ויקיפדיה

נצילות – הבדלי גרסאות

עיון אינטראקטיבי בהיסטוריה
→ העריכה הקודמתהעריכה הבאה ←
תוכן שנמחק תוכן שנוסף
חזותיקוד ויקי
מ הוספת רווח לפני ( (דרך WP:JWB)
הוספת מידע נוסף על ההסיטוריה של המצאת מנוע קרנו וההשפעה על הנצילות
שורה 2:
'''נצילות''' היא היחס בין ה[[אנרגיה]] השימושית המתקבלת ביציאה ממערכת לבין האנרגיה הנכנסת אליה, והיא נמדדת ב[[אחוז]]ים או ב[[שבר עשרוני]].
{{הערה|1={{צ-ספר|מחבר=Howell and Cius|שם=Fundamentals of Engineering Thermodynamics|מקום הוצאה=New York}}}}
המערכת יכולה להיות [[מכונה]], מכשיר חשמלי, [[בעלי חיים|בעל חיים]] או תופעה טבעית כמו [[השמש]].האנרגיה המתבזבזת במערכת היא ההפרש בין האנרגיה המושקעת לבין האנרגיה השימושית המופקת.
{{הערה|1=[https://www.energy.ca.gov/resources/energy-glossary Energy Glossary], California Energy Commission (Accessed: April 3, 2021)}}
{{הערה|1=[https://cryo.gsfc.nasa.gov/ADR/Carnot.html What is efficiency?], NASA, Cryogenics and Fluids Branch (Accessed: April 3, 2021)}}
{{הערה|1=[https://energyeducation.ca/encyclopedia/Efficiency Efficiency], J.M.K.C. Donev et al. (2020). Energy Education - Efficiency (Accessed: April 3, 2021)}}
האנרגיה המתבזבזת במערכת היא ההפרש בין האנרגיה המושקעת לבין האנרגיה השימושית המופקת.
 
במערכת מכנית להעברת תנועה כדוגמת [[אופניים]], האנרגיה שאנו משקיעים בסיבוב הדוושות לא מגיעה בשלמותה אל הגלגלים כיוון שחלק ממנה מתבזבז עקב [[חיכוך]] בין גלגלי השיניים לשרשרת. והופך ל[[אנרגיית חום]]. ב[[הידראוליקה|מערכת הידראולית]] האנרגיה הקינטית של הנוזל המוזרם מהמשאבה מתבזבזת בחלקה בצינורות עקב [[צמיגות]] הנוזל ודליפות. במערכות חשמליות חלק מה[[אנרגיה חשמלית|אנרגיה החשמלית]] שמגיעה ממקור חשמל אל הצרכנים (כמו מנועים חשמליים ונורות) מתבזבזת עקב [[התנגדות חשמלית]] בקווי המתח והופכת לאנרגיית חום.
שורה 14 ⟵ 10:
 
== נצילות מקסימלית ==
אחד הניסוחים המפורסמים [[החוק השני של התרמודינמיקה|לחוק השני של התרמודימיקה]] היה של [[סאדי קרנו]], מתמטיקאי ופיזיקאי צרפתי, אשר בחר לתאר את החוק השני תחת ניסוח המתאר את היחס בין האנרגיה המושקעת בתהליך מכני או תרמי לבין התפוקה המגיעה בעקבות תהליך זה, כאשר התהליך המפורסם ביותר אשר נקרא על שמו, [[מנוע קרנו]], מתאר מודל של מנוע חום המייצר את היעילות המקסימלית האפשרית למנוע המשתמש ב[[אנרגיה תרמית]]. לפי קרנו, נגדיר את <math>\ {Q_{הערהin}}</math>להיות החום הנכנס לתוך [[מנוע]] בכול [[זמן מחזור|מחזור]] תרמודינמי ו <math>\ {W_{out}}</math>להיות העבודה המופקת מהמנוע בכול מחזור<ref name=":0">{{צ-ספר|מחבר=Holman, Jack P.|שם=קרנוThermodynamics|מקום הוצאה=New York: McGraw-Hill.}}</ref>.
לפי קרנו, נגדיר את <math>\ {Q_{in}}</math>להיות החום הנכנס לתוך [[מנוע]] בכול [[זמן מחזור|מחזור]] תרמודינמי ו <math>\ {W_{out}}</math>להיות העבודה המופקת מהמנוע בכול מחזור.{{הערה|שם=קרנו}}
 
