Warto przeczytać

Wielkość fizyczna zwana sprawnością opisuje, jak skutecznie dane urządzenie zamienia jeden rodzaj energii w inny. Sprawność możemy podać dla każdego urządzenia, w którym zachodzi taka przemiana – przykładowo, w przypadku samochodu sprawność silnika wskazywać będzie, jaka część energii chemicznej uzyskanej podczas spalania benzyny zostanie zamieniona w energię kinetyczną pojazdu. W przypadku miksera – jaka część energii elektrycznej ulegnie przemianie w energię kinetyczną ruchu łopatek. Innymi słowy, sprawność urządzenia mówi nam o tym, jaka część energii dostarczonej do układu w pierwotnej formie ulegnie zamianie na inną, często bardziej użyteczną postać energii.

Efektywność przemian energii

Przyjmijmy, że dostarczamy do układu energię EIndeks dolny wej_wej, z której część zostanie zamieniona w inną, użyteczną formę. Część tę nazwijmy EIndeks dolny wyj_wyj. Pozostała część energii zostaje stracona, np. na skutek wydzielania ciepła, światła lub dźwięku, działania sił tarcia itd. Schematycznie ilustruje to Rys. 1.

RtVgVIgZeB4vd

Rys. 1. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym przedstawiono schematycznie przemianę energii w urządzeniu mechanicznym. Na ilustracji widoczne jest schematycznie urządzenie w postaci dużego, okręgu o niebieskim wypełnieniu. Z lewej strony na urządzenie wskazuje jasnoniebieska, pozioma strzałka, skierowana w prawo i opisana jako energia wejściowa, wielka litera E z indeksem dolnym małymi literami wej. Z prawej strony z urządzenia wychodzi ciemnoniebieska, pozioma strzałka skierowana w prawo i opisana jako energia wyjściowa, wielka litera E z indeksem dolnym małymi literami wyj. Z dolnej części urządzenia wychodzi czerwona strzałka początkowa biegnąca pionowa w dół a następnie skręcająca poziomo w lewo. Strzałkę tę podpisano, jako straty energii. Pod ilustracją widnieje wzór, według którego energia wyjściowa jest mniejsza od energii wejściowej.

Przy tak określonych wielkościach, sprawność $\eta$ (czytaj: eta) jest zdefiniowana następująco:

$\eta =\frac{E_{\mathrm{\text{wyj}}}}{E_{\mathrm{\text{wej}}}}$

Jak widzisz, sprawność, jako iloraz dwóch wartości energii, jest wielkością bezwymiarową. Identyczną relację możemy zapisać, biorąc pod uwagę moc urządzenia:

$\eta =\frac{P_{\mathrm{\text{wyj}}}}{P_{\mathrm{\text{wej}}}}$

W tym przypadku $P_{\mathrm{\text{wej}}}$oznacza moc (energię w jednostce czasu) dostarczaną do urządzenia, natomiast $P_{\mathrm{\text{wyj}}}$ – moc, po przekształceniu jej w urządzeniu w bardziej użyteczną formę.

Sprawność ma ograniczoną wartość.

Z powyższego wzoru wynika, że maksymalna sprawność danego urządzenia może wynieść 1. Wartość ta jest osiągana tylko wtedy, gdy energia opuszczająca układ jest dokładnie równa energii dostarczonej. Taki warunek byłby spełniony przy założeniu braku wszelkich strat energii. Istnienie takiego urządzenia jest, zgodnie z prawami fizyki, niemożliwe, gdyż łamałoby ono II zasadę termodynamikiII zasada termodynamikiII zasadę termodynamiki (informacje na jej temat znajdziesz w e‑materiałach „Jak brzmi II zasada termodynamikiII zasada termodynamikiII zasada termodynamiki?” oraz „Jak zinterpretować II zasadę termodynamikiII zasada termodynamikiII zasadę termodynamiki?”). Jako ciekawostkę możemy dodać, że urządzenia, które (hipotetycznie!) pracowałyby wbrew II zasadzie termodynamikiII zasada termodynamikiII zasadzie termodynamiki, nazywają się perpetuum mobile drugiego rodzaju. Ogólny schemat działania takiego urządzenia (Rys. 2.) byłby nawet prostszy niż urządzenia rzeczywistego .

RwAds3juTsDJu

Rys. 2. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym schematycznie przedstawiono działanie urządzenia nazywanego perpetuum mobile drugiego rodzaju. Na ilustracji widoczne jest urządzenie, narysowane schematycznie jako duży okrąg o niebieskim wypełnieniu. Z lewej strony na urządzenie wskazuje jasnoniebieska, pozioma strzałka, skierowana w prawo i opisana jako energia wejściowa, wielka litera E z indeksem dolnym małymi literami wej. Z prawej strony z urządzenia wychodzi ciemnoniebieska, pozioma strzałka skierowana w prawo i opisana jako energia wyjściowa, wielka litera E z indeksem dolnym małymi literami wyj. Pod ilustracją widnieje równanie, z którego wynika, że energia wyjściowa jest równa energii wejściowej.

Sprawność każdego rzeczywistego urządzenia jest niższa niż 1 - oznacza to, że w procesie zamiany jednego rodzaju energii na inny, pewna jej część musi być nieodwracalnie utracona. Jest to koszt, który musimy ponieść, gdy chcemy przekształcić energię w inną jej postać. Sprawność równa 0 oznaczałaby, że dane urządzenie „marnotrawi” całą dostarczoną mu energię, nie przekształcając jej w żadną inną, użyteczniejszą postać. Taka sytuacja ma miejsce na przykład w mikserze, którego silnik ulega uszkodzeniu – dostarczona energia elektryczna nie zostaje przekazana do układu obracającego łopatki, lecz powoduje stopienie i zniszczenie elementów.

Urządzenie złożone

Jeśli urządzenie składa się z kilku elementów przetwarzających energię i znana jest sprawność każdego z nich, to wypadkowa sprawność urządzenia jest iloczynem sprawności jego elementów:

Przykładem takiej sytuacji jest elektrownia (np. jądrowa). Dzięki reakcji rozszczepienia jąder uranu, powstaje energia cieplna, która wykorzystywana jest do zagotowania wody (energia cieplna wytworzona w reakcji jądrowej zostaje przeznaczona na zmianę energii wewnętrznej wody). Para wodna porusza wirniki turbiny (energia wewnętrzna pary wodnej zostaje zużyta na energią kinetyczną wirników), które sprawiają, że podłączony do turbiny generator przekształca energię kinetyczną na energię elektryczną. Z każdym z tych etapów wiąże się określona sprawność danego elementu.

Słowniczek