כוח ותשואה. הגדרת כוח ותשואה

כוח הוא כמות פיזית סקלרית הנמדדת ב וואט (W). ניתן להגדיר זאת כ- שיעור סיום תפקיד בכל שנייה או כצריכת חשמל בשנייה. הוואט, יחידת הכוח הבינלאומית למערכת יחידות (SI), שווה 1 ג'ול לשנייה.

ראה גם:מהי עבודה מכנית?

סיכום כוח ותשואה

• הכוח הוא ה ציוןבוָרִיאַצִיָה את כמות האנרגיה שמספקת המערכת או מוותרת עליה על פני תקופת זמן.

• יחידת הכוח במערכת היחידות הבינלאומית (SI) היא הוואט: 1 וואט שווה 1 ג'ול לשנייה.

• אם מכונה אחת מסוגלת לבצע את אותה עבודה כמו אחרת תוך זמן קצר יותר, כוחה נחשב לגדול מזה של המכונה השנייה.

• היעילות של מערכת ניתנת על ידי היחס בין ההספק השימושי וההספק הכולל.

• הכוח שאינו שימושי למערכת נקרא פּוֹטֵנצִיָההתפוגג.

מהו כוח בפיזיקה?

כּוֹחַ הוא כמות פיזית המשמשת לחישוב כמות אֵנֶרְגִיָה מוענק או נצרך ליחידת זמן. במילים אחרות, זה השיעור של וָרִיאַצִיָה של אנרגיה כפונקציה של זמן. כוח שימושי למדידת המהירות המהירה של צורת אנרגיה על ידי ביצוע a עֲבוֹדָה.

אנו אומרים כי מכונה חזקה יותר ממכונות אחרות כאשר היא מסוגלת לעשות את אותו הדבר משימה בזמן קצר יותר או אפילו לבצע מספר רב יותר של משימות באותו מרווח של זְמַן.

ההגדרה של פּוֹטֵנצִיָהמְמוּצָע ניתן על ידי העבודה שבוצעה כפונקציה של וריאציה בזמן:

כתוביות:
פ - הספק ממוצע (W)
τ - עבודה (J)
t - מרווחי זמן)

יחידת מדידת הכוח שאומצה על ידי SI היא וואט (W), שווה ערך ליחידה ג'אוּללְכָלשְׁנִיָה (J / s). האחדות וואט אומצה משנת 1882 כסוג של הומאז 'ליצירות שפותחו על ידי ג'יימסוואט, שהיו רלוונטיים ביותר לפיתוח מנועי קיטור.

בפיזיקה, העבודה היא ה מדד לשינוי צורת אנרגיה בצורות אחרות של אנרגיה דרך יישוםבאחדכוח. לפיכך, הגדרת הכוח עשויה להיות קשורה ל כל צורת אנרגיה, כגון: אנרגיה מֵכָנִיקָה, אֵנֶרְגִיָה פוטנציאלחשמלי ואנרגיה תֶרמִי.

חישוב כוח

אנו יכולים לקבוע את הכוח המושג על ידי הפעלת כוח F שמעקר גוף המוני M ממרחק ד. שעון:

במצב המתואר לעיל, אנו יכולים לחשב את עוצמת התנועה על ידי הגדרת הכוח הממוצע:

לשם כך, עלינו לזכור כי עֲבוֹדָההשיג בכוח F ניתן לחשב באמצעות הנוסחה הבאה:

כתוביות:
F - כוח מופעל (N)
ד - מרחק מכוסה (מ ')
θ - זווית שנוצרה בין F ו- d (º)

בשילוב שתי המשוואות הקודמות לאחת, נקבל את המשוואה הבאה לחישוב הכוח הקשור לצורה של אֵנֶרְגִיָהכל:

במקרים בהם הכוח המופעל מקביל למרחק שעבר הגוף, הקוסינוס של הזווית θ יהיה הערך המקסימלי שלו (cos 0º = 1). לכן ניתן לחשב את הכוח הממוצע מתוך הקשר הבא:

כתוביות:
v - מהירות גוף (m / s)

על פי החישוב המוצג לעיל, ניתן לחשב את הכוח שבו הופכת האנרגיה הקיימת בגוף. זה אפשרי אם אנו יודעים את המודול של הכוח המתקבל, אותו צריך להכפיל ב- מְהִירוּתמְמוּצָע נסע בגוף במהלך מרחק ד. עם זאת, יש לזכור כי ההגדרה שהוצגה לעיל תקף רק לערכים קבועים של F.

ראה גם: תרגילים על כוח מכני וביצועים

→ כוח מיידי

כּוֹחַרֶגַע הוא המדד של כמות העבודה שנעשתה בתהליך על פני פרק זמן קטן מאוד (אינסופי). אנו יכולים לומר, אפוא, שהכוח המיידי הוא קצב השינוי של כמות ה עֲבוֹדָה במהלך פרק זמן שנוטה לאפס.

