היום נספר לכם מהי יעילות (גורם יעילות), איך לחשב אותה והיכן מושג זה מיושם.
אדם ומנגנון
מה משותף למכונת כביסה ולמפעל שימורים? הרצון של אדם לפטור את עצמו מהצורך לעשות הכל בעצמו. לפני המצאת מנוע הקיטור, לרשות האנשים היו רק השרירים שלהם. הם עשו הכל בעצמם: הם חרשו, זרעו, בישלו, תפסו דגים, ארו פשתן. כדי להבטיח הישרדות במהלך החורף הארוך, כל אחד מבני משפחת האיכרים עבד בשעות היום מגיל שנתיים ועד מותו. הילדים הקטנים שמרו על החיות ועזרו (להביא, לספר, להתקשר, לקחת) למבוגרים. הילדה הוכנסה לראשונה מאחורי גלגל מסתובב בגיל חמש! אפילו זקנים עמוקים חתכו כפיות ושזרו נעלי בסט, והסבתות המבוגרות והחולות ביותר ישבו ליד נולים וגלגלים מסתובבים, אם ראייתם אפשרה. לא היה להם זמן לחשוב מה הם כוכבים ולמה הם זוהרים. אנשים התעייפו: כל יום הם היו צריכים ללכת ולעבוד, ללא קשר למצב הבריאות, הכאב והמורל. מטבע הדברים, האיש רצה למצוא עוזרים שיקלו לפחות מעט על כתפיו העמוסות מדי.
מצחיק ומוזר
הטכנולוגיה המתקדמת ביותר באותם ימים הייתה הסוס וגלגל הטחנה. אבל הם עשו רק פי שניים או שלושה יותר עבודה מאשר אדם. אבל הממציאים הראשונים החלו להמציא מכשירים שנראו מוזרים מאוד. בסרט "סיפורה של אהבה נצחית", ליאונרדו דה וינצ'י הצמיד סירות קטנות לרגליו כדי ללכת על המים. זה הוביל לכמה תקריות מצחיקות כאשר המדען צלל לתוך האגם עם בגדיו. למרות שהפרק הזה הוא רק המצאה של התסריטאי, המצאות כאלה בטח נראו כך - קומיות ומצחיקות.
המאה ה-19: ברזל ופחם
אבל באמצע המאה ה-19 הכל השתנה. מדענים הבינו את כוח הלחץ של הרחבת הקיטור. הסחורה החשובה ביותר של אותה תקופה הייתה ברזל לייצור דוודים ופחם לחימום מים בהם. מדענים של אותה תקופה היו צריכים להבין מהי יעילות בפיזיקה של קיטור וגז, וכיצד להגדיל אותה.
נוסחת המקדם במקרה הכללי היא:
η=A/Q
η - יעילות, A - עבודה מועילה, Q - הוצאת אנרגיה.
עבודה וחום
יעילות (בקיצור יעילות) היא כמות חסרת מימד. הוא מוגדר כאחוז ומחושב כיחס בין האנרגיה המושקעת לעבודה שימושית. המונח האחרון משמש לעתים קרובות על ידי אמהות לבני נוער רשלניים כשהן מאלצות אותן לעשות משהו בבית. אבל למעשה, זו התוצאה האמיתית של המאמץ שהושקע. כלומר, אם היעילות של המכונה היא 20%, אז היא ממירה רק חמישית מהאנרגיה המתקבלת לפעולה. עכשיו בקנייהמכונית, לקורא לא צריכה להיות שאלה, מהי היעילות של המנוע.
אם המקדם מחושב כאחוז, הנוסחה היא:
η=100%(A/Q)
η - יעילות, A - עבודה מועילה, Q - הוצאת אנרגיה.
הפסד ומציאות
אין ספק שכל הטיעונים האלה גורמים לתמיהה. למה לא להמציא מכונית שיכולה לצרוך יותר אנרגיית דלק? אבוי, העולם האמיתי הוא לא כזה. בבית הספר ילדים פותרים בעיות שבהן אין חיכוך, כל המערכות סגורות והקרינה מונוכרומטית למהדרין. מהנדסים אמיתיים במפעלי ייצור נאלצים לקחת בחשבון את נוכחותם של כל הגורמים הללו. חשבו, למשל, מהי היעילות של מנוע חום, וממה מורכב המקדם הזה.
