Danes vam bomo povedali, kaj je učinkovitost (faktor učinkovitosti), kako jo izračunati in kje se ta koncept uporablja.
Človek in mehanizem
Kaj imata skupnega pralni stroj in tovarna konzerv? Želja osebe, da se razbremeni potrebe, da bi vse naredil sam. Pred izumom parnega stroja so imeli ljudje na voljo le svoje mišice. Vse so delali sami: orali, sejali, kuhali, lovili ribe, tkali lan. Za preživetje v dolgi zimi je vsak član kmečke družine delal dnevne ure od drugega leta starosti do smrti. Najmlajši so skrbeli za živali in pomagali (pripeljati, povedati, poklicati, odpeljati) odraslim. Deklico so prvič postavili za kolo pri petih letih! Tudi globoki stari ljudje so rezali žlice in tkali čevlje, najstarejše in nemočne babice pa so sedele pri statvah in kolovratih, če jim je vid dopuščal. Niso imeli časa razmišljati o tem, kaj so zvezde in zakaj sijejo. Ljudje so se utrudili: vsak dan so morali iti delat, ne glede na zdravstveno stanje, bolečino in moralo. Seveda je moški želel najti pomočnike, ki bi mu vsaj malo razbremenili preobremenjena ramena.
Smešno in čudno
Najnaprednejša tehnologija v tistih časih sta bila konj in mlinsko kolo. Opravili pa so le dva ali trikrat več dela kot človek. Toda prvi izumitelji so začeli izmišljati naprave, ki so bile videti zelo čudne. V filmu "Zgodba o večni ljubezni" si je Leonardo da Vinci na noge pritrdil majhne čolne za hojo po vodi. To je privedlo do več smešnih incidentov, ko se je znanstvenik z oblačili potopil v jezero. Čeprav je ta epizoda le izum scenarista, so takšne iznajdbe morale izgledati tako - komično in smešno.
19. stoletje: železo in premog
Toda sredi 19. stoletja se je vse spremenilo. Znanstveniki so spoznali tlačno silo širitve pare. Najpomembnejše blago tistega časa sta bila železo za izdelavo kotlov in premog za ogrevanje vode v njih. Znanstveniki tistega časa so morali razumeti, kaj je učinkovitost v fiziki pare in plina in kako jo povečati.
Formula za koeficient v splošnem primeru je:
η=A/Q
η - učinkovitost, A - koristno delo, Q - porabljena energija.
Delo in toplina
Učinkovitost (skrajšana učinkovitost) je brezdimenzionalna količina. Opredeljen je kot odstotek in se izračuna kot razmerje med porabljeno energijo in koristnim delom. Slednji izraz pogosto uporabljajo matere malomarnih najstnikov, ko jih prisilijo, da nekaj naredijo po hiši. Toda v resnici je to pravi rezultat vloženega truda. Se pravi, če je izkoristek stroja 20 %, potem le petino prejete energije pretvori v delovanje. Zdaj pri nakupuavto, bralec ne bi smel imeti vprašanja, kolikšen je izkoristek motorja.
Če je koeficient izračunan kot odstotek, je formula:
η=100%(A/Q)
η - učinkovitost, A - koristno delo, Q - porabljena energija.
Izguba in resničnost
Zagotovo vsi ti argumenti povzročajo zmedo. Zakaj ne bi izumili avtomobila, ki lahko porabi več energije za gorivo? Aja, resnični svet ni tak. V šoli otroci rešujejo probleme, pri katerih ni trenja, vsi sistemi so zaprti, sevanje pa je strogo enobarvno. Pravi inženirji v proizvodnih obratih so prisiljeni upoštevati prisotnost vseh teh dejavnikov. Razmislite na primer, kakšen je izkoristek toplotnega motorja in iz česa je sestavljen ta koeficient.
Formula v tem primeru izgleda takole:
η=(Q1-Q2)/Q1
V tem primeru je Q1 količina toplote, ki jo je motor prejel zaradi ogrevanja, Q2 pa je količina toplota, ki jo je dala okolju (na splošno imenovana hladilnik).
Gorivo se segreje in razširi, sila potisne bat, ki poganja rotacijski element. Toda gorivo je v neki posodi. Ko se segreje, prenaša toploto na stene posode. To vodi do izgub energije. Da se bat spusti, je treba plin ohladiti. Za to se del sprosti v okolje. In dobro bi bilo, če bi plin dal vso toploto koristnemu delu. Ampak, žal, se ohlaja zelo počasi, zato izstopi vroča para. Del energije se porabi za ogrevanje zraka. Bat se premika v votlem kovinskem cilindru. Njegovi robovi se tesno prilegajo stenam, pri premikanju pridejo v poštev sile trenja. Bat segreje votli cilinder, kar vodi tudi do izgube energije. Translacijsko gibanje palice navzgor in navzdol se prenaša na navor skozi vrsto sklepov, ki se drgnejo drug ob drugega in se segrejejo, se pravi, da se za to porabi tudi del primarne energije.
Seveda so v tovarniških strojih vse površine polirane do atomske ravni, vse kovine so močne in imajo najnižjo toplotno prevodnost, batno olje pa ima najboljše lastnosti. Toda v vsakem motorju se energija bencina uporablja za segrevanje delov, zraka in trenja.
Ponev in kotel
Zdaj predlagamo, da razumemo, kakšna je učinkovitost kotla in iz česa je sestavljen. Vsaka gospodinja ve: če pustite, da voda vre v ponvi pod zaprtim pokrovom, potem bo voda kapljala na štedilnik ali pa bo pokrov "plesal". Vsak sodobni kotel je urejen na približno enak način:
- toplota segreje zaprto posodo, polno vode;
- voda postane pregreta para;
- pri ekspanziji mešanica plin-voda vrti turbine ali premika bate.
Tako kot pri motorju se energija izgubi za ogrevanje kotla, cevi in trenja vseh spojev, zato noben mehanizem ne more imeti enakega izkoristka 100%.
Formula za stroje, ki delujejo po Carnotovem ciklu, izgleda kot splošna formula za toplotni motor, le namesto količine toplote - temperature.
η=(T1-T2)/T1.
vesoljska postaja
In če postavite mehanizem v vesolje? Brezplačna sončna energija je na voljo 24 ur na dan, hlajenje katerega koli plina je možno dobesedno na 0o Kelvina skoraj v trenutku. Morda bi bila v vesolju učinkovitost proizvodnje večja? Odgovor je dvoumen: da in ne. Vsi ti dejavniki bi lahko res bistveno izboljšali prenos energije v koristno delo. Toda dostaviti celo tisoč ton na želeno višino je še vedno neverjetno drago. Tudi če takšna tovarna deluje petsto let, ne bo povrnila stroškov dviga opreme, zato pisci znanstvene fantastike tako aktivno izkoriščajo idejo vesoljske dvigala - to bi močno poenostavilo nalogo in komercialno izvedljivo je prenesti tovarne v vesolje.
