PHYSIC LESSONS: ΑΠΟΔΟΣΗ ΜΗΧΑΝΗΣ

ΑΠΟΔΟΣΗ ΜΗΧΑΝΗΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας όταν μια μηχανή μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε μια άλλη η ολική ενέργεια διατηρείται.Η ΔΕΗ συνιστά να αντικαταστήσουμε τους λαμπτήρες πυράκτωσης με λαμπτήρες φθορισμού για να πετύχουμε εξοικονόμηση ενέργειας.

Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας όταν μια μηχανή μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε μια άλλη η ολική ενέργεια διατηρείται

Κατά τη μετατροπή της ενέργειας από τη μια μορφή σε άλλη,ενώ η συνολική ενέργεια διατηρείται,η χρήσιμη (ωφέλιμη) είναι πάντοτε μικρότερη της ενέργειας που προσφέρεται αρχικά.Μια μηχανή ή συσκευή μετατρέπει ενέργεια από μια μορφή σε άλλη.

Διάφορες μορφές ενέργειας

Η προσφερόμενη ενέργεια είναι πάντοτε ίση με το άθροισμα της χρήσιμης ενέργειας και της ενέργειας που διασκορπίζεται με τη μορφή θερμικής ενέργειας.

Οι μηχανές μετατρέπουν μια μορφή ενέργειας σε άλλη

Η αρχή της διατήρησης της ενέργειας είναι λοιπόν η απλή σχέση:

κινητήριο έργο=ωφέλιμο έργο+έργο που χάνεται σε θερμότητα.

ΑΠΩΛΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Θα μελετήσουμε ένα απλό παράδειγμα για να δούμε τις μετατροπές ενέργειας που συμβαίνουν.Θεωρούμε ένα κινητήρα ο οποίος χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να ανυψώσει σε ύψος h,τα κιβώτια που βρίσκονται στο έδαφος.

Θεωρούμε ένα κινητήρα ο οποίος χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να ανυψώσει σε ύψος h,τα κιβώτια που βρίσκονται στο έδαφος

Για να ανυψώσει ο κινητήρας ένα κιβώτιο σε ύψος h απορροφά ενέργεια.Έστω η ενέργεια αυτή είναι W1 και έστω το σώμα αποκτά δυναμική ενέργεια W2.Η ενέργεια W2 θα είναι μικρότερη από W1 διότι υπάρχουν τριβές στα κινούμενα μέρη του κινητήρα και οι αγωγοί θερμαίνονται όταν διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα.

Η διαφορά W1-W2 είναι η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας η οποία μετατρέπεται σε θερμότητα.
Η ποσότητα W1-W2 ονομάζεται απώλεια ενέργειας.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

Όμως για πρακτικούς λόγους αντί για την απώλεια ενέργειας, δηλαδή το W1-W2,χρησιμοποιούμε το πηλίκο W2/W1 το οποίο ονομάζεται απόδοση της μηχανής και εκφράζεται σε ποσοστό επί τοις εκατό.

Ενεργειακή μετατροπή σε ένα σύστημα

Άρα:
Απόδοση μιας μηχανής η ονομάζεται το πηλίκο της χρήσιμης προς την προσφερόμενη ενέργεια.
Χρησιμοποιώντας μαθηματικά σύμβολα μπορούμε να γράψουμε:

n=Εχρήσιμη/Επροσφερόμενη

Η απόδοση εκφράζεται ως ποσοστό % και είναι πάντοτε μικρότερη ή το πολύ ίση με 100%

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

Για παράδειγμα η απόδοση ατμομηχανής είναι 10%-15%,η απόδοση κινητήρα είναι 20%-30%,η απόδοση ηλεκτροκινητήρα ή γεννήτριας είναι 80%-95%.
Μόνο όταν το έργο που χάνεται σε θερμότητα θα ήταν μηδέν θα μπορούσε ο συντελεστής απόδοσης να γίνει ένα,αλλά αυτό δεν γίνεται ποτέ).

Η απόδοση ηλεκτροκινητήρα είναι 80%-95%

Μια μηχανή με απόδοση 80% αν απορροφήσει 100 Joule,θα αποδώσει 80 Joule και 20 Joule θα μετατραπούν σε άλλες μορφές ενέργειας π.χ. ήχος,θερμότητα.
Η έννοια της απόδοσης επεκτείνεται και σε άλλες περιπτώσεις στις οποίες μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε μια άλλη.
Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι προσεγγιστικές τιμές της απόδοσης διαφόρων μηχανών,συσκευών και εξαρτημάτων

Είδος μηχανής	Μετατρέπει την ενέργεια από:	Απόδοση %
Ηλεκτρική γεννήτρια Ηλεκτρικός κινητήρας Ξηρό ηλεκτρικό στοιχείο Φούρνος υγραερίου οικιακής χρήσης Πυραυλοκινητήρας υγρού καυσίμου Τουρμπινοκινητήρας ατμού Εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Τουρμπινοκινητήρας αεροπλάνου Laser στερεής κατάστασης Μηχανή εσωτερικής καύσης π.χ. βενζινοκινητήρας Ηλιακό στοιχείο Αρσενικούχου γυαλιού Ηλιακό στοιχείο πυριτίου Λάμπα φθορισμού Λαμπτήρας πυράκτωσης Ατμομηχανή	Κινητική σε ηλεκτρική Ηλεκτρική σε κινητική Χημική σε ηλεκτρική Χημική σε θερμική στο σώμα που θερμαίνεται Χημική σε κινητική Θερμική σε κινητική Χημική σε ηλεκτρική από λιγνίτη,άνθρακα Πυρηνική σε ηλεκτρική από πυρηνική ενέργεια Χημική σε κινητική Ηλεκτρική σε φωτεινή Χημική σε κινητική Φωτεινή σε ηλεκτρική Φωτεινή σε ηλεκτρική Ηλεκτρική σε φωτεινή Ηλεκτρική σε φωτεινή Θερμική σε κινητική	70-99 50-93 90 70-85 47 35-46 30-40 30-35 36 30 20-30 >20 12-16 20 5 8

ΑΠΟΔΟΣΗ ΜΗΧΑΝΗΣ ΕΝΟΣ ΛΑΜΠΤΗΡΑ

Για παράδειγμα θα εξετάσουμε την ενεργειακή μετατροπή σ' έναν ηλεκτρικό λαμπτήρα πυράκτωσης.

Ο λαμπτήρας φωτοβολεί,όταν το νήμα,θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία,επειδή διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα

Ο λαμπτήρας φωτοβολεί,όταν το νήμα,θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία,επειδή διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα.Συνεπώς η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική και σε φωτεινή ενέργεια.
Η απόδοση του λαμπτήρα θα είναι:

α=φωτεινή ενέργεια/ηλεκτρική ενέργεια·100%

Σ' ένα λαμπτήρα πυράκτωσης μόνο το 5% της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε χρήσιμη φωτεινή ενέργεια,ενώ το υπόλοιπο 95% απλώς θερμαίνει τον αέρα του δωματίου.