כתוביות:
פ_דַחַף – כוח מיידי (W)
Δτ - עבודה אינסופית (J)
Δt - מרווח זמן אינסופי מינימלי

נעשה שימוש בכוח מיידי לחישוב הקצב שבו נעשית העבודה בכל רגע, ולא במהלך תהליך ארוך. לכן, ככל שמרווחי הזמן Δt קצרים יותר, כך המדידות של ה- פּוֹטֵנצִיָהמִיָדִי.

כוח מכני

כּוֹחַמֵכָנִיקָה מוגדר כשיעור השינוי של צורות האנרגיה הקשורות ל- מדינהבתְנוּעָה של גוף. אנו יכולים לחשב את הכוח המכני של גוף נע דרך ה- וריאציות של האנרגיה הקינטית שלך ושלך אנרגיה פוטנציאלית (כוח משיכה או אלסטי, למשל). הכוח הקשור לטרנספורמציה של אנרגיה מכנית, לעומת זאת, חל רק על מערכותמתפוגג (שיש להם חיכוך), מאז, ב הֶעְדֵרבחיכוך ואחרים כוחותמפיץ, ה אנרגיה מכנית של גופים נשארת קבועה.

לפי משפט אנרגיית עבודה, ניתן לחשב את כמות העבודה המופעלת על הגוף על ידי וָרִיאַצִיָה נותן אֵנֶרְגִיָהקינטיקה שהושג על ידו.

גוף המוני M המוצג באיור להלן מואץ על ידי פעולת כוח F, שמהירותו משתנה מ v₀ עד v_F:

כתוביות:
v₀ - מהירות התחלתית (m / s)
v_F - מהירות סופית (m / s)

לפי משפט אנרגיית עבודה, העבודה המבוצעת על הגוף ניתנת על ידי:

כתוביות:
ΔK - וריאציה של אנרגיה קינטית (J)
ק_F –אנרגיה קינטית סופית (J)
ק_{אני -}אנרגיה קינטית ראשונית (J)
M - מסת גוף (ק"ג)

לפיכך, ה פּוֹטֵנצִיָהמֵכָנִיקָה הקשורים לתנועה זו ניתן לחשב באמצעות המשוואה הבאה:

כוח חשמלי

ה פּוֹטֵנצִיָהחשמלי זהו מדד חשוב שיש לנתח בעת רכישת מכשיר ביתי. הכוח החשמלי של כל מכשיר מודד את כמות האנרגיה החשמלית שהמכשיר מסוגל להפוך לצורות אנרגיה אחרות בכל שנייה. לדוגמה, בלנדר של 600 וואט מסוגל להפוך 600J חשמל בכל שנייה ב אֵנֶרְגִיָהקינטיקה, שידור חוֹם,רֶטֶט ו גליםמְצַלצֵל לאתים שלך.

כידוע, באופן כללי, ניתן לחשב כוח באמצעות היחס בין העבודה שבוצעה לבין מרווח הזמן שעבר במהלך ביצועה. לכן, נשתמש כאן בהגדרה של עבודה שבוצעה בכוחחשמלי:

כתוביות:
τ_{חוּצפָּה}- עבודת חשמל (J)
מה - מודול עומס חשמלי (C)
ΔU - הבדל פוטנציאלי (V)
פ - חשמל (W)
U_ב ו U_{ה -}מתח חשמלי בנקודות A ו- B (V)
Δt - מרווח זמן (ים) לתנועת עומס
אני - מודול זרם חשמלי (A)

חשמל פועל באופן הבא: כאשר אנו מחברים מכשיר לשקע, א הֶבדֵלבפוטנציאל (ΔU) בין המסופים שלך. כאשר הבדל פוטנציאלי (U) מוחל על חומר מוליך, א הכמותבעֲבוֹדָה(τ_{חוּצפָּה})מבוצע על עומסיםחשמלי (ש) במעגלי המכשיר, מה שגורם לעומסים הללו לנוע, כלומר להקצותם אֵנֶרְגִיָהקינטיקה. ה תְנוּעָהשל העומסים בכיוון מועדף נקרא שַׁרשֶׁרֶתחשמל (i). ה פּוֹטֵנצִיָהחשמלי (P), בתורו, הוא המדד של הכמותבעֲבוֹדָה(τ_{חוּצפָּה}) אשר בוצע על ידי העומסים ל כל אחדשְׁנִיָה (t) הפעלת המכשיר.

