Νόμος διατήρησης της ενέργειας
Η σύγχρονη φυσική γνωρίζει πολλούς τύπους ενέργειας που σχετίζονται με κίνηση ή διαφορετική αμοιβαία διάταξη μιας μεγάλης ποικιλίας υλικών σωμάτων ή σωματιδίων, για παράδειγμα, κάθε κινούμενο σώμα έχει κινητική ενέργεια ανάλογη με το τετράγωνο της ταχύτητάς του. Αυτή η ενέργεια μπορεί να αλλάξει εάν η ταχύτητα του σώματος αυξηθεί ή μειωθεί. Ένα σώμα υψωμένο πάνω από το έδαφος έχει βαρυτική δυναμική ενέργεια που ποικίλλει τρεις αλλαγές στο ύψος του σώματος.
Τα ακίνητα ηλεκτρικά φορτία που βρίσκονται σε κάποια απόσταση το ένα από το άλλο έχουν ηλεκτροστατική δυναμική ενέργεια σύμφωνα με το γεγονός ότι, σύμφωνα με το νόμο του Coulomb, τα φορτία είτε έλκονται (αν είναι διαφορετικών προσώπων) είτε απωθούνται με δύναμη αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου του την απόσταση μεταξύ τους.
Η κινητική και δυναμική ενέργεια κατέχεται από μόρια, άτομα και σωματίδια, τα συστατικά τους — ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια κ.λπ. με τη μορφή μηχανικής εργασίας, στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, στη μεταφορά θερμότητας, στην αλλαγή της εσωτερικής κατάστασης των σωμάτων, στη διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων κ.λπ.
Πριν από περισσότερα από 100 χρόνια, θεσπίστηκε ένας θεμελιώδης νόμος της φυσικής, σύμφωνα με τον οποίο η ενέργεια δεν μπορεί να εξαφανιστεί ή να προκύψει από το τίποτα. Μπορεί να αλλάξει μόνο από τον έναν τύπο στον άλλο…. Ο νόμος αυτός ονομάζεται νόμος διατήρησης της ενέργειας.
Στα έργα του Α. Αϊνστάιν ο νόμος αυτός αναπτύσσεται σημαντικά. Ο Αϊνστάιν καθιέρωσε την εναλλαξιμότητα της ενέργειας και της μάζας και έτσι επέκτεινε την ερμηνεία του νόμου της διατήρησης της ενέργειας, ο οποίος σήμερα δηλώνεται συνήθως ως ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας και της μάζας.
Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, οποιαδήποτε αλλαγή στην ενέργεια dE του σώματος σχετίζεται με μια αλλαγή στη μάζα του dm με τον τύπο dE =dmc2, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό ίση με 3 x 108 Miss.
Από αυτόν τον τύπο, συγκεκριμένα, προκύπτει ότι εάν, ως αποτέλεσμα κάποιας διαδικασίας, η μάζα όλων των σωμάτων που συμμετέχουν στη διαδικασία μειωθεί κατά 1 g, τότε η ενέργεια ίση με 9×1013 J, που ισοδυναμεί με 3000 τόνους τυπικό καύσιμο.
Αυτοί οι λόγοι είναι πρωταρχικής σημασίας στην ανάλυση των πυρηνικών μετασχηματισμών. Στις περισσότερες μακροσκοπικές διεργασίες, η αλλαγή της μάζας μπορεί να αγνοηθεί και μόνο ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας μπορεί να γίνει λόγος.
Ας παρακολουθήσουμε τους μετασχηματισμούς της ενέργειας σε κάποιο συγκεκριμένο παράδειγμα. Εξετάστε ολόκληρη την αλυσίδα των μετατροπών ενέργειας που απαιτούνται για την παραγωγή οποιουδήποτε εξαρτήματος σε έναν τόρνο (Εικ. 1). Έστω ότι η αρχική ενέργεια 1, η ποσότητα της οποίας λαμβάνουμε ως 100%, προκύπτει λόγω της πλήρους καύσης ορισμένης ποσότητας ορυκτού καυσίμου. Επομένως, για το παράδειγμά μας, το 100% της αρχικής ενέργειας περιέχεται στα προϊόντα της καύσης του καυσίμου, τα οποία βρίσκονται σε υψηλή θερμοκρασία (περίπου 2000 Κ).
Τα προϊόντα της καύσης στον λέβητα του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής, όταν ψύχονται, εκχωρούν την εσωτερική τους ενέργεια με τη μορφή θερμότητας σε νερό και υδρατμούς. Ωστόσο, για τεχνικούς και οικονομικούς λόγους, τα προϊόντα καύσης δεν μπορούν να ψυχθούν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Εκτοξεύονται μέσω του σωλήνα στην ατμόσφαιρα σε θερμοκρασία περίπου 400 K, παίρνοντας μαζί τους λίγη από την αρχική ενέργεια. Επομένως, μόνο το 95% της αρχικής ενέργειας θα μεταφερθεί στην εσωτερική ενέργεια των υδρατμών.
