плоскости:

1. Измерить вес бруска (Р).

2. Измерить высоту наклонной плоскости (h).

3. Рассчитать полезную работу по формуле .

4. Измерить силу трения (Fтр).

Измерить длину наклонной плоскости (l).

5. Рассчитать затраченную работу по формуле

.

6. Рассчитать КПД наклонной плоскости по формуле

.

Самостоятельно формулируют познавательную задачу:

проверить как зависит КПД наклонной плоскости от веса поднимаемого тела и угла наклонной плоскости?

Выдвигают гипотезу: КПД наклонной плоскости зависит от угла наклона и не зависит от веса поднимаемого тела.

Самостоятельное создание алгоритмов деятельности при решении проблем поискового характера.

Самостоятельное формулирование познавательной задачи.

Самостоятельное выдвижение гипотезы о зависимости КПД наклонной плоскости от угла наклона и веса поднимаемого тела.

Контролируют, при необходимости корректируют и оценивают действия партнера по группе.

Умение интегрироваться в группу сверстников и строить продуктивное сотрудничество со сверстниками и взрослыми

Выполняют составленный план действий для определения КПД наклонной плоскости:

1. Определяют цену деления динамометра, транспортира и измерительной ленты.

2. Собирают установку.

2. Измеряют вес бруска (Р).

3. Измеряют высоту наклонной плоскости (h).

4. Рассчитывают полезную работу по формуле .

5. Измеряют силу трения (Fтр).

6. Измеряют длину наклонной плоскости (l).

7. Рассчитывают затраченную работу по формуле

.

8. Рассчитывают КПД наклонной плоскости по формуле

.

9. Изменяют вес бруска, повторяют 1-6.

10. Изменяют угол наклона плоскости, повторяют 1-6.

11. Результаты заносят в таблицу.

Умение составления плана и последовательности действий,

прогнозирования результата.

Рефлексия (4 мин.)

Напоминает, что вывод по работе должен быть ответом на цель исследования.

Оформляют результаты работы, делают вывод, анализируют полученный результат.

Осознанное построение речевого высказывания в письменной форме.

Рефлексия способов и условий действия, контроль и оценка процесса и результатов деятельности.

Делают вывод: в ходе лабораторной работы КПД наклонной плоскости при угле наклона 20 к горизонту оказался равным 45%, он всегда меньше 100%, зависит от угла наклона (чем больше угол наклона плоскости, тем больше ее КПД) и не зависит от веса поднимаемого тела.

Умение точно выражать свои мысли;

Оценивают полученные результаты работы:

Ап должна быть меньше Аз;

высота наклонной плоскости должна быть меньше ее длины, полученный КПД должен быть меньше 100%.

Если полученный результат не верен, находят ошибку в измерении или расчетах.

Умение оценивать и контролировать полученный результат,

корректировать план и способ действия в случае расхождения эталона и полученного результата.

Домашнее задание (2 мин.)

Выводит на экран слайд.

Комментирует домашнее задание, дает рекомендации по его эффективному выполнению.

Записывают домашнее задание.

Выделение необходимой информации.

Задают уточняющие вопросы

Умение точно сформулировать вопрос, внимательно выслушать ответ.

Ставят перед собой учебную задачу

Умение постановки учебной задачи на основе соотнесения известного и неизвестного материала.

Коэффициент полезного действия ❤️ | Физика

Используя тот или иной механизм, мы совершаем работу, всегда превышающую ту, которая необходима для достижения поставленной цели. В соответствии с этим различают полную или затраченную работу Aз и полезную работу Aп. Если, например, наша цель — поднять груз массой M на высоту H, то полезная работа — это та, которая обусловлена лишь преодолением силы тяжести, действующей на груз. При равномерном подъеме груза, когда прикладываемая нами сила равна силе тяжести груза, эта работа может быть найдена следующим образом:

Aп = Fтh = mgh. (24.1)

Если

же мы применяем для подъема груза блок или какой-либо другой механизм, то, кроме силы тяжести груза, нам приходится преодолевать еще и силу тяжести частей механизма, а также действующую в механизме силу трения. Например, используя подвижный блок, мы вынуждены будем совершать дополнительную работу по подъему самого блока с тросом и по преодолению силы трения в оси блока. Кроме того, выигрывая в силе, мы всегда проигрываем в пути (об этом подробнее будет рассказано ниже), что также влияет на работу. Все это приводит к тому, что затраченная нами работа оказывается больше полезной:

Aз > Aп

Полезная работа всегда составляет лишь некоторую часть полной работы, которую совершает человек, используя механизм.

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет полезная работа от всей затраченной работы, называется Коэффициентом полезного действия механизма.

Сокращенное обозначение коэффициента полезного действия — КПД.

Чтобы найти КПД механизма, надо полезную работу разделить на ту, которая была затрачена при использовании данного механизма.

Коэффициент полезного действия часто выражают в процентах и обозначают греческой буквой Η (читается «эта»):

Η =* 100% (24.2)

Поскольку числитель Aп в этой формуле всегда меньше знаменателя Aз, то КПД всегда оказывается меньше 1 (или 100%).

Конструируя механизмы, стремятся увеличить их КПД. Для этого уменьшают трение в осях механизмов и их массу. В тех случаях, когда трение ничтожно мало и используемые механизмы имеют массу, пренебрежимо малую по сравнению с массой поднимаемого груза, коэффициент полезного действия оказывается лишь немного меньше 1. В этом случае затраченную работу можно считать примерно равной полезной работе:

Aз ≈ Aп (24.3)

Следует помнить, что выигрыша в работе с помощью простого механизма получить нельзя.

Поскольку каждую из работ в равенстве (24.3) можно выразить в виде произведения соответствующей силы на пройденный путь, то это равенство можно переписать так:

F1s1 ≈ F2s2 (24.4)

Отсюда следует, что,

Выигрывая с помощью механизма в силе, мы во столько же раз проигрываем в пути, и наоборот.

Этот закон называют «золотым правилом» механики. Его автором является древнегреческий ученый Герон Александрийский, живший в I в. н. э.

«Золотое правило» механики является приближенным законом, так как в нем не учитывается работа по преодолению трения и силы тяжести частей используемых приспособлений. Тем не менее оно бывает очень полезным при анализе работы любого простого механизма.

Так, например, благодаря этому правилу мы сразу можем сказать, что рабочему, изображенному на рисунке 47, при двукратном выигрыше в силе для подъема груза на 10 см придется опустить противоположный конец рычага на 20 см. То же самое будет и в случае, изображенном на рисунке 58. Когда рука человека, держащего веревку, опустится на 20 см, груз, прикрепленный к подвижному блоку, поднимется лишь на 10 см.

1. Почему затраченная при использовании механизмов работа оказывается все время больше полезной работы? 2. Что называют коэффициентом полезного действия механизма? 3. Может ли КПД механизма быть равным 1 (или 100%)? Почему? 4. Каким образом увеличивают КПД?

5. В чем заключается «золотое правило» механики? Кто его автор? 6. Приведите примеры проявления «золотого правила» механики при использовании различных простых механизмов.

Коэффициент полезного действия механизма. Школьный курс физики







Глава 4. Работа и мощность. Энергия


§ 65. Коэффициент полезного действия механизма

Рассматривая устройство и действие рычага, мы не учитывали трение, а также вес рычага. В этих идеальных условиях работа, совершённая приложенной силой (эту работу мы будем называть полной), равна полезной работе по подъёму грузов или преодолению какого-либо сопротивления.

На практике совершённая с помощью механизма полная работа всегда несколько больше полезной работы.

Часть работы совершается против силы трения в механизме и по перемещению его отдельных частей. Так, применяя подвижный блок, приходится дополнительно совершать работу по подъёму самого блока, верёвки и по преодолению силы трения в оси блока.

Какой бы механизм мы ни взяли, полезная работа, совершённая с его помощью, всегда составляет лишь часть полной работы. Следовательно, обозначив полезную работу буквой AП, а полную (затраченную) — буквой AЗ, можно записать: AП < AЗ, или < 1.


Отношение полезной работы к полной работе называется коэффициентом полезного действия механизма.


Сокращённо коэффициент полезного действия обозначается КПД.

КПД обычно выражают в процентах и обозначают греческой буквой η (читается «эта»): .

Пример. На коротком плече рычага подвешен груз массой 100 кг. Для его подъёма к длинному плечу приложили силу 250 Н. Груз подняли на высоту h1 = 0,08 м, при этом точка приложения движущей силы опустилась на высоту h2 = 0,4 м. Найти коэффициент полезного действия рычага.

Запишем условие задачи и решим её.

Ho «золотое правило» механики выполняется и в этом случае. Часть полной работы — 20% её — расходуется на преодоление трения в оси рычага и сопротивления воздуха, а также на движение самого рычага.

Коэффициент полезного действия любого механизма всегда меньше 100%. Конструируя механизмы, стремятся увеличить их коэффициент полезного действия. Для этого уменьшают трение в осях механизмов и их вес.

Вопросы:

1. Какую работу называют полезной, какую — полной?

2. Почему при применении механизмов для подъёма грузов и преодоления какого-либо сопротивления полезная работа не равна полной?

3. Что такое коэффициент полезного действия механизма?

4. Может ли коэффициент полезного действия быть больше единицы? Ответ обоснуйте.

5. Как можно увеличить коэффициент полезного действия?

Предыдущая страницаСледующая страница

Задачи по физике «Коэффициент полезного действия»

