Šiandien mes jums pasakysime, kas yra efektyvumas (efektyvumo koeficientas), kaip jį apskaičiuoti ir kur ši sąvoka taikoma.
Žmogus ir mechanizmas
Kas bendro tarp skalbimo mašinos ir konservų fabriko? Žmogaus noras atsikratyti būtinybės viską daryti pačiam. Iki garo mašinos išradimo žmonės turėjo tik savo raumenis. Viską darė patys: arė, sėjo, virė, gaudė žuvį, audė linus. Kad išgyventų per ilgą žiemą, kiekvienas valstiečių šeimos narys dirbdavo šviesiu paros metu nuo dvejų metų iki mirties. Mažiausi vaikai prižiūrėjo gyvūnus ir padėjo (atnešti, pasakoti, skambinti, paimti) suaugusiems. Pirmą kartą mergina už verpimo rato buvo pasodinta būdama penkerių! Net gilūs seni žmonės pjaustydavo šaukštus ir audė batus iš kotelio, o pagyvenusios ir silpniausios močiutės, jei regėjimas leido, sėdėdavo prie staklių ir verpimo ratų. Jie neturėjo laiko galvoti, kas yra žvaigždės ir kodėl jos spindi. Žmonės pavargo: kiekvieną dieną reikėjo eiti ir dirbti, nepaisant sveikatos būklės, skausmo ir moralės. Natūralu, kad vyras norėjo rasti pagalbininkų, kurie bent kiek palengvintų pervargusius pečius.
Juokinga ir keista
Tais laikais pažangiausia technologija buvo arklys ir malūno ratas. Tačiau jie dirbo tik du ar tris kartus daugiau nei žmogus. Tačiau pirmieji išradėjai pradėjo kurti prietaisus, kurie atrodė labai keistai. Filme „Amžinosios meilės istorija“Leonardo da Vinci prie kojų pritvirtino mažas laiveles, kad galėtų vaikščioti vandeniu. Tai sukėlė keletą juokingų nutikimų, kai mokslininkas įbrido į ežerą su drabužiais. Nors šis epizodas yra tik scenaristo išradimas, tokie išradimai turėjo atrodyti taip – komiškai ir juokingai.
XIX amžius: geležis ir anglis
Tačiau XIX amžiaus viduryje viskas pasikeitė. Mokslininkai suprato besiplečiančio garo slėgio jėgą. Svarbiausios to meto prekės buvo geležis katilams gaminti ir anglis vandeniui juose šildyti. To meto mokslininkai turėjo suprasti, kas yra garo ir dujų fizikos efektyvumas ir kaip jį padidinti.
Koeficiento formulė bendruoju atveju yra tokia:
η=A/Q
η - efektyvumas, A - naudingas darbas, Q - sunaudota energija.
Darbas ir šiluma
Efektyvumas (sutrumpintai efektyvumas) yra bematis dydis. Jis apibrėžiamas procentais ir apskaičiuojamas kaip sunaudotos energijos ir naudingo darbo santykis. Pastarąjį terminą dažnai vartoja aplaidžių paauglių mamos, kai verčia jas ką nors veikti namuose. Tačiau iš tikrųjų tai yra tikrasis įdėtų pastangų rezultatas. Tai yra, jei mašinos efektyvumas yra 20%, tada ji tik penktadalį gautos energijos paverčia veiksmais. Dabar perkantautomobilį, skaitytojui neturėtų kilti klausimų, koks yra variklio efektyvumas.
Jei koeficientas skaičiuojamas procentais, formulė yra tokia:
η=100 %(A/Q)
η - efektyvumas, A - naudingas darbas, Q - sunaudota energija.
