Hôm nay chúng tôi sẽ cho bạn biết hiệu quả (hệ số hiệu quả) là gì, cách tính toán nó và nơi áp dụng khái niệm này.
Con người và cơ chế
Máy giặt và máy đóng hộp có điểm gì chung? Mong muốn của một người để giải tỏa nhu cầu tự mình làm mọi thứ. Trước khi phát minh ra động cơ hơi nước, con người chỉ có cơ bắp theo ý của họ. Họ tự làm mọi việc: cày, gieo, nấu, bắt cá, đan lanh. Để đảm bảo sự sống sót trong suốt mùa đông dài, mỗi thành viên của gia đình nông dân đã làm việc ban ngày từ khi hai tuổi cho đến khi qua đời. Các em út trông nom các con vật và giúp đỡ (mang, chỉ bảo, gọi, dắt) người lớn. Cô gái lần đầu tiên được ngồi sau bánh xe quay khi mới 5 tuổi! Ngay cả những người già sâu sắc cũng cắt thìa và đan những đôi giày bệt, và những bà cụ già và ốm yếu nhất cũng ngồi bên khung dệt và bánh xe quay, nếu thị lực của họ cho phép. Họ không có thời gian để nghĩ về những ngôi sao là gì và tại sao họ lại tỏa sáng. Mọi người trở nên mệt mỏi: hàng ngày họ phải đi làm, bất kể tình trạng sức khỏe, đau đớn và tinh thần. Đương nhiên, người đàn ông muốn tìm những người giúp đỡ ít nhất có thể giảm bớt đôi vai làm việc quá sức của mình.
Hài hước và kỳ lạ
Công nghệ tiên tiến nhất trong những ngày đó là ngựa và bánh xe máy. Nhưng họ chỉ làm gấp hai hoặc ba lần công việc so với con người. Nhưng những nhà phát minh đầu tiên bắt đầu nghĩ ra những thiết bị trông rất kỳ lạ. Trong bộ phim "Câu chuyện tình yêu vĩnh cửu", Leonardo da Vinci đã gắn những chiếc thuyền nhỏ vào chân mình để đi trên mặt nước. Điều này dẫn đến một số sự cố hài hước khi nhà khoa học lao xuống hồ với bộ quần áo mặc trên người. Mặc dù tình tiết này chỉ là một phát minh của nhà biên kịch, nhưng những phát minh như vậy chắc hẳn phải trông như vậy - hài hước và vui nhộn.
Thế kỷ 19: sắt và than đá
Nhưng vào giữa thế kỷ 19, mọi thứ đã thay đổi. Các nhà khoa học đã nhận ra lực ép của hơi nước giãn nở. Hàng hóa quan trọng nhất thời đó là sắt để sản xuất nồi hơi và than để đun nước trong đó. Các nhà khoa học thời đó phải hiểu hiệu suất trong vật lý hơi nước và khí là gì, và làm thế nào để tăng nó.
Công thức cho hệ số trong trường hợp chung là:
η=A / Q
η - hiệu quả, A - công việc hữu ích, Q - năng lượng tiêu tốn.
Công việc và sự ấm áp
Hiệu quả (viết tắt là hiệu suất) là một đại lượng không có thứ nguyên. Nó được định nghĩa là một tỷ lệ phần trăm và được tính bằng tỷ lệ năng lượng tiêu hao cho công việc hữu ích. Thuật ngữ thứ hai thường được sử dụng bởi các bà mẹ của những thanh thiếu niên cẩu thả khi họ bắt chúng làm một việc gì đó trong nhà. Nhưng trên thực tế, đây là thành quả thực sự của những nỗ lực đã bỏ ra. Tức là, nếu hiệu suất của máy là 20%, thì nó chỉ chuyển 1/5 năng lượng nhận được thành hoạt động. Bây giờ khi muaô tô, người đọc không nên có câu hỏi, hiệu suất của động cơ là gì.
Nếu hệ số được tính theo phần trăm, thì công thức là:
η=100%(A / Q)
η - hiệu quả, A - công việc hữu ích, Q - năng lượng tiêu tốn.
Mất mát và thực tế
Chắc chắn tất cả những lập luận này đều gây ra hoang mang. Tại sao không phát minh ra một chiếc xe có thể sử dụng nhiều năng lượng nhiên liệu hơn? Than ôi, thế giới thực không phải như vậy. Ở trường, trẻ em giải quyết các vấn đề trong đó không có ma sát, tất cả các hệ thống đều khép kín, và bức xạ hoàn toàn là đơn sắc. Các kỹ sư thực sự tại các nhà máy sản xuất buộc phải tính đến sự hiện diện của tất cả các yếu tố này. Ví dụ, hãy xem xét hiệu suất của động cơ nhiệt là gì và hệ số này bao gồm những gì.
