Šodien mēs jums pastāstīsim, kas ir efektivitāte (lietderības koeficients), kā to aprēķināt un kur šis jēdziens tiek piemērots.
Cilvēks un mehānisms
Kas kopīgs veļas mašīnai un konservu fabrikai? Cilvēka vēlme atbrīvot sevi no nepieciešamības visu darīt pašam. Pirms tvaika dzinēja izgudrošanas cilvēku rīcībā bija tikai muskuļi. Visu darīja paši: ara, sēja, vārīja, ķēra zivis, auda linus. Lai nodrošinātu izdzīvošanu garajā ziemā, katrs zemnieku ģimenes loceklis strādāja gaišajā diennakts laikā no divu gadu vecuma līdz savai nāvei. Mazākie bērni pieskatīja dzīvniekus un palīdzēja (nesa, stāstīja, zvana, aizved) pieaugušajiem. Pirmo reizi meiteni pie vērpšanas rata sēdināja piecu gadu vecumā! Pat dziļi veci cilvēki grieza karotes un auda kurpes, un vecākās un vājākās vecmāmiņas sēdēja pie stellēm un vērpšanas ritenīšiem, ja redze ļāva. Viņiem nebija laika domāt par to, kas ir zvaigznes un kāpēc tās spīd. Cilvēki nogura: katru dienu bija jāiet un jāstrādā neatkarīgi no veselības stāvokļa, sāpēm un morāles. Likumsakarīgi, ka vīrietis vēlējās atrast palīgus, kas kaut nedaudz atslogotu viņa pārslogotos plecus.
Smieklīgi un dīvaini
Tolaik vismodernākā tehnoloģija bija zirgs un dzirnavu ritenis. Bet viņi veica tikai divas vai trīs reizes vairāk darba nekā cilvēks. Bet pirmie izgudrotāji sāka nākt klajā ar ierīcēm, kas izskatījās ļoti dīvaini. Filmā "Stāsts par mūžīgo mīlestību" Leonardo da Vinči piestiprināja pie kājām nelielas laiviņas, lai staigātu pa ūdeni. Tas izraisīja vairākus smieklīgus atgadījumus, kad zinātnieks ienira ezerā ar drēbēm. Lai gan šī epizode ir tikai scenārista izdomājums, šādi izgudrojumi noteikti izskatījās tā – komiski un smieklīgi.
19. gadsimts: dzelzs un ogles
Bet 19. gadsimta vidū viss mainījās. Zinātnieki ir sapratuši izplešanās tvaika spiediena spēku. Nozīmīgākās tā laika preces bija dzelzs katlu ražošanai un ogles ūdens sildīšanai tajos. Tā laika zinātniekiem bija jāsaprot, kas ir tvaika un gāzes fizikā efektivitāte un kā to palielināt.
Koeficienta formula vispārīgā gadījumā ir:
η=A/Q
η - efektivitāte, A - lietderīgs darbs, Q - iztērēta enerģija.
Darbs un siltums
Efektivitāte (saīsināti efektivitāte) ir bezizmēra lielums. To nosaka procentos un aprēķina kā patērētās enerģijas un lietderīgā darba attiecību. Pēdējo terminu bieži lieto nolaidīgu pusaudžu mātes, kad viņas piespiež viņām kaut ko darīt ap māju. Bet patiesībā tas ir patiesais iztērēto pūļu rezultāts. Tas ir, ja mašīnas efektivitāte ir 20%, tad tā darbībā pārvērš tikai piekto daļu no saņemtās enerģijas. Tagad pērkotauto, lasītājam nevajadzētu rasties jautājumam, kāda ir dzinēja efektivitāte.
Ja koeficientu aprēķina procentos, tad formula ir:
η=100%(A/Q)
η - efektivitāte, A - lietderīgs darbs, Q - iztērēta enerģija.
Zaudējums un realitāte
Noteikti visi šie argumenti rada neizpratni. Kāpēc gan neizgudrot automašīnu, kas var izmantot vairāk degvielas enerģijas? Diemžēl reālā pasaule nav tāda. Skolā bērni risina problēmas, kurās nav berzes, visas sistēmas ir slēgtas, un starojums ir stingri vienkrāsains. Īsti inženieri ražotnēs ir spiesti ņemt vērā visu šo faktoru klātbūtni. Apsveriet, piemēram, kāda ir siltumdzinēja efektivitāte un no kā sastāv šis koeficients.