הנוסחה במקרה זה נראית כך:
η=(Q1-Q2)/Q1
במקרה זה, Q1 היא כמות החום שהמנוע קיבל מהחימום, ו-Q2 היא כמות החום של חום שהוא העניק לסביבה (המכונה בדרך כלל מקרר).
הדלק מתחמם ומתרחב, הכוח דוחף את הבוכנה שמניעה את האלמנט הסיבובי. אבל הדלק כלול בכלי כלשהו. כאשר הוא מחומם, הוא מעביר חום לדפנות הכלי. זה מוביל לאובדן אנרגיה. כדי שהבוכנה תרד, יש לקרר את הגז. לשם כך, חלק ממנו משתחרר לסביבה. וטוב היה אם הגז ייתן את כל החום לעבודה מועילה. אבל, אבוי, הוא מתקרר לאט מאוד, אז יוצאים אדים חמים. חלק מהאנרגיה מושקעת על חימום האוויר.הבוכנה נעה בתוך גליל מתכת חלול. הקצוות שלו מתאימים היטב לקירות; בעת תנועה, כוחות חיכוך נכנסים לפעולה. הבוכנה מחממת את הגליל החלול, מה שמוביל גם לאובדן אנרגיה. תנועת התרגום למעלה ולמטה של המוט מועברת למומנט דרך סדרה של מפרקים שמתחככים זה בזה ומתחממים, כלומר, חלק מהאנרגיה הראשונית מושקעת גם על זה.
כמובן, במכונות המפעל, כל המשטחים מלוטשים לרמה האטומית, כל המתכות חזקות ובעלות מוליכות תרמית הנמוכה ביותר, ולשמן בוכנה יש את התכונות הטובות ביותר. אבל בכל מנוע, אנרגיית הבנזין משמשת לחימום חלקים, אוויר וחיכוך.
מחבת וקדירה
עכשיו אנחנו מציעים להבין מהי היעילות של הדוד, וממה הוא מורכב. כל עקרת בית יודעת: אם משאירים מים לרתיחה בסיר מתחת למכסה סגור, אז או מים יטפטפו על הכיריים, או שהמכסה "ירקוד". כל דוד מודרני מסודר בערך באותו אופן:
- heat מחמם מיכל סגור מלא במים;
- מים הופכים לאדים מחוממים;
- בעת התרחבות, תערובת הגז-מים מסובבת טורבינות או מזיזה בוכנות.
בדיוק כמו במנוע, אנרגיה אובדת לחימום הדוד, הצינורות והחיכוך של כל המפרקים, כך שאף מנגנון לא יכול להיות בעל יעילות שווה ל-100%.
הנוסחה למכונות שעובדות לפי מחזור קרנו נראית כמו הנוסחה הכללית למנוע חום, רק במקום כמות החום - טמפרטורה.
η=(T1-T2)/T1.
תחנת חלל
ואם תשים את המנגנון בחלל? אנרגיה סולארית בחינם זמינה 24 שעות ביממה, קירור של כל גז אפשרי ממש עד 0o קלווין כמעט באופן מיידי. אולי בחלל יעילות הייצור תהיה גבוהה יותר? התשובה אינה חד משמעית: כן ולא. כל הגורמים הללו אכן יכולים לשפר משמעותית את העברת האנרגיה לעבודה שימושית. אבל משלוח אפילו אלף טון לגובה הרצוי הוא עדיין יקר להפליא. גם אם מפעל כזה יפעל במשך חמש מאות שנה, הוא לא יחזיר את עלות העלאת הציוד, וזו הסיבה שסופרי מדע בדיוני מנצלים באופן כה פעיל את הרעיון של מעלית חלל - זה יפשט מאוד את המשימה ויהפוך כדאי מבחינה מסחרית להעביר מפעלים לחלל.
