Zakon o ohranitvi energije

Sodobna fizika pozna veliko vrst energije, povezanih z gibanjem ali različno medsebojno razporeditvijo najrazličnejših materialnih teles ali delcev, na primer vsako gibajoče se telo ima kinetično energijo, ki je sorazmerna s kvadratom njegove hitrosti. Ta energija se lahko spremeni, če se hitrost telesa poveča ali zmanjša. Telo, dvignjeno nad tlemi, ima gravitacijsko potencialno energijo, ki spreminja tri spremembe višine telesa.

Nepremični električni naboji, ki so med seboj oddaljeni, imajo elektrostatično potencialno energijo v skladu z dejstvom, da se po Coulombovem zakonu naboji privlačijo (če so različnih predznakov) ali odbijajo s silo, ki je obratno sorazmerna kvadratu razdalja med njimi.

Kinetično in potencialno energijo imajo molekule, atomi in delci, njihove sestavine - elektroni, protoni, nevtroni itd. v obliki mehanskega dela, pri pretakanju električnega toka, pri prenosu toplote, pri spreminjanju notranjega stanja teles, pri širjenju elektromagnetnega valovanja itd.

Pred več kot 100 leti je bil uveljavljen temeljni zakon fizike, po katerem energija ne more izginiti ali nastati iz nič. Prehaja lahko samo iz enega tipa v drugega.... Ta zakon se imenuje zakon o ohranitvi energije.

V delih A. Einsteina je ta zakon precej razvit. Einstein je ugotovil medsebojno zamenljivost energije in mase in s tem razširil razlago zakona o ohranitvi energije, ki se danes običajno navaja kot zakon o ohranitvi energije in mase.

V skladu z Einsteinovo teorijo je vsaka sprememba energije dE telesa povezana s spremembo njegove mase dm s formulo dE =dmc2, kjer je c hitrost svetlobe v vakuumu enaka 3 x 108 Miss.

Iz te formule zlasti izhaja, da če se zaradi nekega procesa masa vseh teles, ki sodelujejo v procesu, zmanjša za 1 g, potem je energija enaka 9 × 1013 J, kar je enako 3000 tonam standardno gorivo.

Ta razmerja so bistvenega pomena pri analizi jedrskih transformacij. Pri večini makroskopskih procesov lahko spremembo mase zanemarimo in govorimo le o zakonu o ohranitvi energije.

Poglejmo transformacije energije na konkretnem primeru. Razmislite o celotni verigi pretvorb energije, potrebnih za izdelavo katerega koli dela na stružnici (slika 1). Naj bo začetna energija 1, katere količino vzamemo za 100%, pridobljena zaradi popolnega zgorevanja določene količine fosilnega goriva. Zato je za naš primer 100% začetne energije vsebovano v produktih zgorevanja goriva, ki so pri visoki (približno 2000 K) temperaturi.

Produkti zgorevanja v kotlu elektrarne ob ohlajanju oddajo svojo notranjo energijo v obliki toplote vodi in vodni pari. Iz tehničnih in ekonomskih razlogov pa produktov izgorevanja ni mogoče ohladiti na temperaturo okolja. Skozi cev se izvržejo v atmosfero pri temperaturi okoli 400 K in s seboj odnesejo nekaj prvotne energije. Zato se bo samo 95 % začetne energije preneslo v notranjo energijo vodne pare.

Nastala vodna para bo vstopila v parno turbino, kjer se njena notranja energija na začetku delno pretvori v kinetično energijo parnih strun, ki se nato kot mehanska energija prenese na rotor turbine.

Samo del energije pare se lahko pretvori v mehansko energijo. Preostanek dobi hladilna voda, ko se para kondenzira v kondenzatorju. V našem primeru smo predpostavili, da bo energija, prenesena na rotor turbine, približno 38%, kar približno ustreza stanju v sodobnih elektrarnah.

Pri pretvorbi mehanske energije v električno zaradi t.i Joulove izgube v navitjih rotorja in statorja generatorja bodo izgubile približno 2% energije. Posledično bo približno 36% začetne energije šlo v omrežje.

Električni motor bo le del električne energije, ki mu je dovedena, pretvoril v mehansko energijo za vrtenje stružnice. V našem primeru se bo približno 9 % energije v obliki Joulove toplote v navitjih motorja in torne toplote v njegovih ležajih sprostilo v okoliško atmosfero.

