Wir sagen Ihnen heute, was Effizienz (Effizienzfaktor) ist, wie man sie berechnet und wo dieses Konzept angewendet wird.
Mensch und Mechanismus
Was haben eine Waschmaschine und eine Konservenfabrik gemeinsam? Der Wunsch einer Person, sich von der Notwendigkeit zu befreien, alles alleine zu tun. Vor der Erfindung der Dampfmaschine standen den Menschen nur ihre Muskeln zur Verfügung. Sie machten alles selbst: Sie pflügten, säten, kochten, fingen Fische, webten Flachs. Um das Überleben während des langen Winters zu sichern, arbeitete jedes Mitglied der Bauernfamilie vom Alter von zwei Jahren bis zu seinem Tod bei Tageslicht. Die Kleinsten kümmerten sich um die Tiere und halfen (bringen, sagen, rufen, nehmen) den Erwachsenen. Das Mädchen wurde im Alter von fünf Jahren zum ersten Mal hinter ein Spinnrad gesteckt! Selbst tiefe Alte schnitten Löffel und flochten Bastschuhe, und die ältesten und gebrechlichsten Großmütter saßen an Webstühlen und Spinnrädern, wenn ihr Augenlicht es zuließ. Sie hatten keine Zeit darüber nachzudenken, was Sterne sind und warum sie leuchten. Die Menschen wurden müde: Sie mussten jeden Tag zur Arbeit gehen, unabhängig von Gesundheitszustand, Schmerzen und Moral. Natürlich wollte der Mann Helfer finden, die seine überanstrengten Schultern wenigstens etwas entlasten.
Lustig und komisch
Die fortschrittlichste Technologie war damals das Pferd und das Mühlrad. Aber sie leisteten nur zwei- oder dreimal mehr Arbeit als ein Mensch. Aber die ersten Erfinder begannen, sich Geräte auszudenken, die sehr seltsam aussahen. Im Film „Die Geschichte der ewigen Liebe“befestigte Leonardo da Vinci kleine Boote an seinen Füßen, um auf dem Wasser zu gehen. Dies führte zu mehreren lustigen Zwischenfällen, als der Wissenschaftler bekleidet in den See stürzte. Obwohl diese Episode nur eine Erfindung des Drehbuchautors ist, müssen solche Erfindungen so ausgesehen haben - komisch und lustig.
19. Jahrhundert: Eisen und Kohle
Aber Mitte des 19. Jahrhunderts änderte sich alles. Wissenschaftler haben die Druckkraft expandierenden Dampfes erkannt. Die wichtigsten Waren dieser Zeit waren Eisen für die Herstellung von Kesseln und Kohle zum Erhitzen von Wasser in ihnen. Die damaligen Wissenschaftler mussten verstehen, was Effizienz in der Dampf- und Gasphysik ist und wie man sie steigern kann.
Die Formel für den Koeffizienten im allgemeinen Fall lautet:
η=A/Q
η - Effizienz, A - nützliche Arbeit, Q - aufgewendete Energie.
Arbeit und Wärme
Effizienz (abgekürzt Effizienz) ist eine dimensionslose Größe. Sie ist in Prozent definiert und errechnet sich aus dem Verhältnis von aufgewendeter Energie zu Nutzarbeit. Der letztere Begriff wird oft von Müttern nachlässiger Teenager verwendet, wenn sie sie zwingen, etwas im Haus zu tun. Aber in Wirklichkeit ist dies das eigentliche Ergebnis der aufgewendeten Mühe. Das heißt, wenn der Wirkungsgrad der Maschine 20 % beträgt, dann setzt sie nur ein Fünftel der aufgenommenen Energie in Aktion um. Jetzt beim KaufAuto, der Leser sollte keine Frage haben, wie effizient der Motor ist.
Wird der Koeffizient in Prozent berechnet, lautet die Formel:
η=100%(A/Q)
η - Effizienz, A - nützliche Arbeit, Q - aufgewendete Energie.
Verlust und Realität
Sicherlich sorgen all diese Argumente für Verwirrung. Warum nicht ein Auto erfinden, das mehr Kraftstoffenergie verbrauchen kann? Leider ist die reale Welt nicht so. In der Schule lösen Kinder Probleme, bei denen es keine Reibung gibt, alle Systeme geschlossen sind und die Strahlung streng monochromatisch ist. Echte Ingenieure in Produktionsstätten sind gezwungen, das Vorhandensein all dieser Faktoren zu berücksichtigen. Betrachten Sie zum Beispiel den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine und woraus dieser Koeffizient besteht.