אזי הנצילות : <math>\ \eta = \frac{W_{out}}{Q_{in}}<1</math>
שורה 26 ⟵ 21:
הוכחה נוספת, שאותה קרנו כתב במאמרו, משתמשת בעקרון של איסור [[תנועה מתמדת]]: הוא גורס שאם מעבירים חום מגוף א' לגוף ב' תוך ייצור הספק מכני מהמעבר, אזי אם יש מנוע יעיל יותר ממנוע החום של קרנו לייצור אנרגיה מכנית, ניתן היה להשתמש בה כדי להעביר באמצעות מנוע קרנו חום מגוף ב' לגוף א' בכמות שהיא יותר גדולה מזו שהמנוע היעיל השתמש בה, ובכך להגדיל את כמות האנרגיה הכוללת ולייצר תנועה מתמדת. הוא כותב במאמרו משנת 1824 שתנועה מתמדת בלתי מתקבלת ומנוגדת לחוקים המקובלים.
 
במערכת מכנית להעברת תנועה כדוגמת [[אופניים]], האנרגיה שאנו משקיעים בסיבוב הדוושות לא מגיעה בשלמותה אל הגלגלים כיוון שחלק ממנה מתבזבז עקב [[חיכוך]] בין גלגלי השיניים לשרשרת והופך ל[[אנרגיית חום]]. ב[[מערכת הידראולית]] שמן המוזרם מהמשאבה לצרכנים בצינורות מתבזבזת בחלקה עקב [[צמיגות|צמיגותו]] של השמן ובחלקה עקב דליפות השמן מן המערכת. במערכות חשמליות חלק מה[[אנרגיה חשמלית|אנרגיה החשמלית]] שמגיעה ממקור חשמל אל הצרכנים (כמו מנועים חשמליים ונורות) מתבזבזת עקב [[התנגדות חשמלית]] והופכת לאנרגיית חום<ref>{{קישור כללי|כתובת=https://www.fueleconomy.gov/feg/atv.shtml|כותרת=Advanced technologies and energy efficiency.}}</ref>.
 
== נצילות - מנוע קרנו ==
בשנת 1821 ביקר קרנו את אביו בגרמניה כאשר באותה העת מנוע הקיטור הוצג בעיר רק לאחרונה והאחרון היווה מוקד עניין רב בעיר ובעקבות ביקור זה קרנו החליט להקדיש עצמו ללימוד הנושא מבחינה אקדמאית.
 
בתקופה זו התאוריה הרווחת הייתה [[תורת הקלוריות]] (caloric theory) של [[אנטואן לבואזיה|לבואיזיה]]. לפיה קיים חומר קלורי המורכב מחלקיקים ממשיים שעוברים מגוף חם לגוף קר, כמו זרימת נוזל.
 
קרנו הניח שהנצילות תלויה אך ורק בהפרש הטמפרטורות בין המאגר החם למאגר הקר ולא בשום גורם אחר כמו אופי העבודה המכנית המבוצעת או סוג החומר המנוצל (כמו אדי קיטור של מים ב[[מנוע קיטור]] שהיה בשימוש רחב באותה התקופה) להפיכת אנרגיית החום לאנרגיה מכנית. לפי ההנחה של קרנו, זרימה של חום מהמאגר החם אל המאגר הקר היא זו שמבצעת את העבודה המכנית.
 
תיאורית קרנו לא הייתה מלאה כיוון שהוא הניח שאין אבדן של אנרגיית חום במעבר זה. אמנם, שנים מאוחר יותר התאוריה שביסס תרמה לקביעת החוק השני של התרמודינמיקה. במאמר שפרסם קרנו מבסס את הטענה כי החום מועבר מגוף חם לגוף קר ולא להפך<ref>{{צ-ספר|מחבר=Yousef Haseli|שם=Entropy Analysis in Thermal Engineering Systems|מקום הוצאה=Academic press|שנת הוצאה=2019}}</ref>.
 
