امروز به شما خواهیم گفت که کارایی (ضریب کارایی) چیست، چگونه آن را محاسبه کنید و این مفهوم در کجا اعمال می شود.
مرد و مکانیسم
ماشین لباسشویی و کارخانه کنسروسازی چه مشترکاتی دارند؟ تمایل یک فرد برای رهایی از نیاز به انجام همه کارها به تنهایی. قبل از اختراع ماشین بخار، مردم فقط ماهیچه های خود را در اختیار داشتند. همه کارها را خودشان انجام دادند: شخم زدند، کاشتند، پختند، ماهی گرفتند، کتان بافند. برای اطمینان از زنده ماندن در زمستان طولانی، هر یک از اعضای خانواده دهقان از سن دو سالگی تا زمان مرگ ساعات روز کار می کردند. کوچکترین بچه ها از حیوانات مراقبت می کردند و به بزرگترها کمک می کردند (بیاورند، بگویید، تماس بگیرند، ببرند). دختر اولین بار در سن پنج سالگی پشت چرخ چرخانده شد! حتی پیرمردهای عمیق قاشق می‌تراشند و کفش‌های بست می‌بافند و پیرترین و ناتوان‌ترین مادربزرگ‌ها، اگر بینایی‌شان اجازه می‌داد، پشت ماشین‌های بافندگی و چرخ‌های نخ ریسی می‌نشستند. آنها وقت نداشتند به این فکر کنند که ستاره ها چیست و چرا می درخشند. مردم خسته شدند: هر روز بدون توجه به وضعیت سلامتی، درد و روحیه باید می رفتند و کار می کردند. به طور طبیعی، آن مرد می خواست کمک هایی پیدا کند که حداقل کمی از شانه های پرکار او تسکین دهند.
خنده دار و عجیب
پیشرفته ترین تکنولوژی آن روزها اسب و چرخ آسیاب بود. اما آنها فقط دو یا سه برابر بیشتر از یک انسان کار کردند. اما اولین مخترعان شروع به ساخت دستگاه هایی کردند که بسیار عجیب به نظر می رسید. لئوناردو داوینچی در فیلم «داستان عشق ابدی» قایق های کوچکی را به پای خود وصل کرد تا روی آب راه برود. این منجر به چندین حادثه خنده دار شد زمانی که دانشمند با لباس هایش در دریاچه فرو رفت. اگرچه این قسمت فقط اختراع فیلمنامه نویس است، اما چنین اختراعاتی باید به نظر می رسید - خنده دار و خنده دار.
قرن 19: آهن و زغال سنگ
اما در اواسط قرن نوزدهم همه چیز تغییر کرد. دانشمندان به نیروی فشار ناشی از انبساط بخار پی برده اند. مهمترین کالاهای آن زمان آهن برای ساخت دیگ و زغال سنگ برای گرم کردن آب در آنها بود. دانشمندان آن زمان باید درک می کردند که کارایی در فیزیک بخار و گاز چیست و چگونه آن را افزایش دهند.
فرمول ضریب در حالت کلی این است:
η=A/Q
η - کارایی، A - کار مفید، Q - انرژی مصرف شده.
کار و گرما
کارایی (به اختصار بازده) یک کمیت بدون بعد است. به صورت درصد تعریف می شود و به عنوان نسبت انرژی مصرف شده به کار مفید محاسبه می شود. اصطلاح اخیر اغلب توسط مادران نوجوان سهل انگار استفاده می شود که آنها را مجبور به انجام کاری در خانه می کنند. اما در واقع، این نتیجه واقعی تلاش های انجام شده است. یعنی اگر راندمان دستگاه 20 درصد باشد، تنها یک پنجم انرژی دریافتی را به عمل تبدیل می کند. الان موقع خریدماشین، خواننده نباید سوال داشته باشد که کارایی موتور چقدر است.
اگر ضریب به صورت درصد محاسبه شود، فرمول این است:
η=100%(A/Q)
η - کارایی، A - کار مفید، Q - انرژی مصرف شده.
ضرر و واقعیت
مطمئناً همه این استدلال ها باعث سرگردانی می شود. چرا ماشینی اختراع نمی کنید که بتواند انرژی سوخت بیشتری مصرف کند؟ افسوس که دنیای واقعی اینطور نیست. در مدرسه، کودکان مسائلی را حل می کنند که در آن اصطکاک وجود ندارد، همه سیستم ها بسته هستند و تابش کاملاً تک رنگ است. مهندسان واقعی در کارخانه های تولیدی مجبورند وجود همه این عوامل را در نظر بگیرند. به عنوان مثال، راندمان یک موتور حرارتی را در نظر بگیرید و این ضریب از چه چیزی تشکیل شده است.