1. Тепловая   машина   с   КПД   за   цикл   работы   отдает   холодильнику   100 Дж.   Какое количество теплоты за цикл машина получает от нагревателя? (Ответ дайте в джоулях.) 2. Тепловая   машина   с   КПД   за   цикл   работы   отдает   холодильнику   60 Дж.   Какое количество теплоты за цикл машина получает от нагревателя? (Ответ дайте в джоулях.) 3. Идеальная   тепловая   машина   за   цикл   работы   получает   от   нагревателя   100 Дж   и   отдает холодильнику 40 Дж. Каков КПД тепловой машины? (Ответ дайте в процентах.) 4. Идеальная   тепловая   машина   с   КПД   за   цикл   работы   отдает   холодильнику   100 Дж. Какое количество теплоты за цикл машина получает от нагревателя? (Ответ дайте в джоулях.) 5. Идеальная тепловая машина с КПД   за цикл работы получает от нагревателя 100 Дж. Какую полезную работу машина совершает за цикл? (Ответ дайте в джоулях.) 6. Идеальная тепловая машина с КПД   за цикл работы получает от нагревателя 100 Дж. Какую полезную работу машина совершает за цикл? (Ответ дайте в джоулях.) 7. Идеальная тепловая машина с КПД   за цикл работы отдает холодильнику 80 Дж. Какую полезную работу машина совершает за цикл? (Ответ дайте в джоулях.) 8. Если   идеальная   тепловая   машина   за   цикл   совершает   полезную   работу   50 Дж   и   отдает холодильнику 150 Дж, то каков ее КПД? (Ответ дайте в процентах.) 9. Идеальная тепловая машина с КПД 60% за цикл работы получает от нагревателя 50 Дж. Какое количество теплоты машина отдает за цикл холодильнику? (Ответ дайте в джоулях.) 10. Температура   нагревателя   тепловой   машины   900 К,   температура   холодильника   на   300 К меньше,   чем   у   нагревателя.   Каков   максимально   возможный   КПД   машины?   (Ответ   дайте   в процентах, округлив до целых.) 11. Температура нагревателя тепловой машины 1 000 К, температура холодильника на 200 К меньше,   чем   у   нагревателя.   Каков   максимально   возможный   КПД   машины?   (Ответ   дайте   в процентах.) 12. Температура   нагревателя   тепловой   машины   800 К,   температура   холодильника   на   400 К меньше,   чем   у   нагревателя.   Каков   максимально   возможный   КПД   машины?   (Ответ   дайте   в процентах.) 13. Температура   нагревателя   тепловой   машины   500 К,   температура   холодильника   на   300 К меньше, чем у нагревателя. Максимально возможный КПД машины? (Ответ дайте в процентах.) 14. Температура   холодильника   тепловой   машины   400 К,   температура   нагревателя   на   200 К больше,   чем   у   холодильника.   Каков   максимально   возможный   КПД   машины?   (Ответ   дайте   в процентах, округлив до целых.) 15. Температура   холодильника   тепловой   машины   400 К,   температура   нагревателя   на   100 К больше,   чем   у   холодильника.   Каков   максимально   возможный   КПД   машины?   (Ответ   дайте   в процентах.) 16. Температура   холодильника   тепловой   машины   400 К,   температура   нагревателя   на   600 К больше,   чем   у   холодильника.   Каков   максимально   возможный   КПД   машины?   (Ответ   дайте   в процентах.) 17. Температура   холодильника   тепловой   машины   300 К,   температура   нагревателя   на   300 К больше,   чем   у   холодильника.   Каков   максимально   возможный   КПД   машины?   (Ответ   дайте   в процентах.) 18. Температура   нагревателя   тепловой   машины   800 К,   температура   холодильника   в   2   раза меньше,   чем   у   нагревателя.   Каков   максимально   возможный   КПД   машины?   (Ответ   дайте   в процентах.) 19. Температура   нагревателя   тепловой   машины   900 К,   температура   холодильника   в   3   раза меньше,   чем   у   нагревателя.   Каков   максимально   возможный   КПД   машины?   (Ответ   дайте   в процентах, округлив до целых.) 20. В тепловой машине температура нагревателя 600 K, температура холодильника на 200 К меньше, чем у нагревателя. Максимально возможный КПД машины? (Ответ дайте в процентах, округлив до целых.) 21. КПД тепловой машины равен 20 %. Чему он будет равен, если количество теплоты, получа­ емое от нагревателя, увеличится на 25 %, а количество теплоты, отдаваемое холодильнику, умень­ шится на 25 %? (Ответ дайте в процентах.) 22. В таблице приведена  зависимость  КПД идеальной  тепловой машины от температуры  ее нагревателя при неизменной температуре холодильника. Чему равна температура холодильника этой тепловой машины? (Ответ дайте в кельвинах.)   23. В таблице приведена  зависимость  КПД идеальной  тепловой машины от температуры  ее нагревателя при неизменной температуре холодильника. Чему равна температура холодильника этой тепловой машины? (Ответ дайте в кельвинах.)   24. Тепловая машина с КПД 40% за цикл работы получает от нагревателя количество теплоты, равное 300 Дж. Какую работу машина совершает за цикл? Ответ приведите в джоулях. 25. В идеальной тепловой машине абсолютная температура нагревателя отличается от темпера­ туры холодильника в 2 раза. Чему равен КПД этой машины? Ответ приведите в процентах. 26. В идеальной тепловой машине абсолютная температура нагревателя отличается от темпера­ туры холодильника в 2,5 раза. Чему равен КПД этой машины? Ответ приведите в процентах. 27. Тепловая машина с КПД 40% за цикл работы отдаёт холодильнику количество теплоты, равное 60 Дж. Какое количество теплоты машина получает за цикл от нагревателя? (Ответ дайте в джоулях.) 28. Какую работу за цикл совершит тепловой двигатель, получивший от нагревателя количе­ ство теплоты 800 кДж, если его КПД 30 %? Ответ выразите в кДж. 29. В некотором процессе газ отдал окружающей среде количество теплоты, равное 10 кДж. При этом внутренняя энергия газа увеличилась на 30 кДж. Определите работу, которую совершили внешние силы, сжав газ. Ответ выразите в кДж.

Энергичная жизнь: от физики к эффективности

Брайан Герке следует второму закону термодинамики: ему нравится распределять свою энергию в разных направлениях.

Английский специалист, который также изучал физику — не физику для поэтов, а строгую вторую специализацию по физике — Герке всегда ценил полную, разнообразную жизнь.

Итак, несмотря на то, что это было нелегкое решение после 10 лет исследований в области космологии, год назад он сошел с проторенной дорожки, ведущей к должности преподавателя, чтобы заняться исследованиями в области энергоэффективности.

«Фундаментальные исследования очень важны и интересны; Я очень рад, что десять лет занимался космологией», — говорит Герке. «И эта подготовка очень хорошо послужила мне в моей новой технической области, где я использую свои тренировки для достижения более немедленных результатов».

Оказывается, помощь в установлении национальных стандартов энергоэффективности — отличная карьера для человека с докторской степенью по физике (Калифорнийский университет в Беркли) и трехлетним опытом изучения образования галактик в Институте астрофизики элементарных частиц и космологии Кавли. (на базе Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Стэнфордского университета).

А для тех, кто пел в хоре мадригалов, нарисовал 50-футовый портрет Уолдо на фестивале Burning Man в Неваде и греб в лодочном клубе Кембриджского университета, работа предлагает разнообразие. Герке получает возможность помочь разработать политику, которая служит нескольким интересам: экономия денег людей, рост экономики и снижение серьезности изменения климата.

Старший научный сотрудник, Герке является одним из семи докторов наук в области физики или астрономии, работающих в группе стандартов энергоэффективности Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.

Доктор философии пригодится.

«Мы часто сталкиваемся с попытками смоделировать определенный сектор рынка, который является сложным и трудным, — говорит Герке. «Для достижения этой цели необходимы сложные знания в области анализа данных и моделирования».

Как это применить?

Благодаря Группе по стандартам энергоэффективности и Министерству энергетики США, которые курируют SLAC и лабораторию Беркли, ваш холодильник потребляет только четверть энергии по сравнению с моделью 1975 года, несмотря на то, что он больше по размеру и обладает функцией саморазмораживания.Энергопотребление других бытовых приборов также значительно снизилось из-за стандартов эффективности.

В национальном масштабе это означает меньшие счета за коммунальные услуги, меньшее количество электростанций и меньшее количество загрязняющих выбросов.

Стандарты DOE начались с анализа холодильников в 1979 году и с тех пор способствовали значительным достижениям в областях, которые они охватывают: бытовая и коммерческая техника, осветительные приборы, офисное оборудование и многое другое.

В целом на эти продукты приходится примерно 82 процента энергопотребления в домашних условиях, 67 процентов энергопотребления в коммерческих зданиях и 50 процентов энергопотребления в промышленности.

«Это значительные цифры, — говорит Герке. «Важно, чтобы мы правильно установили стандарты, чтобы сэкономить каждому максимальное количество денег и энергии».

Экономически эффективные стандарты энергоэффективности не только экономят много денег домохозяйствам, они вкладывают больше денег в производство — сектор экономики, который стимулирует экономический рост, — и меньше денег в энергетический сектор, где более высокие цены, как правило, подавляют рост.

Чтобы рекомендовать Министерству энергетики технически и экономически целесообразные стандарты, Герке и его группа по стандартам энергоэффективности ищут золотую середину между новейшей, наиболее эффективной технологией и ценой внедрения этой технологии в устройство — за годы до того, как производителям придется выпускать новые продукты. .

Это включает не только изучение новых технологий, но и прогнозирование будущих цен на продукты, использующие эти технологии. Энергосберегающие продукты, как правило, имеют более высокие закупочные цены, но в долгосрочной перспективе их общая стоимость будет меньше, поскольку они потребляют меньше энергии для охлаждения продуктов или нагрева воды.

Один из способов заглянуть в будущее — создать сложные математические модели, учитывающие прошлые тенденции. Основываясь на такой недавней работе, Герке пришел к выводу, что, просто делая экономически эффективные вещи, такие как переход на более эффективные лампочки, потребление энергии в домах США может снизиться на 40 процентов к 2050 году.Такие меры составили бы около половины целей США по сокращению выбросов углерода, если бы аналогичная экономия применялась в масштабах всей экономики.

«Экономически эффективные стандарты энергоэффективности не только экономят много денег домохозяйствам, они вкладывают больше денег в производство — сектор экономики, который стимулирует экономический рост, — и меньше денег в энергетический сектор, где более высокие цены, как правило, подавляют рост, — говорит Герке.

Кроме того, его анализ показал, что наибольшая экономия энергии может быть достигнута за счет технологических достижений в области освещения, отопления помещений и нагрева воды.Сосредоточение внимания на этих областях принесет наибольшую пользу.

В связи с этим Герке в настоящее время проводит эксперимент в режиме реального времени, используя созданный им веб-краулер для методичного просмотра Интернета, отслеживания цены, эффективности и яркости различных типов лампочек. Этот сбор данных позволит группе увидеть влияние технологических изменений на выбор, цену и другие факторы. Данные подтвердили, что светодиоды уже более рентабельны, чем лампы накаливания или галогенные лампы, и быстро завоевывают позиции компактных люминесцентных ламп.

«Вы можете увидеть движение всего за несколько месяцев розничных данных», — говорит Герке. «Это означает, что, как мы и ожидали, светодиодное освещение, вероятно, станет самой рентабельной технологией в ближайшем будущем».

Первый закон термодинамики: энергия сохраняется

Поскольку Герке переключился с одной области интенсивного анализа на другую, переход оказался более удобным, чем он ожидал. Например, знание языков программирования оказалось полезным.

Создание нестандартных программ и оборудования является обычным делом в Kavli, и Герке с успехом продолжает это делать в своей новой роли: веб-краулер, который он разработал в качестве тестового примера, используется для сбора данных с другими типами продуктов.

«Основной навык, который у меня есть и который ценен при переходе в другую область, — это готовность и уверенность в решении проблем, которые я понятия не имею, как решить», — говорит он. «Когда вы изучаете физику, на самом деле все дело в том, что мне нужно научиться делать, чтобы иметь возможность работать над этим?»

Физическая демонстрация «Pedal power» демонстрирует принципы энергоэффективности

 


В пятницу Общество студентов-физиков провело демонстрацию энергии в студенческом союзе Грюкока, на которой студенты могли питать лампочки, крутя педали велосипеда.Джордин Пара | Collegian

Демонстрация энергетического велосипеда, организованная Обществом студентов-физиков в пятницу, не только привлекла внимание физического факультета, но и помогла распространить информацию об энергоэффективности.