Tako bo samo 27% začetne energije dostavljeno delovnim organom stroja. Toda energetske nesreče se tudi tu ne končajo. Izkazalo se je, da se večina energije med obdelavo dela porabi za trenje in se v obliki toplote odvaja s tekočino, ki hladi del. Teoretično bi le zelo majhen del (v našem primeru predpostavimo 2 %) začetne energije zadostoval za pridobitev želenega dela prvotnega dela.

riž. 1. Diagram transformacije energije med obdelavo obdelovanca na stružnici: 1 - izguba energije z izpušnimi plini, 2 - notranja energija produktov zgorevanja, 3 - notranja energija delovne tekočine - vodna para, 4 - toplota, sproščena pri hlajenju voda v turbinskem kondenzatorju, 5 — mehanska energija rotorja turbinskega generatorja, 6 — izgube v električnem generatorju, 7 — odpadki v električnem pogonu stroja, 8 — mehanska energija vrtenja stroja, 9 — torna energija. delo, ki se pretvori v toploto, ločeno od tekočine, hladilni del, 10 — povečanje notranje energije dela in čipov po obdelavi ...

Iz obravnavanega primera, če ga štejemo za precej tipičnega, je mogoče potegniti vsaj tri zelo uporabne zaključke.

Prvič, na vsakem koraku pretvorbe energije se nekaj izgubi ... Te izjave ne bi smeli razumeti kot kršitev zakona o ohranitvi energije. Izgubi se zaradi koristnega učinka, zaradi katerega se izvede ustrezna transformacija. Skupna količina energije po pretvorbi ostane nespremenjena.

Če proces pretvorbe in prenosa energije poteka v določenem stroju ali aparatu, potem je učinkovitost te naprave običajno označena z učinkovitostjo (učinkovitostjo) ... Diagram takšne naprave je prikazan na sl. 2.

riž. 2. Shema za določanje učinkovitosti naprave, ki pretvarja energijo.

Z uporabo zapisa, prikazanega na sliki, lahko učinkovitost definiramo kot Učinkovitost = Epol/Epod

Jasno je, da mora v tem primeru na podlagi zakona o ohranitvi energije obstajati Epod = Epol + Epot

Zato lahko učinkovitost zapišemo tudi takole: učinkovitost = 1 — (Epot / Epol)

Če se vrnemo k primeru, prikazanemu na sl. 1 lahko rečemo, da je izkoristek kotla 95 %, izkoristek pretvorbe notranje energije pare v mehansko delo 40 %, izkoristek električnega generatorja 95 %, izkoristek je — električni pogon a stroj — 75%, učinkovitost dejanske obdelave obdelovanca pa približno 7%.

V preteklosti, ko zakoni transformacije energije še niso bili poznani, so bile sanje ljudi ustvariti tako imenovani perpetum mobile — napravo, ki bi brez porabe energije opravljala koristno delo. Takšen hipotetični motor, katerega obstoj bi kršil zakon o ohranitvi energije, danes imenujemo večni gibalnik prve vrste, v nasprotju z večnim gibalcem druge vrste.Danes seveda nihče ne jemlje resno razmišljati o možnosti ustvarjanja večnega gibalca prve vrste.

Drugič, vse izgube energije se na koncu pretvorijo v toploto, ki se sprosti bodisi v atmosferski zrak bodisi v vodo iz naravnih rezervoarjev.

Tretjič, ljudje na koncu porabijo le majhen del primarne energije, ki se porabi za pridobitev ustreznega koristnega učinka.

To je še posebej očitno, če pogledamo stroške transporta energije. V idealizirani mehaniki, ki ne upošteva tornih sil, premikanje bremen v vodoravni ravnini ne zahteva energije.

V realnih razmerah se vsa energija, ki jo porabi vozilo, porabi za premagovanje sil trenja in sil zračnega upora, torej se na koncu vsa energija, ki jo porabi vozilo, pretvori v toploto. V zvezi s tem so zanimive naslednje številke, ki označujejo delo pri premikanju 1 tone tovora na razdalji 1 km z različnimi vrstami prevoza: letalo — 7,6 kWh / (t-km), avto — 0,51 kWh / ( t- km) , vlak-0,12 kWh / (t-km).

Tako lahko enak ugoden učinek dosežemo z letalskim prometom na račun 60-krat večje porabe energije kot z železnico. Seveda visoka poraba energije pomeni znatne prihranke časa, vendar se tudi pri enaki hitrosti (avtomobil in vlak) stroški energije razlikujejo za 4-krat.

Ta primer nakazuje, da ljudje pogosto sklepajo kompromise z energetsko učinkovitostjo, da bi dosegli druge cilje, na primer udobje, hitrost itd. Praviloma nas energetska učinkovitost samega procesa malo zanima – splošni tehnični in pomembna je ekonomska ocena učinkovitosti procesov... Z višanjem cen primarnih energetskih komponent pa postaja energetska komponenta v tehnično-ekonomskih ocenah vedno bolj pomembna.