Loven om bevarelse af energi

Moderne fysik kender mange typer energi forbundet med bevægelse eller forskellige indbyrdes arrangementer af en lang række materielle legemer eller partikler, for eksempel har ethvert bevægeligt legeme kinetisk energi proportional med kvadratet af dets hastighed. Denne energi kan ændre sig, hvis kroppens hastighed øges eller falder. Et legeme hævet over jorden har en gravitationel potentiel energi, der varierer tre ændringer i kroppens højde.

Stationære elektriske ladninger, der er et stykke fra hinanden, har en elektrostatisk potentiel energi i overensstemmelse med, at ladningerne ifølge Coulombs lov enten tiltrækker (hvis de har forskellige fortegn) eller frastøder med en kraft omvendt proportional med kvadratet af afstanden mellem dem.

Kinetisk og potentiel energi besiddes af molekyler, atomer og partikler, deres bestanddele - elektroner, protoner, neutroner osv. i form af mekanisk arbejde, i strømmen af ​​elektrisk strøm, i overførsel af varme, i ændringen af ​​den indre tilstand af legemer, i udbredelsen af ​​elektromagnetiske bølger osv.

For mere end 100 år siden blev der etableret en grundlæggende fysiklov, ifølge hvilken energi ikke kan forsvinde eller opstå af ingenting. Hun kan kun skifte fra en type til en anden…. Denne lov kaldes loven om energibevarelse.

I A. Einsteins værker er denne lov væsentligt udviklet. Einstein etablerede udskifteligheden af ​​energi og masse og udvidede derved fortolkningen af ​​loven om energiens bevarelse, som nu almindeligvis er angivet som loven om bevarelse af energi og masse.

I overensstemmelse med Einsteins teori er enhver ændring i kroppens energi dE relateret til en ændring i dens masse dm med formlen dE =dmc2, hvor c er lysets hastighed i et vakuum svarende til 3 x 108 Miss.

Især af denne formel følger det, at hvis massen af ​​alle legemer involveret i processen som et resultat af en proces falder med 1 g, så er energien lig med 9×1013 J, hvilket svarer til 3000 tons standard brændstof.

Disse forhold er af primær betydning i analysen af ​​nukleare transformationer. I de fleste makroskopiske processer kan ændringen i masse negligeres, og der kan kun tales om loven om energibevarelse.

Lad os spore transformationerne af energi på et konkret eksempel. Overvej hele kæden af ​​energiomdannelser, der kræves for at producere en del på en drejebænk (fig. 1). Lad den oprindelige energi 1, hvis mængde vi tager som 100%, opnås på grund af den fuldstændige forbrænding af en vis mængde fossilt brændstof. Derfor, for vores eksempel, er 100% af den oprindelige energi indeholdt i produkterne fra brændstofforbrænding, som har en høj (ca. 2000 K) temperatur.

Forbrændingsprodukterne i kraftværkets kedel afgiver, når de afkøles, deres indre energi i form af varme til vand og vanddamp. Af tekniske og økonomiske årsager kan forbrændingsprodukterne dog ikke køles til omgivelsestemperatur. De udslynges gennem røret ud i atmosfæren ved en temperatur på omkring 400 K og tager noget af den oprindelige energi med sig. Derfor vil kun 95 % af den oprindelige energi blive overført til vanddampens indre energi.

Den resulterende vanddamp vil komme ind i dampturbinen, hvor dens indre energi i første omgang delvist omdannes til kinetisk energi af dampstrengene, som derefter vil blive overført som mekanisk energi til turbinerotoren.

Kun en del af dampenergien kan omdannes til mekanisk energi. Resten gives til kølevandet, når damp kondenseres i kondensatoren. I vores eksempel antog vi, at den energi, der overføres til turbinerotoren, ville være omkring 38 %, hvilket nogenlunde svarer til tingenes tilstand i moderne kraftværker.

Ved omdannelse af mekanisk energi til elektrisk energi på grund af den såkaldte Joule-tab i generatorens rotor- og statorviklinger vil miste omkring 2 % af energien. Som et resultat vil omkring 36% af den oprindelige energi gå ind i nettet.

En elektrisk motor vil kun konvertere en del af den elektriske energi, der leveres til den, til mekanisk energi for at rotere drejebænken. I vores eksempel vil omkring 9 % af energien i form af Joule-varme i motorviklingerne og friktionsvarme i dens lejer blive frigivet til den omgivende atmosfære.

Således vil kun 27% af den oprindelige energi blive leveret til maskinens arbejdsorganer. Men energiuheldene slutter heller ikke der. Det viser sig, at det meste af energien under bearbejdningen af ​​en del bruges på friktion og i form af varme fjernes med væsken, der afkøler delen. Teoretisk set ville kun en meget lille del (i vores eksempel antages 2%) af den oprindelige energi være tilstrækkelig til at opnå den ønskede del af den oprindelige del.

