Täna räägime teile, mis on tõhusus (efektiivsuse tegur), kuidas seda arvutada ja kus seda mõistet rakendatakse.
Inimene ja mehhanism
Mis on ühist pesumasinal ja konservitehasel? Inimese soov vabastada end vajadusest teha kõike ise. Enne aurumasina leiutamist olid inimeste käsutuses vaid lihased. Nad tegid kõike ise: kündisid, külvasid, küpsetasid, püüdsid kala, punusid lina. Pika talve jooksul ellujäämise tagamiseks töötas iga talupere liige kaheaastaselt kuni surmani valget tundi. Kõige väiksemad lapsed hoidsid loomi ja aitasid (toosid, rääkisid, helistasid, viisid) täiskasvanuid. Tüdruk pandi esimest korda ketrusratta taha viieaastaselt! Isegi sügavad vanad inimesed lõikasid lusikaid ja kudusid jalanõusid ning kõige eakad ja nõrgemad vanaemad istusid kangastelgede ja ketrusrataste taga, kui nägemine lubas. Neil polnud aega mõelda, mis on tähed ja miks nad säravad. Inimesed väsisid: iga päev tuli käia ja tööd teha, olenemata tervislikust seisundist, valust ja moraalist. Loomulikult soovis mees leida abilisi, kes tema ülekoormatud õlgu vähem alt pisut leevendaksid.
Naljakas ja veider
Tollel ajal olid kõige arenenum tehnoloogia hobune ja veskiratas. Kuid nad tegid ainult kaks või kolm korda rohkem tööd kui inimene. Kuid esimesed leiutajad hakkasid välja pakkuma seadmeid, mis nägid välja väga kummalised. Filmis "Igavese armastuse lugu" kinnitas Leonardo da Vinci oma jalga väikesed paadid, et vee peal kõndida. See tõi kaasa mitmeid naljakaid juhtumeid, kui teadlane sukeldus riietega järve. Kuigi see episood on lihts alt stsenaristi väljamõeldis, pidid sellised leiutised välja nägema sellised – koomilised ja naljakad.
19. sajand: raud ja kivisüsi
Kuid 19. sajandi keskel kõik muutus. Teadlased on mõistnud paisuva auru survejõu. Tolleaegsed olulisemad kaubad olid raud katelde valmistamiseks ja kivisüsi neis vee soojendamiseks. Tollased teadlased pidid mõistma, mis on auru- ja gaasifüüsika efektiivsus ning kuidas seda suurendada.
Koefitsiendi valem üldjuhul on:
η=A/Q
η - efektiivsus, A - kasulik töö, Q - kulutatud energia.
Töö ja soojus
Efektiivsus (lühendatult tõhusus) on mõõtmeteta suurus. See on määratletud protsentides ja arvutatakse kulutatud energia ja kasuliku töö suhtena. Viimast terminit kasutavad sageli hooletute teismeliste emad, kui nad sunnivad neid kodus midagi ette võtma. Kuid tegelikult on see kulutatud jõupingutuste tegelik tulemus. See tähendab, et kui masina kasutegur on 20%, muundab see tegevuseks vaid viiendiku saadud energiast. Nüüd ostesauto, ei tohiks lugejal tekkida küsimust, milline on mootori kasutegur.
Kui koefitsient arvutatakse protsentides, on valem järgmine:
η=100%(A/Q)
η - efektiivsus, A - kasulik töö, Q - kulutatud energia.
Kaotus ja tegelikkus
Kõik need argumendid tekitavad kindlasti hämmeldust. Miks mitte leiutada autot, mis kulutab rohkem kütuseenergiat? Paraku reaalne maailm pole selline. Koolis lahendavad lapsed ülesandeid, milles puudub hõõrdumine, kõik süsteemid on suletud ja kiirgus on rangelt ühevärviline. Tootmisettevõtete tõelised insenerid on sunnitud kõigi nende tegurite olemasolu arvesse võtma. Mõelge näiteks, milline on soojusmasina kasutegur ja millest see koefitsient koosneb.
Valem näeb antud juhul välja järgmine:
η=(Q1-Q2)/Q1
Sel juhul on Q1 soojushulk, mille mootor sai kuumutamisel, ja Q2 on soojushulk soojust, mida see keskkonda andis (üldiselt nimetatakse seda külmkapiks).
Kütus kuumeneb ja paisub, jõud surub kolvi, mis liigutab pöörlevat elementi. Kuid kütus on mõnes anumas. Kuumutamisel kannab see soojust anuma seintele. See toob kaasa energiakadu. Kolvi laskumiseks tuleb gaas maha jahutada. Selleks lastakse osa sellest keskkonda. Ja hea oleks, kui gaas annaks kogu soojuse kasulikule tööle. Kuid paraku jahtub see väga aeglaselt, nii et välja tuleb kuum aur. Osa energiast kulub õhu soojendamisele. Kolb liigub õõnsas metallsilindris. Selle servad istuvad tihed alt vastu seinu, liikumisel tulevad mängu hõõrdejõud. Kolb soojendab õõnsat silindrit, mis toob kaasa ka energiakadu. Varda üles-alla translatsiooniline liikumine kandub pöördemomendile üle rea liigendeid, mis hõõruvad üksteise vastu ja kuumenevad, st osa primaarenergiast kulub sellele ka.
Muidugi on tehasemasinates kõik pinnad aatomitasemeni poleeritud, kõik metallid on tugevad ja madalaima soojusjuhtivusega ning kolviõlil on parimad omadused. Kuid igas mootoris kasutatakse bensiini energiat osade, õhu ja hõõrdumise soojendamiseks.
Pann ja pada
Nüüd teeme ettepaneku mõista, mis on katla efektiivsus ja millest see koosneb. Iga perenaine teab: kui jätta vesi kastrulisse suletud kaane alla keema, siis kas tilgub vesi pliidile või kaas “tantsib”. Kõik kaasaegsed boilerid on paigutatud samamoodi:
- soojus soojendab suletud vett täis anumat;
- vesi muutub ülekuumenenud auruks;
- paisumisel pöörab gaasi-vee segu turbiine või liigutab kolbe.
Nii nagu mootoris, kaob energiat boileri, torude ja kõigi liigeste hõõrdumise jaoks, seega ei saa ühegi mehhanismi kasutegur olla 100%.
Carnot' tsükli järgi töötavate masinate valem näeb välja nagu soojusmasina üldvalem, ainult soojushulga - temperatuuri asemel.
η=(T1-T2)/T1.
Kosmosejaam
Ja kui panete mehhanismi ruumi? Tasuta päikeseenergia on saadaval 24 tundi ööpäevas, mis tahes gaasi jahutamine on võimalik sõna otseses mõttes 0o Kelvinini peaaegu kohe. Võib-olla kosmoses oleks tootmise efektiivsus suurem? Vastus on mitmetähenduslik: jah ja ei. Kõik need tegurid võivad tõepoolest oluliselt parandada energia ülekandmist kasulikule tööle. Kuid isegi tuhande tonni soovitud kõrgusele toimetamine on ikka uskumatult kallis. Isegi kui selline tehas töötab viissada aastat, ei maksa see seadmete tõstmise kulusid tagasi, mistõttu ulmekirjanikud kasutavad nii aktiivselt kosmoselifti ideed – see lihtsustaks oluliselt ülesannet ja tehaste kosmosesse viimine on äriliselt elujõuline.
