Legea conservării energiei

Fizica modernă cunoaște multe tipuri de energie asociate cu mișcarea sau cu diferite aranjamente reciproce ale unei game largi de corpuri materiale sau particule, de exemplu, orice corp în mișcare are energie cinetică proporțională cu pătratul vitezei sale. Această energie se poate schimba dacă viteza corpului crește sau scade. Un corp ridicat deasupra solului are o energie potențială gravitațională care variază cu trei modificări ale înălțimii corpului.

Sarcinile electrice staționare aflate la o anumită distanță unele de altele au o energie potențială electrostatică în conformitate cu faptul că, conform legii lui Coulomb, sarcinile fie se atrag (dacă sunt de semne diferite), fie se resping cu o forță invers proporțională cu pătratul lui. distanța dintre ele.

Energia cinetică și potențială este deținută de molecule, atomi și particule, constituenții lor - electroni, protoni, neutroni etc. sub formă de lucru mecanic, în fluxul de curent electric, în transferul de căldură, în schimbarea stării interne a corpurilor, în propagarea undelor electromagnetice etc.

În urmă cu mai bine de 100 de ani, a fost stabilită o lege fundamentală a fizicii, conform căreia energia nu poate dispărea sau nu poate apărea din nimic. Ea se poate schimba doar de la un tip la altul... Această lege se numește legea conservării energiei.

În lucrările lui A. Einstein, această lege este dezvoltată semnificativ. Einstein a stabilit interschimbabilitatea energiei și a masei și, prin urmare, a extins interpretarea legii conservării energiei, care este acum declarată în mod obișnuit drept legea conservării energiei și a masei.

În conformitate cu teoria lui Einstein, orice modificare a energiei corpului dE este legată de o modificare a masei sale dm prin formula dE =dmc2, unde c este viteza luminii în vid egală cu 3 x 108 Miss.

Din această formulă, în special, rezultă că, dacă, ca urmare a unui proces, masa tuturor corpurilor implicate în proces scade cu 1 g, atunci energia este egală cu 9×1013 J, care este echivalent cu 3000 de tone de combustibil standard.

Aceste rapoarte sunt de o importanță primordială în analiza transformărilor nucleare. În majoritatea proceselor macroscopice, modificarea masei poate fi neglijată și se poate vorbi doar de legea conservării energiei.

Să urmărim transformările energiei pe un exemplu concret. Luați în considerare întregul lanț de conversii de energie necesare pentru a produce orice piesă pe un strung (Fig. 1). Fie energia inițială 1, a cărei cantitate o luăm ca 100%, se obține datorită arderii complete a unei anumite cantități de combustibil fosil. Prin urmare, pentru exemplul nostru, 100% din energia inițială este conținută în produsele de ardere a combustibilului, care se află la o temperatură ridicată (aproximativ 2000 K).

Produsele de ardere din cazanul centralei, atunci când sunt răcite, renunță la energia lor internă sub formă de căldură la apă și vapori de apă. Cu toate acestea, din motive tehnice și economice, produsele de ardere nu pot fi răcite la temperatura ambiantă. Ele sunt ejectate prin tub în atmosferă la o temperatură de aproximativ 400 K, luând cu ei o parte din energia inițială. Prin urmare, doar 95% din energia inițială va fi transferată în energia internă a vaporilor de apă.

Vaporii de apă rezultați vor intra în turbina cu abur, unde energia sa internă este inițial convertită parțial în energie cinetică a șirurilor de abur, care va fi apoi transmisă ca energie mecanică rotorului turbinei.

Doar o parte din energia aburului poate fi transformată în energie mecanică. Restul este dat apei de răcire atunci când aburul este condensat în condensator. În exemplul nostru, am presupus că energia transferată către rotorul turbinei ar fi de aproximativ 38%, ceea ce corespunde aproximativ cu starea de fapt în centralele moderne.

La transformarea energiei mecanice în energie electrică datorită așa-numitelor Pierderile în Joule în înfășurările rotorului și statorului ale generatorului vor pierde aproximativ 2% din energie. Ca rezultat, aproximativ 36% din energia inițială va intra în rețea.

Un motor electric va converti doar o parte din energia electrică furnizată acestuia în energie mecanică pentru a roti strungul. În exemplul nostru, aproximativ 9% din energia sub formă de căldură Joule în înfășurările motorului și căldura de frecare din lagărele acestuia va fi eliberată în atmosfera înconjurătoare.

Astfel, doar 27% din energia inițială va fi livrată organelor de lucru ale mașinii. Dar nici necazurile energetice nu se opresc aici. Se dovedește că cea mai mare parte a energiei din timpul prelucrării unei piese este cheltuită cu frecare și sub formă de căldură este îndepărtată cu lichidul care răcește piesa. Teoretic, doar o fracțiune foarte mică (în exemplul nostru se presupune 2%) din energia inițială ar fi suficientă pentru a obține partea dorită a piesei originale.

