Mekaanin työ, teho, hyötysuhde

ja lämpökoneet

Työ

- Energia on kykyä tehdä työtä. 

- Työ on energian siirtämistä. Kappaleen täytyy liikkua! 

- Yksikkö on sama kuin energialla eli J = joule 

Työ = Voima · Matka  

W = F·s 

 

Yksikkö: N·m = J 

- Liike-energiaan liittyvä työ tehdään kitkaa vastaan: W = F·s 

W = työ, F = voima, s = matka 

- Potentiaalienergiaan liittyvä työ tehdään painovoimaa vastaan: W = G·h 

W = työ, G = voima (painovoima), h = matka (korkeus) 

Voiman suunta tulee huomioida! 

Teho

- Teho kuvaa työntekonopeutta

 Teho = Työ / Aika 

 P = W / t 

 

Yksikkö: [P] = J / s = W (watti) 

- Vertaa nopeuteen v = s/t = matkantekonopeus  

            Tai P = E/t = energianmuuntumisnopeus 

- Huomaa, että P = W/t = Fs/t = Fv (hetkellinen teho) 

  Lisäksi P = W/t ja W = Pt 

- Kotitalouksien sähkölaskussa energian yksikkö on kWh (kilowattitunti)

   Energia E = Pt kertoo, millä teholla ja kuinka pitkään kodinkoneita on käytetty

Hyötysuhde

- Energia muutetaan hyödylliseen muotoon. 

- Kaikkea energiaa ei saada hyödynnettyä, vaan osa menee hukkaan.

- Hyötyenergian määrä on aina pienempi kuin kokoenergian määrä.  

- Hyötysuhde kuvaa näiden suhdetta: 

η = E_hyöty / E_koko = E_tuotto / E_otto = E_anto / E_otto 

Yksikötön, koska kuvaa suhdetta. 

- Hyötysuhde voidaan laskea myös työn tai tehon suhteen eli 

 η = W_tuotto / W_otto = P_tuotto / P_otto  

Lämpökone

Luovuttaa tai vastaanottaa energiaa lämmön ja työn välityksellä. 

Lämpövoimakone (lämmitin)  

vastaanottaa lämpöä, muuttaa sen työksi  

Toiminta perustuu lämpötilaeroihin. 

Lämpö siirtyy itsestään kuumasta kylmään ja osa siitä muuntuu työksi. 

Hyötysuhde 

η = W / Q₁ = (Q₁ – Q₂) / Q₁ 

Q₁ = Koneen ottama lämpömäärä, Q₂ = koneesta poistuva lämpömäärä 

Maksimihyötysuhde eli Carnot-hyötysuhde 

η = (T₁ – T₂) / T₁  

 T = lämpösäiliön lämpötila 

Polttoaineen lämpöarvo (H)

= energiamäärä, joka vapautuu kilogrammasta ainetta 

H = Q / m 

Eli vapautuva energia Q = H·m 

Lämpöarvoja taulukoitu (MJ/kg) 

Esim. Lämpövoimalaitos, polttomoottori, höyryturbiini 

Lämmönsiirtokone (jäähdytin) 

Luovuttaa lämpöä tehdyn työn avulla. 

Ulkopuolelta tuodun työn avulla siirretään energiaa kylmästä kuumaan. 

Perustuu kylmäaineen olomuodonmuutoksiin: höyrystyminen sitoo energiaa, tiivistyminen vapauttaa. 

Esim. Jääkaappi, lämpöpumppu 

- Fyysikoita 

• James Watt (1736-1819) 
• Sadi Carnot (1796-1832) 

- Animaatio

• Lämpöpumppu: http://www.dimplex.de/fi/ladattavat/animaatiot.html