«У меня была идея, что если они смогут почувствовать это в своем теле, они это получат», — сказал заведующий кафедрой физики Кен Хейс.

Демонстрация в Студенческом союзе Грюкока в пятницу днем ​​состояла из велосипеда, к которому были подключены три типа лампочек.Участники, которые ездили на велосипеде, могли видеть, сколько нужно крутить педали, чтобы зажечь лампы накаливания, компактные люминесцентные лампы или светодиодные лампы. Светодиодные лампы являются наиболее энергоэффективными из трех.

Проект был начат два с половиной года назад Майклом Трипепи ’17. Его взяла на себя и закончила старшая Ребекка Раунди.

Проект был «почти готов», когда она его получила, сказал Раунди.

По словам Раунди, в пятницу велосипед опробовали от 30 до 50 человек.

Целью велосипеда было продемонстрировать энергоэффективность.

«Это способ донести физику до людей», — сказала младшая Лаура Сало, которая помогала руководить демонстрацией.

Хейс сказал, что знакомство людей с наукой является одной из причин, по которой общество проводит эти демонстрации.

«Сейчас в стране много людей, которые не относятся к науке с большим уважением, и это трагедия, — сказал Хейс.

Хейс сказал, что надеется, что люди примут участие в демонстрации, поскольку она касается таких вопросов, как энергоэффективность, экономика и сохранение.

Раунди повторил его чувства.

«Это важно не только с точки зрения сохранения, но и с экономической точки зрения, — сказал Раунди. «Мы считаем, что специалистам, не связанным с наукой, важно подумать об этом».

 

Системы строительства, эффективности и производства

Мы много говорим здесь о том, что строительство является неэффективной отраслью. В то время как в других отраслях производительность с течением времени росла, в строительстве она не изменилась или даже снизилась.Нет недостатка в удручающих графиках, показывающих это:

Но эти показатели производительности довольно абстрактны и высокоуровневы. Они определяют проблему, но не дают много подсказок относительно возможного решения. Так что стоит углубиться в механизмы, лежащие в основе производственного процесса, и точно понять, что пошло не так в неэффективном.

Простая производственная модель

В великой традиции Адама Смита давайте рассмотрим простую фабрику по производству булавок.На нашем заводе катушки проволоки поступают с одного конца, обрабатываются на нескольких рабочих станциях и выходят с другой стороны в виде готовых булавок. В этой упрощенной модели производственный процесс состоит из 4 дискретных этапов:

  1. Резка — от катушки отрезается кусок проволоки.

  2. Выпрямление — выпрямляется кусок проволоки.

  3. Прикрепляющая головка — головка штифта крепится к корпусу.

  4. Заточка — конец штифта заточен.

Для простоты предположим, что каждый шаг процесса занимает ровно одну секунду. Таким образом, мы можем рассчитать несколько различных показателей производственного процесса:

  • Производительность фабрики или пропускная способность составляет один штифт в секунду.

  • Незавершенное производство фабрики , количество частично выполненных работ в настоящее время в системе, всегда 4 вывода (по одному на каждую станцию).

  • Время цикла фабрики , время, за которое булавка проходит через фабрику, составляет 4 секунды (по одной секунде для каждой из 4 станций).

  • Коэффициент использования оборудования составляет все 100% — каждая станция используется постоянно.

  • Длина очереди на каждой станции равна нулю — выводы не тратят время на ожидание доступности оборудования.

Эти показатели говорят нам, насколько эффективен наш производственный процесс. Более эффективные фабрики будут производить больше (более высокая производительность), производить быстрее (меньшее время цикла) и иметь как можно меньше запасов (меньший объем незавершенного производства).

Наша примерная фабрика по производству булавок на самом деле представляет собой совершенно эффективный производственный процесс — при условии, что время и организация процесса фиксированы, скорость производства максимально высока, а время цикла и незавершенное производство сведены к минимуму. Причина, по которой это так эффективно, заключается в том, что в этой системе нигде нет ожидания — как только вывод завершен на одном этапе процесса, он может немедленно перейти к следующему шагу.

Но в реальных производственных процессах почти никогда не происходит такой идеальной синхронизации.В частности, в них часто присутствует значительное количество вариации . Это может быть что угодно: от естественного изменения процесса (выполнение задачи может занять от 10 до 15 минут) до случайных поломок оборудования и случайных производственных ошибок, которые необходимо исправить.

Итак, давайте взглянем на слегка модифицированную версию нашей фабрики булавок, добавив в нее немного дисперсии. Вместо того, чтобы каждый шаг занимал ровно 1 секунду, каждый шаг теперь занимает в среднем одну секунду, но распределяется нормально со стандартным отклонением 0.5 секунд.

Мы могли бы подумать, что этот процесс даст тот же результат, что и первый процесс — в конце концов, среднее время процесса точно такое же, а разница относительно мала. Но на самом деле происходит то, что добавление вариативности снижает производительность.

Моделирование вышеуказанной фабрики в течение 500 секунд дает следующие результаты:

Наша производительность немного снизилась — она ​​составляет 92% от теоретического максимума (все еще довольно хорошо!). Но WIP и время цикла намного хуже — вместо 4 вывода в системе, у нас почти 40, и вместо 4-х секундного времени цикла у нас более 20.Что происходит?

Виной тому вариант. При последовательном выполнении работы иногда вышестоящий процесс будет быстрее нижестоящего — когда это происходит, образуются очереди. Но если нижестоящий процесс быстрее восходящего и очереди нет, эта дополнительная скорость тратится впустую — нижестоящий процесс должен сидеть и ждать, пока вышестоящий завершится. Объединение процессов в цепочку означает, что иногда ваши «хорошие» результаты будут отсеиваться, пока вы ждете чего-то более высокого по цепочке [0].

В результате материал накапливается в системе по мере формирования очередей. Чем длиннее очереди, тем больше времени требуется материалу для прохождения через систему. Если мы запустим моделирование дольше, то обнаружим, что производство фактически приближается к теоретически оптимальному уровню, но WIP и время цикла продолжают расти:

Что произойдет, если мы добавим в процесс еще больше дисперсии? Рассмотрим еще одну фабрику выводов — в ней каждый процесс занимает всего 0,4 секунды, но имеет значение 0.1% шанс остановиться на 10 минут всякий раз, когда он работает.

При таком расположении каждый шаг по-прежнему имеет среднее время 1 секунду. Но все наши производственные показатели полностью рушатся. Запуск в течение 5000 секунд дает следующее:

Наша производительность теперь составляет менее 40% от нашего «оптимального» значения, у нас есть тысячи булавок, привязанных к системе, и им требуется в 400 раз больше времени, чтобы пройти через нее. !

Вывод: чем больше вариаций и непредсказуемости в вашем производственном процессе, тем хуже он будет работать.Если вы не можете уменьшить изменчивость, единственным вариантом является буферизация против нее либо дополнительным материалом (как это произошло естественным образом в наших приведенных выше симуляциях), либо дополнительным временем, либо дополнительной емкостью.

В результате часто можно существенно улучшить производительность системы, просто уменьшив изменчивость. Даже производственные системы с длительным временем обработки и значительным ручным трудом можно существенно улучшить, если вы сможете контролировать их и реструктурировать таким образом, чтобы сделать их более предсказуемыми.Одним из основных преимуществ сборочной линии является превращение производства в серию четко определенных шагов, которые можно выполнить за предсказуемый промежуток времени. Вернемся снова к булавочной фабрике Адама Смита, просто переставив рабочих так, чтобы каждый выполнял всего один или два шага, что значительно увеличило производство.

Эффективность строительства

Та же самая модель организации очередей может быть применена к любой производственной системе — любой системе, в которой набор входных данных шаг за шагом преобразуется в набор выходных данных.Например, в разработке программного обеспечения такие вещи, как scrum, agile и devops, вытекают из этой базовой производственной структуры (в частности, методов бережливого производства и производственной системы Toyota).

В отношении строительства мы можем думать об этом так же — работа состоит из ряда процессов (проектирование, фундамент, каркас, инженерные системы и т. д.), которые постепенно превращают сырье в готовое здание. Это сложнее, чем наша простая фабрика булавок, но можно применять те же правила.

Использование этой линзы делает очевидными недостатки в процессе строительства: 

  • Пропускная способность крайне низкая — каждый день строится лишь небольшая часть здания.При строительстве на одну семью час труда производит всего 1,15 квадратных фута здания, что составляет примерно 0,07% дома площадью 1600 квадратных футов.

  • Время цикла невероятно велико — здания проходят месяцы или годы, чтобы пройти путь от первоначального процесса проектирования до завершения строительства.

  • Незавершенное производство огромно — пока здание находится в стадии строительства, материалы и рабочая сила на миллионы долларов связаны с частично завершенным зданием.

Изменчивость конструкции

Вышеприведенная модель предполагает, что изменчивость процесса может быть источником неэффективности в строительной отрасли.

Строительство изобилует вариативностью почти на каждом этапе процесса. На микроуровне рабочие совершают очень мало повторяющихся движений или делают одно и то же подолгу — они постоянно меняют задачи, перемещаются по строительной площадке, вынуждены искать инструмент или приобретать материал или ждут, пока что-то прибудет. . В отличие от фабрики (где работа может выполняться на определенной станции, а поставки могут быть тщательно организованы, чтобы предотвратить замедление работы), строители должны постоянно перемещать себя, свое оборудование и материалы по строительной площадке.Это не только увеличивает время, необходимое для выполнения задач, но и затрудняет прогнозирование того, сколько времени они займут.

На более высоком уровне отсутствие координации между субподрядчиками, проектировщиками и подрядчиками означает, что задачи часто переделываются или их объем увеличивается. Установщику изоляции, возможно, придется переделать большую часть изоляции после того, как электрик снял ее, чтобы проложить проводку, или сантехнику, возможно, придется просверлить балку из цельного дерева, которая не была показана на чертежах (которую затем должен будет сделать монтажник). идти ремонтировать).Любая данная задача имеет значительную вероятность того, что на ее выполнение удвоится или утроится прогнозируемое время.

Еще один уровень выше, у нас есть изменчивость в самой среде. Вместо контролируемой фабрики строительство происходит снаружи, на земле, под открытым небом. Дождь, ветер, холод, плохое состояние почвы и даже пробки могут привести к непредсказуемым задержкам проекта.

При уменьшении масштаба до 10 000 футов весь процесс строительства состоит не в выполнении четко определенного плана, а в постепенном определении того, что нужно построить.Архитекторы создают первоначальный набор чертежей, рассылают его инженерам, которые возвращаются с вопросами, комментариями и предложениями, и чертежи постепенно дорабатываются. Затем эти чертежи рассылаются субподрядчикам, которые повторяют процесс со своими вопросами, комментариями и предложениями. строительство. Это неизбежно влечет за собой новые вопросы, комментарии и предложения, процесс, который не останавливается до тех пор, пока не будет забит последний гвоздь, спустя месяцы или годы после начала процесса.

