Dzisiaj powiemy Ci, czym jest efektywność (współczynnik efektywności), jak ją obliczyć i gdzie ta koncepcja jest stosowana.
Człowiek i mechanizm
Co mają wspólnego pralka i fabryka konserw? Pragnienie osoby, aby uwolnić się od konieczności robienia wszystkiego na własną rękę. Przed wynalezieniem maszyny parowej ludzie mieli do dyspozycji tylko mięśnie. Wszystko robili sami: orali, siali, gotowali, łowili ryby, tkali len. Aby zapewnić przetrwanie podczas długiej zimy, każdy członek rodziny chłopskiej pracował w ciągu dnia od drugiego roku życia aż do śmierci. Najmłodsze dzieci opiekowały się zwierzętami i pomagały (przynosić, opowiadać, dzwonić, zabierać) dorosłym. Dziewczyna została po raz pierwszy umieszczona za kołowrotkiem w wieku pięciu lat! Nawet głębocy starzy ludzie kroili łyżki i tkali łykowe buty, a starsze i niedołężne babcie siedziały przy krosnach i kołowrotkach, jeśli pozwalał im wzrok. Nie mieli czasu na zastanawianie się, czym są gwiazdy i dlaczego świecą. Ludzie byli zmęczeni: codziennie musieli iść i pracować, niezależnie od stanu zdrowia, bólu i morale. Oczywiście mężczyzna chciał znaleźć pomocników, którzy choć trochę odciążyliby jego przepracowane barki.
Zabawne i dziwne
Najbardziej zaawansowaną technologią w tamtych czasach był koń i koło młyńskie. Ale wykonali tylko dwa lub trzy razy więcej pracy niż człowiek. Ale pierwsi wynalazcy zaczęli wymyślać urządzenia, które wyglądały bardzo dziwnie. W filmie „Historia wiecznej miłości” Leonardo da Vinci przymocował do stóp małe łódki, aby chodzić po wodzie. Doprowadziło to do kilku zabawnych incydentów, kiedy naukowiec wpadł do jeziora w ubraniu. Chociaż ten odcinek to tylko wymysł scenarzysty, takie wynalazki musiały wyglądać tak – komicznie i śmiesznie.
XIX wiek: żelazo i węgiel
Ale w połowie XIX wieku wszystko się zmieniło. Naukowcy zdali sobie sprawę z siły nacisku rozprężającej się pary. Najważniejszymi towarami tamtych czasów było żelazo do produkcji kotłów i węgiel do podgrzewania w nich wody. Naukowcy tamtych czasów musieli zrozumieć, czym jest sprawność w fizyce pary i gazu i jak ją zwiększyć.
Wzór na współczynnik w ogólnym przypadku to:
η=A/Q
η - wydajność, A - praca użyteczna, Q - wydatkowana energia.
Praca i ciepło
Wydajność (w skrócie wydajność) jest wielkością bezwymiarową. Jest definiowany jako procent i obliczany jako stosunek energii zużytej do pracy użytecznej. Ten ostatni termin jest często używany przez matki niedbałych nastolatków, gdy zmuszają je do zrobienia czegoś w domu. Ale w rzeczywistości jest to prawdziwy wynik włożonego wysiłku. Oznacza to, że jeśli sprawność maszyny wynosi 20%, to zamienia ona na działanie tylko jedną piątą otrzymanej energii. Teraz przy zakupieauto, czytelnik nie powinien mieć pytania jaka jest sprawność silnika.
Jeżeli współczynnik jest obliczany w procentach, formuła wygląda następująco:
η=100%(A/Q)
η - wydajność, A - praca użyteczna, Q - wydatkowana energia.
Strata i rzeczywistość
Z pewnością wszystkie te argumenty powodują dezorientację. Dlaczego nie wynaleźć samochodu, który może zużywać więcej energii z paliwa? Niestety, prawdziwy świat taki nie jest. W szkole dzieci rozwiązują problemy, w których nie ma tarcia, wszystkie układy są zamknięte, a promieniowanie jest ściśle monochromatyczne. Prawdziwi inżynierowie w zakładach produkcyjnych zmuszeni są brać pod uwagę obecność wszystkich tych czynników. Zastanów się na przykład, jaka jest sprawność silnika cieplnego i z czego składa się ten współczynnik.
