Vandaag zullen we je vertellen wat efficiëntie (efficiëntiefactor) is, hoe je het kunt berekenen en waar dit concept wordt toegepast.
Mens en mechanisme
Wat hebben een wasmachine en een conservenfabriek gemeen? De wens van een persoon om zichzelf te ontlasten van de noodzaak om alles alleen te doen. Vóór de uitvinding van de stoommachine hadden mensen alleen hun spieren tot hun beschikking. Ze deden alles zelf: ze ploegden, zaaiden, kookten, vingen vis, weefden vlas. Om te overleven tijdens de lange winter, werkte elk lid van de boerenfamilie vanaf de leeftijd van twee tot aan zijn dood daglicht. De jongste kinderen verzorgden de dieren en hielpen (breng, vertel, bel, haal) de volwassenen. Het meisje werd op vijfjarige leeftijd voor het eerst achter een spinnewiel gezet! Zelfs diepe oude mensen sneden lepels en weefden bastschoenen, en de oudste en zwakste grootmoeders zaten aan weefgetouwen en draaiende wielen, als hun gezichtsvermogen het toeliet. Ze hadden geen tijd om na te denken over wat sterren zijn en waarom ze schijnen. Mensen werden moe: elke dag moesten ze gaan werken, ongeacht de gezondheidstoestand, pijn en moraal. Natuurlijk wilde de man helpers vinden die zijn overbelaste schouders op zijn minst een beetje zouden verlichten.
Grappig en raar
De meest geavanceerde technologie in die tijd was het paard en het molenrad. Maar ze deden maar twee of drie keer meer werk dan een mens. Maar de eerste uitvinders begonnen apparaten te bedenken die er heel vreemd uitzagen. In de film "The Story of Eternal Love" bevestigde Leonardo da Vinci kleine bootjes aan zijn voeten om over het water te lopen. Dit leidde tot verschillende grappige incidenten toen de wetenschapper met zijn kleren aan in het meer dook. Hoewel deze aflevering slechts een uitvinding van de scenarioschrijver is, moeten dergelijke uitvindingen er zo hebben uitgezien - komisch en grappig.
19e eeuw: ijzer en kolen
Maar in het midden van de 19e eeuw veranderde alles. Wetenschappers hebben de drukkracht van uitzettende stoom gerealiseerd. De belangrijkste goederen van die tijd waren ijzer voor de vervaardiging van ketels en kolen voor het verwarmen van water daarin. Wetenschappers uit die tijd moesten begrijpen wat efficiëntie is in de stoom- en gasfysica en hoe ze die kunnen verhogen.
De formule voor de coëfficiënt in het algemene geval is:
η=A/Q
η - efficiëntie, A - nuttig werk, Q - verbruikte energie.
Werk en warmte
Efficiëntie (afgekort efficiëntie) is een dimensieloze grootheid. Het wordt gedefinieerd als een percentage en wordt berekend als de verhouding van energie die wordt verbruikt tot nuttig werk. De laatste term wordt vaak gebruikt door moeders van nalatige tieners wanneer ze hen dwingen iets in huis te doen. Maar in feite is dit het echte resultaat van de geleverde inspanning. Dat wil zeggen, als de efficiëntie van de machine 20% is, zet deze slechts een vijfde van de ontvangen energie om in actie. Nu bij het kopenauto, de lezer zou geen vraag moeten hebben, wat is de efficiëntie van de motor.
Als de coëfficiënt wordt berekend als een percentage, is de formule:
η=100%(A/Q)
η - efficiëntie, A - nuttig werk, Q - verbruikte energie.
Verlies en realiteit
Al deze argumenten veroorzaken zeker verbijstering. Waarom geen auto uitvinden die meer brandstof kan verbruiken? Helaas, de echte wereld is niet zo. Op school lossen kinderen problemen op waarin geen wrijving is, alle systemen zijn gesloten en de straling is strikt monochromatisch. Echte ingenieurs in fabrieken worden gedwongen rekening te houden met de aanwezigheid van al deze factoren. Bedenk bijvoorbeeld wat het rendement van een warmtemotor is en waaruit deze coëfficiënt bestaat.
