Днес ще ви кажем какво е ефективност (коефициент на ефективност), как да го изчислите и къде се прилага тази концепция.
Човек и механизъм
Какво общо имат пералнята и консервната фабрика? Желанието на човек да се освободи от необходимостта да прави всичко сам. Преди изобретяването на парната машина хората са разполагали само с мускулите си. Те правеха всичко сами: оряха, сееха, готвеха, ловиха риба, тъкаха лен. За да си осигури оцеляване през дългата зима, всеки член на селското семейство работеше дневна светлина от двегодишна възраст до смъртта си. Най-малките деца гледаха животните и помагаха (довеждат, казват, обаждат се, взимат) на възрастните. Момичето за първи път беше поставено зад въртящо се колело на петгодишна възраст! Дори дълбоки стари хора режеха лъжици и тъкаха ликове, а най-възрастните и немощни баби седяха на станове и предни колела, ако зрението им позволяваше. Нямаха време да мислят какво представляват звездите и защо блестят. Хората се умориха: всеки ден трябваше да ходят и да работят, независимо от здравословното състояние, болката и морала. Естествено, човекът искаше да намери помощници, които поне малко да облекчат претоварените му рамене.
Смешно и странно
Най-модерната технология в онези дни беше конят и воденичното колело. Но те вършеха само два или три пъти повече работа от човек. Но първите изобретатели започнаха да измислят устройства, които изглеждаха много странно. Във филма „Историята на вечната любов“Леонардо да Винчи прикачи към краката си малки лодки, за да ходи по вода. Това доведе до няколко забавни инцидента, когато ученият се потопи в езерото с дрехи. Въпреки че този епизод е просто изобретение на сценариста, подобни изобретения сигурно са изглеждали така - комично и смешно.
19 век: желязо и въглища
Но в средата на 19-ти век всичко се промени. Учените са осъзнали силата на натиск на разширяващата се пара. Най-важните стоки от онова време са желязото за производството на котли и въглищата за подгряване на вода в тях. Учените от онова време трябваше да разберат каква е ефективността във физиката на парата и газа и как да я увеличат.
Формулата за коефициента в общия случай е:
η=A/Q
η - ефективност, A - полезна работа, Q - изразходвана енергия.
Работа и топлина
Ефективността (съкратено ефективност) е безразмерна величина. Определя се като процент и се изчислява като съотношението на изразходваната енергия към полезна работа. Последният термин често се използва от майките на небрежни тийнейджъри, когато ги принуждават да правят нещо из къщата. Но всъщност това е истинският резултат от изразходваните усилия. Тоест, ако ефективността на машината е 20%, тогава тя преобразува само една пета от получената енергия в действие. Сега при покупкакола, читателят не трябва да има въпрос каква е ефективността на двигателя.
Ако коефициентът се изчислява като процент, тогава формулата е:
η=100%(A/Q)
η - ефективност, A - полезна работа, Q - изразходвана енергия.
Загуба и реалност
Със сигурност всички тези аргументи предизвикват недоумение. Защо не изобретите кола, която може да използва повече горивна енергия? Уви, реалният свят не е такъв. В училище децата решават задачи, в които няма триене, всички системи са затворени, а излъчването е строго едноцветно. Истинските инженери в производствените предприятия са принудени да вземат предвид наличието на всички тези фактори. Помислете например каква е ефективността на топлинния двигател и от какво се състои този коефициент.
Формулата в този случай изглежда така:
η=(Q1-Q2)/Q1
В този случай Q1 е количеството топлина, което двигателят получава от нагряването, а Q2 е количеството на топлина, която дава на околната среда (обикновено наричана хладилник).
Горивото се нагрява и разширява, силата избутва буталото, което задвижва въртящия се елемент. Но горивото се съдържа в някакъв съд. При нагряване предава топлината към стените на съда. Това води до загуби на енергия. За да може буталото да се спусне, газът трябва да се охлади. За да направите това, част от него се освобождава в околната среда. И би било добре газта да даде цялата топлина на полезна работа. Но, уви, се охлажда много бавно, така че излиза гореща пара. Част от енергията се изразходва за нагряване на въздуха. Буталото се движи в кух метален цилиндър. Ръбовете му прилягат плътно към стените; при движение влизат в игра сили на триене. Буталото загрява кухия цилиндър, което също води до загуба на енергия. Транслационното движение нагоре и надолу на пръта се предава на въртящ момент чрез поредица от стави, които се трият една в друга и се нагряват, тоест част от първичната енергия също се изразходва за това.
Разбира се, в заводските машини всички повърхности са полирани до атомно ниво, всички метали са здрави и имат най-ниска топлопроводимост, а буталното масло има най-добри свойства. Но във всеки двигател енергията на бензина се използва за нагряване на части, въздух и триене.
Тиган и котел
Сега предлагаме да разберем каква е ефективността на котела и от какво се състои. Всяка домакиня знае: ако оставите водата да заври в тенджера под затворен капак, тогава или водата ще капе върху печката, или капакът ще „танцува“. Всеки модерен бойлер е подреден по почти същия начин:
- топлина загрява затворен съд, пълен с вода;
- вода става прегрята пара;
- при разширяване сместа газ-вода върти турбините или движи бутала.
Точно като в двигателя, енергията се губи за нагряване на котела, тръбите и триенето на всички съединения, така че никой механизъм не може да има ефективност, равна на 100%.
Формулата за машини, които работят по цикъла на Карно, изглежда като общата формула за топлинен двигател, само вместо количеството топлина - температура.
η=(T1-T2)/T1.
Космична станция
А ако поставите механизма в пространството? Безплатна слънчева енергия е достъпна 24 часа в денонощието, охлаждането на всеки газ е възможно буквално до 0o Келвин почти мигновено. Може би в космоса ефективността на производството би била по-висока? Отговорът е двусмислен: да и не. Всички тези фактори наистина биха могли значително да подобрят прехвърлянето на енергия към полезна работа. Но доставянето на дори хиляда тона до желаната височина все още е невероятно скъпо. Дори ако такава фабрика работи петстотин години, тя няма да изплати разходите за повишаване на оборудването, поради което писателите на научна фантастика толкова активно използват идеята за космически асансьор - това значително би опростило задачата и би направило комерсиално е изгодно да се прехвърлят фабрики в космоса.
