Loven om bevaring av energi

Moderne fysikk kjenner til mange typer energi assosiert med bevegelse eller forskjellige gjensidige arrangementer av et bredt spekter av materielle kropper eller partikler, for eksempel har enhver bevegelig kropp kinetisk energi proporsjonal med kvadratet av hastigheten. Denne energien kan endres hvis kroppens hastighet øker eller reduseres. Et legeme hevet over bakken har en gravitasjonspotensialenergi som varierer tre endringer i kroppens høyde.

Stasjonære elektriske ladninger som er et stykke fra hverandre har en elektrostatisk potensiell energi i samsvar med det faktum at ladningene ifølge Coulombs lov enten tiltrekker seg (hvis de har forskjellige fortegn) eller frastøter med en kraft omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem.

Kinetisk og potensiell energi eies av molekyler, atomer og partikler, deres bestanddeler - elektroner, protoner, nøytroner, etc. i form av mekanisk arbeid, i strømmen av elektrisk strøm, i overføring av varme, i endring av den indre tilstanden til kropper, i forplantningen av elektromagnetiske bølger, etc.

For mer enn 100 år siden ble det etablert en grunnleggende fysikklov, ifølge hvilken energi ikke kan forsvinne eller oppstå fra ingenting. Hun kan bare endre seg fra en type til en annen... Denne loven kalles loven om bevaring av energi.

I verkene til A. Einstein er denne loven betydelig utviklet. Einstein etablerte utskiftbarheten av energi og masse og utvidet dermed tolkningen av loven om bevaring av energi, som nå ofte er oppgitt som loven om bevaring av energi og masse.

I samsvar med Einsteins teori er enhver endring i kroppens energi dE relatert til en endring i dens masse dm med formelen dE =dmc2, hvor c er lysets hastighet i et vakuum lik 3 x 108 Miss.

Spesielt av denne formelen følger det at hvis massen av alle legemer som er involvert i prosessen som et resultat av en prosess reduseres med 1 g, så er energien lik 9×1013 J, som tilsvarer 3000 tonn standard drivstoff.

Disse forholdstallene er av primær betydning i analysen av kjernefysiske transformasjoner. I de fleste makroskopiske prosesser kan endringen i masse neglisjeres og bare loven om bevaring av energi kan snakkes om.

La oss spore transformasjonene av energi på et konkret eksempel. Tenk på hele kjeden av energikonverteringer som kreves for å produsere en del på en dreiebenk (fig. 1). La den innledende energien 1, mengden som vi tar som 100%, oppnås på grunn av fullstendig forbrenning av en viss mengde fossilt brensel. Derfor, for vårt eksempel, er 100 % av den opprinnelige energien inneholdt i produktene fra drivstoffforbrenning, som har en høy (ca. 2000 K) temperatur.

Forbrenningsproduktene i kjelen til kraftverket gir, når de er avkjølt, sin indre energi i form av varme til vann og vanndamp. Av tekniske og økonomiske årsaker kan imidlertid ikke forbrenningsproduktene avkjøles til omgivelsestemperatur. De kastes ut gjennom røret til atmosfæren ved en temperatur på rundt 400 K, og tar med seg noe av den opprinnelige energien. Derfor vil bare 95 % av den opprinnelige energien overføres til den indre energien til vanndampen.

Den resulterende vanndampen vil komme inn i dampturbinen, hvor dens indre energi i utgangspunktet delvis omdannes til kinetisk energi til dampstrengene, som deretter vil bli overført som mekanisk energi til turbinrotoren.

Bare en del av dampenergien kan omdannes til mekanisk energi. Resten gis til kjølevannet når damp kondenseres i kondensatoren. I vårt eksempel antok vi at energien som overføres til turbinrotoren ville være ca 38 %, noe som omtrent tilsvarer tingenes tilstand i moderne kraftverk.

Ved konvertering av mekanisk energi til elektrisk energi på grunn av den såkalte Jouletap i rotor- og statorviklingene til generatoren vil miste ca. 2 % av energien. Som et resultat vil omtrent 36 % av den opprinnelige energien gå inn i nettet.

En elektrisk motor vil konvertere bare en del av den elektriske energien som tilføres den til mekanisk energi for å rotere dreiebenken. I vårt eksempel vil omtrent 9 % av energien i form av Joule-varme i motorviklingene og friksjonsvarme i lagrene slippes ut i atmosfæren rundt.

Dermed vil bare 27% av den opprinnelige energien bli levert til arbeidsorganene til maskinen. Men energiulykkene slutter heller ikke der. Det viser seg at mesteparten av energien under bearbeidingen av en del brukes på friksjon og i form av varme fjernes med væsken som avkjøler delen. Teoretisk vil bare en svært liten brøkdel (i vårt eksempel antas 2%) av den opprinnelige energien være tilstrekkelig for å oppnå den ønskede delen av den opprinnelige delen.