Οι υδρατμοί που θα προκύψουν θα εισέλθουν στον ατμοστρόβιλο, όπου η εσωτερική του ενέργεια αρχικά μετατρέπεται εν μέρει σε κινητική ενέργεια των στοιχειοσειρών ατμού, η οποία στη συνέχεια θα μεταδοθεί ως μηχανική ενέργεια στον ρότορα του στροβίλου.
Μόνο ένα μέρος της ενέργειας του ατμού μπορεί να μετατραπεί σε μηχανική ενέργεια. Το υπόλοιπο δίνεται στο νερό ψύξης όταν ο ατμός συμπυκνώνεται στον συμπυκνωτή. Στο παράδειγμά μας, υποθέσαμε ότι η ενέργεια που μεταφέρεται στον ρότορα του στροβίλου θα ήταν περίπου 38%, που αντιστοιχεί περίπου στην κατάσταση των σύγχρονων σταθμών ηλεκτροπαραγωγής.
Κατά τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια λόγω του λεγόμενου Οι απώλειες Joule στις περιελίξεις του ρότορα και του στάτη της γεννήτριας θα χάσουν περίπου το 2% της ενέργειας. Ως αποτέλεσμα, περίπου το 36% της αρχικής ενέργειας θα πάει στο δίκτυο.
Ένας ηλεκτρικός κινητήρας θα μετατρέψει μόνο ένα μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που του παρέχεται σε μηχανική ενέργεια για την περιστροφή του τόρνου. Στο παράδειγμά μας, περίπου το 9% της ενέργειας με τη μορφή θερμότητας Joule στις περιελίξεις του κινητήρα και θερμότητας τριβής στα ρουλεμάν του θα απελευθερωθεί στη γύρω ατμόσφαιρα.
Έτσι, μόνο το 27% της αρχικής ενέργειας θα παραδοθεί στα όργανα εργασίας του μηχανήματος. Αλλά και οι ενεργειακές ατυχίες δεν σταματούν εκεί. Αποδεικνύεται ότι το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας κατά την κατεργασία ενός εξαρτήματος ξοδεύεται στην τριβή και με τη μορφή θερμότητας αφαιρείται με το υγρό που ψύχει το εξάρτημα. Θεωρητικά, μόνο ένα πολύ μικρό κλάσμα (στο παράδειγμά μας, θεωρείται 2%) της αρχικής ενέργειας θα ήταν αρκετό για να ληφθεί το επιθυμητό μέρος του αρχικού τμήματος.
Ρύζι. 1. Διάγραμμα μετασχηματισμών ενέργειας κατά την επεξεργασία ενός τεμαχίου σε τόρνο: 1 — απώλεια ενέργειας με καυσαέρια, 2 — εσωτερική ενέργεια προϊόντων καύσης, 3 — εσωτερική ενέργεια του ρευστού εργασίας — υδρατμοί, 4 — θερμότητα που απελευθερώνεται από την ψύξη νερό σε συμπυκνωτή στροβίλου, 5 — μηχανική ενέργεια του ρότορα μιας γεννήτριας στροβίλου, 6 — απώλειες στην ηλεκτρική γεννήτρια, 7 — απόβλητα στην ηλεκτρική κίνηση της μηχανής, 8 — μηχανική ενέργεια περιστροφής της μηχανής, 9 — τριβή εργασία, η οποία μετατρέπεται σε θερμότητα, διαχωρίζεται από το υγρό, το ψυκτικό μέρος, 10 — αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του εξαρτήματος και των τσιπς μετά την επεξεργασία ...
Τουλάχιστον τρία πολύ χρήσιμα συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν από το υπό εξέταση παράδειγμα, εάν θεωρείται αρκετά τυπικό.
Πρώτον, σε κάθε βήμα της μετατροπής ενέργειας ένα μέρος της χάνεται... Αυτή η δήλωση δεν πρέπει να εκληφθεί ως παραβίαση του νόμου της διατήρησης της ενέργειας. Χάνεται λόγω του χρήσιμου αποτελέσματος για το οποίο εκτελείται ο αντίστοιχος μετασχηματισμός. Η συνολική ποσότητα ενέργειας μετά τη μετατροπή παραμένει αμετάβλητη.
Εάν η διαδικασία μετατροπής και μεταφοράς ενέργειας λαμβάνει χώρα σε ένα συγκεκριμένο μηχάνημα ή συσκευή, τότε η απόδοση αυτής της συσκευής συνήθως χαρακτηρίζεται από απόδοση (απόδοση)... Ένα διάγραμμα μιας τέτοιας συσκευής φαίνεται στο σχ. 2.
Ρύζι. 2. Σχέδιο για τον προσδιορισμό της απόδοσης μιας συσκευής που μετατρέπει ενέργεια.
