Номер 5, страница 138 - гдз по физике 7 класс учебник Исаченкова, Громыко

5. Может ли КПД машины, механизма быть равным 100 %?

Решение

Коэффициент полезного действия (КПД), обозначаемый греческой буквой эта ($ \eta $), является мерой эффективности любой машины или механизма. Он показывает, какая доля всей затраченной энергии или работы преобразуется в полезную работу, то есть в ту работу, для выполнения которой механизм и предназначен. Формула для расчёта КПД выглядит следующим образом:

$ \eta = \frac{A_{полезная}}{A_{затраченная}} \times 100\% $

где $A_{полезная}$ — это полезная работа, а $A_{затраченная}$ — это полная (затраченная) работа.

Согласно закону сохранения энергии, энергия не может возникнуть из ниоткуда и не может исчезнуть в никуда, она лишь переходит из одной формы в другую. Применительно к работе механизма это означает, что вся затраченная работа расходуется на совершение полезной работы и на преодоление различных сил сопротивления, то есть на потери. Это можно выразить уравнением:

$ A_{затраченная} = A_{полезная} + A_{потери} $

где $A_{потери}$ — это работа, потраченная на преодоление сил трения и других сопротивлений.

В любом реальном механизме существуют неизбежные потери энергии. Основными причинами этих потерь являются:

1. Трение. В любой машине есть движущиеся части, которые соприкасаются и трутся друг о друга (например, поршень о стенки цилиндра, вал в подшипнике). Для преодоления силы трения совершается работа, которая превращается в тепловую энергию и рассеивается в окружающую среду, не принося пользы.

2. Сопротивление среды. Детали механизма, движущиеся в воздухе или жидкости, испытывают сопротивление этой среды. На его преодоление также тратится часть энергии.

3. Другие потери. Энергия также может теряться на вибрацию, создание шума, нагрев самого механизма из-за внутренних процессов и т.д.

Чтобы КПД был равен 100%, необходимо, чтобы вся затраченная работа превращалась в полезную, то есть $A_{полезная}$ должна быть равна $A_{затраченная}$. Из уравнения закона сохранения энергии следует, что это возможно только в том случае, если потери энергии равны нулю ($A_{потери} = 0$).

Однако создать механизм, в котором полностью отсутствовало бы трение и другие виды потерь, невозможно. Это противоречит фундаментальным законам природы, в частности второму началу термодинамики. Следовательно, в любой реальной машине или механизме затраченная работа всегда будет больше полезной работы ($A_{затраченная} > A_{полезная}$).

Ответ: нет, КПД машины или механизма не может быть равным 100%. В любом реальном устройстве всегда существуют неизбежные потери энергии, в первую очередь из-за трения и сопротивления среды. Это означает, что полезная работа всегда меньше затраченной работы, и, следовательно, КПД всегда будет строго меньше 100%.