В более упорядоченном производственном процессе этап выяснения того, что нужно сделать, разумно отделить от фактического изготовления. Но в строительстве они тесно переплетены. Все это приводит к процессу, который чрезвычайно трудно предсказать с какой-либо точностью.

Установки

Многие из самых медленных и самых изменчивых элементов процесса строительства попадают в категорию «время установки».

Наладки — это время, необходимое для наладки в начале производственного процесса.Всякий раз, когда работнику или элементу оборудования необходимо изменить то, что они делают, требуется настройка (традиционные фабрики часто стремятся производить большое количество идентичных предметов специально, чтобы избежать настройки).

Строительство имеет огромное количество настроек. Каждый раз, когда рабочий кладет молоток и берет в руки пилу, каждый раз, когда бригада перемещается в другую часть здания, происходит подстава. Каждый раз, когда суперинтенданту приходится просматривать набор планов, каждый раз, когда кран отцепляется от одной детали и цепляется за другую, происходит подстава.Месяцы, которые архитекторы и инженеры тратят на создание чертежей здания, — это одна длительная подготовка к фактическому процессу строительства.

Время настройки может значительно превышать фактическое время процесса. Гвоздь вылетает из гвоздезабивного пистолета за доли секунды, но на то, чтобы прибить материал, который нужно прибить, могут уйти минуты.

Если вы можете сократить время настройки, вы не только увеличите производительность и сократите запасы, но и сделаете свой производственный процесс более гибким, уменьшив затраты на изменение того, что вы производите.Это одна из ключевых идей производственной системы Toyota, которая позволяет Toyota эффективно производить меньшее количество автомобилей с большим разнообразием продукции. Toyota настолько преуспела в сокращении времени настройки, что смогла сократить время смены определенного оборудования с 3 дней до менее чем 10 минут.

Процесс и масштаб

Что-то интересное в этой производственной модели — это ее фрактальная природа. По мере детализации каждый отдельный шаг состоит из нескольких подэтапов, каждый из которых имеет собственное время настройки, вариант, частоту отказов и т. д.

Таким образом, мы можем смоделировать прибивание куска обшивки к стене как установку (установка обшивки на место, получение гвоздей, поиск молотка, размещение обшивки) с последующим процессом прибивания гвоздей. Но по мере того, как вы углубляетесь, каждый компонент этого процесса представляет собой отдельный подпроцесс — у каждого забивания гвоздя есть время процесса (удар молотка) и время настройки (позиционирование молотка). Сетап тоже имеет свою структуру — позиционирование обшивки представляет собой последовательность его перемещения (процесса), просмотра того, куда он сдвинулся (настройка) и повторного перемещения.

Это означает, что часто можно создать контролируемую микросреду, которая инкапсулирует определенную часть процесса и значительно повысить его «производительность». Если вы заглянете внутрь пистолета для гвоздей, то увидите несколько связанных друг с другом процессов: спусковой крючок задействует клапан, который выпускает воздух, толкающий гвоздь вперед. Мы можем думать о пистолете для гвоздей как о микрофабрике, превращающей неподвижный гвоздь в гвоздь, движущийся вперед.

Несмотря на свою репутацию, в строительстве есть доля достижений и инноваций.Но в основном они происходят на этом более низком уровне, улучшая один маленький аспект процесса. Таким образом, производитель может выпустить продукт для наружной облицовки, который быстрее и проще в установке, или создать новый электроинструмент, который может быстрее устанавливать крепежные элементы, или новое программное обеспечение, упрощающее работу с PDF-файлами. Но они встроены в более крупный неизменный процесс и в конечном итоге имеют ограниченное влияние.

Путь вперед для строительства

Причина, по которой фабричное производство часто является синонимом эффективности, заключается в том, что фабрика является хорошей средой для решения всех этих проблем.Фабрика дает вам контроль над вашей средой, позволяя отсеивать множество потенциальных вариаций и контролировать структуру производства. И это позволяет вам инвестировать в различные улучшения, которые могут окупиться в течение длительного периода времени или амортизироваться в течение большого количества рабочих мест. Строительная площадка в стихии, где большая часть работы выполняется субподрядчиками, взаимодействующими друг с другом, по своей природе гораздо более изменчива.

Но, как мы видели, заводское строительство приносит с собой свои проблемы.И данные свидетельствуют о том, что выгоды ограничены. Поэтому стоит подумать, можем ли мы получить преимущества (контролируемый процесс, снижение изменчивости) каким-либо другим способом.

[0] — один из способов увидеть это, предположим двухэтапный процесс, где каждый шаг имеет две скорости: быструю (1 секунду) и нормальную (2 секунды), которые распределяются случайным образом. Наивный расчет даст среднее время обработки 1,5 + 1,5 = 3 секунды. Но если мы перечислим возможные результаты, то появится другой ответ:

Время обработки будет увеличиваться до тех пор, пока очереди не станут достаточно длинными, чтобы обеспечить буфер от ожидания.

[1] — Это работает и в другом направлении — фабрику можно рассматривать как один шаг в производственном процессе фирмы. Фирмы также обычно стремятся минимизировать стоимость установки, ориентируясь на конкретные рынки и бизнес-модели. Целая фирма могла бы переоснастить, чтобы изменить то, что она производит, если бы это было необходимо, как Intel в 70-х годах или как временно делал каждый производитель во время Второй мировой войны.

Свяжитесь со мной!

электронная почта: [email protected]

LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/brian-potter-6a082150/

15.3 Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность — College Physics for AP® Courses

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Назовите выражения второго закона термодинамики.
  • Рассчитайте КПД и выбросы углекислого газа угольной электростанции, используя характеристики второго закона.
  • Опишите и дайте определение циклу Отто.

Рис. 15.16 Эти льдины тают арктическим летом. Некоторые из них замерзают зимой, но второй закон термодинамики предсказывает, что молекулы воды, содержащиеся в этих конкретных льдинах, крайне маловероятно, чтобы преобразовать характерную форму аллигатора, которую они сформировали, когда снимок был сделан летом 2009 года. (Источник: Патрик Келли, Береговая охрана США, Геологическая служба США)

Второй закон термодинамики касается направления самопроизвольных процессов.Многие процессы протекают самопроизвольно только в одном направлении, т. е. необратимы при данном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние, — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение жизни Вселенной. Точнее, необратимый процесс — это процесс, зависящий от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально иной и процесс не может быть обратимым.Например, как отмечалось в предыдущем разделе, теплота включает передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект при соприкосновении с горячим никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его горячее. Кроме того, механическая энергия, например кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую энергию трения, но обратное невозможно. Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не приходит в движение. Еще одним примером является расширение струи газа, введенной в один из углов вакуумной камеры.Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Беспорядочное движение молекул газа могло бы привести их всех обратно в угол, но этого никогда не происходит. (См. рис. 15.17.)

Рис. 15.17 Примеры односторонних процессов в природе. а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему. (b) Тормоза этого автомобиля преобразуют его кинетическую энергию в передачу тепла окружающей среде. Обратный процесс невозможен.(c) Выброс газа, впущенного в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить все части камеры. Беспорядочные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.

Тот факт, что некоторые процессы никогда не происходят, говорит о том, что существует закон, запрещающий их осуществление. Первый закон термодинамики допускает их возникновение — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии. Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле они эквивалентны.Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, коренным образом влияя на многие, казалось бы, несопоставимые процессы.

Уже знакомое нам направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики (первое выражение)

Теплопередача происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.

Другой способ сформулировать это: ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему.

Тепловые двигатели

Теперь давайте рассмотрим устройство, которое использует теплопередачу для выполнения работы. Как отмечалось в предыдущем разделе, такое устройство называется тепловым двигателем, и оно схематически показано на рис. 15.18(b). Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи из какого-либо источника.Теплопередача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается как QhQh размер 12{Q rSub { размер 8{h} } } {}, а теплопередача в холодный объект (или холодный резервуар) QcQc размер 12{Q rSub { размер 8{c} } } {}, а работа, выполняемая движком, равна WW размеру 12{W} {}. Температуры горячего и холодного резервуаров составляют ThTh размер 12{T rSub { размер 8{h} } } {} и TcTc размер 12{T rSub { размер 8{c} } } {} соответственно.

Рис. 15.18 (а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего тела к холодному, что соответствует второму закону термодинамики.б) Тепловая машина, представленная здесь кружком, использует часть теплопередачи для совершения работы. Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. QhQh размер 12{Q rSub { размер 8{h} } } {} — теплопередача из горячего резервуара, WW размер 12{W} {} — выходная мощность, а QcQc размер 12{Q rSub { размер 8{ c} } } {} — теплопередача в холодный резервуар.

Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно.На самом деле хотелось бы, чтобы размер WW 12{W} {} был равен QhQh размер 12{Q rSub { размер 8{h} } } {}, и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду (Qc=0Qc=0 размер 12{Q rSub { размер 8{c} } =0} {}). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики также гласит относительно использования теплопередачи для совершения работы (второе выражение второго закона):

Второй закон термодинамики (второе выражение)

Ни в одной системе теплопередача от резервуара не может полностью превратиться в работу в циклическом процессе, при котором система возвращается в исходное состояние.

Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон, только что изложенный в его второй форме, ясно утверждает, что такие двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплопередачи в совершенную работу. Прежде чем перейти к основным причинам ограничений на преобразование теплопередачи в работу, нам необходимо изучить отношения между размером WW 12{W} {}, размером QhQh 12{Q rSub {размером 8{h} } } {} и QcQc size 12{Q rSub { size 8{c} } } {} и определить КПД циклической тепловой машины.Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы UU одинакова в начале и в конце каждого цикла, т. е. ΔU=0ΔU=0 size 12{ΔU=0} {}. Первый закон термодинамики гласит, что

ΔU=Q−W, ΔU=Q−W, размер 12{ΔU=Q — W} {}

15,22

, где QQ размер 12{Q} {} представляет собой чистый теплоперенос во время цикла (Q=Qh-QcQ=Qh-Qc размер 12{Q=Q rSub { размер 8{h} } — Q rSub { размер 8 {c} } } {}) и размер WW 12{W} {} — это сетевая работа, выполняемая системой.Так как ΔU=0ΔU=0 размер 12{ΔU=0} {} для полного цикла, мы имеем

0=Q-W,0=Q-W, размер 12{0=Q — W} {}

15,23

так что

W=Q.W=Q. размер 12{W=Q} {}

15,24

Таким образом, чистая работа, совершаемая системой, равна чистой передаче тепла в систему, или

W=Qh-Qc(циклический процесс),W=Qh-Qc(циклический процесс), размер 12{W=Q rSub { размер 8{h} } — Q rSub { размер 8{c} } } {}

15,25

, как схематически показано на рис. 15.18(b). Проблема в том, что во всех процессах происходит некоторая теплопередача QcQc size 12{Q rSub { size 8{c} } } {} в окружающую среду, причем обычно очень значительная.