Công thức trong trường hợp này trông như thế này:
η=(Q1-Q2) / Q1
Trong trường hợp này, Q1là lượng nhiệt mà động cơ nhận được từ việc đốt nóng, và Q2là lượng nhiệt mà nó mang lại cho môi trường (thường được gọi là tủ lạnh).
Nhiên liệu nóng lên và nở ra, lực đẩy piston dẫn động phần tử quay. Nhưng nhiên liệu được chứa trong một số tàu. Khi bị nung nóng, nó truyền nhiệt cho thành bình. Điều này dẫn đến thất thoát năng lượng. Để piston đi xuống, khí phải được làm mát. Để làm được điều này, một phần của nó được thải ra môi trường. Và sẽ thật tốt nếu chất khí đã tỏa ra tất cả nhiệt lượng để làm việc có ích. Nhưng than ôi, nó nguội đi rất chậm nên hơi nước nóng bốc ra. Một phần năng lượng được sử dụng để làm nóng không khí. Piston chuyển động trong một hình trụ rỗng bằng kim loại. Các cạnh của nó vừa khít với tường; khi di chuyển, lực ma sát sẽ phát huy tác dụng. Piston làm nóng xylanh rỗng cũng dẫn đến mất năng lượng. Chuyển động tịnh tiến lên và xuống của thanh được truyền một mô-men xoắn thông qua một loạt các khớp cọ xát với nhau và nóng lên, tức là, một phần năng lượng sơ cấp cũng được sử dụng cho việc này.
Tất nhiên, trong các máy móc của nhà máy, tất cả các bề mặt đều được đánh bóng đến mức nguyên tử, tất cả các kim loại đều bền và có độ dẫn nhiệt thấp nhất, và dầu piston có các đặc tính tốt nhất. Nhưng trong bất kỳ động cơ nào, năng lượng của xăng được sử dụng để đốt nóng các bộ phận, không khí và ma sát.
Chảo và vạc
Bây giờ chúng tôi đề xuất hiểu hiệu suất của lò hơi là gì và nó bao gồm những gì. Bất kỳ bà nội trợ nào cũng biết: nếu bạn để nước sôi trong xoong dưới nắp đậy kín, thì nước sẽ nhỏ xuống bếp, hoặc nắp sẽ “nhảy múa”. Bất kỳ lò hơi hiện đại nào cũng được sắp xếp theo cùng một cách:
- nhiệt làm nóng một thùng kín chứa đầy nước;
- nước trở thành hơi nước quá nóng;
- khi nở ra, hỗn hợp khí-nước làm quay các tua-bin hoặc chuyển động các pít-tông.
Cũng giống như động cơ, năng lượng bị mất để làm nóng lò hơi, đường ống và ma sát của tất cả các khớp nối, vì vậy không cơ chế nào có thể có hiệu suất bằng 100%.
Công thức cho máy hoạt động theo chu trình Carnot giống như công thức chung cho động cơ nhiệt, chỉ thay vì lượng nhiệt - nhiệt độ.
η=(T1-T2) / T1.
Trạm vũ trụ
Và nếu bạn đặt cơ chế trong không gian? Năng lượng mặt trời miễn phí có sẵn 24 giờ một ngày, có thể làm mát bất kỳ loại khí nào theo nghĩa đen đến 0oKelvin gần như ngay lập tức. Có thể trong không gian hiệu quả của sản xuất sẽ cao hơn? Câu trả lời là mơ hồ: có và không. Tất cả những yếu tố này thực sự có thể cải thiện đáng kể việc chuyển giao năng lượng cho công việc hữu ích. Nhưng vận chuyển thậm chí cả nghìn tấn lên độ cao mong muốn vẫn vô cùng đắt đỏ. Ngay cả khi một nhà máy như vậy hoạt động trong năm trăm năm, nó sẽ không hoàn lại chi phí nâng cấp thiết bị, đó là lý do tại sao các nhà văn khoa học viễn tưởng rất tích cực khai thác ý tưởng về một chiếc thang máy không gian - điều này sẽ đơn giản hóa rất nhiều nhiệm vụ và làm cho nó khả thi về mặt thương mại để chuyển các nhà máy vào không gian.
