Avui us explicarem què és l'eficiència (factor d'eficiència), com calcular-la i on s'aplica aquest concepte.
Home i mecanisme
Què tenen en comú una rentadora i una fàbrica de conserves? El desig d'una persona d'alliberar-se de la necessitat de fer-ho tot pel seu compte. Abans de la invenció de la màquina de vapor, la gent només tenia els seus músculs a la seva disposició. Ho feien tot ells mateixos: llauraven, sembraven, cuinaven, pescaven, teixien lli. Per garantir la supervivència durant el llarg hivern, cada membre de la família de camperols treballava hores de dia des dels dos anys fins a la seva mort. Els més menuts tenien cura dels animals i ajudaven (portar, dir, trucar, agafar) els adults. La noia va ser posada per primera vegada darrere d'una roda que girava als cinc anys! Fins i tot els vells profunds tallaven culleres i teixien sabates de bast, i les àvies més grans i mal altes s'asseien als telers i a les rodes, si la seva vista ho permetia. No van tenir temps per pensar què són les estrelles i per què brillen. La gent es cansava: cada dia havia d'anar a treballar, independentment de l'estat de salut, dolor i moral. Naturalment, l'home volia trobar ajudants que, almenys, alleugerissin lleugerament les seves espatlles amb excés de treball.
Divertit i estrany
La tecnologia més avançada en aquells temps era el cavall i la roda del molí. Però només feien dues o tres vegades més feina que un humà. Però els primers inventors van començar a inventar dispositius que semblaven molt estranys. A la pel·lícula "The Story of Eternal Love", Leonardo da Vinci va enganxar petites barques als seus peus per caminar sobre l'aigua. Això va provocar diversos incidents divertits quan el científic es va submergir al llac amb la roba posada. Tot i que aquest episodi és només un invent del guionista, aquests invents devien semblar així: còmics i divertits.
segle XIX: ferro i carbó
Però a mitjans del segle XIX tot va canviar. Els científics s'han adonat de la força de pressió de l'expansió del vapor. Els béns més importants d'aquella època eren el ferro per a la fabricació de calderes i el carbó per escalfar-hi aigua. Els científics d'aquella època havien d'entendre què és l'eficiència en la física del vapor i el gas, i com augmentar-la.
La fórmula del coeficient en el cas general és:
η=A/Q
η - eficiència, A - treball útil, Q - energia gastada.
Treball i calor
L'eficiència (eficiència abreujada) és una quantitat adimensional. Es defineix com a percentatge i es calcula com la relació entre l'energia gastada i el treball útil. Aquest darrer terme el fan servir sovint les mares d'adolescents negligents quan els obliguen a fer alguna cosa per casa. Però, de fet, aquest és el resultat real de l'esforç invertit. És a dir, si l'eficiència de la màquina és del 20%, només converteix en acció una cinquena part de l'energia rebuda. Ara a l'hora de comprarcotxe, el lector no hauria de tenir cap pregunta sobre quina és l'eficiència del motor.
Si el coeficient es calcula com a percentatge, la fórmula és:
η=100%(A/Q)
η - eficiència, A - treball útil, Q - energia gastada.
Pèrdua i realitat
Segur que tots aquests arguments causen desconcert. Per què no inventar un cotxe que pugui consumir més energia? Per desgràcia, el món real no és així. A l'escola, els nens resolen problemes en què no hi ha fricció, tots els sistemes estan tancats i la radiació és estrictament monocromàtica. Els enginyers reals de les plantes de fabricació es veuen obligats a tenir en compte la presència de tots aquests factors. Considereu, per exemple, quina és l'eficiència d'un motor tèrmic i en què consisteix aquest coeficient.
La fórmula en aquest cas té aquest aspecte:
η=(Q1-Q2)/Q1
En aquest cas, Q1 és la quantitat de calor que va rebre el motor de la calefacció i Q2 és la quantitat de calor que donava al medi ambient (generalment es coneix com a nevera).
El combustible s'escalfa i s'expandeix, la força empeny el pistó que impulsa l'element rotatiu. Però el combustible està contingut en algun vaixell. Quan s'escalfa, transfereix calor a les parets del recipient. Això comporta pèrdues energètiques. Perquè el pistó baixi, s'ha de refredar el gas. Per fer-ho, una part d'ella s'allibera al medi. I estaria bé que el gas donés tota la calor a un treball útil. Però, per desgràcia, es refreda molt lentament, així que surt vapor calent. Part de l'energia es gasta en escalfar l'aire. El pistó es mou en un cilindre metàl·lic buit. Les seves vores s'ajusten perfectament a les parets; quan es mou, entren en joc les forces de fricció. El pistó escalfa el cilindre buit, la qual cosa també comporta una pèrdua d'energia. El moviment de translació amunt i avall de la vareta es transmet a un parell a través d'una sèrie d'articulacions que es freguen les unes amb les altres i s'escalfen, és a dir, una part de l'energia primària també es gasta en això.
Per descomptat, a les màquines de fàbrica, totes les superfícies estan polides a nivell atòmic, tots els metalls són forts i tenen la conductivitat tèrmica més baixa i l'oli de pistons té les millors propietats. Però en qualsevol motor, l'energia de la gasolina s'utilitza per escalfar peces, aire i fricció.
Paella i caldera
Ara proposem entendre quina és l'eficiència de la caldera, i en què consisteix. Qualsevol mestressa de casa sap: si deixeu bullir l'aigua en una cassola sota una tapa tancada, l'aigua caurà a l'estufa o la tapa "ballarà". Qualsevol caldera moderna està disposada de la mateixa manera:
- heat escalfa un recipient tancat ple d'aigua;
- l'aigua es converteix en vapor sobreescalfat;
- quan s'expandeix, la barreja de gas i aigua fa girar les turbines o mou els pistons.
Com en un motor, es perd energia per escalfar la caldera, les canonades i la fricció de totes les articulacions, de manera que cap mecanisme pot tenir una eficiència igual al 100%.
La fórmula per a màquines que funcionen segons el cicle de Carnot sembla la fórmula general d'un motor tèrmic, només en lloc de la quantitat de calor - temperatura.
η=(T1-T2)/T1.
Estació espacial
I si poses el mecanisme a l'espai? L'energia solar gratuïta està disponible les 24 hores del dia, el refredament de qualsevol gas és possible literalment fins a 0o Kelvin gairebé a l'instant. Potser a l'espai l'eficiència de la producció seria més alta? La resposta és ambigua: sí i no. Tots aquests factors podrien millorar significativament la transferència d'energia al treball útil. Però lliurar fins i tot mil tones a l'alçada desitjada segueix sent increïblement car. Fins i tot si una fàbrica d'aquest tipus funciona durant cinc-cents anys, no pagarà el cost d'augmentar l'equip, per això els escriptors de ciència ficció estan explotant tan activament la idea d'un ascensor espacial, això simplificaria molt la tasca i faria que comercialment és viable transferir fàbriques a l'espai.
