Fizikából nem értem a hatásfokot. Valaki tud segíteni?

Vegyük pédának a lift hatásfokát.

A befektetett energia az összes energia ami ahhoz szükséges, hogy a lift az emberekkel együtt felmenjen a 3.ra.

De mivel nekünk csak az kell hogy az emberek felmenjenek, ezért a hasznos energia az energia, amivel az emberek feljutnának (lift nélkül)

Így haszontalan az energia amivel a lift önmagát felviszi.

Másik példa:

Ha egy építkezésen egy 1 kg tömegű vödörrel egy 80 kg-os munkás felvisz 10 kg maltert, akkor a hasznos munka az, ami ahhoz kell, hogy a 10 kg malter felmenjen. Az összes munka meg az, hogy 80+1+10 = 91 kg össztömeg felment.

Ha pedig egy csigán átvetett kötéllel húzzuk fel a vödröt, akkor a hasznos munka most is ugyanannyi (a 10 kg malter felkerül olyan magasra), az összes munka pedig az, hogy a malter mellett a vödör is felment, tehát 11 kg tömeg felemelésének a munkája.

Érdekes megközelítés az előző két példa.

A lift esete az egy külön szakma, ne is menjünk bele a részletekbe, már az ellensúly miatt is egész másképp vannak ott a dolgok.

A hatásfokot alapvetően a veszteségbe ment energiák, teljesítmények miatt emlegetjük.

Veszteségbe ment energiák, teljesítmények alatt értem azt, ami számunkra nem hasznos, azaz rontó tényező.

Legegyszerűbb talán egy állócsigás példa, valamilyen G súlyú terhet fel akarunk emelni, h magasságba.

Felment a teher, így E=G*h többlet energiára tett szert.

Ha pl. 400 N volt a teher és 5m a magasság, akkor ez 2000 J energiát jelentett.

Ez a 2000J hasznos munkának minősül, hiszen elértük a célt, azt hogy fölmenjen a teher.

A másik oldal: Munkát kellett befektetnünk. A kérdés, hogy mennyi munkát. Ott állt a munkás és felhúzta a kötéllel a terhet.

Állócsiga esetén a munkás által kifejtendő erő megegyezik a teher súlyával, azaz most 400N.

Ebből a befektetett munka: szintén 2000J.

Mit jelent ez?

Azt, hogy a hasznos, és bevezetett munka megegyezik.

Akkor a kettő aránya 1. Vagyis a hatásfok 100%.

Na ez szép és jó, de csak a mesében van. A valóságban veszteségek lépnek fel:

-A csigán forgás közben a kötél(vagy acélsodrony) deformálódik, ezt úgy hívják, hogy kötélsúrlódásból adódó veszteség.

-A csiga tengelyénél csapágysúrlódás van, ebből csapágysúrlódási energiaveszteség adódik.

-A kötélnek is van tömege, így egy plussz tömeget kell mozgatni.

-Egyéb veszteségek.

Mivel ezek veszteségek, ezért pluszban be kell fektetni őket, azaz a munkásnak plusz erőt kell kifejteni.

Ha ezeket a veszteségeket ismerjük, akkor kiszámíthatjuk a befektetendő munkát.

Legyen most:

-kötélsúrlódási veszteség: 25J.

-Csapágysúrlódási veszteség: 75J.

Az összes munkaveszteség: 75J+25J=100J.

Ez többletként befektetendő munka.

Az összes befektetendő munka tehát:

2000J+veszteségi munka=2000J+100J=2100J.

A hasznos munka 2000J volt.

A hatásfok ezzel:

éta=2000/2100=0.95 (95%).

Ez egyébként összhangban áll a gyakorlattal, a csigák hatásfoka elég jók.

Felmerülhet a kérdés, hova lesz az 5%?

Ez bizony súrlódás révén hővé alakul, éppúgy, mint amikor a kezed összedörzsölöd, ha fázol.

Az előbb említett csigás példa továbbfejlesztett változata, amit persze a gyakorlatban is döntően alkalmaznak, amikor villamos motor van a meghajtó oldalon.

(Mert ugye ki a fene szeret terheket emelgetni, amit lehet, bízzunk gépekre)

Ilyenkor persze be kell építeni még egy közlőművet (pl. szíjhajtás vagy csigahajtás) ill. igen gyakran még beépítenek mozgócsigákat is (az erő felezése, negyedelés, stb. érdekében).

Így persze további veszteségek lépnek fel, nézzük miből is:

-Villamos motor: Motorban lévő csapsúrlódások, ventillációs veszteségek, stb. hatásfoka kb. 95%.

