Hoy te diremos qué es la eficiencia (factor de eficiencia), cómo calcularlo y dónde se aplica este concepto.
Hombre y mecanismo
¿Qué tienen en común una lavadora y una fábrica de conservas? El deseo de una persona de liberarse de la necesidad de hacer todo por su cuenta. Antes de la invención de la máquina de vapor, las personas solo tenían a su disposición los músculos. Ellos mismos hacían todo: araban, sembraban, cocinaban, pescaban, tejían lino. Para asegurar la supervivencia durante el largo invierno, cada miembro de la familia campesina trabajaba durante el día desde los dos años hasta su muerte. Los más pequeños cuidaban de los animales y ayudaban (traer, contar, llamar, llevar) a los adultos. ¡La niña fue puesta detrás de una rueca por primera vez a la edad de cinco años! Incluso los viejos profundos cortaban cucharas y tejían alpargatas, y las abuelas más ancianas y enfermas se sentaban a los telares y las ruecas, si la vista se lo permitía. No tuvieron tiempo de pensar qué son las estrellas y por qué brillan. La gente se cansaba: todos los días tenían que ir a trabajar, sin importar el estado de salud, el dolor y la moral. Naturalmente, el hombre quería encontrar ayudantes que al menos aliviaran un poco sus hombros sobrecargados.
Divertido y raro
La tecnología más avanzada en aquellos días era el caballo y la rueda de molino. Pero solo hicieron dos o tres veces más trabajo que un humano. Pero los primeros inventores comenzaron a idear dispositivos que se veían muy extraños. En la película "La historia del amor eterno", Leonardo da Vinci ató pequeños botes a sus pies para caminar sobre el agua. Esto condujo a varios incidentes divertidos cuando el científico se zambulló en el lago con la ropa puesta. Aunque este episodio es solo una invención del guionista, esas invenciones deben haber sido así: cómicas y divertidas.
siglo XIX: hierro y carbón
Pero a mediados del siglo XIX todo cambió. Los científicos se han dado cuenta de la fuerza de presión del vapor en expansión. Los bienes más importantes de esa época eran el hierro para la fabricación de calderas y el carbón para calentar agua en ellas. Los científicos de esa época tenían que entender qué es la eficiencia en la física de vapor y gas, y cómo aumentarla.
La fórmula del coeficiente en el caso general es:
η=A/P
η - eficiencia, A - trabajo útil, Q - energía gastada.
Trabajo y calidez
La eficiencia (eficacia abreviada) es una cantidad adimensional. Se define como un porcentaje y se calcula como la relación entre la energía gastada y el trabajo útil. Este último término suele ser utilizado por las madres de adolescentes negligentes cuando los obligan a hacer algo en la casa. Pero, de hecho, este es el resultado real del esfuerzo realizado. Es decir, si la eficiencia de la máquina es del 20%, entonces solo convierte en acción una quinta parte de la energía recibida. Ahora al comprarcoche, el lector no debería tener una pregunta, cuál es la eficiencia del motor.
Si el coeficiente se calcula como un porcentaje, entonces la fórmula es:
η=100%(A/Q)
η - eficiencia, A - trabajo útil, Q - energía gastada.
Pérdida y realidad
Seguro que todos estos argumentos causan desconcierto. ¿Por qué no inventar un automóvil que pueda usar más energía de combustible? Por desgracia, el mundo real no es así. En la escuela, los niños resuelven problemas en los que no hay fricción, todos los sistemas están cerrados y la radiación es estrictamente monocromática. Los ingenieros reales en las plantas de fabricación se ven obligados a tener en cuenta la presencia de todos estos factores. Considere, por ejemplo, cuál es la eficiencia de un motor térmico y en qué consiste este coeficiente.
La fórmula en este caso se ve así:
η=(Q1-Q2)/Q1
En este caso, Q1 es la cantidad de calor que recibió el motor de la calefacción, y Q2 es la cantidad de calor que daba al ambiente (generalmente llamado refrigerador).
El combustible se calienta y se expande, la fuerza empuja el pistón que impulsa el elemento giratorio. Pero el combustible está contenido en algún recipiente. Cuando se calienta, transfiere calor a las paredes del recipiente. Esto conduce a pérdidas de energía. Para que el pistón descienda, el gas debe enfriarse. Para ello, parte de ella se libera al medio ambiente. Y sería bueno que el gas diera todo el calor al trabajo útil. Pero, por desgracia, se enfría muy lentamente, por lo que sale vapor caliente. Parte de la energía se gasta en calentar el aire. El pistón se mueve en un cilindro de metal hueco. Sus bordes se ajustan perfectamente a las paredes; al moverse, entran en juego fuerzas de fricción. El pistón calienta el cilindro hueco, lo que también conduce a una pérdida de energía. El movimiento de traslación hacia arriba y hacia abajo de la varilla se transmite a un par a través de una serie de juntas que rozan entre sí y se calientan, es decir, en esto también se gasta parte de la energía primaria.
Por supuesto, en las máquinas de fábrica, todas las superficies se pulen al nivel atómico, todos los metales son fuertes y tienen la conductividad térmica más baja, y el aceite de pistón tiene las mejores propiedades. Pero en cualquier motor, la energía de la gasolina se utiliza para calentar piezas, aire y fricción.
Sartén y caldero
Ahora te proponemos entender cuál es la eficiencia de la caldera, y en qué consiste. Cualquier ama de casa sabe: si deja hervir agua en una cacerola con una tapa cerrada, el agua goteará sobre la estufa o la tapa "bailará". Cualquier caldera moderna se organiza de la misma manera:
- el calor calienta un recipiente cerrado lleno de agua;
- el agua se convierte en vapor sobrecalentado;
- al expandirse, la mezcla de gas y agua hace girar turbinas o mueve pistones.
Al igual que en un motor, se pierde energía para calentar la caldera, las tuberías y la fricción de todas las juntas, por lo que ningún mecanismo puede tener una eficiencia igual al 100%.
La fórmula para máquinas que funcionan según el ciclo de Carnot se parece a la fórmula general para un motor térmico, solo que en lugar de la cantidad de calor - temperatura.
η=(T1-T2)/T1.
Estación espacial
¿Y si pones el mecanismo en el espacio? La energía solar gratuita está disponible las 24 horas del día, el enfriamiento de cualquier gas es posible literalmente a 0o Kelvin casi al instante. ¿Quizás en el espacio la eficiencia de la producción sería mayor? La respuesta es ambigua: sí y no. De hecho, todos estos factores podrían mejorar significativamente la transferencia de energía a trabajo útil. Pero entregar incluso mil toneladas a la altura deseada sigue siendo increíblemente costoso. Incluso si una fábrica de este tipo opera durante quinientos años, no pagará el costo de levantar el equipo, razón por la cual los escritores de ciencia ficción están explotando tan activamente la idea de un ascensor espacial; esto simplificaría enormemente la tarea y haría es comercialmente viable trasladar las fábricas al espacio.
