Tänään kerromme, mikä tehokkuus (hyötysuhdekerroin) on, kuinka se lasketaan ja missä tätä käsitettä sovelletaan.
Ihminen ja mekanismi
Mitä yhteistä on pesukoneella ja säilyketehtaalla? Ihmisen halu vapauttaa itsensä tarpeesta tehdä kaikki itse. Ennen höyrykoneen keksimistä ihmisillä oli käytössään vain lihakset. He tekivät kaiken itse: kyntivät, kylvivät, keittivät, pyydivät kalaa, kutoivat pellavaa. Selviytyäkseen pitkän talven aikana jokainen talonpoikaperheen jäsen työskenteli valoisaa päivää kahden vuoden iästä kuolemaansa asti. Nuorimmat lapset hoitivat eläimiä ja auttoivat (tuoivat, kertoivat, soittivat, veivät) aikuisia. Tyttö laitettiin ensimmäisen kerran pyörän taakse viisivuotiaana! Jopa syvät vanhat ihmiset leikkaavat lusikoita ja kutoivat puukengät, ja vanhimmat ja sairaimmat isoäidit istuivat kutomakoneiden ja kehruupyörien ääressä, jos näkemys salli. Heillä ei ollut aikaa miettiä, mitä tähdet ovat ja miksi ne loistavat. Ihmiset väsyivät: joka päivä piti mennä töihin terveydentilasta, kivusta ja moraalista riippumatta. Mies halusi luonnollisesti löytää auttajia, jotka ainakin hieman helpottaisivat hänen ylikuormitettuja hartioitaan.
Hauska ja outo
Kehittynein tekniikka siihen aikaan oli hevonen ja myllyn pyörä. Mutta he tekivät vain kaksi tai kolme kertaa enemmän työtä kuin ihminen. Mutta ensimmäiset keksijät alkoivat keksiä laitteita, jotka näyttivät hyvin oudolta. Elokuvassa "The Story of Eternal Love" Leonardo da Vinci kiinnitti pieniä veneitä jalkoihinsa kävelläkseen veden päällä. Tämä johti useisiin hauskoihin tapauksiin, kun tiedemies syöksyi järveen vaatteet päällä. Vaikka tämä jakso on vain käsikirjoittajan keksintö, tällaisten keksintöjen on täytynyt näyttää siltä - koomisilta ja hauskoilta.
1800-luku: rauta ja hiili
Mutta 1800-luvun puolivälissä kaikki muuttui. Tutkijat ovat ymmärtäneet laajenevan höyryn painevoiman. Sen ajan tärkeimmät tavarat olivat kattiloiden valmistukseen käytettävä rauta ja niissä veden lämmittämiseen käytettävä hiili. Tuon ajan tutkijoiden oli ymmärrettävä, mitä tehokkuus on höyry- ja kaasufysiikassa ja miten sitä voidaan lisätä.
Kertoimen kaava yleisessä tapauksessa on:
η=A/Q
η - tehokkuus, A - hyödyllinen työ, Q - energiankulutus
Työtä ja lämpöä
Tehokkuus (lyhennetty tehokkuus) on mittaamaton suure. Se määritellään prosentteina ja lasketaan käytetyn energian suhteeksi hyödylliseen työhön. Jälkimmäistä termiä käyttävät usein huolimattomien teini-ikäisten äidit, kun he pakottavat heidät tekemään jotain kotona. Mutta itse asiassa tämä on käytettyjen ponnistelujen todellinen tulos. Eli jos koneen hyötysuhde on 20 %, se muuttaa vain viidenneksen vastaanotetusta energiasta toimintaan. Nyt ostettaessaauto, lukijalla ei pitäisi olla kysymystä, mikä on moottorin hyötysuhde.
Jos kerroin lasketaan prosentteina, kaava on:
η=100 %(A/Q)
η - tehokkuus, A - hyödyllinen työ, Q - energiankulutus
Tappio ja todellisuus
Varmasti kaikki nämä väitteet aiheuttavat hämmennystä. Mikset keksisi autoa, joka kuluttaa enemmän polttoaineenergiaa? Valitettavasti todellinen maailma ei ole sellainen. Koulussa lapset ratkaisevat ongelmia, joissa ei ole kitkaa, kaikki järjestelmät ovat suljettuja ja säteily on tiukasti yksiväristä. Todellisten tuotantolaitosten insinöörien on otettava huomioon kaikki nämä tekijät. Mieti esimerkiksi, mikä on lämpökoneen hyötysuhde ja mistä tämä kerroin koostuu.
