Σήμερα θα σας πούμε τι είναι η αποδοτικότητα (συντελεστής απόδοσης), πώς να την υπολογίσετε και πού εφαρμόζεται αυτή η έννοια.
Άνθρωπος και μηχανισμός
Τι κοινό έχουν ένα πλυντήριο ρούχων και ένα κονσερβοποιείο; Η επιθυμία ενός ατόμου να απαλλάξει τον εαυτό του από την ανάγκη να κάνει τα πάντα μόνος του. Πριν από την εφεύρεση της ατμομηχανής, οι άνθρωποι είχαν στη διάθεσή τους μόνο τους μυς τους. Έκαναν τα πάντα μόνοι τους: όργωναν, έσπερναν, μαγείρεψαν, έπιαναν ψάρια, ύφαιναν λινάρι. Για να εξασφαλιστεί η επιβίωση κατά τη διάρκεια του μακρύ χειμώνα, κάθε μέλος της οικογένειας των αγροτών δούλευε τις ώρες της ημέρας από την ηλικία των δύο ετών μέχρι το θάνατό του. Τα μικρότερα παιδιά πρόσεχαν τα ζώα και βοηθούσαν (φέρτε, πείτε, τηλεφωνήστε, πάρτε) τους μεγάλους. Το κορίτσι τέθηκε για πρώτη φορά πίσω από έναν περιστρεφόμενο τροχό σε ηλικία πέντε ετών! Ακόμη και οι βαθείς γέροι έκοβαν κουτάλια και ύφαιναν παπουτσάκια, και οι πιο ηλικιωμένες και ανήμπορες γιαγιάδες κάθονταν σε αργαλειούς και ρόδες, αν το επέτρεπε η όρασή τους. Δεν είχαν χρόνο να σκεφτούν τι είναι τα αστέρια και γιατί λάμπουν. Ο κόσμος κουράστηκε: κάθε μέρα έπρεπε να πηγαίνει και να δουλεύει, ανεξάρτητα από την κατάσταση της υγείας, τον πόνο και το ηθικό. Φυσικά, ο άντρας ήθελε να βρει βοηθούς που θα ανακούφιζαν τουλάχιστον ελαφρώς τους καταπονημένους ώμους του.
Αστείο και περίεργο
Η πιο προηγμένη τεχνολογία εκείνη την εποχή ήταν το άλογο και ο τροχός του μύλου. Αλλά έκαναν μόνο δύο ή τρεις φορές περισσότερη δουλειά από έναν άνθρωπο. Αλλά οι πρώτοι εφευρέτες άρχισαν να βρίσκουν συσκευές που φαίνονταν πολύ περίεργες. Στην ταινία «The Story of Eternal Love», ο Λεονάρντο ντα Βίντσι προσάρτησε μικρές βάρκες στα πόδια του για να περπατήσει στο νερό. Αυτό οδήγησε σε πολλά αστεία περιστατικά όταν ο επιστήμονας βούτηξε στη λίμνη με τα ρούχα του. Αν και αυτό το επεισόδιο είναι απλώς μια εφεύρεση του σεναριογράφου, τέτοιες εφευρέσεις πρέπει να έμοιαζαν έτσι - κωμικές και αστείες.
19ος αιώνας: σίδηρος και άνθρακας
Αλλά στα μέσα του 19ου αιώνα όλα άλλαξαν. Οι επιστήμονες έχουν συνειδητοποιήσει τη δύναμη πίεσης του διαστελλόμενου ατμού. Τα σημαντικότερα αγαθά εκείνης της εποχής ήταν ο σίδηρος για την κατασκευή λεβήτων και ο άνθρακας για τη θέρμανση του νερού σε αυτά. Οι επιστήμονες εκείνης της εποχής έπρεπε να καταλάβουν τι είναι η αποτελεσματικότητα στη φυσική του ατμού και των αερίων και πώς να την αυξήσουν.