При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой того, что получаем меньше, чем вкладываем. Мы определяем эффективность преобразования EffEff size 12{ ital «Eff»} {} как отношение полезной работы выход к затраченной энергии (или, другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). В этом духе мы определяем эффективность тепловой машины как ее чистую выходную мощность WW размер 12{W} {}, деленную на теплопередачу двигателю QhQh размер 12{Q rSub { размер 8{h} } } {}; то есть

Эфф=WQч.Эфф=WQч. размер 12 { ital «Eff» = { ​​{W} над {Q rSub { размер 8 {h} } } } } {}

15,26

Так как W=Qh-QcW=Qh-Qc size 12{W=Q rSub { size 8{h} } -Q rSub { size 8{c} } } {} в циклическом процессе, мы также можем выразить это как

Eff=Qh-QcQh=1-QcQh(циклический процесс),Eff=Qh-QcQh=1-QcQh(циклический процесс), size 12{ ital «Eff»= {{Q rSub { size 8{h}} — Q rSub {размер 8{c} } } над {Q rSub { размер 8{h} } } } =1 — {{Q rSub {размер 8{c} } } над {Q rSub {размер 8{h} } } } } {}

15.27

разъясняя, что КПД 1 или 100% возможен только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду (Qc=0Qc=0 размер 12{Q rSub { размер 8{c} } =0} { }). Обратите внимание, что все QQ размера 12{Q} {} положительны. Направление теплопередачи указывается знаком плюс или минус. Например, QcQc size 12{Q rSub { size 8{c} } } {} находится вне системы, поэтому ему предшествует знак минус.

Пример 15.3

Ежедневная работа угольной электростанции, ее эффективность и выбросы углекислого газа

Угольная электростанция представляет собой огромную тепловую машину.Он использует теплопередачу от сжигания угля для выполнения работы по вращению турбин, которые используются для выработки электроэнергии. За один день крупная угольная электростанция имеет 2,50×1014J2,50×1014J размера 12{2″. «50» умножить на «10» rSup {размер 8{«14»}} Дж} {} теплопередачи от угля и 1,48×1014J1,48×1014Дж размер 12{1 «.» «48» умножить на «10» rSup {размер 8{«14»} } Дж} {} теплопередачи в окружающую среду. а) Какую работу совершает электростанция? б) Каков КПД электростанции? (c) В процессе горения происходит следующая химическая реакция: C+O2→CO2C+O2→CO2 размер 12{C+O rSub { размер 8{2} } rightarrow «CO» rSub { размер 8{2} } } {} .Это означает, что каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг углекислого газа. Принимая, что 1 кг угля может дать 2,5×106J2,5×106J крупностью 12{2″. 5 раз «10» rSup { размер 8{6} } Дж} {} теплопередачи при сгорании, сколько CO2CO2 размер 12{«CO» rSub { размер 8{2} } } {} выделяется в день эта электростанция?

Стратегия для (a)

Мы можем использовать W=Qh-QcW=Qh-Qc size 12{W=Q rSub { size 8{h} } — Q rSub { size 8{c} } } {}, чтобы найти выходная мощность WW размером 12{W} {}, при условии, что на электростанции используется циклический процесс.В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для работы паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл.

Решение для (а)

Результат работы определяется как:

W=Qh-Qc.W=Qh-Qc. размер 12{W=Q rSub { размер 8{h} } — Q rSub { размер 8{c} } } {}

15,28

Замена данных значений:

W = 2,50 × 1014 Дж – 1,48 × 1014 Дж = 1,02 × 1014 Дж. W = 2,50 × 1014 Дж – 1,48 × 1014 Дж = 1,02 × 1014 Дж. выравнивание { стек { размер 12 {Ш = 2 «.»»50″´»10» rSup { размер 8{«14»} } «J» +- 1 «.» «48»´»10″ rSup { размер 8{«14»} } «J»} {} # =1 «.» «02»´»10″ rSup {размер 8{«14»} } «J» «.» {} } } {}

15.29

Стратегия для (b)

Эффективность можно рассчитать с помощью Eff=WQhEff=WQh размер 12{ ital «Eff»= {{W} over {Q rSub {размер 8{h} } } } } {} поскольку задан размер QhQh 12{Q rSub { размер 8{h} } } {}, а размер работы WW 12{W} {} был найден в первой части этого примера.

Решение для (b)

Эффективность определяется следующим образом: Eff=WQhEff=WQh size 12{ ital «Eff»= { {W} over {Q rSub { size 8{h} } } } } {}.Только что было найдено, что работа WW равна 1,02 × 1014J1,02 × 1014J, а размер QhQh 12{Q rSub { размер 8{h} } } {} задан, поэтому эффективность равна

Eff=1,02×1014J2,50×1014J =0,408, или 40,8%Eff=1,02 × 1014J2,50 × 1014J=0,408, или 40,8%alignl { stack { размер 12 { ital «Eff» = { ​​{1 «.» «02» умножить на «10» rSup {размер 8{«14»} } J} более {2 «.» «50» умножить на «10» rSup { size 8{«14»} } J} } } {} # =0 «.» «408» или «40». 8% {} } } {}

15.30

Стратегия для (c)

Ежедневное потребление угля рассчитывается с использованием информации о том, что каждый день есть 2.50×1014 Дж2,50×1014 Дж размер 12{2 «.» «50»´»10″ rSup { размер 8{«14»} } «J»} {} теплопередачи от угля. В процессе горения мы имеем C+O2→CO2C+O2→CO2 размер 12{C+O rSub { размер 8{2} } rightarrow «CO» rSub { размер 8{2} } } {} . Таким образом, каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг CO2CO2 размер 12{«CO» rSub { размер 8{2} } } {} .

Решение для (c)

Суточный расход угля составляет

2,50×1014J2,50×106J/кг=1,0×108кг.2,50×1014J2.50×106 Дж/кг=1,0×108 кг. размер 12 { { {2 «.» «50»´»10″ rSup {размер 8{«14»} } «J»} более {2 «.» «50»´»10″ rSup { размер 8{6} } » Дж/кг»} } =1 «.» 0´»10″ rSup { размер 8{7} } » Дж/кг»} {}

15,31

Если предположить, что уголь чистый и весь уголь идет на производство двуокиси углерода, то двуокиси углерода, производимой в день, составляет

1,0×108 кг угля×44 кг CO212 кг угля=3,7×108 кг CO2.1,0×108 кг угля×44 кг CO212 кг угля=3,7×108 кг CO2. размер 12{1 «.» 0´»10″ rSup {размер 8{7} } «кг угля»´ {{«44 кг CO» rSub {размер 8{2} } } свыше {«12 кг угля»} } =3″.» 7´»10″ rSup { размер 8{7} } » кг CO» rSub { размер 8{2} } } {}

15,32

Это 370 000 метрических тонн CO2CO2 размер 12{«CO» rSub { размер 8{2} } } {} производится каждый день

Обсуждение

Если вся выходная мощность преобразуется в электроэнергию в течение одного дня, средняя выходная мощность составит 1180 МВт (это оставлено вам в качестве задачи в конце главы). Это значение примерно соответствует размеру крупной обычной электростанции. Найденный КПД приемлемо близок к значению 42%, данному для угольных электростанций.Это означает, что целых 59,2% энергии приходится на передачу тепла в окружающую среду, что обычно приводит к нагреву озер, рек или океана вблизи электростанции, а также к потеплению планеты в целом. Хотя законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, включая установки, работающие на ядерном топливе, нефти и природном газе, передача тепла в окружающую среду может использоваться и иногда используется для обогрева домов или для промышленных процессов. В целом низкая стоимость энергии не делает более экономичным более эффективное использование отработанного тепла от большинства тепловых двигателей.Электростанции, работающие на угле, производят наибольшее количество 90 340 CO2CO2 размера 12{«CO» rSub { размера 8{2} } } {} 90 341 на единицу выходной энергии (по сравнению с природным газом или нефтью), что делает уголь наименее эффективным ископаемым топливом. .

С помощью информации, приведенной в примере 15.3, мы можем найти такие характеристики, как КПД тепловой машины, не зная, как она работает, но дальнейшее изучение механизма двигателя даст нам более глубокое понимание. На рис. 15.19 показана работа обычного четырехтактного бензинового двигателя.Четыре показанных шага завершают цикл этой тепловой машины, возвращая смесь бензина и воздуха в исходное состояние.

Цикл Отто, показанный на рис. 15.20(а), используется в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, хотя на самом деле истинные траектории цикла Отто не соответствуют точно тактам двигателя.

Адиабатический процесс AB соответствует почти адиабатическому такту сжатия бензинового двигателя. В обоих случаях над системой (газовой смесью в цилиндре) совершается работа, повышающая ее температуру и давление.По пути BC цикла Отто передача тепла QhQh size 12{Q rSub { size 8{h} } } {} в газ происходит при постоянном объеме, вызывая дальнейшее повышение давления и температуры. Этот процесс соответствует сжиганию топлива в двигателе внутреннего сгорания и происходит настолько быстро, что объем почти не меняется. Путь CD в цикле Отто — это адиабатическое расширение, которое действует на внешний мир точно так же, как рабочий ход двигателя внутреннего сгорания действует при его почти адиабатическом расширении.Работа, совершаемая системой на пути CD, больше, чем работа, совершаемая системой на пути AB, потому что давление больше, а значит, есть чистый выход работы. По пути DA в цикле Отто теплообмен QcQc size 12{Q rSub { size 8{c} } } {} от газа при постоянном объеме снижает его температуру и давление, возвращая в исходное состояние. В двигателе внутреннего сгорания этот процесс соответствует выпуску горячих газов и впуску воздушно-бензиновой смеси при значительно более низкой температуре.В обоих случаях по этому конечному пути происходит передача тепла в окружающую среду.

Чистая работа, выполненная циклическим процессом, представляет собой площадь внутри замкнутого пути на диаграмме размера PVPV 12{ ital «PV»} {}, такой как диаграмма внутри пути ABCDA на рис. 15.20. Обратите внимание, что в каждом вообразимом циклическом процессе абсолютно необходима передача тепла от системы, чтобы получить чистую выходную мощность. В цикле Отто передача тепла происходит по пути DA. Если теплопередача не происходит, то обратный путь тот же, а чистая работа равна нулю.Чем ниже температура на пути АВ, тем меньшую работу необходимо совершить для сжатия газа. Площадь внутри замкнутого пути тогда больше, поэтому двигатель выполняет больше работы и, следовательно, более эффективен. Точно так же, чем выше температура на пути CD, тем больше выходная мощность. (См. рис. 15.21.) Таким образом, эффективность зависит от температуры горячего и холодного резервуаров. В следующем разделе мы увидим, каков абсолютный предел эффективности тепловой машины и как он связан с температурой.