Šajā gadījumā formula izskatās šādi:
η=(Q1-Q2)/Q1
Šajā gadījumā Q1 ir siltuma daudzums, ko dzinējs saņēma no apkures, un Q2 ir siltuma daudzums siltumu, ko tas deva videi (parasti saukts par ledusskapi).
Degviela uzsilst un izplešas, spēks spiež virzuli, kas virza rotējošo elementu. Bet degviela atrodas kādā traukā. Sildot, tas pārnes siltumu uz trauka sienām. Tas noved pie enerģijas zudumiem. Lai virzulis varētu nolaisties, gāze ir jāatdzesē. Lai to izdarītu, daļa no tā tiek izlaista vidē. Un būtu labi, ja gāze atdotu visu siltumu lietderīgam darbam. Bet, diemžēl, tas atdziest ļoti lēni, tāpēc izplūst karsts tvaiks. Daļa enerģijas tiek tērēta gaisa sildīšanai. Virzulis pārvietojas dobā metāla cilindrā. Tās malas cieši pieguļ sienām, kustoties, iedarbojas berzes spēki. Virzulis silda dobo cilindru, kas arī izraisa enerģijas zudumu. Stieņa kustība uz augšu un uz leju tiek pārnesta uz griezes momentu caur virkni savienojumu, kas berzē viens pret otru un uzsilst, tas ir, šim nolūkam tiek tērēta arī daļa primārās enerģijas.
Protams, rūpnīcas iekārtās visas virsmas ir nopulētas līdz atomu līmenim, visi metāli ir stipri un ar zemāko siltumvadītspēju, un virzuļeļļai ir vislabākās īpašības. Bet jebkurā dzinējā benzīna enerģiju izmanto, lai uzsildītu detaļas, gaisu un berzi.
Panna un katls
Tagad mēs piedāvājam saprast, kāda ir katla efektivitāte un no kā tas sastāv. Jebkura saimniece zina: ja katliņā zem slēgta vāka atstāj vārīties ūdeni, tad vai nu ūdens pilēs uz plīts, vai arī vāks “dejos”. Jebkurš mūsdienu apkures katls ir sakārtots aptuveni vienādi:
- siltums uzsilda slēgtu trauku, pilnu ar ūdeni;
- ūdens kļūst par pārkarsētu tvaiku;
- izplešoties, gāzes un ūdens maisījums rotē turbīnas vai pārvieto virzuļus.
Tāpat kā dzinējā, katla, cauruļu un visu savienojumu berzes apkurei tiek zaudēta enerģija, tāpēc neviena mehānisma efektivitāte nevar būt vienāda ar 100%.
Formula mašīnām, kas strādā pēc Kārno cikla, izskatās pēc vispārējās siltuma dzinēja formulas, tikai siltuma daudzuma vietā - temperatūra.
η=(T1-T2)/T1.
Kosmosa stacija
Un, ja jūs ievietojat mehānismu kosmosā? Bezmaksas saules enerģija ir pieejama 24 stundas diennaktī, jebkuras gāzes dzesēšana ir iespējama burtiski līdz 0o Kelvina gandrīz uzreiz. Varbūt kosmosā ražošanas efektivitāte būtu augstāka? Atbilde ir neviennozīmīga: jā un nē. Visi šie faktori patiešām varētu būtiski uzlabot enerģijas nodošanu lietderīgam darbam. Bet pat tūkstoš tonnu nogādāšana vēlamajā augstumā joprojām ir neticami dārga. Pat tad, ja šāda rūpnīca darbosies piecsimt gadu, tā neatmaksās iekārtu celšanas izmaksas, tāpēc zinātniskās fantastikas rakstnieki tik aktīvi izmanto kosmosa lifta ideju - tas ievērojami vienkāršotu uzdevumu un padarītu ir komerciāli izdevīgi pārvietot rūpnīcas kosmosā.
