Energijos tvermės dėsnis

Šiuolaikinė fizika žino daugybę energijos rūšių, susijusių su judėjimu arba skirtingu įvairių materialių kūnų ar dalelių tarpusavio išsidėstymu, pavyzdžiui, bet kurio judančio kūno kinetinė energija yra proporcinga jo greičio kvadratui. Ši energija gali pasikeisti, jei kūno greitis didėja arba mažėja. Virš žemės pakeltas kūnas turi gravitacinę potencinę energiją, kuri kinta trimis kūno aukščio pokyčiais.

Stacionarūs elektros krūviai, esantys tam tikru atstumu vienas nuo kito, turi elektrostatinę potencialią energiją pagal tai, kad pagal Kulono dėsnį krūviai arba pritraukia (jei jie yra skirtingų ženklų), arba atstumia jėga, atvirkščiai proporcinga kvadratui. atstumas tarp jų.

Kinetinę ir potencinę energiją turi molekulės, atomai ir dalelės, jų sudedamosios dalys – elektronai, protonai, neutronai ir kt. atliekant mechaninį darbą, tekant elektros srovei, perduodant šilumą, keičiant vidinę kūnų būseną, sklindant elektromagnetinėms bangoms ir kt.

Daugiau nei prieš 100 metų buvo nustatytas pagrindinis fizikos dėsnis, pagal kurį energija negali išnykti ar atsirasti iš nieko. Ji gali keistis tik iš vieno tipo į kitą... Šis dėsnis vadinamas energijos tvermės dėsniu.

A. Einšteino darbuose šis dėsnis gerokai išplėtotas. Einšteinas nustatė energijos ir masės pakeičiamumą ir taip išplėtė energijos tvermės dėsnio, kuris dabar paprastai vadinamas energijos ir masės tvermės dėsniu, aiškinimą.

Remiantis Einšteino teorija, bet koks kūno energijos pokytis dE yra susijęs su jo masės dm pokyčiu pagal formulę dE =dmc2, kur c yra šviesos greitis vakuume, lygus 3 x 108 Miss.

Iš šios formulės visų pirma išplaukia, kad jei dėl kurio nors proceso visų procese dalyvaujančių kūnų masė sumažėja 1 g, tada energija lygi 9 × 1013 J, o tai atitinka 3000 tonų standartinis kuras.

Šie santykiai yra labai svarbūs analizuojant branduolines transformacijas. Daugumoje makroskopinių procesų masės kitimo galima nepaisyti ir kalbėti tik apie energijos tvermės dėsnį.

Leiskite atsekti energijos transformacijas kokiu nors konkrečiu pavyzdžiu. Apsvarstykite visą energijos konversijos grandinę, reikalingą bet kuriai detalei pagaminti tekinimo staklėmis (1 pav.). Tegul pradinė energija 1, kurios kiekį laikome 100%, gaunama visiškai sudegus tam tikram iškastinio kuro kiekiui. Todėl mūsų pavyzdyje 100% pradinės energijos yra kuro degimo produktuose, kurie yra aukštoje (apie 2000 K) temperatūroje.

Degimo produktai jėgainės katile, atvėsę, savo vidinę energiją šilumos pavidalu atiduoda vandeniui ir vandens garams. Tačiau dėl techninių ir ekonominių priežasčių degimo produktų negalima atšaldyti iki aplinkos temperatūros. Jie pro vamzdelį išmetami į atmosferą maždaug 400 K temperatūroje, pasiimdami dalį pradinės energijos. Todėl tik 95% pradinės energijos bus perduota į vandens garų vidinę energiją.

Susidarę vandens garai pateks į garo turbiną, kur jo vidinė energija iš pradžių iš dalies paverčiama garo stygų kinetine energija, kuri vėliau kaip mechaninė energija bus perduodama turbinos rotoriui.

Tik dalis garo energijos gali būti paversta mechanine energija. Likusi dalis atiduodama aušinimo vandeniui, kai kondensatoriuje kondensuojasi garai. Savo pavyzdyje manėme, kad į turbinos rotorių perduodama energija bus apie 38%, o tai maždaug atitinka šiuolaikinių elektrinių būklę.

Mechaninę energiją paverčiant elektros energija dėl vadinamųjų Džauliniai nuostoliai generatoriaus rotoriaus ir statoriaus apvijose praras apie 2% energijos. Dėl to apie 36% pradinės energijos pateks į tinklą.

Elektros variklis tik dalį jam tiekiamos elektros energijos pavers mechanine energija, kad suktų tekinimo stakles. Mūsų pavyzdyje apie 9% energijos variklio apvijų džaulio šilumos ir jo guoliuose esančios trinties šilumos pavidalu bus išleista į supančią atmosferą.

Taigi tik 27% pradinės energijos bus tiekiama į mašinos darbinius organus. Tačiau energijos nesėkmės tuo taip pat nesibaigia. Pasirodo, kad didžioji dalis energijos apdirbant detalę išeikvojama trinčiai ir šilumos pavidalu pasišalina su detalę vėsinančiu skysčiu. Teoriškai, norint gauti pageidaujamą pradinės dalies dalį, pakaktų tik labai mažos pradinės energijos dalies (mūsų pavyzdyje numatoma 2%).

