Aujourd'hui, nous vous dirons ce qu'est l'efficacité (facteur d'efficacité), comment la calculer et où ce concept est appliqué.
Homme et mécanisme
Qu'est-ce qu'une machine à laver et une conserverie ont en commun ? Le désir d'une personne de se soulager de la nécessité de tout faire par elle-même. Avant l'invention de la machine à vapeur, les hommes ne disposaient que de leurs muscles. Ils faisaient tout eux-mêmes: ils labouraient, semaient, cuisinaient, pêchaient du poisson, tissaient du lin. Pour assurer sa survie pendant le long hiver, chaque membre de la famille paysanne travaillait de jour depuis l'âge de deux ans jusqu'à sa mort. Les plus jeunes enfants s'occupaient des animaux et aidaient (amener, dire, appeler, prendre) les adultes. La fille a été mise pour la première fois derrière un rouet à l'âge de cinq ans ! Même les personnes âgées profondes coupaient des cuillères et tissaient des chaussures de liber, et les grands-mères les plus âgées et les plus infirmes s'asseyaient devant des métiers à tisser et des rouets, si leur vue le permettait. Ils n'ont pas eu le temps de réfléchir à ce que sont les étoiles et pourquoi elles brillent. Les gens étaient fatigués: tous les jours ils devaient aller travailler, peu importe l'état de santé, la douleur et le moral. Naturellement, l'homme voulait trouver des aides qui soulageraient au moins légèrement ses épaules surmenées.
Drôle et bizarre
La technologie la plus avancée à cette époque était le cheval et la roue du moulin. Mais ils ne faisaient que deux ou trois fois plus de travail qu'un humain. Mais les premiers inventeurs ont commencé à proposer des appareils qui semblaient très étranges. Dans le film "L'histoire de l'amour éternel", Léonard de Vinci a attaché de petits bateaux à ses pieds pour marcher sur l'eau. Cela a conduit à plusieurs incidents amusants lorsque le scientifique a plongé dans le lac avec ses vêtements. Bien que cet épisode ne soit qu'une invention du scénariste, de telles inventions devaient ressembler à ça - comiques et drôles.
XIXe siècle: le fer et le charbon
Mais au milieu du XIXe siècle, tout a changé. Les scientifiques ont réalisé la force de pression de la vapeur en expansion. Les marchandises les plus importantes de cette époque étaient le fer pour la fabrication de chaudières et le charbon pour y chauffer l'eau. Les scientifiques de l'époque devaient comprendre ce qu'est l'efficacité en physique de la vapeur et des gaz, et comment l'augmenter.
La formule du coefficient dans le cas général est:
η=A/Q
η - efficacité, A - travail utile, Q - énergie dépensée.
Travail et chaleur
Efficiency (rendement abrégé) est une quantité sans dimension. Elle est définie en pourcentage et se calcule comme le rapport entre l'énergie dépensée et le travail utile. Ce dernier terme est souvent utilisé par les mères d'adolescents négligents lorsqu'elles les forcent à faire quelque chose dans la maison. Mais en fait, c'est le vrai résultat de l'effort déployé. Autrement dit, si l'efficacité de la machine est de 20%, elle ne convertit qu'un cinquième de l'énergie reçue en action. Maintenant lors de l'achatvoiture, le lecteur ne devrait pas avoir de question, quelle est l'efficacité du moteur.
Si le coefficient est calculé en pourcentage, alors la formule est:
η=100%(A/Q)
η - efficacité, A - travail utile, Q - énergie dépensée.
Perte et réalité
Certes, tous ces arguments causent la perplexité. Pourquoi ne pas inventer une voiture capable de consommer plus d'énergie ? Hélas, le monde réel n'est pas comme ça. À l'école, les enfants résolvent des problèmes dans lesquels il n'y a pas de friction, tous les systèmes sont fermés et le rayonnement est strictement monochromatique. Les vrais ingénieurs des usines de fabrication sont obligés de prendre en compte la présence de tous ces facteurs. Considérez, par exemple, quelle est l'efficacité d'un moteur thermique et en quoi consiste ce coefficient.
La formule dans ce cas ressemble à ceci:
η=(Q1-Q2)/Q1
Dans ce cas, Q1 est la quantité de chaleur que le moteur a reçue du chauffage, et Q2 est la quantité de chaleur qu'il a donnée à l'environnement (généralement appelé réfrigérateur).
Le carburant chauffe et se dilate, la force pousse le piston qui entraîne l'élément rotatif. Mais le carburant est contenu dans un vaisseau. Lorsqu'il est chauffé, il transfère la chaleur aux parois du récipient. Cela entraîne des pertes d'énergie. Pour que le piston descende, le gaz doit être refroidi. Pour ce faire, une partie est rejetée dans l'environnement. Et ce serait bien si le gaz donnait toute la chaleur aux travaux utiles. Mais, hélas, il se refroidit très lentement, de sorte que de la vapeur chaude en sort. Une partie de l'énergie est dépensée pour chauffer l'air. Le piston se déplace dans un cylindre métallique creux. Ses bords s'adaptent parfaitement aux murs; lors du déplacement, les forces de frottement entrent en jeu. Le piston chauffe le cylindre creux, ce qui entraîne également une perte d'énergie. Le mouvement de translation de haut en bas de la tige est transmis à un couple à travers une série de joints qui se frottent les uns contre les autres et s'échauffent, c'est-à-dire qu'une partie de l'énergie primaire y est également dépensée.
Bien sûr, dans les machines d'usine, toutes les surfaces sont polies au niveau atomique, tous les métaux sont solides et ont la conductivité thermique la plus faible, et l'huile de piston a les meilleures propriétés. Mais dans n'importe quel moteur, l'énergie de l'essence est utilisée pour chauffer les pièces, l'air et la friction.
Poêle et chaudron
Maintenant, nous proposons de comprendre quelle est l'efficacité de la chaudière et en quoi elle consiste. Toute femme au foyer le sait: si vous laissez bouillir de l'eau dans une casserole sous un couvercle fermé, soit de l'eau s'égouttera sur la cuisinière, soit le couvercle «dansera». Toute chaudière moderne est disposée à peu près de la même manière:
- la chaleur chauffe un récipient fermé rempli d'eau;
- l'eau devient de la vapeur surchauffée;
- lorsqu'il se dilate, le mélange gaz-eau fait tourner des turbines ou déplace des pistons.
Comme dans un moteur, l'énergie est perdue pour chauffer la chaudière, les tuyaux et le frottement de tous les joints, donc aucun mécanisme ne peut avoir une efficacité égale à 100 %.
La formule pour les machines qui fonctionnent selon le cycle de Carnot ressemble à la formule générale d'un moteur thermique, mais à la place de la quantité de chaleur - température.
η=(T1-T2)/T1.
Station spatiale
Et si vous mettiez le mécanisme dans l'espace ? L'énergie solaire gratuite est disponible 24 heures sur 24, le refroidissement de n'importe quel gaz est possible littéralement à 0o Kelvin presque instantanément. Peut-être que dans l'espace l'efficacité de la production serait plus élevée ? La réponse est ambiguë: oui et non. Tous ces facteurs pourraient en effet améliorer considérablement le transfert d'énergie vers un travail utile. Mais livrer même mille tonnes à la hauteur souhaitée reste incroyablement coûteux. Même si une telle usine fonctionne pendant cinq cents ans, elle ne remboursera pas le coût d'élévation de l'équipement, c'est pourquoi les écrivains de science-fiction exploitent si activement l'idée d'un ascenseur spatial - cela simplifierait grandement la tâche et rendrait il est commercialement viable de transférer des usines dans l'espace.
