Energia jäävuse seadus
Kaasaegne füüsika teab mitut tüüpi energiat, mis on seotud liikumisega või mitmesuguste materiaalsete kehade või osakeste erineva vastastikuse paigutusega, näiteks igal liikuval kehal on kineetiline energia, mis on võrdeline selle kiiruse ruuduga. See energia võib muutuda, kui keha kiirus suureneb või väheneb. Maapinnast kõrgemale tõstetud keha gravitatsioonipotentsiaalne energia varieerub kolme kõrguse muutusega.
Statsionaarsetel elektrilaengutel, mis on üksteisest mõnel kaugusel, on elektrostaatiline potentsiaalne energia vastavalt asjaolule, et vastavalt Coulombi seadusele laengud kas tõmbavad (kui need on erineva märgiga) või tõrjuvad tagasi jõuga, mis on pöördvõrdeline laengu ruuduga. nendevaheline kaugus.
Kineetiline ja potentsiaalne energia omavad molekulid, aatomid ja osakesed, nende koostisosad — elektronid, prootonid, neutronid jne. mehaanilise töö näol, elektrivoolu voolamisel, soojuse ülekandel, kehade siseoleku muutumisel, elektromagnetlainete levimisel jne.
Rohkem kui 100 aastat tagasi kehtestati füüsika alusseadus, mille kohaselt energia ei saa kaduda ega tekkida millestki. Ta saab muutuda ainult ühest tüübist teise… Seda seadust nimetatakse energia jäävuse seaduseks.
A. Einsteini töödes on see seadus oluliselt edasi arenenud. Einstein kehtestas energia ja massi vahetatavuse ning laiendas seeläbi energia jäävuse seaduse tõlgendust, mida praegu nimetatakse tavaliselt energia ja massi jäävuse seaduseks.
Vastavalt Einsteini teooriale on igasugune keha energia muutus dE seotud selle massi muutusega dm valemiga dE =dmc2, kus c on valguse kiirus vaakumis, mis on võrdne 3 x 108 Miss.
Eelkõige sellest valemist järeldub, et kui mõne protsessi tulemusena väheneb kõigi protsessis osalevate kehade mass 1 g võrra, siis energia 9×1013 J, mis võrdub 3000 tonni standardkütus.
Need suhted on tuumatransformatsioonide analüüsimisel esmatähtsad. Enamiku makroskoopiliste protsesside puhul võib massimuutuse tähelepanuta jätta ja rääkida vaid energia jäävuse seadusest.
Jälgime energia muundumisi mõnel konkreetsel näitel. Mõelge kogu energia muundamise ahelale, mis on vajalik treipingi mis tahes detaili valmistamiseks (joonis 1). Olgu algenergia 1, mille koguseks võtame 100%, saadakse teatud koguse fossiilkütuse täielikul põlemisel. Seetõttu sisaldub meie näite puhul 100% algenergiast kütuse põlemisproduktid, mis on kõrgel (umbes 2000 K) temperatuuril.
Põlemissaadused elektrijaama katlas annavad jahtumisel ära oma siseenergia soojuse näol veele ja veeaurule. Kuid tehnilistel ja majanduslikel põhjustel ei saa põlemisprodukte jahutada ümbritseva õhu temperatuurini. Need paiskuvad toru kaudu umbes 400 K temperatuuril atmosfääri, võttes kaasa osa algsest energiast. Seetõttu kandub ainult 95% algenergiast veeauru siseenergiasse.
Saadud veeaur siseneb auruturbiini, kus selle siseenergia muundatakse esialgu osaliselt auruahelate kineetiliseks energiaks, mis seejärel edastatakse mehaanilise energiana turbiini rootorile.
Ainult osa auruenergiast saab muundada mehaaniliseks energiaks. Ülejäänud osa antakse jahutusvette, kui aur kondenseerub kondensaatoris. Meie näites eeldasime, et turbiini rootorile ülekantav energia on umbes 38%, mis vastab ligikaudu tänapäevaste elektrijaamade olukorrale.
Mehaanilise energia muundamisel elektrienergiaks tänu nn Džaulikadu generaatori rootori- ja staatorimähises kaotab umbes 2% energiast. Selle tulemusena läheb umbes 36% algenergiast võrku.
Elektrimootor muudab treipingi pööramiseks ainult osa talle tarnitud elektrienergiast mehaaniliseks energiaks. Meie näites vabaneb umbes 9% mootori mähistes džauli soojuse ja selle laagrite hõõrdesoojuse kujul olevast energiast ümbritsevasse atmosfääri.
Seega jõuab masina tööorganitesse vaid 27% algenergiast. Kuid sellega ka energeetilised äpardused ei lõpe. Selgub, et suurem osa energiast detaili töötlemisel kulub hõõrdumisele ja soojuse kujul eemaldatakse koos detaili jahutava vedelikuga. Teoreetiliselt piisaks ainult väga väikesest osast (meie näites eeldatakse 2%) algenergiast, et saada soovitud osa algsest osast.
