Ma elmondjuk, mi a hatékonyság (hatékonysági tényező), hogyan kell kiszámítani, és hol alkalmazzák ezt a fogalmat.
Ember és mechanizmus
Mi a közös a mosógépben és a konzervgyárban? Az ember vágya, hogy megszabaduljon attól, hogy mindent egyedül kell megtennie. A gőzgép feltalálása előtt az embereknek csak az izmaik álltak rendelkezésükre. Mindent maguk csináltak: szántottak, vetettek, főztek, halat fogtak, lenfonást. A hosszú tél túlélése érdekében a parasztcsalád minden tagja kétéves koruktól haláláig nappali órákban dolgozott. A legkisebb gyerekek vigyáztak az állatokra és segítettek (hozták, mondták, hívták, vitték) a felnőtteket. A lány öt évesen került először forgó kerék mögé! Még a mélyöregek is kanalat vágtak és szárú cipőt szőttek, a legidősebb és legrosszabb nagymamák pedig szövőszékeknél és fonókáknál ültek, ha látásuk engedte. Nem volt idejük azon gondolkodni, mik is azok a csillagok, és miért ragyognak. Az emberek elfáradtak: mindennap menniük kellett dolgozni, egészségi állapotuktól, fájdalomtól és lelkiállapottól függetlenül. A férfi természetesen olyan segítőket akart találni, akik legalább egy kicsit tehermentesítik túlterhelt vállát.
Vicces és furcsa
Abban az időben a legfejlettebb technológia a ló és a malomkerék volt. De csak kétszer-háromszor több munkát végeztek, mint egy ember. De az első feltalálók olyan eszközökkel kezdtek előállni, amelyek nagyon furcsán néztek ki. A "The Story of Eternal Love" című filmben Leonardo da Vinci kis csónakokat rögzített a lábához, hogy a vízen járhasson. Ez több vicces incidenshez vezetett, amikor a tudós ruhájában zuhant a tóba. Bár ez az epizód csak a forgatókönyvíró találmánya, az ilyen találmányok biztosan így néztek ki – komikusak és viccesek.
19. század: vas és szén
De a 19. század közepén minden megváltozott. A tudósok felismerték a táguló gőz nyomóerejét. A legfontosabb áruk akkoriban a kazángyártáshoz használt vas és a bennük lévő víz melegítésére szolgáló szén volt. Az akkori tudósoknak meg kellett érteniük, mi a hatékonyság a gőz- és gázfizikában, és hogyan lehet ezt növelni.
Az együttható képlete általános esetben:
η=A/Q
η - hatékonyság, A - hasznos munka, Q - elhasznált energia
Munka és melegség
A hatásfok (rövidítve hatásfok) egy dimenzió nélküli mennyiség. Ezt százalékban határozzák meg, és a felhasznált energia és a hasznos munka arányaként számítják ki. Ez utóbbi kifejezést gyakran használják a hanyag tinédzser anyák, amikor arra kényszerítik őket, hogy tegyenek valamit a ház körül. De valójában ez a ráfordított erőfeszítés valódi eredménye. Vagyis ha a gép hatásfoka 20%, akkor a kapott energiának csak az egyötödét alakítja át akcióba. Most vásárláskorautó, az olvasónak ne legyen kérdése, hogy mekkora a motor hatásfoka.
Ha az együtthatót százalékban számítjuk ki, akkor a képlet a következő:
η=100%(A/Q)
η - hatékonyság, A - hasznos munka, Q - elhasznált energia
Veszteség és valóság
Ezek az érvek minden bizonnyal megdöbbenést okoznak. Miért ne találhatnánk ki egy olyan autót, amely több üzemanyagot tud felhasználni? Jaj, a való világ nem ilyen. Az iskolában a gyerekek olyan problémákat oldanak meg, amelyekben nincs súrlódás, minden rendszer zárt, a sugárzás szigorúan monokromatikus. A gyártóüzemek valódi mérnökei kénytelenek figyelembe venni mindezen tényezők jelenlétét. Vegyük például, hogy mekkora a hőmotor hatásfoka, és miből áll ez az együttható.
A képlet ebben az esetben így néz ki:
η=(Q1-Q2)/Q1
Ebben az esetben Q1 az a hőmennyiség, amelyet a motor kapott fűtésből, és Q2 a hőmennyiség hőt adott a környezetnek (általában hűtőszekrénynek nevezik).
Az üzemanyag felmelegszik és kitágul, az erő megnyomja a forgóelemet meghajtó dugattyút. De az üzemanyag egy edényben van. Melegítéskor hőt ad át az edény falaira. Ez energiaveszteséghez vezet. Ahhoz, hogy a dugattyú leereszkedjen, a gázt le kell hűteni. Ennek egy része a környezetbe kerül. És jó lenne, ha a gáz minden hőt a hasznos munkához adna. De sajnos nagyon lassan hűl, így forró gőz jön ki belőle. Az energia egy részét a levegő felmelegítésére fordítják. A dugattyú egy üreges fémhengerben mozog. Élei szorosan illeszkednek a falhoz, mozgáskor súrlódási erők lépnek működésbe. A dugattyú felmelegíti az üreges hengert, ami szintén energiaveszteséghez vezet. A rúd fel-le transzlációs mozgása egymáshoz dörzsölődő és felmelegedő kötések sorozatán keresztül forgatónyomatékra átvitelre kerül, vagyis a primer energia egy része is erre fordítódik.
Természetesen a gyári gépekben minden felület atomi szintig polírozott, minden fém erős és a legalacsonyabb hővezető képességgel rendelkezik, a dugattyús olaj pedig a legjobb tulajdonságokkal rendelkezik. De minden motorban a benzin energiáját az alkatrészek, a levegő és a súrlódás felmelegítésére használják.
Serpenyő és üst
Most azt javasoljuk, hogy megértsük, mi a kazán hatásfoka, és miből áll. Bármely háziasszony tudja: ha egy serpenyőben, zárt fedél alatt vizet hagyunk forrni, akkor vagy a tűzhelyre csöpög a víz, vagy a fedél „táncol”. Bármely modern kazán nagyjából ugyanúgy van elrendezve:
- a meleg felmelegít egy vízzel teli zárt edényt;
- a víz túlhevített gőzzé válik;
- táguláskor a gáz-víz keverék forgatja a turbinákat vagy mozgatja a dugattyúkat.
A motorokhoz hasonlóan a kazán, a csövek és az összes csatlakozás súrlódása során energiát veszítenek, így egyetlen mechanizmusnak sem lehet 100%-os hatásfoka.
A Carnot-ciklus szerint működő gépek képlete úgy néz ki, mint a hőmotor általános képlete, csak a hőmennyiség - hőmérséklet helyett.
η=(T1-T2)/T1.
Űrállomás
És ha az űrbe helyezné a mechanizmust? Ingyenes napenergia áll rendelkezésre a nap 24 órájában, bármilyen gáz hűtése szó szerint 0o Kelvinre szinte azonnal lehetséges. Lehet, hogy az űrben nagyobb lenne a termelés hatékonysága? A válasz kétértelmű: igen és nem. Mindezek a tényezők valóban jelentősen javíthatják az energia hasznos munkára való átadását. De még ezer tonnát is a kívánt magasságra szállítani még így is hihetetlenül drága. Még ha egy ilyen gyár ötszáz évig működik is, nem fogja megtéríteni a felszerelés költségeit, ezért a science fiction írók olyan aktívan kiaknázzák az űrlift ötletét – ez nagyban leegyszerűsítené a feladatot és kereskedelmileg életképes a gyárak űrbe helyezése.