Kaava tässä tapauksessa näyttää tältä:
η=(Q1-Q2)/Q1
Tässä tapauksessa Q1 on lämmön määrä, jonka moottori sai lämmityksestä, ja Q2 on lämmön määrä. lämpöä, jonka se antoi ympäristölle (kutsutaan yleensä jääkaapiksi).
Polttoaine lämpenee ja laajenee, voima työntää mäntää, joka käyttää pyörivää elementtiä. Mutta polttoaine on jossain astiassa. Kuumennettaessa se siirtää lämpöä astian seiniin. Tämä johtaa energiahäviöihin. Jotta mäntä voi laskeutua, kaasu on jäähdytettävä. Tätä varten osa siitä vapautuu ympäristöön. Ja olisi hyvä, jos kaasu antaisi kaiken lämmön hyödylliseen työhön. Mutta valitettavasti se jäähtyy hyvin hitaasti, joten kuumaa höyryä tulee ulos. Osa energiasta kuluu ilman lämmittämiseen. Mäntä liikkuu ontossa metallisylinterissä. Sen reunat istuvat tiukasti seiniä vasten; liikkuessa kitkavoimat vaikuttavat. Mäntä lämmittää onttoa sylinteriä, mikä johtaa myös energian menetykseen. Tangon ylös- ja alaspäin suuntautuva liike välittyy vääntömomentille sarjan toisiaan vasten hankaavien ja kuumenevien liitosten kautta, eli osa primäärienergiasta kuluu myös tähän.
Tietenkin tehdaskoneissa kaikki pinnat on kiillotettu atomitasolle, kaikki metallit ovat vahvoja ja niillä on alhaisin lämmönjohtavuus ja mäntäöljyllä on parhaat ominaisuudet. Mutta missä tahansa moottorissa bensiinin energiaa käytetään osien, ilman ja kitkan lämmittämiseen.
Pannu ja kattila
Nyt ehdotamme, että ymmärrämme, mikä on kattilan hyötysuhde ja mistä se koostuu. Jokainen kotiäiti tietää: jos jätät veden kiehumaan kattilaan suljetun kannen alla, joko vesi tippuu liedelle tai kansi "tanssii". Mikä tahansa nykyaikainen kattila on järjestetty pitkälti samalla tavalla:
- lämpö lämmittää suljetun astian, joka on täynnä vettä;
- vedestä tulee tulistettua höyryä;
- laajentuessaan kaasu-vesi-seos pyörittää turbiineja tai liikuttaa mäntiä.
Aivan kuten moottorissa, energiaa menetetään kattilan, putkien ja kaikkien liitosten kitkan lämmittämiseen, joten minkään mekanismin hyötysuhde ei voi olla 100 %.
Carnot-syklin mukaan toimivien koneiden kaava näyttää lämpömoottorin yleiseltä kaav alta, vain lämmön määrän - lämpötilan sijaan.
η=(T1-T2)/T1.
Avaruusasema
Entä jos laitat mekanismin avaruuteen? Ilmaista aurinkoenergiaa on saatavilla 24 tuntia vuorokaudessa, minkä tahansa kaasun jäähdytys on mahdollista kirjaimellisesti 0o Kelviniin lähes välittömästi. Ehkä avaruudessa tuotannon tehokkuus olisi korkeampi? Vastaus on moniselitteinen: kyllä ja ei. Kaikki nämä tekijät voisivat todellakin parantaa merkittävästi energian siirtymistä hyödylliseen työhön. Mutta jopa tuhannen tonnin toimittaminen haluttuun korkeuteen on silti uskomattoman kallista. Vaikka tällainen tehdas toimisi viisisataa vuotta, se ei maksa takaisin laitteiden nostamisesta aiheutuvia kustannuksia, minkä vuoksi tieteiskirjailijat hyödyntävät niin aktiivisesti ideaa avaruushissistä - tämä yksinkertaistaisi tehtävää huomattavasti ja tekisi on kaupallisesti kannattavaa siirtää tehtaita avaruuteen.
