Hoje vamos dizer o que é eficiência (fator de eficiência), como calculá-la e onde esse conceito é aplicado.
Homem e mecanismo
O que uma máquina de lavar e uma fábrica de conservas têm em comum? O desejo de uma pessoa de se aliviar da necessidade de fazer tudo por conta própria. Antes da invenção da máquina a vapor, as pessoas tinham apenas seus músculos à disposição. Eles faziam tudo sozinhos: lavravam, semeavam, cozinhavam, pescavam, teciam linho. Para garantir a sobrevivência durante o longo inverno, cada membro da família camponesa trabalhou durante o dia desde os dois anos de idade até sua morte. As crianças mais novas cuidavam dos animais e ajudavam (trazem, contam, chamam, levam) os adultos. A menina foi colocada pela primeira vez atrás de uma roda de fiar aos cinco anos de idade! Até os velhos profundos cortavam colheres e teciam sapatinhos de fibra, e as avós mais velhas e enfermas sentavam-se em teares e rocas, se sua visão permitisse. Eles não tiveram tempo para pensar sobre o que são as estrelas e por que elas brilham. As pessoas se cansavam: todos os dias tinham que ir trabalhar, independentemente do estado de saúde, dor e moral. Naturalmente, o homem queria encontrar ajudantes que aliviassem pelo menos um pouco seus ombros sobrecarregados.
Engraçado e estranho
A tecnologia mais avançada naqueles dias era o cavalo e a roda do moinho. Mas eles faziam apenas duas ou três vezes mais trabalho do que um humano. Mas os primeiros inventores começaram a criar dispositivos que pareciam muito estranhos. No filme "A História do Amor Eterno", Leonardo da Vinci prendeu pequenos barcos aos pés para andar sobre a água. Isso levou a vários incidentes engraçados quando o cientista mergulhou no lago vestido. Embora este episódio seja apenas uma invenção do roteirista, tais invenções devem ter parecido com isso - cômicas e engraçadas.
século XIX: ferro e carvão
Mas em meados do século 19 tudo mudou. Os cientistas perceberam a força de pressão do vapor em expansão. Os bens mais importantes da época eram o ferro para a fabricação de caldeiras e o carvão para aquecimento de água nelas. Os cientistas da época precisavam entender o que é eficiência na física do vapor e do gás e como aumentá-la.
A fórmula para o coeficiente no caso geral é:
η=A/Q
η - eficiência, A - trabalho útil, Q - energia gasta.
Trabalho e calor
Eficiência (eficiência abreviada) é uma quantidade adimensional. É definido como uma porcentagem e é calculado como a razão entre a energia gasta e o trabalho útil. O último termo é frequentemente usado por mães de adolescentes negligentes quando os obrigam a fazer algo em casa. Mas, na verdade, este é o resultado real do esforço despendido. Ou seja, se a eficiência da máquina for de 20%, ela converte apenas um quinto da energia recebida em ação. Agora ao comprarcarro, o leitor não deve ter uma pergunta, qual é a eficiência do motor.
Se o coeficiente for calculado como uma porcentagem, então a fórmula é:
η=100%(A/Q)
η - eficiência, A - trabalho útil, Q - energia gasta.
Perda e realidade
Certamente todos esses argumentos causam perplexidade. Por que não inventar um carro que pode usar mais energia de combustível? Infelizmente, o mundo real não é assim. Na escola, as crianças resolvem problemas nos quais não há atrito, todos os sistemas são fechados e a radiação é estritamente monocromática. Engenheiros reais em fábricas são forçados a levar em conta a presença de todos esses fatores. Considere, por exemplo, qual é a eficiência de uma máquina térmica e em que consiste esse coeficiente.
A fórmula neste caso é assim:
η=(Q1-Q2)/Q1
Neste caso, Q1 é a quantidade de calor que o motor recebeu do aquecimento e Q2 é a quantidade de calor calor que dava ao ambiente (geralmente referido como geladeira).
O combustível aquece e expande, a força empurra o pistão que aciona o elemento rotativo. Mas o combustível está contido em algum navio. Quando aquecido, transfere calor para as paredes do recipiente. Isso leva a perdas de energia. Para que o pistão desça, o gás deve ser resfriado. Para isso, parte dela é liberada no meio ambiente. E seria bom se o gás desse todo o calor ao trabalho útil. Mas, infelizmente, esfria muito lentamente, então sai vapor quente. Parte da energia é gasta no aquecimento do ar. O pistão se move em um cilindro de metal oco. Suas bordas se encaixam perfeitamente nas paredes; ao se mover, as forças de atrito entram em ação. O pistão aquece o cilindro oco, o que também leva a uma perda de energia. O movimento de translação para cima e para baixo da haste é transmitido a um torque através de uma série de juntas que roçam umas nas outras e aquecem, ou seja, parte da energia primária também é gasta nisso.
Claro, nas máquinas de fábrica, todas as superfícies são polidas até o nível atômico, todos os metais são fortes e têm a menor condutividade térmica, e o óleo de pistão tem as melhores propriedades. Mas em qualquer motor, a energia da gasolina é usada para aquecer peças, ar e atrito.
Pan e caldeirão
Agora nos propomos a entender qual é a eficiência da caldeira e em que consiste. Qualquer dona de casa sabe: se você deixar a água ferver em uma panela com a tampa fechada, a água pingará no fogão ou a tampa “dançará”. Qualquer caldeira moderna é organizada da mesma maneira:
- calor aquece um recipiente fechado cheio de água;
- água se transforma em vapor superaquecido;
- ao expandir, a mistura gás-água gira turbinas ou move pistões.
Assim como em um motor, a energia é perdida para aquecer a caldeira, tubos e fricção de todas as juntas, então nenhum mecanismo pode ter uma eficiência igual a 100%.
A fórmula para máquinas que trabalham de acordo com o ciclo de Carnot se parece com a fórmula geral para uma máquina térmica, só que em vez da quantidade de calor - temperatura.
η=(T1-T2)/T1.
Estação Espacial
E se você colocar o mecanismo no espaço? A energia solar gratuita está disponível 24 horas por dia, o resfriamento de qualquer gás é possível literalmente a 0o Kelvin quase instantaneamente. Talvez no espaço a eficiência da produção fosse maior? A resposta é ambígua: sim e não. Todos esses fatores podem, de fato, melhorar significativamente a transferência de energia para o trabalho útil. Mas entregar até mil toneladas na altura desejada ainda é incrivelmente caro. Mesmo que essa fábrica opere por quinhentos anos, ela não pagará o custo de elevar o equipamento, e é por isso que os escritores de ficção científica estão explorando tão ativamente a ideia de um elevador espacial - isso simplificaria muito a tarefa e tornaria comercialmente viável transferir fábricas para o espaço.