Die Formel sieht in diesem Fall so aus:
η=(Q1-Q2)/Q1
In diesem Fall ist Q1 die Wärmemenge, die der Motor vom Heizen erh alten hat, und Q2 ist die Wärmemenge Wärme, die er an die Umgebung abgibt (allgemein als Kühlschrank bezeichnet).
Der Kraftstoff erwärmt sich und dehnt sich aus, die Kraft drückt auf den Kolben, der das Drehelement antreibt. Aber der Treibstoff ist in einem Gefäß enth alten. Wenn es erhitzt wird, überträgt es Wärme auf die Wände des Gefäßes. Dies führt zu Energieverlusten. Damit der Kolben absinken kann, muss das Gas gekühlt werden. Dazu wird ein Teil davon in die Umwelt abgegeben. Und es wäre gut, wenn das Gas die ganze Wärme für nützliche Arbeit abgeben würde. Aber leider kühlt es sehr langsam ab, so dass heißer Dampf austritt. Ein Teil der Energie wird für die Erwärmung der Luft aufgewendet. Der Kolben bewegt sich in einem hohlen Metallzylinder. Seine Kanten schmiegen sich eng an die Wände an, beim Bewegen kommen Reibungskräfte ins Spiel. Der Kolben erwärmt den Hohlzylinder, was ebenfalls zu einem Energieverlust führt. Die translatorische Auf- und Abwärtsbewegung der Stange wird über eine Reihe von Gelenken, die aneinander reiben und sich erwärmen, auf ein Drehmoment übertragen, d.h. auch dafür wird ein Teil der Primärenergie aufgewendet.
Natürlich sind in Fabrikmaschinen alle Oberflächen auf atomare Ebene poliert, alle Metalle sind stark und haben die niedrigste Wärmeleitfähigkeit und Kolbenöl hat die besten Eigenschaften. Aber in jedem Motor wird die Energie des Benzins verwendet, um Teile, Luft und Reibung zu erhitzen.
Pfanne und Kessel
Jetzt schlagen wir vor zu verstehen, was die Effizienz des Kessels ist und woraus er besteht. Jede Hausfrau weiß: Wenn Sie Wasser in einem Topf unter geschlossenem Deckel kochen lassen, tropft entweder Wasser auf den Herd oder der Deckel „tanzt“. Jeder moderne Heizkessel ist ähnlich aufgebaut:
- heat erhitzt einen geschlossenen Behälter voller Wasser;
- Wasser wird zu überhitztem Dampf;
- beim Expandieren dreht das Gas-Wasser-Gemisch Turbinen oder bewegt Kolben.
Genau wie bei einem Motor geht Energie verloren, um den Kessel, die Rohre und die Reibung aller Gelenke zu erhitzen, daher kann kein Mechanismus einen Wirkungsgrad von 100% haben.
Die Formel für Maschinen, die nach dem Carnot-Zyklus arbeiten, sieht aus wie die allgemeine Formel für eine Wärmekraftmaschine, nur statt Wärmemenge - Temperatur.
η=(T1-T2)/T1.
Raumstation
Und wenn du den Mechanismus ins All stellst? Kostenlose Solarenergie ist 24 Stunden am Tag verfügbar, die Kühlung jedes Gases ist fast sofort buchstäblich auf 0 Kelvin möglich. Vielleicht wäre im Weltraum die Effizienz der Produktion höher? Die Antwort ist zweideutig: ja und nein. All diese Faktoren könnten tatsächlich die Übertragung von Energie in nützliche Arbeit erheblich verbessern. Aber selbst tausend Tonnen auf die gewünschte Höhe zu liefern, ist immer noch unglaublich teuer. Selbst wenn eine solche Fabrik fünfhundert Jahre lang in Betrieb ist, wird sie die Kosten für die Anhebung der Ausrüstung nicht zurückzahlen, weshalb Science-Fiction-Autoren die Idee eines Weltraumaufzugs so aktiv ausnutzen - dies würde die Aufgabe erheblich vereinfachen und erleichtern Es ist wirtschaftlich machbar, Fabriken in den Weltraum zu verlegen.