Χρησιμοποιώντας τη σημείωση που φαίνεται στο σχήμα, η απόδοση μπορεί να οριστεί ως Efficiency = Epol/Epod
Είναι σαφές ότι σε αυτή την περίπτωση, βάσει του νόμου διατήρησης της ενέργειας, πρέπει να υπάρχει Επωδ = Έπολ + Εποτ
Επομένως, η απόδοση μπορεί επίσης να γραφτεί ως εξής: αποδοτικότητα = 1 — (Epot / Epol)
Επιστρέφοντας στο παράδειγμα που φαίνεται στο ΣΧ. 1, μπορούμε να πούμε ότι η απόδοση του λέβητα είναι 95%, η απόδοση μετατροπής της εσωτερικής ενέργειας του ατμού σε μηχανικό έργο είναι 40%, η απόδοση της ηλεκτρικής γεννήτριας είναι 95%, η απόδοση είναι — η ηλεκτρική κίνηση ενός μηχανή — 75%, και η αποτελεσματικότητα της πραγματικής επεξεργασίας του τεμαχίου εργασίας είναι περίπου 7%.
Στο παρελθόν, όταν οι νόμοι του μετασχηματισμού της ενέργειας δεν ήταν ακόμη γνωστοί, το όνειρο των ανθρώπων ήταν να δημιουργήσουν μια λεγόμενη μηχανή διαρκούς κίνησης - μια συσκευή που θα έκανε χρήσιμη εργασία χωρίς να ξοδεύει ενέργεια. Μια τέτοια υποθετική μηχανή, η ύπαρξη της οποίας θα παραβίαζε τον νόμο της διατήρησης της ενέργειας, ονομάζεται σήμερα μηχανή αέναης κίνησης πρώτου είδους, σε αντίθεση με μια μηχανή αέναης κίνησης δεύτερου είδους. Σήμερα, φυσικά, κανείς δεν παίρνει σοβαρά τη δυνατότητα δημιουργίας μιας μηχανής αέναης κίνησης πρώτου είδους.
Δεύτερον, όλες οι απώλειες ενέργειας τελικά μετατρέπονται σε θερμότητα, η οποία απελευθερώνεται είτε στον ατμοσφαιρικό αέρα είτε στο νερό από τις φυσικές δεξαμενές.
Τρίτον, οι άνθρωποι καταλήγουν να χρησιμοποιούν μόνο ένα μικρό κλάσμα της πρωτογενούς ενέργειας που δαπανάται για να επιτύχουν το σχετικό ευεργετικό αποτέλεσμα.
Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές όταν εξετάζουμε το κόστος μεταφοράς ενέργειας. Στην εξιδανικευμένη μηχανική, η οποία δεν λαμβάνει υπόψη τις δυνάμεις τριβής, τα κινούμενα φορτία στο οριζόντιο επίπεδο δεν απαιτούν ενέργεια.
Σε πραγματικές συνθήκες, όλη η ενέργεια που καταναλώνεται από ένα όχημα χρησιμοποιείται για να ξεπεραστούν οι δυνάμεις τριβής και οι δυνάμεις αντίστασης του αέρα, δηλαδή, τελικά, όλη η ενέργεια που καταναλώνεται στη μεταφορά μετατρέπεται σε θερμότητα. Από αυτή την άποψη, τα ακόλουθα στοιχεία είναι ενδιαφέροντα, που χαρακτηρίζουν το έργο της μετακίνησης 1 τόνου φορτίου σε απόσταση 1 km με διαφορετικούς τύπους μεταφοράς: αεροπλάνο — 7,6 kWh / (t-km), αυτοκίνητο — 0,51 kWh / ( t- km) , τρένο-0,12 kWh / (t-km).
Έτσι, το ίδιο ευεργετικό αποτέλεσμα μπορεί να επιτευχθεί με τις αεροπορικές μεταφορές εις βάρος της 60 φορές μεγαλύτερης κατανάλωσης ενέργειας από ό,τι με τις σιδηροδρομικές μεταφορές. Φυσικά, η υψηλή κατανάλωση ενέργειας προσφέρει σημαντική εξοικονόμηση χρόνου, αλλά ακόμη και με την ίδια ταχύτητα (αυτοκίνητο και τρένο), το κόστος ενέργειας διαφέρει κατά 4 φορές.
Αυτό το παράδειγμα υποδηλώνει ότι οι άνθρωποι κάνουν συχνά συμβιβασμούς με την ενεργειακή απόδοση προκειμένου να επιτύχουν άλλους στόχους, για παράδειγμα άνεση, ταχύτητα κ.λπ. Κατά κανόνα, η ενεργειακή απόδοση της ίδιας της διαδικασίας δεν μας ενδιαφέρει καθόλου — η γενική τεχνική και Οι οικονομικές αξιολογήσεις της αποτελεσματικότητας των διαδικασιών είναι σημαντικές... Αλλά καθώς αυξάνεται η τιμή των συστατικών πρωτογενούς ενέργειας, το ενεργειακό στοιχείο στις τεχνικές και οικονομικές αξιολογήσεις γίνεται όλο και πιο σημαντικό.