Рис. 15.19 В четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания передача тепла в работу происходит в циклическом процессе, показанном здесь. Поршень соединен с вращающимся коленчатым валом, который выполняет работу над газом в цилиндре. а) Воздух смешивается с топливом во время такта впуска. (b) Во время такта сжатия топливовоздушная смесь быстро сжимается в почти адиабатическом процессе, когда поршень поднимается при закрытых клапанах. Работа совершается на газе.(c) Рабочий такт состоит из двух отдельных частей. Во-первых, топливовоздушная смесь воспламеняется, почти мгновенно преобразовывая химическую потенциальную энергию в тепловую, что приводит к значительному увеличению давления. Затем поршень опускается, и газ работает, оказывая силу на расстоянии в почти адиабатическом процессе. (d) Такт выпуска выпускает горячий газ, чтобы подготовить двигатель к следующему циклу, начиная снова с такта впуска.

Рис. 15.20. Диаграмма размера 12 { ital «PV»} {} PVPV для упрощенного цикла Отто, аналогичного используемому в двигателе внутреннего сгорания.Точка А соответствует началу такта сжатия двигателя внутреннего сгорания. Пути AB и CD являются адиабатическими и соответствуют такту сжатия и рабочему такту двигателя внутреннего сгорания соответственно. Пути BC и DA являются изохорными и приводят к тем же результатам, что и части зажигания и выхлопа-впуска, соответственно, цикла двигателя внутреннего сгорания. Работа совершается газом по пути AB, но больше работы совершается газом по пути CD, так что получается чистая работа.Рис. 15.21. Этот цикл Отто производит больший объем работы, чем цикл на рис. 15.20, потому что начальная температура пути CD выше, а начальная температура пути AB ниже. Площадь внутри петли больше, что соответствует большему выходу чистой работы.

Physics of Reliability: Evaluating Design Insights for Component Technologies in Solar 2 (PREDICTS 2)

Программа SunShot Physics of Reliability: Evaluating Design Insights for Component Technologies in Solar 2 (PREDICTS 2) финансирует исследования в области физики, химии и расширенных данных анализ, чтобы лучше понять, как и почему солнечные фотоэлектрические модули деградируют.Полученные в результате улучшенные испытания продукта — либо на открытом воздухе после установки, либо в процессе производства — позволят оценить надежность модуля и улучшить прогнозирование производительности с течением времени.

Об этом втором раунде финансирования программы PREDICTS было объявлено 16 сентября 2015 года, а общая сумма вознаграждения составила 7 миллионов долларов. Узнайте больше о первом раунде проектов PREDICTS. Прочтите пресс-релиз, анонсирующий PREDICTS 2.

Подход

Первый раунд PREDICTS включал разработку моделей, которые можно было бы использовать для понимания и прогнозирования сбоев в технологиях PV, CSP и микроинверторов.Этот второй раунд посвящен достижениям в области фотоэлектрических модулей и ускоренному тестированию, необходимому для лучшего понимания скорости деградации и связанного с этим срока службы системы. Это позволяет лучше оценить и снизить финансовый риск фотоэлектрических установок. Риск является ключевым фактором при определении стоимости солнечных энергетических систем, которые, как ожидается, будут производить электроэнергию в течение десятилетий.

Цели

Проекты, финансируемые в рамках PREDICTS 2, предоставят сообществу солнечной энергетики доступ к улучшенным прогностическим моделям, методам ускоренного тестирования и более надежным продуктам, которые в конечном итоге приведут к снижению риска (как предполагаемого, так и фактического) в долгосрочной работе фотоэлектрических систем.Это снизит стоимость солнечной энергии за счет повышения выходной мощности фотоэлектрических систем в течение всего срока службы, снижения затрат на финансирование и, таким образом, поможет увеличить спрос на солнечную энергию среди инвесторов, разработчиков и коммунальных служб.

Лауреаты
Научно-исследовательский институт электроэнергетики, Inc.

Расположение: Palo Alto, CA
Sunshot Sum
$ 1,042,496
$ 50060
Стоимость награды Поделиться : $ 260,624
Главный следователь: Cara Libby
Резюме проекта: Этот проект будет продвигать современное искусство модуля. сертификация и уверенность в деградации.Проект также расширит базу знаний по мониторингу электростанций на месте и упреждающему обслуживанию, чтобы максимизировать производство энергии и прибыльность фотоэлектрических электростанций.

Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса

Расположение: Livermore, CA
Sunshot Summent Award: $ 570,000
Стоимость награды Доставка: $ 180 000
Главный следователь: Mihail Bora
Резюме проекта: Лучшее понимание процесса распространения воды, обоснованного экспериментами анализ данных из развернутых модулей может повысить как надежность, так и производительность фотоэлектрических модулей.В рамках этого проекта будет разработан метод неинвазивного оптического обнаружения, основанный на гиперспектральной визуализации фотоэлектрических модулей в ближней инфракрасной области спектра.

Корпорация SunPower

Местонахождение: San Jose, CA
Sunshot Sum 2:
Sunshot Summent: $ 1 350 000
Стоимость награды Доставка: $ 375 000
Главный следователь:

3 Главный следователь: Yu-Chen Shen
Резюме проекта: Этот проект осматривает два ключевых мода надежность межсоединений металлизации: коррозия металлизации и выход из строя паяных соединений.Ключевыми результатами станут прогностические модели коррозии металлизации и отказов паяных соединений, которые помогут в разработке надежных межсоединений, а также прогностические и более быстрые ускоренные тесты, полезные для квалификации, сертификации и постоянной надежности.

Университет Кейс Вестерн Резерв

Расположение: Cleveland, OH
Sunshot Award Aware: $ 1 350 000
Awareee Стоимость награды Поделиться: $ 348 425
$ 348 425
Главный следователь: Roger Французский
Резюме проекта: Этот проект будет сопоставлять разложение модулей PV, проверку ускоренных испытаний. и прогнозировать производительность на протяжении всего срока службы, используя общие потоки данных и временную аналитику, применимую как к полевым, так и к лабораторным фотоэлектрическим модулям.

Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн

Местонахождение: Urbana, IL
Sunshot Award Summent: $ 1,349 998
$ 1,349 998
Awareee Стоимость:

3 $ $ 339 822
Главный следователь: Angus Rockett
Сводка проекта: Этот проект будет устранить вредные изменения в солнечных модулях CIGS и лучше характеризуют ожидаемую производительность данного продукта.

Лаборатории андеррайтеров

Расположение: San Jose, CA
Sunshot Summer Award:

3 $ 1,349,746
$ 1,349 746
$ Стоимость насадки Стоимость:

3 $ 337 431
$ 337 431
Основной следователь:

3 Christopher FrueChiger
Сводка проекта: Этот проект будет продвигать механистическое понимание модуля PV деградации нижнего листа в полевых модулях и разработать улучшенные лабораторные воздействия атмосферных воздействий с результатами, коррелирующими с полевыми характеристиками.


Узнайте больше о других программах финансирования SunShot.

Солнечное синглетное деление искажает законы физики, повышая эффективность использования солнечной энергии на 30%

Этот сайт может получать партнерские комиссионные за ссылки на этой странице. Условия эксплуатации.

Химики из Калифорнийского университета в Риверсайде (UCR) разработали способ повышения эффективности солнечных элементов на целых 30%.С учетом того, что современные фотоэлементы не могут превысить 33% из-за предела Шокли-Квиссера, повышение на 30% до общей эффективности 60% или более было бы абсолютно огромным — и именно то, что нужно солнечной энергии, если она когда-либо надеется быть экономичная альтернатива выработке электроэнергии на ископаемом топливе. Однако лучше всего то, что этот новый метод повышения эффективности солнечных элементов имеет потрясающее название: синглетное деление .

В настоящее время все фотоэлектрические солнечные элементы работают в основном одинаково. Между двумя электродами находится пластина из полупроводникового материала (обычно кремния).Когда свет (фотоны) попадает на полупроводник, он создает экситон — по сути, свободный электрон (то есть электричество). В настоящее время предел Шокли-Квиссера гласит, что один фотон может создать только синглетный (одиночный) экситон, при этом любая дополнительная энергия рассеивается в виде тепла. Не вдаваясь в физику, это приводит к максимальной эффективности всего 33%.

Схема, объясняющая расщепление синглетов, процесс, который может повысить эффективность солнечных элементов на 30%.

Однако теперь четыре химика из UCR нашли способ превратить один фотон в два экситона с помощью процесса, известного как расщепление синглетов.Как следует из названия, синглетное деление — это процесс, при котором один экситон расщепляется на два триплетных экситона . (Я не знаю, почему их называют тройняшками, потому что их всего двое, но я не собираюсь спорить с четырьмя парнями, у которых в именах гораздо больше букв, чем у меня.) понять точный механизм синглетного деления, но, похоже, оно легче происходит в полупроводниках с множественными разнесенными запрещенными зонами.

Удваивая выход экситонов в солнечном элементе, вы теоретически удваиваете количество произведенных электронов.Внезапно, вместо максимальной теоретической эффективности в 33%, вы достигаете t0 60% или более. [DOI: 10.1021/jz500676c — «Синглетное деление: от когерентности к кинетике»]

Однако на практике все будет не так просто. Как отмечается в исследовательской работе, все, что они сделали, — это подтвердили, что синглетное деление происходит, и что необходимо провести гораздо больше исследований. «[…] Детальная структура и динамика электронных состояний, вовлеченных в начальный этап синглетного деления, остаются активными областями исследования.В более длительных временных масштабах поиск способов эффективного сбора триплетных экситонов станет важной задачей для создания устройств, основанных на этом явлении». Одним из наиболее важных факторов будет то, можно ли использовать синглетное деление в стандартных неорганических солнечных элементах (кремниевых) или оно будет ограничено органическими фотогальваническими элементами. С органическими клетками ведется большая работа, но эта технология менее зрелая (и в настоящее время гораздо менее эффективная), чем ее неорганические собратья. [Читайте: Солнечные дороги превышают 1 доллар.4 миллиона на краудфандинге: чуть меньше требуемых 56 триллионов долларов, но неплохо для сумасшедшей идеи.]

Если предел Шокли-Квиссера можно обойти с помощью синглетного деления, то химики UCR могут оказаться в чем-то грандиозном. По мере того, как солнечные элементы приближаются к эффективности 50%+, экономика солнечной энергии становится намного более привлекательной — она переходит от удвоенной цены энергии, вырабатываемой на угле или природном газе, к примерно такой же цене — и действительно, когда дело доходит до чтобы заставить мир принять альтернативные источники энергии, деньги говорят .

