Oggi ti diremo cos'è l'efficienza (fattore di efficienza), come calcolarla e dove viene applicato questo concetto.
Uomo e meccanismo
Cos'hanno in comune una lavatrice e un conservificio? Il desiderio di una persona di liberarsi dalla necessità di fare tutto da solo. Prima dell'invenzione della macchina a vapore, le persone avevano a disposizione solo i muscoli. Facevano tutto da soli: aravano, seminavano, cucinavano, pescavano, tessevano il lino. Per garantire la sopravvivenza durante il lungo inverno, ogni membro della famiglia contadina ha lavorato ore diurne dall'età di due anni fino alla sua morte. I bambini più piccoli si prendevano cura degli animali e aiutavano (portare, raccontare, chiamare, prendere) gli adulti. La ragazza è stata messa per la prima volta dietro un filatoio all'età di cinque anni! Anche i vecchi tagliavano cucchiai e intrecciavano scarpe di rafia, e le nonne più anziane e inferme sedevano ai telai e ai filatoi, se la loro vista lo permetteva. Non hanno avuto il tempo di pensare a cosa sono le stelle e perché brillano. La gente si stancava: ogni giorno doveva andare a lavorare, indipendentemente dallo stato di salute, dal dolore e dal morale. Naturalmente, l'uomo voleva trovare aiutanti che alleggerissero almeno leggermente le sue spalle oberate di lavoro.
Divertente e strano
La tecnologia più avanzata a quei tempi era il cavallo e la ruota del mulino. Ma facevano solo due o tre volte più lavoro di un essere umano. Ma i primi inventori iniziarono a inventare dispositivi che sembravano molto strani. Nel film "La storia dell'amore eterno", Leonardo da Vinci si attacca ai piedi delle piccole barche per camminare sull'acqua. Ciò ha portato a diversi incidenti divertenti quando lo scienziato si è tuffato nel lago con i suoi vestiti addosso. Anche se questo episodio è solo un'invenzione dello sceneggiatore, tali invenzioni devono essere sembrate così: comiche e divertenti.
19esimo secolo: ferro e carbone
Ma a metà del 19° secolo tutto è cambiato. Gli scienziati hanno realizzato la forza di pressione del vapore in espansione. I beni più importanti di quel tempo erano il ferro per la fabbricazione di caldaie e il carbone per riscaldare l'acqua al loro interno. Gli scienziati di quel tempo dovevano capire cos'è l'efficienza nella fisica del vapore e del gas e come aumentarla.
La formula per il coefficiente nel caso generale è:
η=LA/Q
η - efficienza, A - lavoro utile, Q - energia spesa.
Lavoro e calore
Efficienza (efficienza abbreviata) è una quantità adimensionale. È definito come percentuale ed è calcolato come rapporto tra l'energia spesa e il lavoro utile. Quest'ultimo termine è spesso usato dalle madri di adolescenti negligenti quando li costringono a fare qualcosa in casa. Ma in re altà, questo è il vero risultato dello sforzo profuso. Cioè, se l'efficienza della macchina è del 20%, converte solo un quinto dell'energia ricevuta in azione. Ora al momento dell'acquistomacchina, il lettore non dovrebbe avere domande, qual è l'efficienza del motore.
Se il coefficiente è calcolato in percentuale, la formula è:
η=100%(A/Q)
η - efficienza, A - lavoro utile, Q - energia spesa.
Perdita e re altà
Sicuramente tutti questi argomenti provocano sconcerto. Perché non inventare un'auto in grado di 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 negli stabilimenti di produzione sono costretti a tenere conto della presenza di tutti questi fattori. Si consideri, ad esempio, qual è l'efficienza di un motore termico e in cosa consiste questo coefficiente.
La formula in questo caso è simile a questa:
η=(Q1-Q2)/Q1
In questo caso, Q1 è la quantità di calore che il motore ha ricevuto dal riscaldamento e Q2 è la quantità di calore che ha dato all'ambiente (generalmente indicato come frigorifero).
Il carburante si riscalda e si espande, la forza spinge il pistone che aziona l'elemento rotante. Ma il carburante è contenuto in qualche nave. Quando riscaldato, trasferisce il calore alle pareti della nave. Questo porta a perdite di energia. Affinché il pistone scenda, il gas deve essere raffreddato. Per fare ciò, una parte di esso viene rilasciata nell'ambiente. E sarebbe bene che il gas desse tutto il calore al lavoro utile. Ma, ahimè, si raffredda molto lentamente, quindi esce vapore caldo. Parte dell'energia viene spesa per riscaldare l'aria. Il pistone si muove in un cilindro metallico cavo. I suoi bordi si adattano perfettamente alle pareti; quando si sposta, entrano in gioco le forze di attrito. Il pistone riscalda il cilindro cavo, il che porta anche a una perdita di energia. Il movimento di traslazione su e giù dell'asta viene trasmesso ad una coppia attraverso una serie di giunti che sfregano l'uno contro l' altro e si riscaldano, cioè parte dell'energia primaria viene spesa anche per questo.
Naturalmente, nelle macchine di fabbrica, tutte le superfici sono lucidate a livello atomico, tutti i metalli sono resistenti e hanno la conduttività termica più bassa e l'olio del pistone ha le migliori proprietà. Ma in ogni motore, l'energia della benzina viene utilizzata per riscaldare parti, aria e attrito.
Pentola e calderone
Ora ci proponiamo di capire qual è il rendimento della caldaia, e in cosa consiste. Qualsiasi casalinga lo sa: se lasci bollire l'acqua in una casseruola sotto un coperchio chiuso, l'acqua gocciolerà sul fornello o il coperchio "ballerà". Qualsiasi caldaia moderna è organizzata più o meno allo stesso modo:
- il calore riscalda un contenitore chiuso pieno d'acqua;
- l'acqua diventa vapore surriscaldato;
- durante l'espansione, la miscela gas-acqua fa ruotare le turbine o muove i pistoni.
Proprio come in un motore, l'energia viene dispersa per riscaldare la caldaia, i tubi e l'attrito di tutti i giunti, quindi nessun meccanismo può avere un'efficienza pari al 100%.
La formula per le macchine che funzionano secondo il ciclo di Carnot sembra la formula generale per un motore termico, solo al posto della quantità di calore - temperatura.
η=(T1-T2)/T1.
Stazione spaziale
E se metti il meccanismo nello spazio? L'energia solare gratuita è disponibile 24 ore al giorno, il raffreddamento di qualsiasi gas è possibile letteralmente fino a 0o Kelvin quasi istantaneamente. Forse nello spazio l'efficienza della produzione sarebbe maggiore? La risposta è ambigua: sì e no. Tutti questi fattori potrebbero infatti migliorare significativamente il trasferimento di energia al lavoro utile. Ma consegnare anche mille tonnellate all' altezza desiderata è ancora incredibilmente costoso. Anche se una tale fabbrica opera per cinquecento anni, non ripagherà il costo dell'aumento dell'attrezzatura, motivo per cui gli scrittori di fantascienza stanno sfruttando così attivamente l'idea di un ascensore spaziale: ciò semplificherebbe notevolmente il compito e renderebbe è commercialmente fattibile trasferire le fabbriche nello spazio.