Ο τύπος για τον συντελεστή στη γενική περίπτωση είναι:
η=A/Q
η - απόδοση, A - χρήσιμη εργασία, Q - ενέργεια που καταναλώνεται.
Εργασία και ζεστασιά
Η απόδοση (συντομευμένη απόδοση) είναι μια αδιάστατη ποσότητα. Ορίζεται ως ποσοστό και υπολογίζεται ως ο λόγος της ενέργειας που δαπανάται προς το χρήσιμο έργο. Ο τελευταίος όρος χρησιμοποιείται συχνά από μητέρες αμελών εφήβων όταν τους αναγκάζουν να κάνουν κάτι στο σπίτι. Αλλά στην πραγματικότητα, αυτό είναι το πραγματικό αποτέλεσμα της προσπάθειας που καταβλήθηκε. Δηλαδή, εάν η απόδοση της μηχανής είναι 20%, τότε μετατρέπει μόνο το ένα πέμπτο της ενέργειας που λαμβάνει σε δράση. Τώρα κατά την αγοράαυτοκίνητο, ο αναγνώστης δεν πρέπει να έχει μια ερώτηση, ποια είναι η απόδοση του κινητήρα.
Εάν ο συντελεστής υπολογίζεται ως ποσοστό, τότε ο τύπος είναι:
η=100%(A/Q)
η - απόδοση, A - χρήσιμη εργασία, Q - ενέργεια που καταναλώνεται.
Απώλεια και πραγματικότητα
Σίγουρα όλα αυτά τα επιχειρήματα προκαλούν σύγχυση. Γιατί να μην εφεύρουμε ένα αυτοκίνητο που μπορεί να χρησιμοποιεί περισσότερη ενέργεια καυσίμου; Αλίμονο, ο πραγματικός κόσμος δεν είναι έτσι. Στο σχολείο τα παιδιά λύνουν προβλήματα στα οποία δεν υπάρχει τριβή, όλα τα συστήματα είναι κλειστά και η ακτινοβολία είναι αυστηρά μονόχρωμη. Οι πραγματικοί μηχανικοί στα εργοστάσια παραγωγής αναγκάζονται να λάβουν υπόψη την παρουσία όλων αυτών των παραγόντων. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, ποια είναι η απόδοση μιας θερμικής μηχανής και από τι αποτελείται αυτός ο συντελεστής.
Ο τύπος σε αυτήν την περίπτωση μοιάζει με αυτό:
η=(Q1-Q2)/Q1
Σε αυτήν την περίπτωση, Q1 είναι η ποσότητα θερμότητας που έλαβε ο κινητήρας από τη θέρμανση και Q2 είναι η ποσότητα θερμότητα που έδωσε στο περιβάλλον (γενικά αναφέρεται ως ψυγείο).
Το καύσιμο θερμαίνεται και διαστέλλεται, η δύναμη ωθεί το έμβολο που οδηγεί το περιστροφικό στοιχείο. Αλλά το καύσιμο περιέχεται σε κάποιο σκάφος. Όταν θερμαίνεται, μεταφέρει θερμότητα στα τοιχώματα του δοχείου. Αυτό οδηγεί σε απώλειες ενέργειας. Για να κατέβει το έμβολο πρέπει να κρυώσει το αέριο. Για να γίνει αυτό, μέρος του απελευθερώνεται στο περιβάλλον. Και καλό θα ήταν το αέριο να έδινε όλη τη θερμότητα σε χρήσιμη εργασία. Αλλά, δυστυχώς, κρυώνει πολύ αργά, οπότε βγαίνει ζεστός ατμός. Μέρος της ενέργειας δαπανάται για τη θέρμανση του αέρα. Το έμβολο κινείται σε έναν κοίλο μεταλλικό κύλινδρο. Οι άκρες του εφαρμόζουν σφιχτά στους τοίχους· κατά την κίνηση, οι δυνάμεις τριβής μπαίνουν στο παιχνίδι. Το έμβολο θερμαίνει τον κοίλο κύλινδρο, γεγονός που οδηγεί επίσης σε απώλεια ενέργειας. Η μεταφορική κίνηση της ράβδου προς τα πάνω και προς τα κάτω μεταδίδεται σε μια ροπή μέσω μιας σειράς αρθρώσεων που τρίβονται μεταξύ τους και θερμαίνονται, δηλαδή, μέρος της πρωτογενούς ενέργειας δαπανάται επίσης σε αυτό.