Formuła w tym przypadku wygląda tak:
η=(Q1-Q2)/Q1
W tym przypadku Q1 to ilość ciepła, którą silnik otrzymał z ogrzewania, a Q2 to ilość ciepło, które oddała do środowiska (ogólnie określane jako lodówka).
Paliwo nagrzewa się i rozszerza, siła popycha tłok napędzający element obrotowy. Ale paliwo jest zawarte w jakimś naczyniu. Po podgrzaniu przenosi ciepło na ściany naczynia. Prowadzi to do strat energii. Aby tłok opadł, gaz musi być schłodzony. W tym celu część jest uwalniana do środowiska. I dobrze by było, gdyby gaz oddawał całe ciepło do użytecznej pracy. Ale niestety stygnie bardzo powoli, więc wydobywa się gorąca para. Część energii zużywana jest na ogrzewanie powietrza. Tłok porusza się w wydrążonym metalowym cylindrze. Jego krawędzie ściśle przylegają do ścian, a podczas ruchu działają siły tarcia. Tłok nagrzewa pusty cylinder, co również prowadzi do utraty energii. Ruch postępowy pręta w górę iw dół jest przenoszony na moment obrotowy przez szereg przegubów, które ocierają się o siebie i nagrzewają, to znaczy, że część pierwotnej energii również jest na to zużywana.
Oczywiście w maszynach fabrycznych wszystkie powierzchnie są polerowane do poziomu atomowego, wszystkie metale są mocne i mają najniższą przewodność cieplną, a olej tłokowy ma najlepsze właściwości. Ale w każdym silniku energia benzyny jest wykorzystywana do podgrzewania części, powietrza i tarcia.
Patelnia i kocioł
Teraz proponujemy zrozumieć, jaka jest sprawność kotła iz czego się składa. Każda gospodyni domowa wie: jeśli zostawisz wodę do zagotowania w rondlu pod zamkniętą pokrywką, albo woda kapie na kuchenkę, albo pokrywka „zatańczy”. Każdy nowoczesny kocioł jest rozmieszczony w podobny sposób:
- ogrzewanie podgrzewa zamknięty pojemnik pełen wody;
- woda staje się przegrzaną parą;
- podczas rozprężania mieszanina gazowo-wodna obraca turbiny lub porusza tłoki.
Tak jak w silniku, energia jest tracona na ogrzewanie kotła, rur i tarcie wszystkich połączeń, więc żaden mechanizm nie może mieć sprawności równej 100%.
Wzór na maszyny pracujące zgodnie z cyklem Carnota wygląda jak ogólny wzór na silnik cieplny, tyle że zamiast ilości ciepła - temperatury.
η=(T1-T2)/T1.
Stacja kosmiczna
A jeśli umieścisz mechanizm w przestrzeni? Darmowa energia słoneczna jest dostępna 24 godziny na dobę, chłodzenie dowolnego gazu jest możliwe dosłownie do 0o Kelwinów niemal natychmiast. Może w kosmosie wydajność produkcji byłaby wyższa? Odpowiedź jest niejednoznaczna: tak i nie. Wszystkie te czynniki rzeczywiście mogłyby znacząco poprawić transfer energii do użytecznej pracy. Jednak dostarczenie nawet tysiąca ton na pożądaną wysokość jest nadal niezwykle kosztowne. Nawet jeśli taka fabryka działa przez pięćset lat, nie zwróci kosztów podniesienia sprzętu, dlatego pisarze science fiction tak aktywnie wykorzystują ideę windy kosmicznej – znacznie uprościłoby to zadanie i sprawiło, że komercyjnie opłacalne jest przeniesienie fabryk w kosmos.