Riis. 1. Energia muundumiste diagramm tooriku töötlemisel treipingil: 1 — energiakadu heitgaasidega, 2 — põlemisproduktide siseenergia, 3 — töövedeliku siseenergia — veeaur, 4 — jahutusest eralduv soojus vesi turbiinkondensaatoris, 5 — turbiingeneraatori rootori mehaaniline energia, 6 — kaod elektrigeneraatoris, 7 — jäätmed masina elektriajamis, 8 — masina mehaaniline pöörlemisenergia, 9 — hõõrdeenergia töö, mis muundatakse soojuseks, eraldatakse vedelikust, jahutusosast, 10 — detaili ja laastude siseenergia suurendamine pärast töötlemist ...
Vaadeldavast näitest saab teha vähemalt kolm väga kasulikku järeldust, kui seda pidada üsna tüüpiliseks.
Esiteks, igal energia muundamise etapil läheb osa sellest kaduma... Seda väidet ei tohiks mõista kui energia jäävuse seaduse rikkumist. See kaob kasuliku efekti tõttu, mille jaoks vastav teisendus sooritatakse. Energia koguhulk pärast konversiooni jääb muutumatuks.
Kui energia muundamise ja ülekandmise protsess toimub teatud masinas või aparaadis, siis selle seadme efektiivsust iseloomustab tavaliselt efektiivsus (efektiivsus)... Sellise seadme skeem on näidatud joonisel fig. 2.
Riis. 2. Energiat muundava seadme efektiivsuse määramise skeem.
Kasutades joonisel näidatud tähistust, saab kasuteguri defineerida kui Tõhusus = Epol/Epod
Selge on see, et sel juhul peab energia jäävuse seadusest lähtuvalt olema Epod = Epol + Epot
Seetõttu võib kasuteguri kirjutada ka järgmiselt: efektiivsus = 1 — (Epot / Epol)
Tulles tagasi joonisel fig. 1, võime öelda, et katla kasutegur on 95%, auru siseenergia muundamise kasutegur mehaaniliseks tööks on 40%, elektrigeneraatori kasutegur on 95%, kasutegur on — auru elektriajam. masin - 75% ja tooriku tegeliku töötlemise efektiivsus on umbes 7%.
Varem, kui energia muundamise seadusi veel ei tuntud, oli inimeste unistus luua nn igiliikur — seade, mis teeks kasulikku tööd ilma energiat kulutamata. Sellist hüpoteetilist mootorit, mille olemasolu rikuks energia jäävuse seadust, nimetatakse tänapäeval esimest tüüpi igiliikuriks, erinevalt teist tüüpi igiliikuriks. Tänapäeval ei võta seda muidugi keegi. tõsiselt võimalust luua esimest tüüpi igiliikur.
Teiseks muudetakse kõik energiakaod lõpuks soojuseks, mis eraldub kas atmosfääriõhku või looduslikest reservuaaridest vette.
Kolmandaks kasutavad inimesed lõpuks vaid väikese osa primaarenergiast, mis kulutatakse asjakohase kasuliku mõju saavutamiseks.
See on eriti ilmne, kui vaadata energia transpordikulusid. Idealiseeritud mehaanikas, mis ei arvesta hõõrdejõude, ei vaja horisontaaltasandil liikuvad koormused energiat.
Reaalsetes tingimustes kulub kogu sõiduki tarbitav energia hõõrdejõudude ja õhutakistusjõudude ületamiseks ehk lõppkokkuvõttes muundatakse kogu transpordis kuluv energia soojuseks. Sellega seoses on huvitavad järgmised arvud, mis iseloomustavad 1 tonni lasti teisaldamist 1 km kaugusel erinevate transpordiliikidega: lennuk - 7,6 kWh / (t-km), auto - 0,51 kWh / ( t- km) , rong-0,12 kWh / (t-km).
Seega on lennutranspordiga võimalik saavutada samasugune kasulik mõju 60 korda suurema energiakulu arvelt kui raudteel. Muidugi annab suur energiatarbimine märkimisväärse aja kokkuhoiu, kuid isegi sama kiiruse korral (auto ja rong) erinevad energiakulud 4 korda.
See näide viitab sellele, et inimesed teevad energiatõhususega sageli kompromisse, et saavutada muid eesmärke, näiteks mugavust, kiirust jne. Protsessi enda energiatõhusus ei huvita meid reeglina vähe — üldtehnilised ja protsesside efektiivsuse majanduslikud hinnangud on olulised... Aga primaarenergia komponentide hinna tõustes muutub energiakomponent tehnilistes ja majanduslikes hinnangutes järjest olulisemaks.