Sprawność

Nie można utracić energii. Energia nie „znika” i nie pojawia się „z niczego”. Ale przy każdej przemianie energii, jej część ulega rozproszeniu i trafia niewykorzystana do środowiska, na przykład w postaci ciepła.

Tak na przykład dzieje się w elektrowni – rozgrzewające się mechanizmy, jak urządzenia przesyłające wodę lub parę czy też kable elektryczne oddają ciepło do otaczającego powietrza. Wokół przewodów prądu tworzą się poza tym pola magnetyczne. Cała ta energia ucieka niewykorzystana.

Stosunek uzyskanej energii użytecznej do energii dostarczonej nazywamy stopniem sprawności metody lub urządzenia i opisujemy grecką literą η (eta):

η = energia użyteczna / energia dostarczona

Stopień sprawności podajemy często w procentach, przykładowo η = 0,1 oznacza, że stopień sprawności wynosi 10%.

Urządzenia techniczne, które na przykład zamieniają energię elektryczną w mechaniczną, posiadają zazwyczaj sprawność pomiędzy 60 a 80%. Reszta, od 20 do 40% energii, którą dostarczyliśmy, nie może zostać wykorzystana. Jednakże rozmaitymi środkami próbuje się poprawić sprawność.

Jak duża jest całkowita sprawność przy rzeczywistych przemianach energii?

Ponieważ przy każdym procesie przemiany energii i przy każdym transporcie energii na końcu postępowania mamy mniej energii „użytecznej”, niż było jej na początku, sprawność jest zawsze mniejsza niż 100%. Część energii jest rozpraszana do środowiska w postaci ciepła.

Jak można poprawić sprawność?

Poprzez ciągłe techniczne ulepszenia próbuje się podnieść sprawność elektrowni jądrowych. Typowe działania: dobra izolacja promieniowania cieplnego i przewodów ciepła, ale także wiele więcej, np. używa się również turbin, w których kształt łopat został zoptymalizowany komputerowo. Para jest przesyłana w obiegu wielokrotnie przez turbinę, a łopaty turbin są każdorazowo dostrajane do temperatury i stosunku ciśnień. Przez to optymalnie wykorzystuje się energię tkwiącą w parze.

Sprawność: przykłady

Dynamo rowerowe zamienia energię kinetyczną w energię elektryczną. Gdy jednak dotkniemy dynamo po jeździe, zauważymy, jak bardzo się rozgrzało. Ta energia cieplna pozostaje niewykorzystana.

Maszyna o sprawności 100% lub więcej byłaby „perpetuum Mobile“, z łaciny „wiecznie w ruchu”. Niestety takie aparaty, które z zasady bez dostarczania energii, oddają ciągle energię mechaniczną, są wytworami fantazji. W rzeczywistości nie można ich zbudować, ponieważ przy każdym transporcie energii, bądź przy każdej zamianie energii zostaje wydzielona energia termiczna. Wynika to z jednej podstawowych zasad fizyki, z pierwszego prawa termodynamiki (prawa zachowania energii).