Astăzi vă vom spune ce este eficiența (factorul de eficiență), cum să o calculați și unde se aplică acest concept.
Omul și mecanismul
Ce au în comun o mașină de spălat și o fabrică de conserve? Dorința unei persoane de a se elibera de nevoia de a face totul pe cont propriu. Înainte de inventarea mașinii cu abur, oamenii aveau la dispoziție doar mușchii lor. Ei au făcut totul singuri: au arat, au semănat, au gătit, au prins pește, au țesut in. Pentru a asigura supraviețuirea în timpul iernii lungi, fiecare membru al familiei țărănești a lucrat orele de zi de la vârsta de doi ani până la moartea sa. Cei mai mici copii aveau grijă de animale și îi ajutau (adu, spune, sună, iau) adulții. Fata a fost pusă pentru prima dată în spatele unei roate la vârsta de cinci ani! Chiar și bătrânii adânci tăiau linguri și țeseau pantofi de bast, iar bunicile cele mai în vârstă și mai infirme stăteau la războaie și roți de învârtit, dacă vederea le permitea. Nu au avut timp să se gândească la ce sunt stelele și de ce strălucesc. Oamenii au obosit: în fiecare zi trebuiau să meargă la muncă, indiferent de starea de sănătate, durere și moral. Bineînțeles, bărbatul a vrut să găsească ajutoare care să-i ușureze măcar puțin umerii suprasolicitați.
Amuzant și ciudat
Cea mai avansată tehnologie din acele vremuri era calul și roata morii. Dar au lucrat doar de două sau trei ori mai mult decât un om. Dar primii inventatori au început să vină cu dispozitive care păreau foarte ciudate. În filmul „Povestea iubirii eterne”, Leonardo da Vinci și-a atașat mici bărci de picioare pentru a merge pe apă. Acest lucru a dus la mai multe incidente amuzante când omul de știință s-a aruncat în lac cu hainele pe el. Deși acest episod este doar o invenție a scenaristului, astfel de invenții trebuie să fi arătat așa - comice și amuzante.
secolul al XIX-lea: fier și cărbune
Dar la mijlocul secolului al XIX-lea totul s-a schimbat. Oamenii de știință au realizat forța de presiune a expansiunii aburului. Cele mai importante mărfuri ale vremii erau fierul pentru fabricarea cazanelor și cărbunele pentru încălzirea apei în ele. Oamenii de știință din acea vreme trebuiau să înțeleagă ce este eficiența în fizica aburului și a gazelor și cum să o crească.
Formula pentru coeficient în cazul general este:
η=A/Q
η - eficiență, A - muncă utilă, Q - energie cheltuită.
Munca și căldură
Eficiența (eficiență prescurtată) este o mărime fără dimensiune. Este definit ca procent și este calculat ca raportul dintre energia cheltuită și munca utilă. Ultimul termen este adesea folosit de mamele adolescenților neglijenți atunci când îi forțează să facă ceva prin casă. Dar, de fapt, acesta este rezultatul real al efortului depus. Adică, dacă eficiența mașinii este de 20%, atunci transformă doar o cincime din energia primită în acțiune. Acum cand cumperimașină, cititorul nu ar trebui să aibă o întrebare, care este eficiența motorului.
Dacă coeficientul este calculat ca procent, atunci formula este:
η=100%(A/Q)
η - eficiență, A - muncă utilă, Q - energie cheltuită.
Pierderi și realitate
Cu siguranță toate aceste argumente provoacă nedumerire. De ce să nu inventezi o mașină care poate folosi mai multă energie de combustibil? Din păcate, lumea reală nu este așa. La școală, copiii rezolvă probleme în care nu există frecare, toate sistemele sunt închise, iar radiația este strict monocromatică. Inginerii adevărați de la fabricile de producție sunt nevoiți să ia în considerare prezența tuturor acestor factori. Luați în considerare, de exemplu, care este eficiența unui motor termic și în ce constă acest coeficient.
Formula în acest caz arată astfel:
η=(Q1-Q2)/Q1
În acest caz, Q1 este cantitatea de căldură pe care motorul a primit-o de la încălzire, iar Q2 este cantitatea de căldură pe care a dat-o mediului înconjurător (denumită în general frigider).
Combustibilul se încălzește și se dilată, forța împinge pistonul care antrenează elementul rotativ. Dar combustibilul este conținut într-un vas. Când este încălzit, transferă căldură către pereții vasului. Acest lucru duce la pierderi de energie. Pentru ca pistonul să coboare, gazul trebuie să fie răcit. Pentru a face acest lucru, o parte din ea este eliberată în mediu. Și ar fi bine dacă gazul ar da toată căldura unei lucrări utile. Dar, vai, se răcește foarte încet, așa că iese abur fierbinte. O parte din energie este cheltuită pentru încălzirea aerului. Pistonul se mișcă într-un cilindru metalic gol. Marginile sale se potrivesc perfect pe pereți; atunci când se mișcă, intră în joc forțele de frecare. Pistonul încălzește cilindrul gol, ceea ce duce și la o pierdere de energie. Mișcarea de translație în sus și în jos a tijei este transmisă unui cuplu printr-o serie de articulații care se freacă unele de altele și se încălzesc, adică o parte din energia primară este cheltuită și pentru aceasta.
Desigur, la mașinile din fabrică, toate suprafețele sunt lustruite la nivel atomic, toate metalele sunt puternice și au cea mai scăzută conductivitate termică, iar uleiul de piston are cele mai bune proprietăți. Dar în orice motor, energia benzinei este folosită pentru a încălzi piesele, aerul și frecarea.
Tigaie și ceaun
Acum ne propunem să înțelegem care este randamentul cazanului și în ce constă. Orice gospodină știe: dacă lași apă să fiarbă într-o cratiță sub un capac închis, atunci fie apa va picura pe aragaz, fie capacul va „dansa”. Orice cazan modern este aranjat cam la fel:
- heat încălzește un recipient închis plin cu apă;
- apa devine abur supraîncălzit;
- când se extinde, amestecul gaz-apă rotește turbinele sau mișcă pistoanele.
La fel ca într-un motor, se pierde energie pentru a încălzi cazanul, țevile și frecarea tuturor îmbinărilor, așa că niciun mecanism nu poate avea o eficiență egală cu 100%.
Formula pentru mașinile care funcționează conform ciclului Carnot arată ca formula generală pentru un motor termic, doar în locul cantității de căldură - temperatură.
η=(T1-T2)/T1.
Stație spațială
Și dacă pui mecanismul în spațiu? Energia solară gratuită este disponibilă 24 de ore pe zi, răcirea oricărui gaz este posibilă literalmente până la 0o Kelvin aproape instantaneu. Poate în spațiu eficiența producției ar fi mai mare? Răspunsul este ambiguu: da și nu. Toți acești factori ar putea, într-adevăr, să îmbunătățească semnificativ transferul de energie către munca utilă. Dar livrarea chiar și a o mie de tone la înălțimea dorită este încă incredibil de costisitoare. Chiar dacă o astfel de fabrică funcționează timp de cinci sute de ani, nu va plăti înapoi costul creșterii echipamentului, motiv pentru care scriitorii de science fiction exploatează atât de activ ideea unui lift spațial - acest lucru ar simplifica foarte mult sarcina și ar face este viabil din punct de vedere comercial transferul fabricilor în spațiu.