-Közlőmű: szíjhajtásnál szíjdeformáció (slip), hatásfok kb. 95%.

csigahajtásnál tetemes súrlódás, a kb. 50-100 szoros áttétel miatt, hatásfok kb. 60-70%.

-Mozgócsiga veszteségei.

-állócsiga veszteségei.

Na most ez így megint szép és jó, de mit csináljunk a sok veszteséggel, mekkora lesz vajon az egész rendszer összes hatásfoka?

Ez ugye a nagy kérdés, mert az érdekel bennünket, hogy a motorba bemegy P=U*I villamos teljesítmény, ha úgytetszik W=U*I*t villamos energia, és ebből mennyi G*h mechanikai munkát tudunk a végén hasznosítani.

Hát a válasz az, hogy minden egyes veszteségnek a hatásfokait össze kell szoroznunk.

Nézzük tehát sorban a részhatásfokokat:

-Villamos motor: 95%

-Csigahajtás: 65%

-Állócsiga: 95%

-Mozgócsiga: 95%

(szíjhajtást most nem raktunk bele).

Az eredő hatásfok tehát:

0.95X0.65X0.95X0.95=0.55=55%.

Mit jelent ez? Azt hogy ha az előző példa szerint 2000J munkát kell hasznosítanunk, ez a befektetendő munkának csak 55%-a.

A befektetendő munka tehát:

2000/0.55=3640J.

Tehát a bevezetendő villamos munka, amit a motorba vezetünk be: 3640 J.

A gyakorlatban persze az érdekes, hogy hány kW-os motort építsünk be.

Ehhez szükségünk van a teheremelés sebességére, legyen ez most 3.5 km/h

Ekkor a teher emelkedési ideje: t=s/v=5*3.6/3.5=5.14 sec.

A teljesítményt persze úgy kapjuk, hogy a munkát az idővel osztjuk:

P=3640/5.14=708W.

Hát ha elmész motort vásárolni, persze nincs 708 kW-os, 720W-osat fogsz találni, na ezt kell beépíteni.

Még egy kiegészítést tennék:

Szembetűnő, hogy az első esetben a hatásfok 95%, míg a másodiknál 55%.

Felvetődhet a következő kérdés:

Gépek alkalmazásával romlana a hatásfok?

A válasz: nem.

Ugyanis az első esetben nem az igazi bemenő energiával számoltunk. Na de akkor mi a bemenő energia?

Hát az, amit a munkás élelemként elfogyasztott.

Erre könnyen végezhetsz apró számítást, ismert ugyanis, hogy pl. zsemle, kenyér, hány kilokalória (kcal).

Például a csokoládéspapírt is ha figyelted, rá van írva, hogy mennyi kcal.

Na ebből vissza tudod számítani Joule-ba a bevezetendő munkát.

Körülbelül az fog kijönni, hogy 1 kocka csokoládénak 16-od részét elegendő megenni, ahhoz, hogy a munkás bevigye a hasznos munkának megfelelő energiát.

Ezt azonban tudjuk, hogy nem így van, sokkal többet kell megenni, de miért is?

Azért, mert az ember hatásfoka közelítően 5-7 %, rendkívül rossz.

Így már azonnal választ kaphatunk az eredeti kérdésre, hiszen az első esetben az így számolt hatásfok:

0.95X0.06=0.057 Ez mindössze 5.7%.

Tehát kijelenthetjük, hogy gépek alkalmazásával nem rontottuk, sőt kb. 10-szeresére jobbítottuk a hatásfokot.

Van még 1 nagyon egyszerű példa, amivel garantáltan megérted a hatásfokot:

Villanykörte. A bevezetett U*I villamos teljesítménynek csak kb. 5-10%-a alakul fényenergiává.

Mert ugye a fény, ami hasznos ebből.

Hova lesz a maradék 90-95% ?

Hőenergiává. Veszteségi hőteljesítménnyé alakul.

Ezt könnyen beláthatod, kapcsolj be egy körtét, megfogod a kezeddel ,már néhány másodperc alatt fölmelegszik (az idővel exponenciális növekedéssel) és érzed, hogy forró.

A körte hatásfoka tehát kb. 5-10%

Van egy elírás:

"A bevezetett U*I villamos teljesítménynek csak kb. 5-10%-a alakul fényenergiává."

Helyesen:

A bevezetett U*I villamos teljesítménynek csak kb. 5-10%-a alakul fényteljesítménnyé.