Φυσικά, στις εργοστασιακές μηχανές, όλες οι επιφάνειες είναι γυαλισμένες στο ατομικό επίπεδο, όλα τα μέταλλα είναι ισχυρά και έχουν τη χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα και το λάδι εμβόλου έχει τις καλύτερες ιδιότητες. Αλλά σε κάθε κινητήρα, η ενέργεια της βενζίνης χρησιμοποιείται για τη θέρμανση εξαρτημάτων, αέρα και τριβής.
Τηγάνι και καζάνι
Τώρα προτείνουμε να καταλάβουμε ποια είναι η απόδοση του λέβητα και από τι αποτελείται. Οποιαδήποτε νοικοκυρά ξέρει: αν αφήσετε νερό να βράσει σε μια κατσαρόλα κάτω από ένα κλειστό καπάκι, τότε είτε θα στάξει νερό στη σόμπα είτε το καπάκι θα «χορέψει». Κάθε σύγχρονος λέβητας είναι τοποθετημένος με τον ίδιο σχεδόν τρόπο:
- η ζέστη θερμαίνει ένα κλειστό δοχείο γεμάτο νερό.
- το νερό γίνεται υπέρθερμος ατμός;
- όταν διαστέλλεται, το μείγμα αερίου-νερού περιστρέφει τουρμπίνες ή κινεί τα έμβολα.
Ακριβώς όπως σε έναν κινητήρα, χάνεται ενέργεια για τη θέρμανση του λέβητα, των σωλήνων και της τριβής όλων των αρμών, επομένως κανένας μηχανισμός δεν μπορεί να έχει απόδοση ίση με 100%.
Ο τύπος για μηχανές που λειτουργούν σύμφωνα με τον κύκλο Carnot μοιάζει με τη γενική φόρμουλα για μια θερμική μηχανή, μόνο αντί για την ποσότητα θερμότητας - θερμοκρασία.
η=(T1-T2)/T1.
Διαστημικός Σταθμός
Και αν βάλεις τον μηχανισμό στο διάστημα; Η δωρεάν ηλιακή ενέργεια είναι διαθέσιμη 24 ώρες την ημέρα, η ψύξη οποιουδήποτε αερίου είναι δυνατή κυριολεκτικά σε 0o Kelvin σχεδόν αμέσως. Ίσως στο διάστημα η απόδοση της παραγωγής να ήταν μεγαλύτερη; Η απάντηση είναι διφορούμενη: ναι και όχι. Όλοι αυτοί οι παράγοντες θα μπορούσαν πράγματι να βελτιώσουν σημαντικά τη μεταφορά ενέργειας σε χρήσιμη εργασία. Αλλά η παράδοση ακόμη και χιλίων τόνων στο επιθυμητό ύψος εξακολουθεί να είναι απίστευτα ακριβή. Ακόμα κι αν ένα τέτοιο εργοστάσιο λειτουργεί για πεντακόσια χρόνια, δεν θα αποπληρώσει το κόστος της αύξησης του εξοπλισμού, γι' αυτό οι συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας εκμεταλλεύονται τόσο ενεργά την ιδέα ενός διαστημικού ανελκυστήρα - αυτό θα απλοποιούσε πολύ το έργο και θα έκανε είναι εμπορικά βιώσιμο να μεταφέρει εργοστάσια στο διάστημα.