De formule ziet er in dit geval als volgt uit:
η=(Q1-Q2)/Q1
In dit geval is Q1 de hoeveelheid warmte die de motor heeft ontvangen van verwarming, en Q2 is de hoeveelheid warmte die het aan de omgeving gaf (in het algemeen een koelkast genoemd).
De brandstof warmt op en zet uit, de kracht duwt de zuiger die het roterende element aandrijft. Maar de brandstof zit in een of ander vat. Bij verwarming geeft het warmte af aan de wanden van het vat. Dit leidt tot energieverliezen. Om de zuiger te laten dalen, moet het gas worden afgekoeld. Hiervoor komt een deel vrij in het milieu. En het zou goed zijn als het gas alle warmte aan nuttig werk zou geven. Maar helaas, het koelt erg langzaam af, dus er komt hete stoom uit. Een deel van de energie wordt besteed aan het verwarmen van de lucht. De zuiger beweegt in een holle metalen cilinder. De randen passen precies tegen de muren; bij het bewegen komen wrijvingskrachten in het spel. De zuiger verwarmt de holle cilinder, wat ook leidt tot energieverlies. De translatiebeweging van de staaf op en neer wordt overgebracht op een koppel via een reeks gewrichten die tegen elkaar wrijven en opwarmen, dat wil zeggen dat een deel van de primaire energie hier ook aan wordt besteed.
Natuurlijk zijn in fabrieksmachines alle oppervlakken gepolijst tot op atomair niveau, alle metalen zijn sterk en hebben de laagste thermische geleidbaarheid, en zuigerolie heeft de beste eigenschappen. Maar in elke motor wordt de energie van benzine gebruikt om onderdelen, lucht en wrijving te verwarmen.
Pan en ketel
Nu stellen we voor om te begrijpen wat het rendement van de ketel is en waaruit deze bestaat. Elke huisvrouw weet: als je water laat koken in een pan onder een gesloten deksel, dan zal er ofwel water op het fornuis druppelen, of het deksel zal "dansen". Elke moderne ketel is op vrijwel dezelfde manier gerangschikt:
- heat verwarmt een gesloten bak vol water;
- water wordt oververhitte stoom;
- bij expansie laat het gas-watermengsel turbines draaien of zuigers bewegen.
Net als bij een motor gaat er energie verloren om de ketel, leidingen en wrijving van alle verbindingen te verwarmen, dus geen enkel mechanisme kan een rendement hebben dat gelijk is aan 100%.
De formule voor machines die werken volgens de Carnot-cyclus lijkt op de algemene formule voor een warmtemotor, alleen in plaats van de hoeveelheid warmte - temperatuur.
η=(T1-T2)/T1.
Ruimtestation
En als je het mechanisme in de ruimte plaatst? Gratis zonne-energie is 24 uur per dag beschikbaar, koeling van elk gas is letterlijk mogelijk tot 0o Kelvin vrijwel onmiddellijk. Misschien zou in de ruimte de efficiëntie van de productie hoger zijn? Het antwoord is dubbelzinnig: ja en nee. Al deze factoren zouden inderdaad de overdracht van energie naar nuttig werk aanzienlijk kunnen verbeteren. Maar zelfs duizend ton op de gewenste hoogte afleveren is nog steeds ontzettend duur. Zelfs als zo'n fabriek vijfhonderd jaar in bedrijf is, zal het de kosten van het verhogen van de apparatuur niet terugbetalen, daarom maken sciencefictionschrijvers zo actief gebruik van het idee van een ruimtelift - dit zou de taak enorm vereenvoudigen en maken het commercieel levensvatbaar is om fabrieken naar de ruimte te verplaatsen.
