Danas ćemo vam reći što je učinkovitost (faktor učinkovitosti), kako je izračunati i gdje se ovaj koncept primjenjuje.
Čovjek i mehanizam
Što je zajedničko perilici rublja i tvornici konzervi? Želja osobe da se oslobodi potrebe da sve radi sam. Prije izuma parnog stroja, ljudi su imali na raspolaganju samo svoje mišiće. Sve su radili sami: orali, sijali, kuhali, lovili ribu, tkali lan. Kako bi osigurao preživljavanje tijekom duge zime, svaki je član seljačke obitelji radio danju od svoje druge godine do svoje smrti. Najmlađa djeca su čuvala životinje i pomagala (dovesti, reći, pozvati, odvesti) odraslima. Djevojčica je prvi put stavljena za kolovrat s pet godina! Čak su i duboki stari ljudi rezali žlice i tkali cipele, a najstarije i nemoćne bake sjedile su za tkalačkim stanjima i kotačima, ako im je vid dopuštao. Nisu imali vremena razmišljati o tome što su zvijezde i zašto sjaje. Ljudi su se umorili: svaki dan morali su ići raditi, bez obzira na zdravstveno stanje, bol i moral. Naravno, čovjek je želio pronaći pomoćnike koji će mu barem malo rasteretiti prezaposlena ramena.
Smiješno i čudno
Najnaprednija tehnologija tih dana bila je konj i mlinsko kolo. Ali radili su samo dva ili tri puta više posla od čovjeka. Ali prvi izumitelji počeli su smišljati uređaje koji su izgledali vrlo čudno. U filmu “Priča o vječnoj ljubavi” Leonardo da Vinci je na noge pričvrstio male čamce kako bi hodao po vodi. To je dovelo do nekoliko smiješnih incidenata kada je znanstvenik zaronio u jezero s odjećom. Iako je ova epizoda samo izum scenarista, takvi su izumi morali izgledati tako - komično i smiješno.
19. stoljeće: željezo i ugljen
Ali sredinom 19. stoljeća sve se promijenilo. Znanstvenici su shvatili silu pritiska širenja pare. Najvažnija roba tog vremena bila su željezo za proizvodnju kotlova i ugljen za zagrijavanje vode u njima. Znanstvenici tog vremena morali su razumjeti što je učinkovitost u fizici pare i plina i kako je povećati.
Formula za koeficijent u općem slučaju je:
η=A/Q
η - učinkovitost, A - koristan rad, Q - potrošena energija.
Posao i toplina
Učinkovitost (skraćeno učinkovitost) je bezdimenzionalna veličina. Definira se kao postotak 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 zapravo, ovo je pravi rezultat uloženog truda. Odnosno, ako je učinkovitost stroja 20%, onda samo jednu petinu primljene energije pretvara u djelovanje. Sad pri kupnjiauto, čitatelj ne bi trebao imati pitanje kolika je učinkovitost motora.
Ako se koeficijent izračunava kao postotak, formula je:
η=100%(A/Q)
η - učinkovitost, A - koristan rad, Q - potrošena energija.
Gubitak i stvarnost
Sigurno svi ovi argumenti izazivaju zbunjenost. Zašto ne izumiti automobil koji može koristiti više energije za gorivo? Jao, stvarni svijet nije takav. U školi djeca rješavaju probleme u kojima nema trenja, svi sustavi su zatvoreni, a zračenje je strogo monokromatsko. Pravi inženjeri u proizvodnim pogonima prisiljeni su uzeti u obzir prisutnost svih ovih čimbenika. Razmotrimo, na primjer, kolika je učinkovitost toplinskog motora i od čega se taj 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 toplinu koju je dao okolišu (općenito se naziva hladnjak).
Gorivo se zagrijava i širi, sila gura klip koji pokreće rotirajući element. Ali gorivo je sadržano u nekoj posudi. Kada se zagrije, prenosi toplinu na stijenke posude. To dovodi do gubitaka energije. Da bi se klip spustio, plin se mora ohladiti. Da biste to učinili, dio se ispušta u okoliš. I bilo bi dobro kada bi plin dao svu toplinu korisnom radu. Ali, nažalost, vrlo se sporo hladi pa izlazi vruća para. Dio energije troši se na zagrijavanje zraka. Klip se kreće u šupljem metalnom cilindru. Njegovi rubovi čvrsto prianjaju uz zidove; pri kretanju dolaze u igru sile trenja. Klip zagrijava šuplji cilindar, što također dovodi do gubitka energije. Translacijsko kretanje štapa gore-dolje prenosi se na moment kroz niz zglobova koji se trljaju jedan o drugi i zagrijavaju, odnosno dio primarne energije također se troši na to.
Naravno, u tvorničkim strojevima sve su površine polirane do atomske razine, svi metali su jaki i imaju najmanju toplinsku vodljivost, a klipno ulje ima najbolja svojstva. Ali u svakom motoru, energija benzina se koristi za zagrijavanje dijelova, zraka i trenja.
Tava i kotao
Sada predlažemo da shvatimo koja je učinkovitost kotla i od čega se sastoji. Svaka domaćica zna: ako ostavite vodu da ključa u loncu ispod zatvorenog poklopca, ili će voda kapati na štednjak, ili će poklopac "plesati". Svaki moderni bojler je uređen na približno isti način:
- toplina zagrijava zatvoreni spremnik pun vode;
- voda postaje pregrijana para;
- prilikom širenja, 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 učinkovitost jednaku 100%.
Formula za strojeve koji rade prema Carnotovom ciklusu izgleda kao opća formula za toplinski stroj, samo umjesto količine topline - 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 moguće je doslovno do 0o Kelvina gotovo trenutno. Možda bi u svemiru učinkovitost proizvodnje bila veća? Odgovor je dvosmislen: da i ne. Svi ti čimbenici doista bi mogli značajno poboljšati prijenos energije u koristan rad. Ali isporuka čak tisuću tona do željene visine i dalje je nevjerojatno skupa. Čak i ako takva tvornica radi petsto godina, neće vratiti troškove podizanja opreme, zbog čega pisci znanstvene fantastike tako aktivno iskorištavaju ideju svemirskog dizala - to bi uvelike pojednostavilo zadatak i učinilo komercijalno je isplativo prenijeti tvornice u svemir.