Praradimas ir realybė
Be abejo, visi šie argumentai sukelia sumišimą. Kodėl neišradus automobilio, kuris sunaudotų daugiau degalų energijos? Deja, realus pasaulis ne toks. Mokykloje vaikai sprendžia problemas, kuriose nėra trinties, visos sistemos uždaros, o spinduliavimas griežtai vienspalvis. Tikri gamybos įmonių inžinieriai yra priversti atsižvelgti į visus šiuos veiksnius. Pavyzdžiui, apsvarstykite, koks yra šiluminio variklio efektyvumas ir iš ko susideda šis koeficientas.
Šiuo atveju formulė atrodo taip:
η=(Q1-Q2)/Q1
Šiuo atveju Q1 yra šilumos kiekis, kurį variklis gavo kaitindamas, o Q2 yra šilumos kiekis. šiluma, kurią jis suteikė aplinkai (paprastai vadinamas šaldytuvu).
Degalai įkaista ir plečiasi, jėga stumia stūmoklį, kuris varo sukamąjį elementą. Bet kuro yra kokiame nors inde. Kaitinamas, jis perduoda šilumą indo sienelėms. Tai veda prie energijos nuostolių. Kad stūmoklis nusileistų, dujos turi būti atvėsintos. Tam dalis jo išleidžiama į aplinką. Ir būtų gerai, jei dujos visą šilumą atiduotų naudingam darbui. Bet, deja, jis atvėsta labai lėtai, todėl išeina karšti garai. Dalis energijos išleidžiama orui šildyti. Stūmoklis juda tuščiaviduriame metaliniame cilindre. Jo kraštai tvirtai priglunda prie sienų, judant atsiranda trinties jėgos. Stūmoklis šildo tuščiavidurį cilindrą, o tai taip pat praranda energiją. Strypo judesys aukštyn ir žemyn sukimo momentu perduodamas per jungtis, kurios trinasi viena į kitą ir įkaista, tai yra, tam taip pat išleidžiama dalis pirminės energijos.
Žinoma, gamyklinėse mašinose visi paviršiai nupoliruoti iki atominio lygio, visi metalai stiprūs ir turi mažiausią šilumos laidumą, o stūmoklinė alyva pasižymi geriausiomis savybėmis. Tačiau bet kuriame variklyje benzino energija naudojama dalims, orui ir trinčiai šildyti.
Panka ir katilas
Dabar siūlome suprasti, koks yra katilo efektyvumas ir iš ko jis susideda. Bet kuri šeimininkė žino: jei paliksite vandenį virti puode po uždarytu dangčiu, tada arba ant viryklės lašės vanduo, arba dangtis „šoks“. Bet kuris modernus katilas yra išdėstytas panašiai:
- šiluma įkaitina uždarą indą, pilną vandens;
- vanduo virsta perkaitintais garais;
- Plečiantis dujų ir vandens mišinys sukasi turbinas arba judina stūmoklius.
Kaip ir variklyje, energija prarandama šildant katilą, vamzdžius ir visų jungčių trintį, todėl nė vieno mechanizmo efektyvumas negali būti lygus 100%.
Mašinų, veikiančių pagal Carnot ciklą, formulė atrodo kaip bendra šiluminio variklio formulė, tik vietoj šilumos kiekio – temperatūros.
η=(T1-T2)/T1.
Kosminė stotis
O jei įdėsite mechanizmą į erdvę? Nemokama saulės energija yra prieinama 24 valandas per parą, bet kurias dujas galima atvėsinti iki 0o Kelvino beveik akimirksniu. Gal kosmose gamybos efektyvumas būtų didesnis? Atsakymas dviprasmiškas: taip ir ne. Visi šie veiksniai iš tiesų gali žymiai pagerinti energijos perdavimą naudingam darbui. Tačiau pristatyti net tūkstantį tonų į norimą aukštį vis tiek yra neįtikėtinai brangu. Net jei tokia gamykla veiks penkis šimtus metų, ji neatpirks įrangos pakėlimo išlaidų, todėl mokslinės fantastikos rašytojai taip aktyviai naudojasi kosminio lifto idėja – tai labai supaprastintų užduotį ir komerciškai perspektyvu perkelti gamyklas į kosmosą.