فرمول در این مورد به این صورت است:
η=(Q1-Q2)/Q1
در این مورد، Q1 مقدار گرمایی است که موتور از گرم کردن دریافت می کند، و Q2 مقدار گرمایی است گرمایی که به محیط می دهد (که معمولاً به آن یخچال گفته می شود).
سوخت گرم می شود و منبسط می شود، نیرو به پیستون فشار می آورد که عنصر دوار را به حرکت در می آورد. اما سوخت در برخی از کشتی ها وجود دارد. هنگامی که گرم می شود، گرما را به دیواره های ظرف منتقل می کند. این منجر به اتلاف انرژی می شود. برای اینکه پیستون پایین بیاید، گاز باید خنک شود. برای این کار بخشی از آن در محیط رها می شود. و اگر گاز تمام گرما را به کار مفید بدهد خوب است. اما افسوس که خیلی آرام خنک می شود، بنابراین بخار داغ بیرون می آید. بخشی از انرژی صرف گرم کردن هوا می شود.پیستون در یک سیلندر فلزی توخالی حرکت می کند. لبه های آن به خوبی روی دیوارها قرار می گیرد؛ هنگام حرکت، نیروهای اصطکاک وارد عمل می شوند. پیستون سیلندر توخالی را گرم می کند که منجر به از دست دادن انرژی نیز می شود. حرکت انتقالی بالا و پایین میله از طریق مجموعه ای از مفاصل به یک گشتاور منتقل می شود که به یکدیگر ساییده می شوند و گرم می شوند، یعنی بخشی از انرژی اولیه نیز صرف این می شود.
البته در ماشین های کارخانه ای تمام سطوح تا حد اتمی صیقل داده می شوند، تمام فلزات مستحکم بوده و کمترین رسانایی حرارتی را دارند و روغن پیستون بهترین خواص را دارد. اما در هر موتوری از انرژی بنزین برای گرم کردن قطعات، هوا و اصطکاک استفاده می شود.
تابه و دیگ
اکنون پیشنهاد می کنیم بفهمیم کارایی دیگ چیست و از چه چیزی تشکیل شده است. هر کدبانویی می داند: اگر آب را در یک قابلمه زیر درب بسته بگذارید تا بجوشد، یا آب روی اجاق گاز می چکد یا درب آن "رقص" می کند. هر دیگ بخار مدرن تقریباً به همین ترتیب چیده شده است:
- گرما یک ظرف دربسته پر از آب را گرم می کند؛
- آب به بخار فوق گرم تبدیل می شود؛
- هنگام انبساط، مخلوط گاز و آب توربین ها را می چرخاند یا پیستون ها را حرکت می دهد.
درست مانند یک موتور، انرژی برای گرم کردن دیگ بخار، لوله ها و اصطکاک همه اتصالات از دست می رود، بنابراین هیچ مکانیزمی نمی تواند بازدهی برابر با 100٪ داشته باشد.
فرمول ماشین‌هایی که طبق چرخه کارنو کار می‌کنند، فقط به جای مقدار گرما - دما، شبیه فرمول کلی یک موتور حرارتی است.
η=(T1-T2)/T1.
ایستگاه فضایی
و اگر مکانیزم را در فضا قرار دهید؟ انرژی خورشیدی رایگان در 24 ساعت شبانه روز در دسترس است، خنک کردن هر گازی به معنای واقعی کلمه تا 0o کلوین تقریباً بلافاصله امکان پذیر است. شاید در فضا راندمان تولید بالاتر باشد؟ پاسخ مبهم است: بله و خیر. همه این عوامل در واقع می توانند انتقال انرژی به کار مفید را به طور قابل توجهی بهبود بخشند. اما تحویل حتی هزار تن به ارتفاع مورد نظر همچنان فوق العاده گران است. حتی اگر چنین کارخانه‌ای پانصد سال کار کند، هزینه تولید تجهیزات را پس نمی‌دهد، به همین دلیل است که نویسندگان داستان‌های علمی تخیلی فعالانه از ایده آسانسور فضایی استفاده می‌کنند - این کار را تا حد زیادی ساده می‌کند و باعث می‌شود انتقال کارخانه ها به فضا از نظر تجاری قابل دوام است.
