Danas ćemo vam reći šta je efikasnost (faktor efikasnosti), kako je izračunati i gdje se ovaj koncept primjenjuje.
Čovek i mehanizam
Šta je zajedničko mašini za veš i fabrici konzervi? Želja osobe da se oslobodi potrebe da sve radi sam. Prije pronalaska parne mašine, ljudi su imali na raspolaganju samo svoje mišiće. Sve su radili sami: orali, sijali, kuvali, lovili ribu, tkali lan. Da bi preživeo dugu zimu, svaki član seljačke porodice radio je danju od svoje druge godine do smrti. Najmlađa djeca su čuvala životinje i pomagala (dovesti, reći, pozvati, odvesti) odraslima. Djevojčica je prvi put stavljena za točak sa pet godina! Čak su i duboki stari ljudi rezali kašike i tkali cipele, a starije i nemoćne bake sjedile su za razbojima i kolovratima, ako im je vid dopuštao. Nisu imali vremena da razmišljaju šta su zvezde i zašto sijaju. Ljudi su se umorili: svaki dan su morali ići na posao, bez obzira na zdravstveno stanje, bol i moral. Naravno, čovjek je želio pronaći pomoćnike koji će mu barem malo olakšati preopterećena ramena.
Smiješno i čudno
Najnaprednija tehnologija tih dana bili su konj i mlinsko kolo. Ali oni su radili samo dva ili tri puta više posla od ljudi. Ali prvi izumitelji počeli su smišljati uređaje koji su izgledali vrlo čudno. U filmu "Priča o vječnoj ljubavi", Leonardo da Vinci je za noge pričvrstio male čamce da hoda po vodi. To je dovelo do nekoliko smiješnih incidenata kada je naučnik uronio u jezero sa odjećom. Iako je ova epizoda samo izmišljotina scenariste, takvi izumi su sigurno tako izgledali - komično i smiješno.
19. vek: gvožđe i ugalj
Ali sredinom 19. veka sve se promenilo. Naučnici su shvatili silu pritiska širenja pare. Najvažnija roba tog vremena bila su željezo za proizvodnju kotlova i ugalj za zagrijavanje vode u njima. Naučnici tog vremena morali su da shvate šta je efikasnost u fizici pare i gasa i kako je povećati.
Formula za koeficijent u opštem slučaju je:
η=A/Q
η - efikasnost, A - koristan rad, Q - potrošena energija.
Posao i toplina
Efikasnost (skraćena efikasnost) je bezdimenzionalna veličina. Definiše se kao procenat i izračunava se kao omjer utrošene energije i korisnog rada. Potonji izraz često koriste majke nemarnih tinejdžera kada ih tjeraju da rade nešto po kući. Ali u stvari, ovo je pravi rezultat uloženog truda. Odnosno, ako je efikasnost mašine 20%, onda ona samo jednu petinu primljene energije pretvara u akciju. Sada prilikom kupovineautomobila, čitalac ne bi trebao imati pitanje kolika je efikasnost motora.
Ako se koeficijent izračunava kao procenat, onda je formula:
η=100%(A/Q)
η - efikasnost, A - koristan rad, Q - potrošena energija.
Gubitak i stvarnost
Sigurno svi ovi argumenti izazivaju zbunjenost. Zašto ne izmisliti automobil koji može koristiti više energije za gorivo? Jao, stvarni svijet nije takav. U školi djeca rješavaju probleme u kojima nema trenja, svi sistemi su zatvoreni, a zračenje je striktno monohromatsko. Pravi inženjeri u proizvodnim pogonima primorani su da vode računa o prisutnosti svih ovih faktora. Razmotrimo, na primjer, kolika je efikasnost toplotnog motora i od čega se ovaj koeficijent sastoji.
Formula u ovom slučaju izgleda ovako:
η=(Q1-Q2)/Q1
U ovom slučaju, Q1 je količina topline koju je motor primio grijanjem, a Q2 je količina toplotu koju je dao okolini (općenito se naziva frižider).
Gorivo se zagreva i širi, sila gura klip koji pokreće rotacioni element. Ali gorivo je sadržano u nekoj posudi. Kada se zagreje, prenosi toplotu na zidove posude. To dovodi do gubitaka energije. Da bi se klip spustio, plin se mora ohladiti. Da bi se to postiglo, dio se ispušta u okoliš. I bilo bi dobro kada bi plin dao svu toplinu korisnom radu. Ali, nažalost, hladi se vrlo sporo, pa izlazi vruća para. Dio energije se troši na zagrijavanje zraka. Klip se kreće u šupljem metalnom cilindru. Njegove ivice čvrsto prianjaju uz zidove; pri kretanju dolaze u igru sile trenja. Klip zagrijava šuplji cilindar, što također dovodi do gubitka energije. Translatorno kretanje štapa gore-dole prenosi se na obrtni moment kroz niz spojeva koji trljaju jedan o drugi i zagrijavaju se, odnosno dio primarne energije se također troši na to.
Naravno, u fabričkim mašinama sve površine su polirane do atomskog nivoa, svi metali su jaki i imaju najmanju toplotnu provodljivost, a klipno ulje ima najbolja svojstva. Ali u svakom motoru, energija benzina se koristi za zagrijavanje dijelova, zraka i trenja.
Tang i kazan
Sada predlažemo da shvatimo koja je efikasnost kotla i od čega se sastoji. Svaka domaćica zna: ako ostavite vodu da ključa u loncu ispod zatvorenog poklopca, ili će voda kapnuti na šporet, ili će poklopac "plesati". Svaki moderni bojler je uređen na približno isti način:
- toplina zagrijava zatvorenu posudu punu vode;
- voda postaje pregrijana para;
- prilikom ekspanzije, mješavina plina i vode rotira turbine ili pomiče klipove.
Baš kao u motoru, energija se gubi za zagrijavanje kotla, cijevi i trenja svih spojeva, tako da nijedan mehanizam ne može imati efikasnost jednaku 100%.
Formula za mašine koje rade po Carnot ciklusu izgleda kao opšta formula za toplotni motor, samo umesto količine toplote - temperatura.
η=(T1-T2)/T1.
Svemirska stanica
A ako stavite mehanizam u svemir? Besplatna solarna energija dostupna je 24 sata dnevno, hlađenje bilo kojeg plina je moguće bukvalno do 0o Kelvina skoro trenutno. Možda bi u svemiru efikasnost proizvodnje bila veća? Odgovor je dvosmislen: da i ne. Svi ovi faktori bi zaista mogli značajno poboljšati prijenos energije u koristan rad. Ali isporuka čak i hiljadu tona do željene visine je i dalje neverovatno skupa. Čak i ako takva tvornica radi pet stotina godina, neće vratiti troškove podizanja opreme, zbog čega pisci naučne fantastike tako aktivno eksploatišu ideju svemirskog lifta - to bi uvelike pojednostavilo zadatak i učinilo komercijalno je isplativo prenijeti fabrike u svemir.