Ryžiai. 1. Energijos virsmų diagrama apdirbant ruošinį tekinimo staklėmis: 1 — energijos nuostoliai su išmetamosiomis dujomis, 2 — vidinė degimo produktų energija, 3 — vidinė darbinio skysčio energija — vandens garai, 4 — aušinimo metu išsiskirianti šiluma. vanduo turbininiame kondensatoriuje, 5 - turbinos generatoriaus rotoriaus mechaninė energija, 6 - nuostoliai elektros generatoriuje, 7 - atliekos mašinos elektrinėje pavaroje, 8 - mechaninė mašinos sukimosi energija, 9 - trinties energija. darbas, kuris virsta šiluma, atskiriamas nuo skysčio, aušinimo dalis, 10 - padidina detalės ir lustų vidinę energiją po apdorojimo ...

Iš nagrinėjamo pavyzdžio galima padaryti bent tris labai naudingas išvadas, jei jis laikomas gana tipišku.

Pirma, kiekviename energijos virsmo etape dalis jos prarandama... Šio teiginio nereikėtų suprasti kaip energijos tvermės dėsnio pažeidimą. Jis prarandamas dėl naudingo efekto, dėl kurio atliekama atitinkama transformacija. Bendras energijos kiekis po konversijos išlieka nepakitęs.

Jei energijos konversijos ir perdavimo procesas vyksta tam tikroje mašinoje ar aparate, tai šio įrenginio efektyvumas dažniausiai apibūdinamas efektyvumu (efektyvumu)... Tokio įrenginio schema parodyta pav. 2.

Ryžiai. 2. Energiją paverčiančio įrenginio efektyvumo nustatymo schema.

Naudojant paveikslėlyje parodytą žymėjimą, efektyvumą galima apibrėžti kaip Efektyvumas = Epol/Epod

Aišku, kad šiuo atveju, remiantis energijos tvermės dėsniu, turi būti Epod = Epol + Epot

Todėl efektyvumą taip pat galima parašyti taip: efektyvumas = 1 — (Epot / Epol)

Grįžtant prie pavyzdžio, parodyto Fig. 1, galima teigti, kad katilo naudingumo koeficientas yra 95%, garo vidinės energijos pavertimo mechaniniu darbu efektyvumas yra 40%, elektros generatoriaus naudingumo koeficientas yra 95%, efektyvumas yra - elektrinė pavara mašina - 75%, o faktinio ruošinio apdorojimo efektyvumas yra apie 7%.

Anksčiau, kai dar nebuvo žinomi energijos virsmo dėsniai, žmonių svajonė buvo sukurti vadinamąjį amžinąjį variklį – įrenginį, kuris atliktų naudingą darbą neeikvodamas energijos. Toks hipotetinis variklis, kurio egzistavimas pažeistų energijos tvermės dėsnį, šiandien vadinamas pirmos rūšies amžinuoju varikliu, o ne antrojo tipo nuolatiniu varikliu. Šiandien, žinoma, niekas nesiima. rimtai galimybe sukurti pirmos rūšies amžinąjį variklį.

Antra, visi energijos nuostoliai galiausiai paverčiami šiluma, kuri išleidžiama į atmosferos orą arba į vandenį iš natūralių rezervuarų.

Trečia, žmonės galiausiai sunaudoja tik nedidelę pirminės energijos dalį, kuri sunaudojama tam, kad gautų atitinkamą teigiamą poveikį.

Tai ypač akivaizdu žvelgiant į energijos transportavimo išlaidas. Idealizuotoje mechanikoje, kuri neatsižvelgia į trinties jėgas, judančioms apkrovoms horizontalioje plokštumoje nereikia energijos.

Realiomis sąlygomis visa transporto priemonės sunaudota energija naudojama trinties jėgoms ir oro pasipriešinimo jėgoms įveikti, tai yra galiausiai visa transporte sunaudota energija paverčiama šiluma. Šiuo atžvilgiu įdomūs yra šie skaičiai, apibūdinantys 1 tonos krovinių gabenimą 1 km atstumu su įvairių rūšių transportu: lėktuvas - 7,6 kWh / (t-km), automobilis - 0,51 kWh / ( t- km) , traukinys-0,12 kWh / (t-km).

Taigi tą patį teigiamą poveikį galima pasiekti naudojant oro transportą, sunaudojant 60 kartų daugiau energijos nei naudojant geležinkelius. Žinoma, didelės energijos sąnaudos leidžia žymiai sutaupyti laiko, tačiau net ir tuo pačiu greičiu (automobilyje ir traukinyje) energijos sąnaudos skiriasi 4 kartus.

Šis pavyzdys rodo, kad žmonės dažnai daro kompromisus su energijos vartojimo efektyvumu, siekdami kitų tikslų, pavyzdžiui, komforto, greičio ir pan. Paprastai paties proceso energinis efektyvumas mums mažai rūpi – bendrieji techniniai ir procesų efektyvumo ekonominiai vertinimai yra svarbūs... Bet brangstant pirminės energijos komponentams, energetinė dedamoji techniniuose ir ekonominiuose vertinimuose tampa vis svarbesnė.