Dnes vám řekneme, co je účinnost (faktor účinnosti), jak ji vypočítat a kde se tento koncept používá.
Člověk a mechanismus
Co mají společného pračka a konzervárna? Touha člověka zbavit se potřeby dělat všechno sám. Před vynálezem parního stroje měli lidé k dispozici pouze svaly. Všechno dělali sami: orali, seli, vařili, chytali ryby, tkali len. Aby si zajistili přežití během dlouhé zimy, každý člen rolnické rodiny pracoval ve dne od dvou let až do své smrti. Nejmladší děti hlídaly zvířátka a pomáhaly (přinést, říct, zavolat, vzít) dospělým. Dívka byla poprvé posazena za kolovrat v pěti letech! Dokonce i hlubocí staří lidé krájeli lžíce a tkali lýkové boty a ty nejstarší a nejchudší babičky sedávaly u tkalcovských stavů a kolovrátků, pokud jim to zrak dovoloval. Neměli čas přemýšlet o tom, co jsou hvězdy a proč září. Lidé byli unavení: každý den museli chodit do práce, bez ohledu na zdravotní stav, bolest a morálku. Muž přirozeně chtěl najít pomocníky, kteří by jeho přetíženým ramenům alespoň trochu ulevili.
Vtipné a divné
Nejpokročilejší technologií v té době byl kůň a mlýnské kolo. Ale udělali jen dvakrát nebo třikrát více práce než člověk. První vynálezci ale začali vymýšlet zařízení, která vypadala velmi zvláštně. Ve filmu „Příběh věčné lásky“si Leonardo da Vinci připevnil k nohám malé čluny, aby mohl chodit po vodě. To vedlo k několika vtipným příhodám, když se vědec ponořil do jezera s oblečením. Přestože je tato epizoda jen vynálezem scénáristy, takové vynálezy tak musely vypadat – komicky a vtipně.
19. století: železo a uhlí
V polovině 19. století se ale všechno změnilo. Vědci si uvědomili tlakovou sílu rozpínající se páry. Nejvýznamnějším zbožím té doby bylo železo na výrobu kotlů a uhlí na ohřev vody v nich. Tehdejší vědci museli pochopit, co je účinnost ve fyzice páry a plynu a jak ji zvýšit.
Vzorec pro koeficient v obecném případě je:
η=A/Q
η - účinnost, A - užitečná práce, Q - vynaložená energie.
Práce a teplo
Účinnost (zkráceně účinnost) je bezrozměrná veličina. Je definována v procentech a vypočítává se jako poměr vynaložené energie k užitečné práci. Poslední termín často používají matky nedbalých teenagerů, když je nutí dělat něco kolem domu. Ale ve skutečnosti je to skutečný výsledek vynaloženého úsilí. To znamená, že pokud je účinnost stroje 20 %, pak přemění na činnost pouze jednu pětinu přijaté energie. Nyní při nákupuauto, čtenář by neměl mít otázku, jaká je účinnost motoru.
Pokud se koeficient počítá jako procento, pak vzorec je:
η=100 %(A/Q)
η - účinnost, A - užitečná práce, Q - vynaložená energie.
Ztráta a realita
Všechny tyto argumenty jistě způsobují zmatek. Proč nevynalézt auto, které může využívat více energie paliva? Bohužel, skutečný svět takový není. Ve škole děti řeší úlohy, ve kterých nedochází ke tření, všechny systémy jsou uzavřené a záření je přísně monochromatické. Skuteční inženýři ve výrobních závodech jsou nuceni brát v úvahu přítomnost všech těchto faktorů. Zvažte například, jaká je účinnost tepelného motoru a z čeho se tento koeficient skládá.
Vzorec v tomto případě vypadá takto:
η=(Q1-Q2)/Q1
V tomto případě je Q1 množství tepla, které motor obdržel z vytápění, a Q2 je množství tepla teplo, které to dalo do prostředí (obecně označované jako lednička).
Palivo se zahřívá a expanduje, síla tlačí píst, který pohání rotační prvek. Ale palivo je obsaženo v nějaké nádobě. Při zahřívání předává teplo stěnám nádoby. To vede ke ztrátám energie. Aby píst sestoupil, musí se plyn ochladit. K tomu se část uvolňuje do životního prostředí. A bylo by dobré, kdyby plyn dal veškeré teplo užitečné práci. Ale bohužel se velmi pomalu ochlazuje, takže z něj vychází horká pára. Část energie se spotřebuje na ohřev vzduchu. Píst se pohybuje v dutém kovovém válci. Jeho okraje těsně přiléhají ke stěnám, při pohybu vstupují do hry třecí síly. Píst ohřívá dutý válec, což také vede ke ztrátě energie. Translační pohyb tyče nahoru a dolů se přenáší na krouticí moment prostřednictvím řady kloubů, které se o sebe třou a zahřívají se, to znamená, že na to je také vynaložena část primární energie.
Samozřejmě v továrních strojích jsou všechny povrchy leštěné na atomární úroveň, všechny kovy jsou pevné a mají nejnižší tepelnou vodivost a pístový olej má nejlepší vlastnosti. Ale v každém motoru se energie benzínu používá k ohřevu součástí, vzduchu a tření.
Pánev a kotlík
Nyní navrhujeme pochopit, jaká je účinnost kotle a z čeho se skládá. Každá hospodyňka ví: necháte-li vodu vařit v hrnci pod zavřenou poklicí, voda buď kape na sporák, nebo poklička „tančí“. Každý moderní kotel je uspořádán v podstatě stejným způsobem:
- teplo ohřívá uzavřenou nádobu plnou vody;
- voda se stává přehřátou párou;
- při expanzi směs plynu a vody otáčí turbínami nebo pohybuje písty.
Stejně jako u motoru dochází ke ztrátám energie na ohřev kotle, potrubí a tření všech spojů, takže žádný mechanismus nemůže mít účinnost rovnou 100 %.
Vzorec pro stroje, které pracují podle Carnotova cyklu, vypadá jako obecný vzorec pro tepelný motor, jen místo množství tepla - teplota.
η=(T1-T2)/T1.
Vesmírná stanice
A když ten mechanismus dáte do vesmíru? Bezplatná solární energie je k dispozici 24 hodin denně, chlazení jakéhokoli plynu je možné doslova na 0o Kelvinů téměř okamžitě. Možná ve vesmíru by byla efektivita výroby vyšší? Odpověď je nejednoznačná: ano i ne. Všechny tyto faktory by skutečně mohly výrazně zlepšit přenos energie na užitečnou práci. Ale dodat i tisíc tun do požadované výšky je stále neuvěřitelně drahé. I kdyby taková továrna fungovala pět set let, nevrátí se jí náklady na pořízení zařízení, a proto autoři sci-fi tak aktivně využívají myšlenku vesmírného výtahu – to by tento úkol značně zjednodušilo a je komerčně životaschopné přenést továrny do vesmíru.