צריכת החשמל, אם כן, נקבעת על ידי פּוֹטֵנצִיָה של מכשירים המחוברים לרשת החשמל ובאמצעותה זְמַן ב מבצע.

בנוסף לנוסחה שהוזכרה לעיל, ישנן וריאציות שניתן לכתוב מה- החוק הראשון של אוהם. האם הם:

שלוש דרכים אפשריות לחישוב חשמל

כתוביות:
U - פוטנציאל חשמלי (V)
ר - התנגדות חשמלית (Ω)

תראהגַם: הכוח התפוגג נגד

→ צריכת חשמל

הסכום של חַשְׁמַל נצרך נמדד ביחידה הנקראת קילוואט שעה (קוט"ש). זוהי יחידה חלופית ליחידת האנרגיה של מערכת היחידות הבינלאומית, הג'ולה. משתמשים בקילוואט שעה בגלל המעשיות שלה. אם החשמל היה נמדד בג'אול, המספרים המשמשים לביטוי צריכתו היו עָצוּם ולא מעשי.

שעה קילוואט היא כמות האנרגיה הנצרכת (או עֲבוֹדָה מבוצע) על ידי מכשיר של 1000W (1 קילוואט) בפרק הזמן של 1 שעה (3600 שניות). הכפלת כמויות אלה, אנו מגיעים למסקנה שכל אחד מהם קילוואט שעה שווה 3.6.10⁶ J (שְׁלוֹשָׁהמיליונים ו שש מאותאלףג'אול).

כדי לחשב את צריכת המכשיר האלקטרוני, אנו פשוט מכפילים את כוחו בזמן הפעולה שלו.

דוגמא

שקול מכשיר כוח שווה ל- 100 וואט (0.1 קילוואט) שפועל במהלך 30 דקות ביום (0.5 שעות). מה יהיה שלך צְרִיכָהחודשי (30 יום) של חשמל?

על פי החישוב שלנו, מכשיר זה ייצרך 1.5 קוט"ש חודשי, המקביל ל 5,4.10⁶ י. אם ה קוט"ש מעלות האזור 0.65 BRLהמחיר שישולם בסוף החודש עבור הפעלת מכשיר זה יהיה 0.97 BRL.

תראהגַם: גנרטורים חשמליים וכוח חשמלי

הפעלת הפעלה של חשמל ותשואה חשמלית

כאשר מחברים אותה למעגל, סוללה עם כוח אלקטרומוטורי השווה ל -20.0 וולט והתנגדות פנימית של 1.0 אומה מייצרת זרם חשמלי של 1.5 א '. ביחס לסוללה זו, קבע:

א) הפרש הפוטנציאל החשמלי שנקבע בין המסופים של הנגד הזה.

ב) הכוח החשמלי שמספק הסוללה.

ג) הכוח החשמלי שהתפזר בגלל ההתנגדות הפנימית של הסוללה.

ד) הביצועים של סוללה זו.

פתרון הבעיה

בתחילה נפרט את הנתונים שמספק התרגיל.

נתונים:

• U_ט= 20.0 V - כוח אלקטרומוטרי הסוללה או פוטנציאל כולל

• ר = 1.0 Ω - התנגדות סוללה פנימית

• אני = 1.5 A - זרם חשמלי

א) כדי לקבוע את ההבדל הפוטנציאלי שנוצר בין קצות הנגד, אנו משתמשים בחוק הראשון של אוהם.

כתוביות:
U_ד - מתח חשמלי שהתפזר בנגד (V)

ב) ניתן לחשב את הכוח החשמלי שמספקת הסוללה באמצעות הנוסחה הבאה:

כתוביות:
U_ט - מתח חשמלי כולל או כוח סוללה (V)

ג) בואו נחשב את הכוח החשמלי שמפזר הנגד. לשם כך, אנו פשוט משתמשים באחת מנוסחאות העוצמה שאנו מכירים:

כתוביות:
פ_ד - כוח התפוגג (W)

ד) ניתן לחשב את ההכנסה של גנרטור זה באמצעות היחס בין פּוֹטֵנצִיָהשָׁמִישׁ וה פּוֹטֵנצִיָהסך הכל של הסוללה. מתוך החישובים שבוצעו בפריטים הקודמים, קבענו כי ההספק הכולל שמספקת הסוללה היה 30 ואט, בעוד שההספק שהתפוגג על ידי התנגדותה הפנימית היה 2.25 וואט. לכן, הכוח הניתן לשימוש ניתן על ידי ההבדל בין שתי הכוחות הללו והוא שווה 27.75 וואט. על ידי ביצוע היחס בין הספק שמיש לבין הספק כולל, יהיה לנו:

על פי החישוב שבוצע, תפוקת האנרגיה של הסוללה היא 92.5%.

