Enerģijas nezūdamības likums

Mūsdienu fizika zina daudzus enerģijas veidus, kas saistīti ar kustību vai dažādu materiālu ķermeņu vai daļiņu savstarpēju izvietojumu, piemēram, jebkuram kustīgam ķermenim ir kinētiskā enerģija, kas ir proporcionāla tā ātruma kvadrātam. Šī enerģija var mainīties, ja ķermeņa ātrums palielinās vai samazinās. Virs zemes paceltam ķermenim ir gravitācijas potenciālā enerģija, kas maina trīs ķermeņa augstuma izmaiņas.

Stacionāriem elektriskiem lādiņiem, kas atrodas zināmā attālumā viens no otra, ir elektrostatiskā potenciālā enerģija saskaņā ar faktu, ka saskaņā ar Kulona likumu lādiņi vai nu pievelk (ja tiem ir dažādas zīmes) vai atgrūž ar spēku, kas ir apgriezti proporcionāls lādiņa kvadrātam. attālums starp tiem.

Kinētiskā un potenciālā enerģija pieder molekulām, atomi un daļiņas, to sastāvdaļas — elektroni, protoni, neitroni utt. mehāniskā darba veidā, elektriskās strāvas plūsmā, siltuma pārnesē, ķermeņu iekšējā stāvokļa maiņā, elektromagnētisko viļņu izplatīšanā utt.

Pirms vairāk nekā 100 gadiem tika izveidots fizikas pamatlikums, saskaņā ar kuru enerģija nevar pazust vai rasties no nekā. Viņa var mainīties tikai no viena veida uz citu… Šo likumu sauc par enerģijas nezūdamības likumu.

A. Einšteina darbos šis likums ir būtiski attīstīts. Einšteins noteica enerģijas un masas savstarpēju aizvietojamību un tādējādi paplašināja enerģijas nezūdamības likuma interpretāciju, ko tagad parasti sauc par enerģijas un masas nezūdamības likumu.

Saskaņā ar Einšteina teoriju jebkuras ķermeņa enerģijas dE izmaiņas ir saistītas ar tā masas dm izmaiņām pēc formulas dE =dmc2, kur c ir gaismas ātrums vakuumā, kas vienāds ar 3 x 108 Miss.

No šīs formulas jo īpaši izriet, ka, ja kāda procesa rezultātā visu procesā iesaistīto ķermeņu masa samazinās par 1 g, tad enerģija ir vienāda ar 9×1013 J, kas ir līdzvērtīga 3000 tonnām standarta degviela.

Šie koeficienti ir primāri svarīgi kodolpārveidojumu analīzē. Lielākajā daļā makroskopisko procesu masas izmaiņas var atstāt novārtā un runāt tikai par enerģijas nezūdamības likumu.

Izsekosim enerģijas pārveidojumiem uz kāda konkrēta piemēra. Apsveriet visu enerģijas pārveidošanas ķēdi, kas nepieciešama jebkuras daļas izgatavošanai uz virpas (1. att.). Lai sākotnējā enerģija 1, kuras daudzumu pieņemam par 100%, tiek iegūta, pilnībā sadegot noteiktam fosilā kurināmā daudzumam. Tāpēc mūsu piemēram 100% no sākotnējās enerģijas satur degvielas sadegšanas produkti, kas ir augstā (apmēram 2000 K) temperatūrā.

Sadegšanas produkti elektrostacijas katlā, atdziestot, atdod savu iekšējo enerģiju siltuma veidā ūdenim un ūdens tvaikiem. Tomēr tehnisku un ekonomisku iemeslu dēļ sadegšanas produktus nevar atdzesēt līdz apkārtējās vides temperatūrai. Tie caur cauruli tiek izmesti atmosfērā aptuveni 400 K temperatūrā, līdzi ņemot daļu no sākotnējās enerģijas. Tāpēc tikai 95% no sākotnējās enerģijas tiks pārnesti uz ūdens tvaiku iekšējo enerģiju.

Iegūtais ūdens tvaiks nonāks tvaika turbīnā, kur tā iekšējā enerģija sākotnēji daļēji tiek pārveidota tvaika virkņu kinētiskajā enerģijā, kas pēc tam kā mehāniskā enerģija tiks pārsūtīta uz turbīnas rotoru.

Tikai daļu tvaika enerģijas var pārvērst mehāniskajā enerģijā. Pārējais tiek nodots dzesēšanas ūdenim, kad tvaiks tiek kondensēts kondensatorā. Mūsu piemērā mēs pieņēmām, ka enerģija, kas tiek pārnesta uz turbīnas rotoru, būtu aptuveni 38%, kas aptuveni atbilst stāvoklim mūsdienu spēkstacijās.

Pārvēršot mehānisko enerģiju elektroenerģijā, pateicoties t.s Džoula zudumi ģeneratora rotora un statora tinumos zaudēs aptuveni 2% enerģijas. Rezultātā aptuveni 36% no sākotnējās enerģijas nonāks tīklā.

Elektromotors pārveidos tikai daļu no tam piegādātās elektriskās enerģijas mehāniskā enerģijā, lai pagrieztu virpu. Mūsu piemērā aptuveni 9% enerģijas džoula siltuma veidā motora tinumos un berzes siltuma veidā tā gultņos tiks izvadīti apkārtējā atmosfērā.

Tādējādi tikai 27% no sākotnējās enerģijas tiks piegādāti iekārtas darba orgāniem. Taču ar to arī enerģijas neveiksmes nebeidzas. Izrādās, ka lielākā daļa enerģijas detaļas apstrādes laikā tiek tērēta berzei un siltuma veidā tiek noņemta kopā ar šķidrumu, kas atdzesē detaļu. Teorētiski pietiktu tikai ar ļoti mazu daļu (mūsu piemērā tiek pieņemts 2%) no sākotnējās enerģijas, lai iegūtu vēlamo sākotnējās daļas daļu.

