Закон за запазване на енергията

Съвременната физика познава много видове енергия, свързани с движение или различно взаимно подреждане на голямо разнообразие от материални тела или частици, например всяко движещо се тяло има кинетична енергия, пропорционална на квадрата на скоростта му. Тази енергия може да се промени, ако скоростта на тялото се увеличи или намали. Тялото, издигнато над земята, има потенциална гравитационна енергия, варираща три промени във височината на тялото.

Стационарните електрически заряди, които са на известно разстояние един от друг, имат потенциална електростатична енергия в съответствие с факта, че според закона на Кулон, зарядите или се привличат (ако са с различни знаци), или отблъскват със сила, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.

Кинетичната и потенциалната енергия се притежава от молекули, атоми и частици, техните съставки — електрони, протони, неутрони и т.н. под формата на механична работа, в потока на електрически ток, при прехвърлянето на топлина, при промяната на вътрешната състояние на телата, при разпространението на електромагнитни вълни и др.

Преди повече от 100 години във физиката е установен основен закон, според който енергията не може да изчезне или да възникне от нищото. Тя може да премине само от един тип в друг…. Този закон се нарича закон за съхранение на енергия.

В произведенията на А. Айнщайн този закон е значително развит. Айнщайн установи взаимозаменяемостта на енергията и масата и по този начин разшири интерпретацията на закона за запазване на енергията, който сега обикновено се формулира като закон за запазване на енергията и масата.

В съответствие с теорията на Айнщайн, всяка промяна в енергията на тялото дE е свързано с промяна в неговата маса дm по формулата дE =дmc2, където c е скоростта на светлината във вакуум, равна на 3 x 108 Госпожица.

От тази формула по -специално следва, че ако в резултат на някакъв процес масата на всички тела, участващи в процеса, намалее с 1 g, тогава енергията, равна на 9×1013 J, което е еквивалентно на 3000 тона стандартно гориво.

Тези съотношения са от първостепенно значение при анализа на ядрените трансформации. В повечето макроскопични процеси промяната в масата може да бъде пренебрегната и да се говори само за закона за запазване на енергията.

Нека проследим трансформациите на енергията на някакъв конкретен пример. Помислете за цялата верига от преобразувания на енергия, необходими за производството на която и да е част на струг (фиг. 1). Нека първоначалната енергия 1, чието количество приемаме като 100%, се получава поради пълното изгаряне на определено количество изкопаемо гориво. Следователно, за нашия пример, 100% от първоначалната енергия се съдържа в продуктите от горенето на гориво, които са при висока (около 2000 K) температура.

Продуктите на горене в котела на електроцентралата, когато се охладят, се отказват от вътрешната си енергия под формата на топлина към вода и водни пари. По технически и икономически причини обаче продуктите от горенето не могат да се охлаждат до температурата на околната среда. Те се изхвърлят през тръбата в атмосферата при температура около 400 K, като вземат със себе си част от първоначалната енергия. Следователно само 95% от първоначалната енергия ще бъде прехвърлена към вътрешната енергия на водната пара.

Получената водна пара ще попадне в парната турбина, където първоначално нейната вътрешна енергия се преобразува частично в кинетична енергия на парните струни, която след това ще бъде предадена като механична енергия на ротора на турбината.

Само част от енергията на парата може да се преобразува в механична енергия. Останалата част се дава на охлаждащата вода, когато пара се кондензира в кондензатора. В нашия пример приехме, че енергията, прехвърлена към ротора на турбината, ще бъде около 38%, което приблизително съответства на състоянието на нещата в съвременните електроцентрали.

При преобразуване на механичната енергия в електрическа поради т. Нар. Джоулови загуби в намотките на ротора и статора на генератора ще се загубят около 2% от енергията. В резултат на това около 36% от първоначалната енергия ще отиде в електрическата мрежа.

Електрическият мотор ще преобразува само част от подадената към него електрическа енергия в механична енергия на въртене на струга. В нашия пример около 9% от енергията под формата на Джоулова топлина в намотките на двигателя и топлината на триене в нейните лагери ще бъдат освободени в околната атмосфера.

Така само 27% от първоначалната енергия ще бъде доставена на работните органи на машината. Но злополуките на енергията също не свършват дотук. Оказва се, че по -голямата част от енергията по време на обработката на част се изразходва за триене и под формата на топлина се отстранява с течността, която охлажда детайла. Теоретично само много малка част (в нашия пример, 2% се приема условно) от началната енергия би била достатъчна, за да се получи желаната част от оригиналния детайл.

