Dnes vám povieme, čo je účinnosť (faktor účinnosti), ako ju vypočítať a kde sa tento koncept uplatňuje.
Človek a mechanizmus
Čo majú spoločné práčka a konzerváreň? Túžba človeka zbaviť sa potreby robiť všetko sám. Pred vynálezom parného stroja mali ľudia k dispozícii iba svaly. Všetko robili sami: orali, siali, varili, chytali ryby, tkali ľan. Aby sa zabezpečilo prežitie počas dlhej zimy, každý člen roľníckej rodiny pracoval počas dňa od dvoch rokov až do svojej smrti. Najmenšie deti sa starali o zvieratká a pomáhali (priniesť, povedať, zavolať, vziať) dospelým. Dievčatko prvýkrát posadili za kolovrat vo veku piatich rokov! Dokonca aj hlboí starí ľudia strihali lyžice a plietli lykové topánky a najstaršie a chorľavejšie babičky sedávali pri krosnách a kolovratoch, ak im to zrak dovoľoval. Nemali čas premýšľať o tom, čo sú hviezdy a prečo žiaria. Ľudia boli unavení: každý deň museli ísť pracovať, bez ohľadu na zdravotný stav, bolesť a morálku. Prirodzene, muž chcel nájsť pomocníkov, ktorí by aspoň trochu uľavili jeho preťaženým ramenám.
Vtipné a zvláštne
Najpokročilejšou technológiou v tých časoch bol kôň a mlynské koleso. Ale urobili len dvakrát alebo trikrát viac práce ako človek. Ale prví vynálezcovia začali prichádzať so zariadeniami, ktoré vyzerali veľmi zvláštne. Vo filme „Príbeh večnej lásky“si Leonardo da Vinci pripevnil k nohám malé člny, aby mohol chodiť po vode. To viedlo k niekoľkým vtipným príhodám, keď sa vedec ponoril do jazera s oblečením. Hoci je táto epizóda len výmyslom scenáristu, takéto vynálezy tak museli vyzerať – komicky a vtipne.
19. storočie: železo a uhlie
V polovici 19. storočia sa však všetko zmenilo. Vedci si uvedomili tlakovú silu rozpínajúcej sa pary. Najdôležitejším tovarom tej doby bolo železo na výrobu kotlov a uhlie na ohrev vody v nich. Vedci tej doby museli pochopiť, čo je účinnosť vo fyzike pary a plynu a ako ju zvýšiť.
Vzorec pre koeficient vo všeobecnom prípade je:
η=A/Q
η - účinnosť, A - užitočná práca, Q - vynaložená energia.
Práca a teplo
Efektívnosť (skrátene účinnosť) je bezrozmerná veličina. Definuje sa v percentách a vypočítava sa ako pomer vynaloženej energie k užitočnej práci. Posledný termín často používajú matky nedbalých tínedžerov, keď ich nútia robiť niečo okolo domu. Ale v skutočnosti je to skutočný výsledok vynaloženého úsilia. To znamená, že ak je účinnosť stroja 20%, potom premení iba pätinu prijatej energie na činnosť. Teraz pri kúpeauto, čitateľ by nemal mať otázku, aká je účinnosť motora.
Ak sa koeficient počíta ako percento, vzorec je:
η=100 %(A/Q)
η - účinnosť, A - užitočná práca, Q - vynaložená energia.
Strata a realita
Všetky tieto argumenty určite spôsobujú zmätok. Prečo nevynájsť auto, ktoré dokáže spotrebovať viac energie paliva? Bohužiaľ, skutočný svet taký nie je. V škole deti riešia úlohy, v ktorých nedochádza k treniu, všetky systémy sú uzavreté a žiarenie je prísne monochromatické. Skutoční inžinieri vo výrobných závodoch sú nútení brať do úvahy prítomnosť všetkých týchto faktorov. Zvážte napríklad, aká je účinnosť tepelného motora a z čoho pozostáva tento koeficient.
Vzorec v tomto prípade vyzerá takto:
η=(Q1-Q2)/Q1
V tomto prípade je Q1 množstvo tepla, ktoré motor prijal z kúrenia, a Q2 je množstvo tepla teplo, ktoré dávalo životnému prostrediu (všeobecne označované ako chladnička).
Palivo sa zahrieva a expanduje, sila tlačí na piest, ktorý poháňa rotačný prvok. Ale palivo je obsiahnuté v nejakej nádobe. Pri zahriatí odovzdáva teplo stenám nádoby. To vedie k energetickým stratám. Aby piest klesol, musí sa plyn ochladiť. K tomu sa časť uvoľňuje do životného prostredia. A bolo by dobré, keby plyn dal všetko teplo užitočnej práci. Ale, bohužiaľ, ochladzuje sa veľmi pomaly, takže vychádza horúca para. Časť energie sa minie na ohrev vzduchu. Piest sa pohybuje v dutom kovovom valci. Jeho okraje tesne priliehajú k stenám, pri pohybe vstupujú do hry trecie sily. Piest ohrieva dutý valec, čo tiež vedie k strate energie. Translačný pohyb tyče nahor a nadol sa prenáša na krútiaci moment cez sériu kĺbov, ktoré sa o seba trú a zahrievajú, to znamená, že sa na to minie aj časť primárnej energie.
Samozrejme, v továrenských strojoch sú všetky povrchy vyleštené na atómovú úroveň, všetky kovy sú pevné a majú najnižšiu tepelnú vodivosť a piestový olej má najlepšie vlastnosti. Ale v každom motore sa energia benzínu využíva na ohrev častí, vzduchu a trenia.
Panvica a kotlík
Teraz navrhujeme pochopiť, aká je účinnosť kotla a z čoho pozostáva. Každá žena v domácnosti vie: ak necháte vodu zovrieť v hrnci pod zatvoreným vekom, voda bude kvapkať na sporák alebo pokrievka „tancuje“. Každý moderný kotol je usporiadaný v podstate rovnakým spôsobom:
- teplo ohrieva uzavretú nádobu plnú vody;
- voda sa stáva prehriatou parou;
- pri expanzii zmes plynu a vody otáča turbíny alebo pohybuje piestami.
Rovnako ako v motore sa energia stráca na ohrev kotla, potrubia a trenie všetkých spojov, takže žiadny mechanizmus nemôže mať účinnosť rovnajúcu sa 100 %.
Vzorec pre stroje, ktoré pracujú podľa Carnotovho cyklu, vyzerá ako všeobecný vzorec pre tepelný motor, len namiesto množstva tepla - teploty.
η=(T1-T2)/T1.
Vesmírna stanica
A ak umiestnite mechanizmus do vesmíru? Bezplatná solárna energia je k dispozícii 24 hodín denne, ochladenie akéhokoľvek plynu je možné doslova na 0o Kelvinov takmer okamžite. Možno vo vesmíre by bola efektivita výroby vyššia? Odpoveď je nejednoznačná: áno aj nie. Všetky tieto faktory by skutočne mohli výrazne zlepšiť prenos energie na užitočnú prácu. Ale dodať aj tisíc ton do požadovanej výšky je stále neskutočne drahé. Aj keby takáto továreň fungovala päťsto rokov, nezaplatí náklady na zvýšenie vybavenia, a preto autori sci-fi tak aktívne využívajú myšlienku vesmírneho výťahu – to by značne zjednodušilo úlohu a je komerčne životaschopné preniesť továrne do vesmíru.