Электрохимическая ячейка ПКЛ: физика и химия

Теория гальванического КПД

КПД объекта в электронике и электротехнике определяется как полезная выходная мощность, деленная на общую потребляемую электрическую мощность ( η ) [6,7, 8,9].

$$\поэтому \;{\text{Эффективность}},\;\eta = \frac{{{\text{Полезно}}\;{\text{мощность}}\;{\text{выход}} }}{{{\text{всего}}\;{\text{мощность}}\;{\text{вход}}}} .$$

Когда ячейка вырабатывает ток, этот ток можно использовать для выполнения работы — например, для запуска двигателя.Термодинамический принцип можно использовать для получения соотношения между электрической энергией и максимальным количеством работы Вт max , которую можно получить от ячейки [10,11,12,13]. Максимальное количество работы, которое можно получить от ячейки:

$$W_{\hbox{max} } = \, — \, nFE_{\hbox{max} }$$

(1)

, где n – число молей переданных электронов, равное валентности иона, участвующего в реакции клетки. F обозначает Фарадея и равен 96500 кулонов, а Е — ЭДС ячейки [14,15,16,17,18,19,20,21,22,23].

$$\begin{align} {\text{The}}\;{\text{input}}\;{\text{work}},\;W_{\hbox{max}} = \, — nFE_ {\hbox{max}} \hfill \\ {\text{The}}\;{\text{output}}\;{\text{work}}\;W \, = \, — nFE \hfill \\ \end{выровнено}$$

(2)

$$\begin{align} \следовательно \,{\text{Эффективность}}\;(\eta_{V} \% ) \, & = \frac{{{\text{Полезно}}\;{\text {мощность}}\;{\text{выход}}}}{{{\text{Всего}}\;{\text{мощность}}\;{\text{вход}}}} \times 100\% \ \ & = \frac{ — nFE}{{ — nFE_{\hbox{max} } }} \times \;100\% = \frac{E }{{E_{ \hbox{max} } }} \times 100 \% \\ \end{выровнено}$$

(3)

Здесь, E max  = потенциал ячейки без нагрузки и E  = потенциал нагрузки [24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34]

Методология

PKL собирали с дерева PKL и смешивали с помощью блендера для производства электроэнергии.Преобразователь был взят Zn/Cu = 1:1. После фильтрации различные концентрации (г/л) экстракта PKL использовались в конвертере для производства энергии [35,36,37,38].

Экспериментальная установка

Сначала была измерена масса используемого анода ( Вт 1 ), затем подготовлен модуль ПКЛ, и используется внешнее подключение с амперметром, и одновременно запущен секундомер [39 , 40]. Течение тока измерялось с временным интервалом, чтобы колебания тока были не столь значительными, и это течение фиксировалось.Когда клетка становится мертвой, амперметр и секундомер останавливают [41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51]. Металлы, используемые в качестве анода, будут отделены, очищены дистиллированной водой и высушены. Измеряли массу высушенной металлической пластины ( W 2 ).

Результаты и обсуждение

В таблицах 1, 2, 3, 4 и 5 представлены гальваническая эффективность η В (%) и средняя гальваническая эффективность η В (%) изменение во времени [45] .Вольтова эффективность для многих ячеек была выполнена и наблюдалась при различных составах раствора, заправленного в ячейки. Потенциал является важным электрохимическим параметром, по которому можно измерить эффективность работы двигателя. Таким образом, гальваническая эффективность является очень важным параметром [52].

Таблица 1 Разница между электролитическим и электрохимическим элементом PKL Таблица 2 Определение гальванической эффективности элемента-1 Таблица 3 Определение гальванической эффективности элемента-3 Таблица 4 Определение гальванической эффективности элемента-4 Таблица 5 Определение гальванической эффективности ячейки-5

Изменение гальванической эффективности во времени показано на рис.4, 5, 6, 7, 8 и 9 для разных клеток [53]. Здесь гальванический КПД элемента со временем уменьшается. Для большинства элементов гальваническая эффективность была почти постоянной в течение определенного периода времени. Гальваническая эффективность была самой высокой в ​​начальный момент и была самой низкой в ​​конце. Вероятно, это было связано с самой высокой концентрацией реактивных частиц (Cu 2+ и H + ) и самой низкой концентрацией иона-продукта Zn 2+ [54,55,56,57]. Со временем концентрация количество реактивных частиц уменьшается, а концентрация ионов-продуктов увеличивается, в результате чего снижается потенциал и, следовательно, снижается гальваническая эффективность [58, 59, 60, 61, 62].Было замечено, что потенциал при 0% PKL составлял 55,36, а для 40, 50 и 60% PKL был 50,68, 52,44 и 59,37 соответственно. Ячейка-6 была построена с анодом, который был покрыт цинком на листе железа (МС), и в этом случае потенциальная эффективность для того же состава раствора другой ячейки была ниже, чем у этой ячейки [32,33,34,35, 36]. Таким образом, модифицируя анод путем нанесения гальванического покрытия, можно увеличить гальваническую эффективность. Когда покрытие было выполнено на листе MS цинком, цинк на пластине может медленно подвергаться коррозии, и, таким образом, концентрация ионов-продуктов не падает быстро, и, таким образом, гальваническая эффективность становится стабильной в течение определенного периода времени [49].

Определение кулоновской эффективности

η Q (%)
Математические модели

Кулоновский КПД – это отношение полученного заряда к общему заряду (полученному + заряду, потерянному в результате локального воздействия), подводимому анодом, т. е.

$$\eta_{ \text{Q}} \% \, = \frac{{Q_{\text{выход}}}}}{{Q_{\text{вход}}}} \times 100\% = \frac{{Q_{\ text{получено}} }}{{Q_{\text{поставляется}} }} \times 100\%$$

(4)

Если срок службы элемента становится t , при подключении внешней цепи ток, измеренный амперметром, равен I .

Тогда выходной заряд

$$Q_{\text{выход}} = \, It$$

(5)

Источником электронов является анод, где электрон, образующийся в результате реакции окисления на металле, используется в качестве анода [50]. Таким образом, при реакции вес анода со временем уменьшается. Если вес используемого анода  =  Вт 1, вес после времени t составляет  =  Вт 2. Потеря веса =  Вт 1 −  Вт

2 2,905= Опять же, молекулярная масса металла, используемого в качестве анода, составляет M , а степень окисления составляет n . Тогда реакция, происходящая на аноде, может быть представлена ​​как: A  → An +  +  ne , где A представляет собой анод. Таким образом, один моль металла производит n молей электронов. Таким образом, м г металлического анода (А) будет поставлять n мольных электронов. x г металлического анода поставит = \(\frac{n \cdot x}{M}\) мольных электронов = \(\frac{{n \cdot x \cdot N _{\text{A}} }}{ M}\) электрон = \(\frac{{n \cdot x \cdot N _{\text{A}} \cdot 1.{ — 19} }}{M}\) заряд кулона = \(\frac{nxF}{M}\) заряд кулона [где F  = 1 Фарадей]. То есть x г анода за счет распада при окислении технологическая подача \(\frac{nxF}{M}\) кул заряда. Итак, входные заряды:

$$Q_{\text{input}} = \frac{nxF}{M} {\text{coul}}\;{\text{charge}}$$

(6)

Из (4), (5) и (6) получаем, } }} \times 100{\text{\% }}\) = \(\frac{It}{{\frac{nxF}{M}}} \times 100\%\) = \(\frac{ItM }{nFx} \times 100\%\)

$${\text{So}},\quad \eta_{\text{Q}} \% = \frac{ItM}{nFx} \times 100\% $$

(7)

Помещая значения величин в уравнение.(7), мы можем вычислить кулоновскую эффективность.

Экспериментальные данные

См. рис. 11, 12, 13, 14, 15 и 16

Расчет кулоновской эффективности,
η Q (%) для Ячейки-1

Общий вес 18 цинковых пластин для конструкции ячейки составляет [38] = 588,63 г, а после затвердевания ячейки = 562,63 г. Таким образом, вес, потерянный цинковыми пластинами = 26,00 г. Реакция, происходящая на аноде (цинковые пластины):

$$\begin{array}{*{20}l} {\text{Zn}} \hfill & {-} \hfill & \quad{2e^{ — } } \hfill & \to \hfill & \quad{{\text{Zn}}^{2 + } } \hfill \\ {1\,{\text{mol}}} \hfill & {} \hfill & \quad {2\,{\text{моль}}} \hfill & {} \hfill &\quad {1\,{\text{моль}}} \hfill \\ \end{array}$$

(8)

Таким образом, 65.4 г цинка дает общий заряд = 2 F  = 193000C. Таким образом, 26,00 г цинка производят общий заряд = (193000 × 26,00)/65,4 = 76 727,83 кул.

Таким образом, входной заряд ( Q в ) = 76 727,83C и выходной заряд ( Q out ) = 4188,97C. Таким образом, кулоновская эффективность = Выходной заряд/Входной заряд  = Q из / Q из  = 4188,97C/76727,84,64C= 5%. Точно так же можно рассчитать кулоновскую эффективность для других ячеек, и полученные результаты приведены в следующей таблице.Изменение кулоновского КПД, η Q (%) при изменении %сока PKL, показано на рис. 16. между электролитической ячейкой и электрохимической ячейкой PKL. Они приведены в следующей таблице 1.

Результаты и обсуждение

Таблицы 2, 3 и 4 представляют текущий расход во времени. При этом ток сначала резко меняется, а через некоторое время этот поток становится установившимся с низким значением расхода.Для расчета заряда, передаваемого по цепи со светодиодной лампой мощностью 3 Вт, использовался метод среднего значения. И для этого с помощью зависимости тока от времени наблюдается существенное изменение рис. 1, 2, 3, 4 и 5, которые были отмечены знаком A, B, C и D. Для каждой порции отдельно рассчитывали перенос заряда, а затем суммировали. В таблице 5 и на рис. 9 показано изменение кулоновской эффективности ( η Q %) при изменении сока PKL [42,43,44,45,46,47,48].Здесь кулоновская эффективность ( η Q %) составила 5,46, 6,02, 0,68, 1,23, 1,98 при 60, 40, 40, 0, 50% сока ПКЛ соответственно. Здесь, без сока PKL, кулоновская эффективность снова была низкой без вторичной соли, и кулоновская эффективность стала самой низкой. Опять же для ячейки-6, где % PKL составлял 50%, а кулоновская эффективность составляла всего 1,98%. В этой ячейке используемый анод был покрыт цинком на листе MS. Таким образом, можно сделать вывод, что для получения высокого кулоновского КПД анод не следует покрывать металлом [24].Морфологию поверхности исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), и было обнаружено, что она представляет собой кубическое зерно с однородным распределением.

Рис. 1

Экспериментальная установка соковыжималки PKL

Рис. 2

Различные модули Zn/Cu-PKL перед нанесением экстракта PKL

Рис. 3

Различные модули Zn/Cu-PKL после нанесения экстракта PKL

Рис. 4

Изменение вольтовой эффективности в зависимости от продолжительности времени для ячейки-1

Рис.5

Изменение вольтовой эффективности в зависимости от продолжительности времени для ячейки-2

На рис. 1 показана экспериментальная установка машины для производства сока PKL. На рис. 2 показана ячейка Zn/Cu-PKL перед добавлением экстракта. На рисунке 3 показана ячейка Zn/Cu-PKL после добавления экстракта. На рис. 4 показано изменение гальванического КПД в зависимости от времени для ячейки-1. На рис. 5 показано изменение гальванической эффективности со временем для элемента-2. На рис. 6 показано изменение гальванической эффективности со временем для элемента 3.На рисунке 7 показано изменение гальванической эффективности со временем для элемента 4. На рис. 8 показано изменение гальванической эффективности со временем для элемента 5. На рис. 9 показано изменение гальванической эффективности со временем для элемента 6. На рисунке 10 показано изменение гальванического КПД при изменении % сока PKL. На рис. 11 показано изменение тока под нагрузкой во времени для ячейки-1. На рис. 12 показан перенос заряда по цепи для ячейки-2. На рисунке 13 показано изменение тока во времени для ячейки-3.На рис. 14 показано изменение тока во времени для ячейки-4 (рис. 15 и 16).

