В автомобильном мире коэффициент полезного действия (к.п.д.) является одной из основных характеристик двигателя. Говоря простыми словами, к.п.д. показывает, какой процент энергии от сгорания топлива двигает автомобиль в нужном направлении, а не теряется в виде тепла, разогревающего атмосферу Земли.
Самый большой К.П.Д. в автомобильном мире или F-1 против V8
В автомобилях широко применяется 8-цилиндровый двигатель V8. После многих модификаций и улучшений в 2013 г. он достиг своего максимального к.п.д. в 29%. Для автомобильного двигателя это немало. Однако в 2014 году у 8-циллиндрового V8 появился конкурент в виде турбогибрида V6 (или F-1). Его к.п.д. составляло на начальном этапе рекордные 40%, а в настоящее время коэффициент полезного действия чудо-двигателя превышает 50%. Сейчас F-1 самый эффективный автомобильный двигатель на дорогах нашей планеты.
За последние семь лет двигатели авто стали на 10% эффективнее и экологичнее. При увеличении мощности на 20%, F-1 выбрасывает в атмосферу на 26% меньше углекислого газа, чем двигатель V8.
Гиперкары в 1000 л.с. - это реальность
Вначале турбогибриды появились в Формуле-1. Но время не стоит на месте, и сейчас эта технология стала использоваться и на обычных машинах. Например гиперкар Mercedes-AMG Project One развивает мощность около 1000 лошадиных сил. На дорогах можно увидеть и Valkyrie – эксклюзивный гиперкар компании Aston Martin с гибридным двигателем, экстравагантным внешним видом и с совершенной аэродинамикой. Его гибридная силовая установка дает суммарную мощность 1100 лошадиных сил. Мощный двигатель, потрясающие динамические характеристиками и сравнительно небольшая масса позволяет детищу Aston Martin ускорится с нуля до 320 км/ч всего за 10 секунд, а полное торможение с 320 км/ч до 0 км/ч занимает у него всего 5 секунд. Valkyrie способна развивать максимальную скорость более 400 километров в час.
Вспоминаем физику
Вспомним школьный курс физики и немного посчитаем.
Ускорение во время разгона Valkyrie составляет:
a=(V-V0)/t=(320000/3600-0)/10=8,9 (м/c^2)
Ускорение во время торможения:
a=(V-V0)/t=(0-320000/3600-0)/6= -14,8 (м/c^2)
Кстати, это уже перегрузка по сравнению с укореняем свободного падения, значение которого составляет 9,8.
К.п.д. реактивного двигателя
Реактивные двигатели еще в конце 1980-х гг. достигли высокого к.п.д.. Дозвуковые турбореактивные двухконтурные двигатели имеют коэффициент полезного действия 43%.
Полный коэффициент полезного действия реактивного двигателя – это отношение полезной тяговой мощности двигателя к затраченной в единицу времени термохимической и кинетической энергии топлива.
Значение к.п.д. у современных турбореактивных двигателей при высоких скоростях полёта достигает 50%. Интересно, что коэффициент полезного действия реактивного двигателя имеет тенденцию к росту при увеличении скорости полёта.
Современными ракетами уже превышена скорость звука (в воздухе 340 м/с) в 1,5-2 раза. В скором будущем можно ожидать появления экономичного гиперзвукового самолёта с высоким к.п.д.
Человек - это тепловая машина с хорошим к.п.д.
Пища является своеобразным топливом для человека. Сложные органические молекулы, поступающие вместе с ней в организме, окисляясь, выделяют энергию. Аккумуляция энергии происходит, в основном, в сложных фосфатных связях (АТФ). Эти молекулы являются также переносчиками энергии. Так, если энергия требуется в мышцах, то АТФ прибудет к ним без промедления. При необходимости происходит распад АТФ на АДФ и фосфат. При распаде 1 моля АТФ выделяется 8-10 ккал энергии.
В среднем на интеллектуальную и физическую работу в сутки человек расходует около 800 ккал энергии. Даже умственная работа требует довольно больших энергозатрат, связанных с работой мозга и фиксацией тела в статическом положении. Так при чтении за 1 час человек тратит около 80 ккал энергии. Однако большую часть энергии он передает окружающей среде в результате излучения, теплопроводности и испарения.
Отдавая тепло окружающей среде человек, поддерживается свой тепловой баланс. Потери в результате теплопроводности составляю 340 ккал. Человек является источником инфракрасного излучения, и оно уносит около 850 ккал энергии. Человек теряет энергию в результате испарения с поверхности кожи, легких и слизистой оболочки. При испарении потери энергии составляют 500 ккал в сутки. Таким образом, за сутки человек «бесполезно» теряет около 1800 ккал энергии. С учетом этого коэффициент полезного действия человека как тепловой машины составляет 32%.
P.S.
Интересно, что к.п.д. светящихся бактерий доходит до 90%. К.П.Д. растений биосферы невелик (в среднем около 0,2 %). Расчёты показывают, что возможно получить к.п.д. фотосинтеза до 12%. В посевах кукурузы уже получен коэффициент полезного действия 7-8%.
Из теории мы знаем, что для повышения к.п.д. необходимо повысить температуру нагревателя и уменьшить температуру охладителя. Предложите в комментариях как повысить к.п.д. человека.
Если статья вам понравилась, подписывайтесь на мой канал "Математика и физика с Вестой"