כוח תרמודינמי

ניתן לחשב כוח תרמודינמי על ידי קביעת הכמות ב עֲבוֹדָה אשר מבוצע על ידי (או מעל) גז במהלך שלו הַרחָבָה אוֹ דְחִיסָהאיזוברי (לחץ קבוע) לפרק זמן.

אפשר גם לחשב את פּוֹטֵנצִיָה של א מָקוֹרבחוֹם המתייחס לכמות החום הגיוני או הסמוי הנפלט על ידי מרווח זמן.

→ כוח העבודה שביצע הגז

בתמורות איזובריות, ניתן לקבוע את ההספק שמספק או מסופק על ידי גז. לשם כך עלינו לקחת בחשבון את הנוסחה המשמשת לחישוב ה- עֲבוֹדָהתרמודינמית מעורב בא טרנספורמציהאיזוברי:

כתוביות:
פ_ר - לחץ (אב)
פ_ot - כוח (W)
ΔV - וריאציית נפח (m³)

בתמורות תרמודינמיות איזובריות, הגז ממיר חלק מהאנרגיה הפנימית שלו לעבודה על ידי דחיפת בוכנה.

תראהגַם: ההיסטוריה של מכונות תרמיות

→ כוח וחום

אנחנו יכולים לקבוע את פּוֹטֵנצִיָה מסופק על ידי להבה או מהכוח הנפלט על ידי נגד שחומם כתוצאה מה- זה נעשהג'אוּל על ידי חישוב כמות החום המופצת על ידי מקורות אלה בכל שנייה. לשם כך, פשוט בצע את החישוב הבא:

לחישוב הכוח הנפלט ממקור בצורת חוֹם, פשוט קבע אם החום הזה הוא מהסוג רָגִישׁ (Q = mcΔT) או מהסוג חָבוּי (Q = mL). מחממים אלה קיימים אך ורק ב שינוייםבטֶמפֶּרָטוּרָה וב שינוייםבמדינהפִיסִיקַאִי, בהתאמה.

ביצועים

ביצועים זהו משתנה חשוב לחקר מערכות לא שמרניות, כלומר אלה המציגים הפסדי אנרגיה, כמו במקרים הלא אידיאליים של חיי היומיום שלנו. כל המכונות והמכשירים שאנו מכירים הם מערכות שאינן מסוגלות לרתום את כל הכוח המסופק להן. לפיכך, הם "מבזבזים" חלק מהכוח בצורות אחרות פחות שימושיות של אנרגיה, כגון חוֹם,רֶטֶט ו רעשים.

אחת מההגדרות הכלליות ביותר ליעילות יכולה להינתן על ידי חלוקת הכוח השימושי בסך הכל המתקבל במהלך תהליך כלשהו:

כתוביות:
η תשואה
פ_U - כוח שימושי (W)
פ_ט - הספק כולל (W)

תשואה של מכונה

או תְשׁוּאָה מכונות תרמיות מודדות את יעילות האנרגיה שלהן, כלומר אחוז האנרגיה שהמכונות הללו מסוגלות להשתמש בהן לצורך ביצוע עבודות מועילות (τ). כל המכונות התרמיות פועלות באופן דומה: הם מקבלים חום ממקור חם (ש_מה) ודוחים חלק מהחום הזה, ומפיצים אותו למקור קר (ש_f).

אנחנו יכולים לחשב את תְשׁוּאָה של כל מכונה תרמית מהנוסחה הבאה:

כתוביות:
η - יעילות המכונה התרמית
τ - עבודת המכונה התרמית (J)
ש_מה - חום שמוותר על ידי המקור החם (J)

את הרשימה שלעיל ניתן לכתוב בדרך אחרת. לשם כך, אנו רק מניחים שהעבודה המועילה (τ) ניתן ע"י הֶבדֵל בין כמות החום שמוותרת על ידי מָקוֹרחַם (ש_מה) וכמות החום המופצת אל מָקוֹרקַר (ש_F):

כתוביות:
ש_F - חום שמוותר על ידי מקור הקור (J)

→ ביצועי מכונת קרנו

או מחזורבקרנו זה מחזור תרמודינמי אִידֵאָלִי זה מ גדול יותרתְשׁוּאָהאפשרי. לפיכך, לא ניתן להפעיל מכונה תרמית הפועלת בטמפרטורות זהות למקורות חַם ו קַר עם התשואה הגדולה מהתשואה של מחזור קרנו.

ניתן לחשב ביצועי מכונה המבוססים על מחזור קרנו באמצעות הנוסחה הבאה:

כתוביות:
ט_ש - טמפרטורת מקור חם (K)
ט_F- טמפרטורת מקור קר (K)

תראהגַם: מכונות קרנו

על ידי רפאל הלרברוק