Energian säilymisen laki

Nykyaikainen fysiikka tuntee monenlaisia ​​energiatyyppejä, jotka liittyvät liikkeeseen tai monenlaisten materiaalisten kappaleiden tai hiukkasten erilaiseen keskinäiseen järjestelyyn, esimerkiksi minkä tahansa liikkuvan kappaleen liike-energia on verrannollinen sen nopeuden neliöön. Tämä energia voi muuttua, jos kehon nopeus kasvaa tai laskee. Maan yläpuolelle nostetun kappaleen gravitaatiopotentiaalienergia vaihtelee kolmella kehon korkeuden muutoksella.

Kiinteillä sähkövarauksilla, jotka ovat jonkin etäisyyden päässä toisistaan, on sähköstaattinen potentiaalienergia sen mukaan, että Coulombin lain mukaan varaukset joko vetävät puoleensa (jos ne ovat erimerkkisiä) tai hylkivät voimalla, joka on kääntäen verrannollinen varauksen neliöön. niiden välinen etäisyys.

Kineettistä ja potentiaalista energiaa hallitsevat molekyylit, atomit ja hiukkaset, niiden ainesosat - elektronit, protonit, neutronit jne. mekaanisen työn muodossa, sähkövirran virrassa, lämmönsiirrossa, kappaleiden sisäisen tilan muutoksessa, sähkömagneettisten aaltojen leviämisessä jne.

Yli 100 vuotta sitten vahvistettiin fysiikan peruslaki, jonka mukaan energia ei voi kadota tai syntyä tyhjästä. Hän voi vain muuttua tyypistä toiseen…. Tätä lakia kutsutaan energian säilymisen laiksi.

A. Einsteinin teoksissa tätä lakia on kehitetty merkittävästi. Einstein loi energian ja massan vaihdettavuuden ja laajensi siten energian säilymislain tulkintaa, jota nykyään yleisesti sanotaan energian ja massan säilymisen laiksi.

Einsteinin teorian mukaan mikä tahansa muutos kehon energiassa dE liittyy sen massan dm muutokseen kaavalla dE =dmc2, jossa c on valon nopeus tyhjiössä 3 x 108 Miss.

Etenkin tästä kaavasta seuraa, että jos jonkin prosessin seurauksena kaikkien prosessiin osallistuvien kappaleiden massa pienenee 1 g, niin energia on 9×1013 J, mikä vastaa 3000 tonnia tavallinen polttoaine.

Nämä suhteet ovat ensisijaisen tärkeitä ydinmuutoksia analysoitaessa. Useimmissa makroskooppisissa prosesseissa massan muutos voidaan jättää huomiotta ja voidaan puhua vain energian säilymisen laista.

Seurataanpa energian muunnoksia jollain konkreettisella esimerkillä. Tarkastellaan koko energian muunnosketjua, joka tarvitaan minkä tahansa osan tuottamiseen sorvissa (kuva 1). Olkoon alkuenergia 1, jonka määräksi otamme 100%, saadaan tietyn fossiilisen polttoainemäärän täydellisestä palamisesta. Siksi esimerkissämme 100 % alkuenergiasta sisältyy polttoaineen palamistuotteisiin, jotka ovat korkeassa (noin 2000 K) lämpötilassa.

Voimalaitoksen kattilan palamistuotteet luovuttavat jäähtyessään sisäisen energiansa lämmön muodossa vedelle ja vesihöyrylle. Teknisistä ja taloudellisista syistä palamistuotteita ei kuitenkaan voida jäähdyttää ympäristön lämpötilaan. Ne työnnetään putken kautta ilmakehään noin 400 K:n lämpötilassa, ja ne vievät mukanaan osan alkuperäisestä energiasta. Siksi vain 95 % alkuenergiasta siirtyy vesihöyryn sisäiseen energiaan.

Syntynyt vesihöyry tulee höyryturbiiniin, jossa sen sisäinen energia muunnetaan aluksi osittain höyrysäteiden liike-energiaksi, joka välittyy sitten mekaanisena energiana turbiinin roottoriin.

Vain osa höyryn energiasta voidaan muuttaa mekaaniseksi energiaksi. Loput annetaan jäähdytysveteen, kun höyry tiivistyy lauhduttimessa. Esimerkissämme oletettiin, että turbiinin roottoriin siirtyvä energia olisi noin 38 %, mikä vastaa suurin piirtein nykyaikaisten voimalaitosten tilannetta.

Muunnettaessa mekaanista energiaa sähköenergiaksi ns Joulehäviöt generaattorin roottorin ja staattorin käämeissä menettävät noin 2 % energiasta. Tämän seurauksena noin 36 % alkuperäisestä energiasta menee verkkoon.

Sähkömoottori muuntaa vain osan siihen syötetystä sähköenergiasta mekaaniseksi energiaksi sorvin pyörittämiseksi. Esimerkissämme noin 9 % energiasta Joule-lämmön muodossa moottorin käämeissä ja kitkalämmönä sen laakereissa vapautuu ympäröivään ilmakehään.

Näin ollen vain 27 % alkuenergiasta toimitetaan koneen työelimiin. Mutta energiahäiriöt eivät myöskään lopu tähän. Osoittautuu, että suurin osa energiasta osan työstön aikana kuluu kitkaan ja lämmön muodossa poistetaan kappaletta jäähdyttävän nesteen mukana. Teoriassa vain hyvin pieni osa (esimerkissämme oletetaan 2 %) alkuenergiasta riittäisi saamaan haluttu osa alkuperäisestä osasta.