Rīsi. 1. Enerģijas transformāciju diagramma, apstrādājot sagatavi uz virpas: 1 — enerģijas zudumi ar izplūdes gāzēm, 2 — sadegšanas produktu iekšējā enerģija, 3 — darba šķidruma iekšējā enerģija — ūdens tvaiki, 4 — siltums, kas izdalās no dzesēšanas. ūdens turbīnas kondensatorā, 5 — turbīnas ģeneratora rotora mehāniskā enerģija, 6 — zudumi elektroģeneratorā, 7 — atkritumi mašīnas elektriskajā piedziņā, 8 — mašīnas rotācijas mehāniskā enerģija, 9 — berzes enerģija. darbs, kas tiek pārvērsts siltumā, atdalīts no šķidruma, dzesēšanas daļa, 10 - palielinot detaļas un skaidu iekšējo enerģiju pēc apstrādes ...

No aplūkotā piemēra var izdarīt vismaz trīs ļoti noderīgus secinājumus, ja tas tiek uzskatīts par diezgan tipisku.

Pirmkārt, katrā enerģijas pārveides posmā daļa no tā tiek zaudēta... Šo apgalvojumu nevajadzētu saprast kā enerģijas nezūdamības likuma pārkāpumu. Tas tiek zaudēts lietderīgā efekta dēļ, kuram tiek veikta atbilstošā transformācija. Kopējais enerģijas daudzums pēc konversijas paliek nemainīgs.

Ja enerģijas pārveidošanas un pārneses process notiek noteiktā mašīnā vai aparātā, tad šīs ierīces efektivitāti parasti raksturo efektivitāte (efektivitāte)... Šādas ierīces diagramma ir parādīta att. 2.

Rīsi. 2. Shēma enerģijas pārveidojošas ierīces efektivitātes noteikšanai.

Izmantojot attēlā parādīto apzīmējumu, efektivitāti var definēt kā Efficiency = Epol/Epod

Ir skaidrs, ka šajā gadījumā, pamatojoties uz enerģijas nezūdamības likumu, ir jābūt Epod = Epol + Epot

Tāpēc efektivitāti var uzrakstīt arī šādi: efektivitāte = 1 — (Epot / Epol)

Atgriežoties pie piemēra, kas parādīts attēlā. 1, mēs varam teikt, ka katla lietderības koeficients ir 95%, tvaika iekšējās enerģijas pārvēršanas mehāniskajā darbā efektivitāte ir 40%, elektriskā ģeneratora efektivitāte ir 95%, efektivitāte ir - elektriskā piedziņa. mašīna — 75%, un sagataves faktiskās apstrādes efektivitāte ir aptuveni 7%.

Agrāk, kad vēl nebija zināmi enerģijas transformācijas likumi, cilvēku sapnis bija izveidot tā saukto mūžīgo kustību mašīnu — ierīci, kas veiktu lietderīgu darbu, netērējot enerģiju. Šāds hipotētisks dzinējs, kura pastāvēšana pārkāptu enerģijas nezūdamības likumu, mūsdienās tiek saukts par pirmā veida mūžīgo kustību mašīnu, pretstatā otrā veida mūžīgajai kustībai.Šodien, protams, neviens to neņem. nopietni iespēja izveidot pirmā veida mūžīgo kustību mašīnu.

Otrkārt, visi enerģijas zudumi galu galā tiek pārvērsti siltumā, kas tiek izvadīts vai nu atmosfēras gaisā, vai ūdenī no dabas rezervuāriem.

Treškārt, cilvēki galu galā izmanto tikai nelielu daļu no primārās enerģijas, kas tiek iztērēta, lai iegūtu attiecīgo labvēlīgo efektu.

Tas ir īpaši redzams, aplūkojot enerģijas transporta izmaksas. Idealizētā mehānikā, kas neņem vērā berzes spēkus, kustīgām slodzēm horizontālā plaknē nav nepieciešama enerģija.

Reālos apstākļos visa transportlīdzekļa patērētā enerģija tiek izmantota berzes spēku un gaisa pretestības spēku pārvarēšanai, tas ir, galu galā visa transportā patērētā enerģija tiek pārvērsta siltumā. Šajā sakarā interesanti ir šādi skaitļi, kas raksturo darbu, pārvietojot 1 tonnu kravas 1 km attālumā ar dažādiem transporta veidiem: lidmašīna - 7,6 kWh / (t-km), automašīna - 0,51 kWh / ( t- km) , vilciens-0,12 kWh / (t-km).

Tādējādi tādu pašu labvēlīgo efektu var panākt ar gaisa transportu uz 60 reizes lielāka enerģijas patēriņa rēķina nekā ar dzelzceļu. Protams, liels enerģijas patēriņš dod ievērojamu laika ietaupījumu, taču pat ar tādu pašu ātrumu (automašīna un vilciens) enerģijas izmaksas atšķiras 4 reizes.

Šis piemērs liecina, ka cilvēki bieži veic kompromisus ar energoefektivitāti, lai sasniegtu citus mērķus, piemēram, komfortu, ātrumu utt. Parasti paša procesa energoefektivitāte mūs neinteresē — vispārējā tehniskā un ir svarīgi procesu efektivitātes ekonomiskie novērtējumi... Bet, pieaugot primārās enerģijas komponentu cenai, arvien svarīgāka kļūst energokomponente tehniskajos un ekonomiskajos novērtējumos.