קרנו לא הצליח לתת נוסחת חישוב שתבטא את הנצילות המרבית שניתן להשיג במנוע אידיאלי כתלות בטמפרטורה של המאגר החם לעומת זו של הקר, זו התפרסמה מאוחר יותר על ידי ממשיכיו<ref>{{צ-ספר|מחבר=Ruiyu Yin|שם=Theory and Methods of Metallurgical Process Integration|שנת הוצאה=2016}}</ref>.
 
[[קובץ:Carnot cycle TS diagram hebrew.svg|ממוזער|דיאגרמה של מחזור החום של מנוע קרנו]]
בשנת 1824 פורסמה התאוריה המפורסמת של קרנו המתארת את מה שכונה לאחר מכן "מחזור קרנו" של המנוע. בעבודה זו תיאר קרנו מהו [[מנוע קיטור]] אידיאלי בתיאוריה.<ref>{{צ-ספר|מחבר=Yousef Haseli|שם=Entropy Analysis in Thermal Engineering Systems|מו"ל=Academic Press}}</ref> מנוע קיטור אידיאלי הוא כזה המנצל 100% מ[[אנרגיית חום|אנרגיית החום]] ל[[אנרגיה מכנית]]. באופן מעשי אין מנוע אידיאלי, אך ניתן להגיד מנוע יעיל ככזה הממיר אחוז גבוה מן האנרגיה המושקעת לאנרגיה מכנית. השלבים במחזור יתבצעו על פי הסדר הבא<ref name=":0" />:
 
# דחיפת בוכנה באמצעות הגז אשר נמצא בלחץ גבוה (אנרגיית חום אשר הייתה אגורה במערכת).
שורה 48 ⟵ 34:
 
קרנו רצה לחשב תאורטית את הנצילות המרבית שניתן להפיק ממנוע, כלומר בהיעדר איבוד חום לסביבה, חיכוך וכדומה. והאם ניתן לבנות מנוע כזה שייתן נצילות מלאה (100%) של המרה מאנרגיית חום לעבודה מכנית, בהיעדר איבוד אנרגיה כגון חיכוך והעברת חום לסביבה. התיאוריה מראה שהנצילות תלויה בטמפרטורת הסביבה, וככל שהיא מתקרבת ל{{ה|אפס המוחלט}}, הנצילות מתקרבת ל-100%.
 
==ההיסטוריה מאחורי מנוע קרנו==
[[סאדי קרנו]] היה בנו של שר מלחמה בפיקודו של נפוליאון. הוא גיבש את הדעה כי גורם אחד לתבוסה של צרפת היה נחיתותה התעשייתית והניגוד בין השימוש באנגליה לצרפת באדים מעיד על ההבדל. הוא ראה שהוצאת מנוע הקיטור מאנגליה תשלול ממנה את הכוח הצבאי. קרנו הבין שמי שמחזיק בכוח אדים יעיל, לא יהיה רק ​​המאסטר התעשייתי והצבאי של העולם, אלא גם המנהיג של מהפכה חברתית הרבה יותר אוניברסאלית מזו שצרפת חוותה לאחרונה. קרנו ראה את כוחו של הקיטור כמנוע אוניברסלי. אז, התיאוריה הראשונה לשימור חום בעבודה מכנית הוצעה על ידי סאדי קרנו בשנת 1824. קרנו ביסס את ניתוחו על ההנחה שכמות החום נשמרת ושהעבודה הזו נוצרת על ידי המנוע, מכיוון שנוזל זורם ממקור חם "תרמי" חם, לכיור קר ונמוך "תרמי". הוא דבק בתיאוריה המקובלת דאז, לפיה חום הוא סוג של נוזל חסר מסה או נושא חום.
 
הניסויים של [[ג'ול]], שבוצעו בשנות ה -40 של המאה העשרים, אישרו כי החום לא נשמר. ג'ול הראה שניתן להמיר עבודה כמותית לחום. זו הייתה הולדתו של מושג המקבילה המכנית של חום שעבודה וחום אינם ניתנים להמרה הדדית, וכי חום אינו חומר כמו מים,<ref name=":1">{{צ-ספר|מחבר=MiekeBoon|שם=Philosophy of Technology and Engineering Sciences|מקום הוצאה=Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands}}</ref> עבודתו הייתה על שימור האנרגיה.
 
