Номер 4, страница 132 - гдз по физике 9 класс учебник Исаченкова, Сокольский

4. Что называется коэффициентом полезного действия механизма? Может ли КПД быть равным или больше 100 %?

4. Что называется коэффициентом полезного действия механизма? Может ли КПД быть равным или больше 100 %?

Коэффициентом полезного действия (КПД) механизма называется физическая величина, которая показывает, какую долю от всей затраченной работы составляет полезная работа. Иными словами, КПД характеризует эффективность работы механизма. КПД, который обычно обозначают греческой буквой $\eta$ (эта), рассчитывается как отношение полезной работы $A_{полезная}$ к полной (затраченной) работе $A_{затраченная}$.

Формула для расчета КПД имеет вид:

$\eta = \frac{A_{полезная}}{A_{затраченная}}$

Часто для наглядности КПД выражают в процентах. Для этого полученное отношение умножают на 100 %:

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

В этих формулах $A_{полезная}$ — это работа, которую совершает механизм для достижения цели (например, работа по подъему груза), а $A_{затраченная}$ — это вся работа, приложенная к механизму для его функционирования.

Коэффициент полезного действия не может быть равным или больше 100 %. Это утверждение является прямым следствием закона сохранения энергии. В любом реальном механизме часть затраченной энергии неизбежно расходуется на преодоление сил, препятствующих движению, в первую очередь — силы трения в его частях, а также силы сопротивления среды (например, воздуха). Эта часть энергии, которую называют потерями, превращается в основном во внутреннюю энергию (теплоту), нагревая механизм и окружающую среду.

Таким образом, полная затраченная работа всегда равна сумме полезной работы и работы, затраченной на преодоление потерь ($A_{потерь}$):

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

Поскольку в любом реальном устройстве потери всегда существуют ($A_{потерь} > 0$), то затраченная работа всегда будет больше полезной работы ($A_{затраченная} > A_{полезная}$). Следовательно, их отношение, то есть КПД, всегда будет строго меньше 1 (или 100 %).

Случай, когда КПД равен 100 %, является теоретической идеализацией. Это означало бы создание "идеального" механизма без каких-либо потерь энергии ($A_{потерь} = 0$), что на практике невозможно.

Гипотетический механизм с КПД больше 100 % совершал бы полезной работы больше, чем было затрачено энергии. Это означало бы, что он создает энергию "из ничего", что напрямую противоречит фундаментальному закону сохранения энергии. Такое устройство называют "вечным двигателем первого рода", создание которого невозможно.

Ответ: Коэффициентом полезного действия (КПД) называют отношение полезной работы к полной (затраченной) работе. КПД реального механизма не может быть равен или больше 100 %, так как полезная работа всегда меньше затраченной из-за неизбежных потерь энергии на трение и другие виды сопротивления, что следует из закона сохранения энергии.