Ris. 1. Diagram over energiomdannelser under bearbejdning af et emne på en drejebænk: 1 — energitab med udstødningsgasser, 2 — intern energi af forbrændingsprodukter, 3 — indre energi af arbejdsvæsken — vanddamp, 4 — varme frigivet fra kølingen vand i en turbinekondensator, 5 — mekanisk energi fra rotoren i en turbinegenerator, 6 — tab i den elektriske generator, 7 — spild i maskinens elektriske drev, 8 — mekanisk rotationsenergi af maskinen, 9 — friktionsenergi arbejde, som omdannes til varme, adskilt fra væsken, køledelen, 10 — øger den indre energi af delen og spånerne efter forarbejdning ...

Der kan drages mindst tre meget nyttige konklusioner fra det undersøgte eksempel, hvis det anses for at være ret typisk.

For det første, ved hvert trin af energiomdannelsen går noget af det tabt... Denne udtalelse skal ikke forstås som en overtrædelse af loven om bevarelse af energi. Det går tabt på grund af den nyttige effekt, som den tilsvarende transformation udføres for. Den samlede mængde energi efter konverteringen forbliver uændret.

Hvis processen med energiomdannelse og overførsel finder sted i en bestemt maskine eller et bestemt apparat, så er effektiviteten af ​​denne enhed normalt karakteriseret ved effektivitet (effektivitet)... Et diagram over en sådan enhed er vist i fig. 2.

Ris. 2. Skema til bestemmelse af effektiviteten af ​​en enhed, der omdanner energi.

Ved hjælp af notationen vist i figuren kan effektiviteten defineres som Effektivitet = Epol/Epod

Det er klart, at i dette tilfælde, baseret på loven om bevarelse af energi, skal der være Epod = Epol + Epot

Derfor kan effektiviteten også skrives som følger: effektivitet = 1 — (Epot / Epol)

For at vende tilbage til eksemplet vist i fig. 1, kan vi sige, at kedlens effektivitet er 95%, effektiviteten af ​​at konvertere den interne energi af damp til mekanisk arbejde er 40%, effektiviteten af ​​den elektriske generator er 95%, effektiviteten er - det elektriske drev af en maskine — 75%, og effektiviteten af ​​den faktiske behandling af emnet er omkring 7%.

Tidligere, da lovene for energitransformation endnu ikke var kendt, var folks drøm at skabe en såkaldt evighedsmaskine - en enhed, der ville gøre nyttigt arbejde uden at bruge energi. En sådan hypotetisk motor, hvis eksistens ville overtræde loven om energibevarelse, kaldes i dag en evighedsmaskine af den første slags i modsætning til en evighedsmaskine af den anden slags.I dag er der selvfølgelig ingen, der tager seriøst muligheden for at skabe en evighedsmaskine af den første slags.

For det andet omdannes alle energitab i sidste ende til varme, som frigives enten til atmosfærisk luft eller til vand fra naturlige reservoirer.

For det tredje ender folk med kun at bruge en lille del af den primære energi, der bruges på at opnå den relevante gavnlige effekt.

Dette er især tydeligt, når man ser på omkostningerne til energitransport. I idealiseret mekanik, som ikke tager friktionskræfter i betragtning, kræver flytning af belastninger i det vandrette plan ingen energi.

Under virkelige forhold bliver al den energi, der forbruges af et køretøj, brugt til at overvinde friktionskræfter og luftmodstandskræfter, det vil sige i sidste ende, at al den energi, der forbruges under transport, omdannes til varme. I denne henseende er følgende tal interessante, der karakteriserer arbejdet med at flytte 1 ton last i en afstand på 1 km med forskellige transporttyper: fly — 7,6 kWh / (t-km), bil — 0,51 kWh / ( t- km), tog-0,12 kWh / (t-km).

Den samme gavnlige effekt kan således opnås med lufttransport på bekostning af 60 gange større energiforbrug end med jernbane. Et højt energiforbrug giver naturligvis betydelige tidsbesparelser, men selv ved samme hastighed (bil og tog) afviger energiomkostningerne med 4 gange.

Dette eksempel tyder på, at folk ofte foretager afvejninger med energieffektivitet for at nå andre mål, f.eks. komfort, hastighed osv. Som regel er energieffektiviteten af ​​selve processen af ​​ringe interesse for os - den generelle tekniske og økonomiske evalueringer af processers effektivitet er vigtige... Men i takt med at prisen på primære energikomponenter stiger, bliver energikomponenten i tekniske og økonomiske evalueringer vigtigere og vigtigere.