Ris. 1. Diagram over energitransformasjoner under bearbeiding av et arbeidsstykke på en dreiebenk: 1 — energitap med avgasser, 2 — intern energi til forbrenningsprodukter, 3 — indre energi til arbeidsvæsken — vanndamp, 4 — varme frigjort fra kjølingen vann i en turbinkondensator, 5 — mekanisk energi til rotoren til en turbingenerator, 6 — tap i den elektriske generatoren, 7 — avfall i maskinens elektriske drift, 8 — mekanisk rotasjonsenergi til maskinen, 9 — friksjonsenergi arbeid, som omdannes til varme, separert fra væsken, kjøledelen, 10 — øker den indre energien til delen og flisene etter prosessering ...

Minst tre svært nyttige konklusjoner kan trekkes fra eksemplet under vurdering, hvis det anses som ganske typisk.

For det første, ved hvert trinn i energikonverteringen går noe av det tapt... Denne uttalelsen skal ikke forstås som et brudd på loven om bevaring av energi. Det går tapt på grunn av den nyttige effekten som den tilsvarende transformasjonen utføres for. Den totale energimengden etter konverteringen forblir uendret.

Hvis prosessen med energikonvertering og overføring finner sted i en bestemt maskin eller apparat, er effektiviteten til denne enheten vanligvis preget av effektivitet (effektivitet)... Et diagram av en slik enhet er vist i fig. 2.

Ris. 2. Opplegg for å bestemme effektiviteten til en enhet som konverterer energi.

Ved å bruke notasjonen vist i figuren kan effektiviteten defineres som Effektivitet = Epol/Epod

Det er klart at i dette tilfellet, basert på loven om bevaring av energi, må det være Epod = Epol + Epot

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

For å gå tilbake til eksemplet vist i fig. 1, kan vi si at effektiviteten til kjelen er 95%, effektiviteten av å konvertere den interne energien til damp til mekanisk arbeid er 40%, effektiviteten til den elektriske generatoren er 95%, effektiviteten er - den elektriske stasjonen til en maskin — 75%, og effektiviteten til selve behandlingen av arbeidsstykket er omtrent 7%.

Tidligere, da lovene for energitransformasjon ennå ikke var kjent, var folks drøm å lage en såkalt evighetsmaskin - en enhet som ville gjøre nyttig arbeid uten å bruke energi. En slik hypotetisk motor, hvis eksistens ville bryte med loven om bevaring av energi, kalles i dag en evighetsmaskin av den første typen, i motsetning til en evighetsmaskin av den andre typen. I dag er det selvfølgelig ingen som tar seriøst muligheten for å lage en evighetsmaskin av den første typen.

For det andre blir alle energitap til slutt omdannet til varme, som frigjøres enten til atmosfærisk luft eller til vann fra naturlige reservoarer.

For det tredje ender folk opp med å bruke bare en liten brøkdel av primærenergien som brukes for å oppnå den relevante gunstige effekten.

Dette er spesielt tydelig når man ser på energitransportkostnader. I idealisert mekanikk, som ikke tar hensyn til friksjonskrefter, krever flytting av laster i horisontalplanet ingen energi.

Under reelle forhold blir all energien som forbrukes av et kjøretøy brukt til å overvinne friksjonskrefter og luftmotstandskrefter, det vil si at til syvende og sist all energien som forbrukes i transport omdannes til varme. I denne forbindelse er følgende tall interessante, som karakteriserer arbeidet med å flytte 1 tonn last i en avstand på 1 km med forskjellige typer transport: fly — 7,6 kWh / (t-km), bil — 0,51 kWh / ( t- km), tog-0,12 kWh / (t-km).

Dermed kan den samme gunstige effekten oppnås med flytransport på bekostning av 60 ganger større energiforbruk enn med jernbane. Høyt energiforbruk gir selvsagt betydelige tidsbesparelser, men selv ved samme hastighet (bil og tog), varierer energikostnadene med 4 ganger.

Dette eksemplet antyder at folk ofte gjør avveininger med energieffektivitet for å nå andre mål, for eksempel komfort, hastighet osv. Som regel er energieffektiviteten til selve prosessen av liten interesse for oss — den generelle tekniske og økonomiske evalueringer av effektiviteten til prosesser er viktig... Men etter hvert som prisen på primærenergikomponenter øker, blir energikomponenten i tekniske og økonomiske evalueringer viktigere og viktigere.