נצילות

(הופנה מהדף נצילות מכנית)

נצילות היא היחס בין האנרגיה השימושית המתקבלת ביציאה ממערכת לבין האנרגיה הנכנסת אליה, והיא נמדדת באחוזים או בשבר עשרוני. [1] המערכת יכולה להיות מכונה, מכשיר חשמלי, בעל חיים או תופעה טבעית כמו השמש. [2][3][4] האנרגיה המתבזבזת במערכת היא ההפרש בין האנרגיה המושקעת לבין האנרגיה השימושית המופקת.

בתהליך שבו מופקת עבודה מהאנרגיה הנכנסת, הנצילות אינה מלאה וחלק מהאנרגיה מתבזבז

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 לאנרגיית חום. במערכת הידראולית האנרגיה הקינטית של הנוזל המוזרם מהמשאבה מתבזבזת בחלקה בצינורות עקב צמיגות הנוזל ודליפות. במערכות חשמליות חלק מהאנרגיה החשמלית שמגיעה ממקור חשמל אל הצרכנים (כמו מנועים חשמליים ונורות) מתבזבזת עקב התנגדות חשמלית בקווי המתח והופכת לאנרגיית חום.

במנוע חום, הנצילות היא היחס בין העבודה המופקת מהמנוע לבין החום הנכנס למנוע בכל מחזור. מנוע קרנו הוא מנוע החום בעל הנצילות המקסימלית. [5]

נצילות מקסימליתעריכה

אחד הניסוחים המפורסמים 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 באנרגיה תרמית.[5] לפי קרנו, נגדיר את  להיות החום הנכנס לתוך מנוע בכול מחזור תרמודינמי ו  להיות העבודה המופקת מהמנוע בכול מחזור.[5]

אזי הנצילות :  

הוכחה לכך ניתן לקבל מהחוק הראשון של התרמודינמיקה  ומכיוון שבסוף כול סיבוב המנוע חוזר לאותה הנקודה אז עבור מחזור שלם נקבל  ולכן:   ונקבל סה"כ:

 

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 לאנרגיית חום. במערכת הידראולית שמן המוזרם מהמשאבה לצרכנים בצינורות מתבזבזת בחלקה עקב צמיגותו של השמן ובחלקה עקב דליפות השמן מן המערכת. במערכות חשמליות חלק מהאנרגיה החשמלית שמגיעה ממקור חשמל אל הצרכנים (כמו מנועים חשמליים ונורות) מתבזבזת עקב התנגדות חשמלית והופכת לאנרגיית חום.

נצילות - מנוע קרנועריכה

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 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 במנוע 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[6].

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[7].

 
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. מנוע קיטור אידיאלי הוא כזה המנצל 100% מאנרגיית החום לאנרגיה 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:

  1. דחיפת בוכנה באמצעות הגז אשר נמצא בלחץ גבוה(אנרגיית חום אשר הייתה אגורה במערכת).
  2. כעת המשך דחיפת הבוכנה קדימה על ידי קירור הטמפרטורה של הגז
  3. כעת הבוכנה תנוע לצד השני ותלחץ את הגז ללא שינוי של טמפרטורת הגז
  4. הבוכנה תמשיך לדחוס את הגז מעבר לקיבולת החום עד לנקודת ההתחלה.

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 לאפס המוחלט, הנצילות מתקרבת ל-100%.

נצילות במנועיםעריכה

במנוע שריפה פנימית, הנצילות היא היחס בין הספק הבלימה (brake horsepower) לבין ההספק האינדיקטורי (indicated horsepower). הנצילות המכנית כוללת את ההפסדים המכניים הנובעים מחיכוך במסבים ובגלגלי שיניים, הנעת גל הפיקות ומשאבות ההזרקה, הנעת מפוחים, משאבות שמן סיכה, דלק ומי-קירור וכדומה.

דוגמאות לערכי נצילות של תהליכיםעריכה

תהליך ערכי נצילות
מנוע בעירה פנימית 10-50%
טורבינת גז עד ל-40%
טורבינת גז + טורבינת קיטור (מחזור משולב) עד ל-60%
טורבינת מים עד ל-90%
טורבינת רוח עד ל-59% (גבול תאורטי)
תא סולרי מקסימום נוכחי 42.8%
תא דלק עד ל-80%
אלקטרוליזה של מים 50%-70% (80%-94% גבול תאורטי)
פוטוסינתזה עד ל-6%
שריר 14% - 27%
מנוע חשמלי תלוי בהספק: 70–99.99% (> 200 W); 50–90% (10–200 W); 30–60% (< 10 W)
מקרר ביתי 20%-50%
נורת להט 5-10%
דיודה פולטת אור עד ל-35%
נורה פלואורסצנטית 28%
איון של אנטי-חומר 100% (חומר מומר במלואו, ישירות לאנרגיה)

קישורים חיצונייםעריכה

הערות שולייםעריכה

  1. ^ Howell and Cius, Fundamentals of Engineering Thermodynamics
  2. ^ Energy Glossary, California Energy Commission (Accessed: April 3, 2021)
  3. ^ What is efficiency?, NASA, Cryogenics and Fluids Branch (Accessed: April 3, 2021)
  4. ^ Efficiency, J.M.K.C. Donev et al. (2020). Energy Education - Efficiency (Accessed: April 3, 2021)
  5. ^ 1 2 3 Sadi Carnot, Reflections on the Motive Power of Fire and on Machines Fitted to Develop that Power, 1824
  6. ^ Yousef Haseli, Entropy Analysis in Thermal Engineering Systems, 2019
  7. ^ Ruiyu Yin, Theory and Methods of Metallurgical Process Integration, 2016


  ערך זה הוא קצרמר בנושא פיזיקה. אתם מוזמנים לתרום לוויקיפדיה ולהרחיב אותו.