Riisi. 1. Kaavio energian muunnoksista työstettävän kappaleen työstön aikana: 1 — energiahäviö pakokaasujen kanssa, 2 — palamistuotteiden sisäinen energia, 3 — työnesteen sisäenergia — vesihöyry, 4 — jäähdytyksestä vapautuva lämpö vesi turbiinilauhduttimessa, 5 — turbiinigeneraattorin roottorin mekaaninen energia, 6 — häviöt sähkögeneraattorissa, 7 — hukka koneen sähkökäytössä, 8 — koneen mekaaninen pyörimisenergia, 9 — kitka työ, joka muunnetaan lämmöksi, erotetaan nesteestä, jäähdytysosa, 10 - osan ja lastujen sisäisen energian lisääminen käsittelyn jälkeen ...

Tarkasteltavasta esimerkistä voidaan tehdä ainakin kolme erittäin hyödyllistä johtopäätöstä, jos sitä pidetään melko tyypillisenä.

Ensinnäkin energian muuntamisen jokaisessa vaiheessa osa siitä katoaa... Tätä väitettä ei pidä ymmärtää energian säilymislain rikkomisena. Se menetetään sen hyödyllisen vaikutuksen vuoksi, jota varten vastaava muunnos suoritetaan. Energian kokonaismäärä konversion jälkeen pysyy ennallaan.

Jos energian muunto- ja siirtoprosessi tapahtuu tietyssä koneessa tai laitteessa, niin tämän laitteen hyötysuhteelle on yleensä tunnusomaista tehokkuus (tehokkuus)... Tällaisen laitteen kaavio on esitetty kuvassa. 2.

Riisi. 2. Kaavio energiaa muuntavan laitteen tehokkuuden määrittämiseksi.

Kuvassa esitettyä merkintää käyttäen hyötysuhde voidaan määritellä muodossa Tehokkuus = Epol/Epod

On selvää, että tässä tapauksessa energian säilymislain perusteella on oltava Epod = Epol + Epot

Siksi hyötysuhde voidaan kirjoittaa myös seuraavasti: tehokkuus = 1 — (Epot / Epol)

Palaten kuviossa 1 esitettyyn esimerkkiin. 1, voimme sanoa, että kattilan hyötysuhde on 95%, höyryn sisäisen energian muuntamisen hyötysuhde mekaaniseksi työksi on 40%, sähkögeneraattorin hyötysuhde on 95%, hyötysuhde on - sähkökäyttöinen käyttö. kone - 75%, ja työkappaleen todellisen käsittelyn tehokkuus on noin 7%.

Aikaisemmin, kun energian muuntamisen lakeja ei vielä tiedetty, ihmisten unelma oli luoda niin sanottu ikuinen liikekone – laite, joka tekisi hyödyllistä työtä kuluttamatta energiaa. Tällaista hypoteettista moottoria, jonka olemassaolo rikkoisi energian säilymislakia, kutsutaan nykyään ensimmäisen tyyppiseksi ikuisliikkuiseksi koneeksi, toisin kuin toisen tyyppiseksi ikuisliikkuiseksi koneeksi. Nykyään kukaan ei tietenkään ota vakavasti mahdollisuus luoda ensimmäisen tyyppinen ikuinen liikekone.

Toiseksi kaikki energiahäviöt muuttuvat lopulta lämmöksi, joka vapautuu joko ilmakehän ilmaan tai veteen luonnollisista varastoista.

Kolmanneksi ihmiset päätyvät käyttämään vain pienen osan primäärienergiasta, joka kuluu asiaankuuluvan hyödyllisen vaikutuksen saavuttamiseksi.

Tämä näkyy erityisesti energian kuljetuskustannuksia tarkasteltaessa. Idealisoidussa mekaniikassa, joka ei huomioi kitkavoimia, vaakatasossa liikkuvat kuormat eivät vaadi energiaa.

Todellisissa olosuhteissa kaikki ajoneuvon kuluttama energia käytetään kitkavoimien ja ilmanvastusvoimien voittamiseen, eli viime kädessä kaikki kuljetuksessa kulutettu energia muunnetaan lämmöksi. Tältä osin mielenkiintoisia ovat seuraavat luvut, jotka kuvaavat työtä, jolla siirretään 1 tonnin rahtia 1 km:n etäisyydellä eri kuljetuksista: lentokone - 7,6 kWh / (t-km), auto - 0,51 kWh / ( t- km) , juna-0,12 kWh / (t-km).

Näin ollen lentoliikenteellä voidaan saavuttaa sama edullinen vaikutus 60 kertaa suuremman energiankulutuksen kustannuksella kuin rautateillä. Tietysti suuri energiankulutus säästää merkittävästi aikaa, mutta jopa samalla nopeudella (auto ja juna) energiakustannukset eroavat 4 kertaa.

Tämä esimerkki viittaa siihen, että ihmiset tekevät usein kompromisseja energiatehokkuuden kanssa saavuttaakseen muita tavoitteita, kuten mukavuutta, nopeutta jne. Pääsääntöisesti itse prosessin energiatehokkuus ei kiinnosta meitä juurikaan – yleiset tekniset ja prosessien tehokkuuden taloudelliset arvioinnit ovat tärkeitä... Mutta kun primäärienergiakomponenttien hinta nousee, energiakomponentti tulee teknisissä ja taloudellisissa arvioinneissa yhä tärkeämmäksi.