Cos'è l'efficienza? Concetto, definizione, applicazione

Oggi vi diremo qual è l'efficienza (coefficiente di efficienza), come calcolarlo e dove questo concetto viene applicato.

Uomo e meccanismo

Cosa combina una lavatrice e una lattinaPianta? Il desiderio di una persona di sollevarsi dal bisogno di fare tutto da solo. Prima dell'invenzione del motore a vapore, solo i loro muscoli erano a disposizione delle persone. Hanno fatto tutto da soli: arare, seminare, cucinare, pescare, tessere il lino. Per garantire la sopravvivenza del lungo inverno, ogni membro di una famiglia di contadini ha lavorato durante le ore diurne da due anni prima della sua morte. La maggior parte dei bambini piccoli sono accuditi e gli animali erano in aiuto (portare, ad esempio, chiamata, prendere) negli adulti. La ragazza è stata messa per la prima volta in una ruota che gira a cinque anni! Anche molto vecchi cucchiai di taglio e sandali intrecciati, e la nonna più anziani e gli infermi seduti al volante telaio e la filatura, se consentito vista. Non hanno avuto il tempo di pensare a cosa sono le stelle e perché brillano. La gente è stanca di tutti i giorni che doveva andare a lavorare, indipendentemente dallo stato di salute, il dolore e il morale. Naturalmente, l'uomo voleva trovare assistenti che almeno alleggerissero leggermente le sue spalle logore.

Divertente e strano

Le tecnologie più avanzate in quei giorni eranocavallo e mulino. Ma hanno fatto solo due o tre volte più lavoro di un uomo. Ma i primi inventori iniziarono a inventare dispositivi che sembravano molto strani. Nel film "La storia dell'amore eterno", Leonardo da Vinci attaccò piccole barche ai suoi piedi per camminare sull'acqua. Ciò ha portato a diversi incidenti ridicoli quando lo scienziato è caduto nel lago direttamente nei suoi vestiti. Anche se questo episodio è solo uno scrittore di fantascienza, probabilmente di tali invenzioni e sembra - comico e divertente.

Secolo XIX: ferro e carbone

Ma a metà del XIX secolo, tutto cambiò. Gli scienziati hanno realizzato la forza di pressione di una coppia in espansione. I prodotti più importanti di quel tempo erano il ferro per la produzione di caldaie e carbone per il riscaldamento dell'acqua. Gli scienziati di quel tempo dovevano capire quale sia l'efficienza nella fisica del vapore e del gas e come migliorarla.

La formula per il coefficiente nel caso generale è:

η = A / Q

η - efficienza, A - lavoro utile, Q - energia spesa.

Lavoro e calore

Coefficiente di efficienza (EFFICIENZA abbreviata) -questa è una quantità senza dimensione. È definito come una percentuale ed è calcolato come il rapporto tra energia spesa e lavoro utile. Quest'ultimo termine è spesso usato dalle madri di adolescenti negligenti, quando sono costretti a fare qualcosa per la casa. Ma in realtà, questo è il vero risultato dello sforzo. Cioè, se l'efficienza della macchina è del 20%, allora trasforma solo un quinto dell'energia ricevuta in azione. Ora, quando si acquista una macchina, il lettore non dovrebbe avere una domanda, qual è l'efficienza del motore.

Se il coefficiente è calcolato come percentuale, la formula è:

η = 100% * (A / Q)

η - efficienza, A - lavoro utile, Q - energia spesa.

Perdita e realtà

Sicuramente tutti questi argomenti causano disorientamento. Perché non inventare una macchina che può utilizzare più energia del carburante? Ahimè, il mondo reale non è così. A scuola, i bambini risolvono problemi in cui non c'è attrito, tutti i sistemi sono chiusi e la radiazione è rigorosamente monocromatica. I veri ingegneri degli impianti di produzione sono costretti a prendere in considerazione la presenza di tutti questi fattori. Consideriamo, ad esempio, qual è l'efficienza di un motore termico e da quale coefficiente viene sommato.

La formula in questo caso è simile a questa:

η = (Q₁-Q₂) / Q₁

Inoltre, Q₁ - la quantità di calore che il motore ha ricevuto dal riscaldamento e Q₂ - la quantità di calore che ha dato all'ambiente (in generale, questo è chiamato un frigorifero).

Il carburante si riscalda e si espande, la forza spingeun pistone che guida l'elemento rotazionale. Ma il carburante è contenuto in una sorta di nave. Una volta riscaldato, trasferisce calore alle pareti della nave. Questo porta alla perdita di energia. Che il pistone si sia abbassato, è necessario raffreddare il gas. Per fare ciò, la sua parte viene rilasciata nell'ambiente. E sarebbe bello se tutto il calore del gas fosse dato a un lavoro utile. Ma, ahimè, si raffredda molto lentamente, così il vapore caldo sfugge verso l'esterno. Parte dell'energia viene spesa per il riscaldamento dell'aria. Il pistone si muove in un cilindro metallico cavo. I suoi bordi si adattano saldamente alle pareti, le forze di attrito entrano in gioco durante lo spostamento. Il pistone riscalda il cilindro cavo, che porta anche a una perdita di energia. Il movimento progressivo dell'asta verso l'alto e verso il basso viene trasmesso alla coppia attraverso una serie di giunti, che si sfregano l'uno contro l'altro e vengono riscaldati, cioè, parte dell'energia primaria viene anche consumata su di essa.

Naturalmente, nelle macchine di fabbrica tutte le superficilucidato a livello atomico, tutti i metalli sono forti e hanno la minima conduttività termica, e l'olio per la lubrificazione dei pistoni ha le migliori proprietà. Ma in ogni motore l'energia della benzina va al riscaldamento di parti, aria e attrito.

Casseruola e calderone

Ora ci proponiamo di capire cos'èL'efficienza della caldaia e di cosa è composta. Qualsiasi hostess sa: se si lascia bollire l'acqua in una casseruola sotto un coperchio chiuso, l'acqua gocciolerà sul fornello, o il coperchio "ballerà". Qualsiasi caldaia moderna è organizzata nello stesso modo:

• il calore riscalda un contenitore chiuso pieno d'acqua;
• l'acqua diventa vapore surriscaldato;
• durante l'espansione, la miscela acqua-gas fa ruotare le turbine o muove i pistoni.

Proprio come nel motore, si generano perdite di energia per il riscaldamento della caldaia, tubi e attrito di tutte le connessioni, quindi nessun meccanismo può avere un'efficienza pari al 100%.

La formula per macchine che funzionano sul ciclo di Carnot, sembra una formula generale per un motore termico, ma invece della quantità di calore - la temperatura.

η = (T₁T₂) / T₁.

Stazione spaziale

E se metti il ​​meccanismo nello spazio? L'energia libera del sole è disponibile 24 ore al giorno, il raffreddamento di qualsiasi gas è possibile letteralmente fino a 0^su Kelvin quasi istantaneamente. Forse, nello spazio esterno, l'efficienza della produzione sarebbe più alta? La risposta è ambigua: sì e no. Tutti questi fattori potrebbero davvero migliorare il trasferimento di energia a un lavoro utile. Ma consegnando all'altezza desiderata, anche mille tonnellate finora incredibilmente costose. Anche se un tale impianto avrà una durata di cinquecento anni, non paga per il costo delle attrezzature di sollevamento, in modo da fantascienza così attivamente sfruttato l'idea di un ascensore spaziale - sarebbe semplificare notevolmente il compito e renderebbe commercialmente valido per trasferire fabbriche nello spazio.