Ориз. 1. Диаграма на енергийните преобразувания при обработка на детайл на струг: 1 — загуба на енергия с отработени газове, 2 — вътрешна енергия на продуктите от горенето, 3 — вътрешна енергия на работната течност — водни пари, 4 — топлина, отделена на охлаждащата вода в турбинен кондензатор, 5 — механична енергия на ротора на турбинен генератор, 6 — загуби в електрогенератора, 7 — отпадъци в електрическото задвижване на машината, 8 — механична енергия на въртене на машината, 9 — работа на триене, която се превръща в топлина, отделена на течността, охлаждащата част, 10 — увеличаване на вътрешната енергия на частта и стружки след обработка …

От разглеждания пример, ако се счита за доста типичен, могат да се направят поне три много полезни извода.

Първо, на всяка стъпка от преобразуването на енергия част от нея се губи… Това твърдение не трябва да се разбира като нарушение на закона за запазване на енергията. Той се губи заради онзи полезен ефект, заради който се извършва съответната трансформация. Общото количество енергия след преобразуването остава непроменено.

Ако процесът на преобразуване и пренос на енергия се извършва в определена машина или апарат, тогава ефективността на това устройство обикновено се характеризира с ефективност (ефективност)… Диаграма на такова устройство е показана на фиг. 2.

Ориз. 2. Схема за определяне на ефективността на устройство, което преобразува енергия.

Използвайки обозначенията, показани на фигурата, ефективността може да се определи като ефективност = Epol/Epod

Ясно е, че в този случай, въз основа на закона за запазване на енергията, трябва да има Epod = Epol + Epot

Следователно ефективността може да се запише и по следния начин: ефективност = 1 — (Epot / Epol)

Връщайки се към примера, показан на фиг. 1, можем да кажем, че ефективността на котела е 95%, ефективността на преобразуване на вътрешната енергия на парата в механична работа е 40%, ефективността на електрическия генератор е 95%, ефективността е — електрическото задвижване на машина — 75%, а ефективността на действителната обработка на детайла е около 7%.

В миналото, когато законите на енергийната трансформация все още не бяха известни, мечтата на хората беше създаването на т.нар вечна машина за движение — устройство, което би вършило полезна работа, без да харчи енергия. Такъв хипотетичен двигател, чието съществуване би нарушило закона за запазване на енергията, днес се нарича вечна двигателна машина от първи вид, за разлика от вечната двигателна машина от втори вид.Днес, разбира се, никой не приема сериозно възможността за създаване на вечна двигателна машина от първи вид.

Второ, всички загуби на енергия в крайна сметка се превръщат в топлина, която се отделя или на атмосферния въздух, или на водата от естествените резервоари.

Трето, в крайна сметка хората използват само малка част от първичната енергия, която е изразходвана, за да получат съответния благоприятен ефект.

Това е особено очевидно при разглеждане на транспортните разходи за енергия. В идеализираната механика, която не отчита силите на триене, движещите се товари в хоризонталната равнина не изискват енергия.

В реални условия цялата енергия, изразходвана от превозно средство, се изразходва за преодоляване на силите на триене и силите на съпротивление на въздуха, тоест в крайна сметка цялата енергия, консумирана при транспорта, се превръща в топлина. В тази връзка са интересни следните цифри, характеризиращи работата по преместване на 1 тон товар на разстояние 1 км с различни видове транспорт: самолет — 7,6 kWh / (t -km), автомобил — 0,51 kWh / ( t-km), влак-0,12 kWh / (t-km).

Така същият благоприятен ефект може да бъде постигнат с въздушен транспорт за сметка на 60 пъти по -голяма консумация на енергия, отколкото с железопътен. Разбира се, големият разход на енергия дава значителни икономии във времето, но дори при една и съща скорост (кола и влак), разходите за енергия се различават 4 пъти.

Този пример подсказва, че хората често правят компромиси с енергийната ефективност, за да постигнат други цели, например комфорт, скорост и т. Н. По правило енергийната ефективност на самия процес не представлява малък интерес за нас — общите технически и икономически оценки на ефективността на процесите е важна … Но с увеличаването на цената на първичните енергийни компоненти, енергийният компонент в техническите и икономическите оценки става все по -важен.