Orez. 1. Diagrama transformărilor energetice în timpul prelucrării unei piese de prelucrat pe un strung: 1 — pierderea de energie cu gazele de eșapament, 2 — energia internă a produselor de ardere, 3 — energia internă a fluidului de lucru — vapori de apă, 4 — căldură eliberată de la răcire apă într-un condensator de turbină, 5 — energia mecanică a rotorului unui generator de turbină, 6 — pierderi în generatorul electric, 7 — deșeuri în acționarea electrică a mașinii, 8 — energia mecanică de rotație a mașinii, 9 — frecare lucru, care este transformat în căldură, separat de lichid, partea de răcire, 10 - creșterea energiei interne a piesei și a așchiilor după procesare ...

Cel puțin trei concluzii foarte utile pot fi trase din exemplul luat în considerare, dacă este considerat destul de tipic.

În primul rând, la fiecare pas al conversiei energiei o parte din ea se pierde... Această afirmație nu trebuie înțeleasă ca o încălcare a legii conservării energiei. Se pierde din cauza efectului util pentru care se realizează transformarea corespunzătoare. Cantitatea totală de energie după conversie rămâne neschimbată.

Dacă procesul de conversie și transfer de energie are loc într-o anumită mașină sau aparat, atunci eficiența acestui dispozitiv este de obicei caracterizată de eficiență (eficiență)... O diagramă a unui astfel de dispozitiv este prezentată în fig. 2.

Orez. 2. Schema de determinare a randamentului unui dispozitiv care converteste energia.

Folosind notația prezentată în figură, eficiența poate fi definită ca Eficiență = Epol/Epod

Este clar că în acest caz, pe baza legii conservării energiei, trebuie să existe Epod = Epol + Epot

Prin urmare, randamentul poate fi scris si astfel: eficienta = 1 — (Epot / Epol)

Revenind la exemplul prezentat în FIG. 1, putem spune că eficiența cazanului este de 95%, eficiența conversiei energiei interne a aburului în lucru mecanic este de 40%, eficiența generatorului electric este de 95%, eficiența este - acționarea electrică a unui mașină — 75%, iar eficiența prelucrării efective a piesei de prelucrat este de aproximativ 7%.

În trecut, când legile transformării energiei nu erau încă cunoscute, visul oamenilor era să creeze o așa-numită mașină cu mișcare perpetuă - un dispozitiv care ar face o muncă utilă fără a cheltui energie. Un astfel de motor ipotetic, a cărui existență ar încălca legea conservării energiei, se numește astăzi o mașină cu mișcare perpetuă de primul fel, spre deosebire de o mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel. Astăzi, desigur, nimeni nu ia serios posibilitatea de a crea o mașină cu mișcare perpetuă de primul fel.

În al doilea rând, toate pierderile de energie sunt convertite în cele din urmă în căldură, care este eliberată fie în aerul atmosferic, fie în apa din rezervoarele naturale.

În al treilea rând, oamenii ajung să folosească doar o mică parte din energia primară care este cheltuită pentru a obține efectul benefic relevant.

Acest lucru este evident mai ales când se analizează costurile de transport al energiei. În mecanica idealizată, care nu ia în considerare forțele de frecare, sarcinile în mișcare în plan orizontal nu necesită energie.

În condiții reale, toată energia consumată de un vehicul este folosită pentru a depăși forțele de frecare și forțele de rezistență ale aerului, adică, în cele din urmă, toată energia consumată în transport este transformată în căldură. În acest sens, sunt interesante următoarele cifre, care caracterizează munca de deplasare a 1 tonă de marfă la o distanță de 1 km cu diferite tipuri de transport: avion — 7,6 kWh / (t-km), mașină — 0,51 kWh / ( t- km) , tren-0,12 kWh / (t-km).

Astfel, același efect benefic poate fi obținut cu transportul aerian în detrimentul unui consum de energie de 60 de ori mai mare decât cu transportul feroviar. Desigur, consumul mare de energie oferă economii semnificative de timp, dar chiar și la aceeași viteză (mașină și tren), costurile energetice diferă de 4 ori.

Acest exemplu sugerează că oamenii fac adesea compromisuri cu eficiența energetică pentru a atinge alte obiective, de exemplu confort, viteză etc. De regulă, eficiența energetică a procesului în sine este de puțin interes pentru noi - tehnica generală și evaluările economice ale eficienței proceselor sunt importante... Dar pe măsură ce prețul componentelor energetice primare crește, componenta energetică în evaluările tehnice și economice devine din ce în ce mai importantă.