[[לורד קלווין]] (ויליאם תומסון) (1824–1907) ו[[ג'ול]] (1818–1889) נפגשו בכנס אוקספורד של האגודה הבריטית לקידום המדע בשנת 1847. מאותה פגישה קלווין חזר עם ראש מעורער. דווח כי הוא נדהם מהפרכתו של ג'ול לשימור החום. הוא האמין שעבודתו של קרנו תוטל אם לא ישמרו על חום, ואם לא יהיה דבר כזה נוזל קלורי. קלווין המשיך ופיתח את ההשקפה כי במובן מסוים עבודתו של קרנו יכולה לשרוד מבלי לסתור את עבודתו של ג'ול. אז, ה - '[[תרמודינמיקה]]', תיאוריית הפעולה המכנית של החום, הגיחה לעולם.
 
[[רודולף קלאוזיוס]] (1822–1888) הראה כי המקרה של קרנו נגד ג'ול יכול להיפתר, במידה מסוימת אם היו שני עקרונות בסיסיים של הטבע. הוא עידן את העיקרון של קרנו, והפטר את עולם הקלוריות, אך הוא המשיך לשער כיצד ניתן להסביר חום במונחים של התנהגות החלקיקים שחומר מורכב מהם. קלוזיוס הבין גם בשנת 1865 שהוא גילה מאפיין תרמודינמי חדש, והוא בחר לקרוא לזו - [[אנטרופיה]].
 
קרנו נולד בשנת 1796 ונפטר מכולרה בשנת 1832. קרנו, ג'ול, קלווין וקלאוזיוס נולדו בתקופה 1818–1824 ודורם העלה את התרמודינמיקה אל הבמה האינטלקטואלית. השם תרמודינמיקה הוא מונח המציין את חקר החום, אך כעת הוא הורחב לכלול חקר טרנספורמציית האנרגיה על כל צורותיה, <ref name=":1" />. ישנם ארבעה חוקים של תרמודינמיקה. ה[[חוק הראשון|חוק הראשון של התרמודינמיקה]] קובע שצורת אנרגיה אחת, למשל. קינטית, פוטנציאלית, תרמית אנרגיה חשמלית וכו 'ניתנת להמרה לאחרת ללא כל אובדן אנרגיה. החוק השני קובע כי אנרגיה תרמית, או חום, היא מיוחדת בין סוגי האנרגיות: ניתן להמיר את כל צורות האנרגיה לחום, אך באופן שאינו הפיך; לא ניתן להמיר את החום במלואו לצורתו המקורית.
 
החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי לאנרגיה יש איכות וגם כמות. החוק הראשון עוסק בכמות האנרגיה והפיכת האנרגיה מצורה אחת לאחרת ללא התחשבות באיכותה. שמירה על איכות האנרגיה מהווה דאגה מרכזית למהנדסים, והחוק השני מספק את האמצעים הדרושים לקביעת האיכות, כמו גם את מידת ההשפלה של האנרגיה במהלך תהליך פיזי. החוק השני מוביל להגדרת נכס חדש הנקרא אנטרופיה. אנטרופיה היא מאפיין מופשט במקצת, וקשה לתת תיאור פיזי שלה מבלי להתחשב במצבה המיקרוסקופי של המערכת.
 
החוק השני של התרמודינמיקה חשוב למהנדסים מכיוון שהוא מספק דרך לקבוע את האיכות, כמו גם את כמות ההשפלה של האנרגיה במהלך תהליך. הוא משמש גם לקביעת הגבולות התיאורטיים העליונים לביצועי מערכות הנדסיות רבות, כגון מקררים, מנועי בעירה פנימית וכורים כימיים. כיום, התועלת בחוק השני של התרמודינמיקה אינה רק בתעשייה הכבדה ובמכונות אלא גם בשיפור הביצועים של מכשירים אלקטרוניים מיקרו. אנו בוחנים את הביצועים של מכשירים ומערכות הנדסיים לאור החוק השני של התרמודינמיקה. דור האנטרופיה משקף מאוד את התופעות הפיזיקליות וזה בא לידי ביטוי בחוק השני של התרמודינמיקה.
 
==נצילות במנועים==
אוחזר מתוך "https://he.wikipedia.org/wiki/נצילות"