Рис. 6

Изменение гальванической эффективности в зависимости от времени для элемента-3

Рис. 7

Изменение гальванического КПД в зависимости от времени для элемента-4

Рис. 8

Изменение гальванического КПД в зависимости от времени для ячейки-5

Рис. 9

Изменение вольтовой эффективности в зависимости от времени для ячейки-6

Рис. 10

Изменение вольтовой эффективности при изменении % сока/экстракта ПКЛ

Рис.11

Изменение тока под нагрузкой во времени для ячейки-1

Рис. 12

Перенос заряда по цепи для ячейки-2

Рис. 13

Изменение тока во времени для ячейки-3

Рис. 14

Изменение тока в зависимости от времени для ячейки-4

Рис. 15

Изменение тока в зависимости от времени для ячейки-6

Рис. 16

Изменение кулоновской эффективности ( η Q %) с изменением %PKL

Определение энергоэффективности

η E (%)

Батарея заряжается.Аккумулятор необходимо зарядить перед использованием. При зарядке он использует энергию, а при разрядке мы получаем от него энергию. Эффективность батареи рассчитывается следующим образом:

$${\text{Энергия}}\;{\text{КПД}}, \, \eta_{\text{E}} = \, E_{\text{ D}} /E_{\text{C}}$$

(9)

$${\text{где}},\quad E_{\text{D}} = {\text{Энергия}}\;{\text{во время}}\;{\text{зарядка}} = V_{ \text{D}} I_{\text{D}} T_{\text{D}}$$

(10)

Здесь, В D  = напряжение разряда (В), I D  = ток разряда (А), T D  = время разряда (ч).Тогда у нас есть

$$E_{\text{C}} = {\text{Всего}}\;{\text{энергия}}\;{\text{во время}}\;{\text{разрядка} } = \, V_{\text{C}} I_{\text{C}} T_{\text{C}}$$

(11)

Здесь, В C  = напряжение зарядки (В), I C  = ток зарядки (А), T C  = время зарядки (ч).

Следовательно, мы можем написать,

$${\text{Энергия}}\;{\text{эффективность}} = \frac{{V_{\text{D}} I_{\text{D}} T_ {\text{D}}}}{{V_{\text{C}} I_{\text{C}} T_{\text{C}} }}$$

или

$${\text {Энергия}}\;{\text{эффективность}} = \left( {\frac{{V _{\text{D}}}}{{V_{\text{C}} }}} \right)\left ( {\ frac {{I _ {\ text {D}} T _ {\ text {D}} }} {{I _ {\ text {C}} T _ {\ text {C}} }}} \right) $ $

или,

$${\text{Энергия}}\;{\text{эффективность}} = \left( {\frac{{{\text{Разряд}}\;{\text{напряжение}}} }{{{\text{Заряд}}\;{\text{Напряжение}}}}} \right)\left( {\frac{{{\text{Разряд}}\;{\text{ампер}}\ ;{\ text{час}}\;({\text{AH}})}}{{{\text{Заряд}}\;{\text{ампер}}\;{\text{час}}\; ({\text{AH}})}}} \right)$$

или,

$${\text{Энергия}}\;{\text{эффективность}} = \left( {\text{ Напряжение}}\;{\text{эффективность}}} \right)\left( {{\text{Кулон}}\;{\text{эффективность}}} \right)$$

, где \({\text {Напряжение}} \;{\ текст {эффективность}} = \ влево ( {\ гидроразрыва {{V _ {\ текст { D}} }}{{V_{\text{C}} }}} \right)\) \({\text{и}}\;{\text{Кулон}}\;{\text{эффективность}} = \left( {\ frac {{I _ {\ text {D}} T _ {\ text {D}} }} {{I _ {\ text {C}} T _ {\ text {C}} }}} \ right )\)

В начале цикла заряда свинцово-кислотного аккумулятора кулоновская эффективность составляет около 100%.Но ближе к концу цикла заряда кулоновская эффективность снижается.

Энергоэффективность системы PKL

Система PKL является возобновляемым источником электроэнергии. Эту систему не нужно заряжать. Таким образом, традиционный метод расчета энергоэффективности для системы неприменим. Но мы можем легко измерить энергоэффективность системы PKL, рассчитав выходную энергию и внутренние потери. Рассмотрим эквивалентную схему ячейки PKL, показанную на рис. 17 и 18.

Рис.17

Эквивалентная схема ячейки PKL

Рис. 18

Схема для измерения мощности

Согласно этим рис. 17 и 18, в цепи есть только средства потери энергии во внутреннем сопротивлении. Следовательно, если мы можем рассчитать потери энергии на внутреннем сопротивлении R, мы можем легко рассчитать энергоэффективность (таблицы 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13).

Таблица 6 Определение гальванической эффективности элемента-6 Таблица 7 Наблюдение за средней гальванической эффективностью, η В (%) с % сока PKL Таблица 8 Определение переноса заряда по цепи для элемента-1 Таблица 9 Определение переноса заряда по цепи для элемента-2 Таблица 10 Определение переноса заряда по цепи для элемента-3 Таблица 11 Определение переноса заряда по цепи для элемента -4 Таблица 12 Определение кулоновского КПД различных ячеек ПКЛ при различном составе Таблица 13 Определение переноса заряда по цепи для ячейки-6

Если I Через выходную нагрузку протекает ток, этот ток будет также течь через внутреннее сопротивление R цепи.Теперь, если В напряжение нагрузки, то выходная мощность =  В  ×  I , а потери мощности на внутреннем сопротивлении =  I 2 R .

Таким образом, мы можем рассчитать энергоэффективность как

}} + {\text{Убытки}}}}$$

Потери могут включать поляризацию, сопротивление (электронный проводник и электролитический проводник), отсутствие солевого мостика, наличие примеси.{2} R}} \times 100\%$$

Экспериментальные данные

Энергоэффективность для шести различных ячеек показана в таблице 14. Самая высокая и самая низкая энергоэффективность составляют 99,96 % и 96,73 % соответственно (таблица 14).

Таблица 14 Расчет энергоэффективности для внутреннего сопротивления, R = 0,6 Ом
Расчет энергоэффективности
η E (%) для ячейки-1

Напряжение нагрузки, В  = 3,500 В, ток нагрузки, I  = 0.154 А, внутреннее сопротивление, Ом  = 0,6 Ом. Отсюда можно найти выходную мощность = напряжение нагрузки × ток нагрузки= 3,50 В × 0,154 А= 0,539 Вт. ({\text{Энергия}}\;{\text{эффективность}} = \, \frac{\, 0,539 \, }{\, 0,539 \, + \, 0,014 \,} \times 100\%\).

Или энергоэффективность = 97,43%. Аналогичным образом для других ячеек был выполнен расчет, приведенный в таблице выше.

Температурный эффект элемента PKL

Характеристики элемента PKL или элемента PKL резко изменяются в зависимости от температуры.При более низкой экстремальной температуре сам электролит может замерзнуть, установив более низкий предел рабочей температуры. При максимальной температуре активные химические вещества элемента PKL могут разрушаться, разрушая батарею. Между этими пределами производительность элемента PKL обычно улучшается с температурой.

Химический анализ

Анализируя экспериментальные данные, полученные с помощью AAS, UV-Vis, VOM, pH-метрического анализа и визуального осмотра PKL-клетки, мы можем сделать выводы, как показывают AAS, UV-Vis и pH-метрический анализ. видно, что и Cu 2+ , и H + одновременно восстанавливаются по мере протекания электрохимической реакции, тогда как концентрация Zn 2+ быстро возрастает.Таким образом, можно заключить, что ионы H + и Cu 2+ ведут себя как реагенты, т.е. действуют как окислители, а Zn ведут себя как восстановители. Однако визуальный осмотр и уменьшение веса цинковых пластин также убедительно подтверждают, что цинковый электрод является основным источником электронов. С другой стороны, по данным VOM можно сделать вывод, что потенциал и ток уменьшаются с уменьшением концентрации ионов H + и Cu 2+ в растворе сока PKL.{2 + } \, } \right|{\text{Cu}}$$

(16)

На основании визуального наблюдения за выделяющимся газом в виде пузырьков физические испытания газа также показывают, что при производстве электроэнергии H 2 газ образуется как побочный продукт. Модификация электрода гальванопокрытием повышает производительность элемента PKL за счет увеличения площади поверхности электрода и сведения к минимуму местного воздействия. Данные кулоновского КПД показывают, что этот КПД был ниже по сравнению с другими КПД, что может быть связано с отсутствием солевого мостика или сепаратора между электродами [39,40,41].Однако самая высокая эффективность была получена для 40% сока PKL с 5% вторичной соли в 55% водном растворе, что означает, что концентрация сока PKL может играть важную роль в отношении эффективности. Большое значение константы равновесия показало, что скорость прямой электрохимической реакции выше при более высокой концентрации окислителей. Присутствие вторичной соли (5% CuSO 4 ·5H 2 O) увеличивает ток и потенциал. Это может быть связано с эффектом вторичной соли, когда вторичная соль увеличивает скорость диссоциации слабых органических кислот сока PKL.

Результаты и обсуждение

Из таблиц 14 и 15 видно, что энергоэффективность элемента PKL составляет около 99,96%. Здесь можно отметить, что это значение КПД относится ко всему сроку службы. Здесь берется среднее значение как тока, так и напряжения. Следовательно, изменится и эффективность. Если мы хотим измерить КПД за определенный период времени, лучше измерять мощность в ампер-часах (Ач). Кроме того, рис. 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12 показывают гальваническую эффективность, перенос заряда по цепи и кулоновскую эффективность для различных элементов соответственно.

Таблица 15 Наблюдение за изменением энергоэффективности в зависимости от % сока PKL

Влияние температуры на ячейку в основном является влиянием температуры на электролит. В ячейке PKL электролит представляет собой сок/экстракт PKL. Поэтому при более низкой температуре (0 °C) он замерзает. Таким образом, эту ячейку PKL нельзя использовать при 0 °C. При более высокой температуре органические свойства сока/экстракта PKL разрушаются. Таким образом, невозможно использовать эту ячейку при более высокой температуре.Установлено, что идеальной температурой для этой системы PKL является комнатная температура, которая находится в диапазоне от 20 до 40 °C.

alexxlab / 30.07.1996 / Разное

Добавить комментарий

Почта не будет опубликована / Обязательны для заполнения *