Энергия превращение энергии коэффициент полезного действия
Законы сохранения и превращения энергии
Тысячелетний опыт науки и техники, бесчисленные
эксперименты привели нас к выводу, что энергия не может ни возникнуть из
ничего, ни исчезнуть. Мечта многих изобретателей о машине, которая
производила бы механическую работу, не питаясь от внешнего энергетического
источника (перпетуум мобиле), так и осталась мечтой. Этого факта было
достаточно для того, чтобы сформулировать один из основных законов природы,
так называемый закон сохранения энергии.
Закон сохранения энергии во многих случаях противоречит
нашим непосредственным восприятиям. Часто кажется, что энергия будто бы
пропадает. Подмастерье кидает каменщику кирпич вверх: кинетическая энергия
кирпича исчезла, поскольку наверху он уже находится в состоянии покоя. Поезд
затормозил. Его кинетическая энергия исчезла. Батарея нашего карманного
фонаря истощилась – большая часть ее химической энергии исчезла. Можно
привести еще бесчисленное количество примеров. На каждом шагу наблюдаются
явления исчезновения энергии. Однако при ближайшем рассмотрении этого вопроса
можно убедиться, что при исчезновении одного вида энергии всегда одновременно
возникает по меньшей мере один новый вид энергии; в большинстве случаев
возникает несколько новых видов энергии. Таким образом, энергия не исчезла, а
превратилась в один или несколько других видов энергии. Кинетическая энергия
кирпича в основном перешла в потенциальную и в меньшей степени – в звуковую и
тепловую; кинетическая энергия затормозившего поезда – в тепловую; химическая
энергия, содержащаяся в батарее карманного фонаря, при его работе
превращается в световую и тепловую энергии; в радиоприемнике электрическая
энергия – в звуковую, тепловую и световую энергии.
Переход одного вида энергии в другой может совершаться
различными способами. Если не принимать во внимание технических
несовершенств, то можно сказать, что из определенного количества энергии
одного вида всегда возникает (в случае полного превращения) вполне
определенное количество другого вида энергии независимо от того, каким
способом и с помощью какого устройства совершено это превращение. Так
например, из 1кГм механической работы всегда возникает 2,34 кал и из 1 кВтч
электрической энергии – всегда 860 ккал тепла (если при этом не возникают
другие формы.энергии). Когда в процессе превращения образуются несколько видов
энергии, нужно учитывать сумму энергий всех видов, выраженных в одинаковых
единицах. Исходя из этого, сделаем вывод, что закон превращения энергии
является составной частью закона сохранения энергии.
Так как энергия есть мера движения тела и составляющих его
атомов и молекул, ‘закон сохранения энергии может быть выражен так: движение
сохраняется и не может быть остановлено, оно есть важнейшее свойство материи.
Из закона превращения энергии видно, что существует много видов движения,
например механическое, тепловое, электрическое и т.д., которые могут быть
превращены друг в друга, и всегда строго соблюдается принцип
“эквивалентности”, т.е. в этих процессах движение не уничтожается,
не создается “из ничего”.
Потери энергии
В связи с практическим использованием энергии обычно
говорят о потере энергии с точки зрения экономики. Однако такая потеря
энергии не противоречит закону сохранения энергии. Энергия, потерянная для
экономики, не превратилась в ничто: речь идет только о том, что часть энергии
превратилась не в ту форму, которая нам в данном случае нужна. Когда мы
пускаем паровую машину, то делаем это с намерением превратить химическую
энергию топлива (угля, нефти и т.д.) в механическую энергию, поскольку в
данном случае она представляет для нас ценность. На практике, однако, в
паровой машине наряду с механической энергией неизбежно возникает тепло,
которое в данном случае можно считать потерянной энергией. Конечно, в других
случаях, например при отоплении, ценно именно тепло. Но не следует думать.что
при этом в печах нет потери энергии. Только часть тепла, полученного из
химической энергии топлива, достигает нашей комнаты или отопительного котла,
большая же часть уходит в трубу, через стены комнаты, и следовательно,
теряется.
Итак, потери энергии означают не ее исчезновение, а только
превращения, которые не служат нашим целям и поэтому бесполезны. В этом
смысле потери энергии подобны всем прочим потерям: потеря шляпы или
карманного ножа не означает уничтожение этих предметов, другим людям они
могут принести туже пользу.
Коэффициент полезного действия процессов превращения
энергии
Эквивалентность различных видов энергии, постоянство
количественных соотношений при их взаимных превращениях надежно
подтверждаются тщательно проведенными научными исследованиями. Однако на
практике очень трудно создать условия для полного превращения одного вида энерши
в другой, нужный для какой-либо конкретной цели. В большинстве случаев
образуются ненужные, для данного случая, а иногда и вредные формы энергии.
Так, например, в устройствах, содержащих макроскопические движущиеся части,
никак нельзя избегнуть трения, протекающего с выделением тепла. Тепло это в
большинстве случаев не используется, напротив, неизбежное нагревание вредно
сказывается на материалах конструкций. Поэтому на практике совершенно
обоснованно говорить (в экономическом смысле) о коэффициенте полезного
действия процессов превращения энергии.
Коэффициент полезного действия данного процесса
превращения энергии показывает, какая часть исходной энергии (выраженная в
процентах) преобразуется в нужную нам форму энергии. Например, когда мы
говорим, что тепловая электростанция работает с КПД 35%, это означает, что
35% (0,35) химической энергии, освобождающейся при сжигании топлива,
превращается в электрическую энергию.
КПД различных процессов или установок, где происходит
превращение энергии, сильно отличаются друг от друга. Как правило, с
наибольшим КПД происходит превращение в тепло. Механическая, электрическая,
химическая и другие виды энергии практически могут быть на 100 % превращены в
тепло. КПД при превращении механической энергии в электрическую на
гидроэлектростанциях достаточно высок 90-95%. Хороший КПД мы имеем также при
непосредственном (минуя стадию тепла) превращении химической энергии в
электрическую в гальванических элементах. Однако в настоящее время в связи с
техническими трудностями гальванические элементы не могут использоваться для
получения электроэнергии в больших количествах.
Значительно хуже обстоит дело, при переводе химической
энергии в электрическую не сразу, а постепенно: сначала превращаем ее в
тепло, с помощью которого производится механическая работа, а последнюю в
электрическую энергию. При этих условиях низкий КПД обусловлен не только
техническими трудностями, но и спецификой процесса превращения тепла в другие
виды энергии.
Современные большие тепловые электростанции превращают
химическую энергию, освобождающуюся при сжигании топлива, в электрическую с
КПД от 35 до 40 %. Дизельные двигатели работают с КПД не выше. 40-45 %, а КПД
паровозов обычно не превышает 6-7 %. КПД осветительных приборов еще ниже:
обычная 40-ваттная лампа накаливания превращает только около 1,5%
электрической энергии в видимую световую энергию; даже самые лучшие лампы
накаливания имеют КПД не выше 5 %. В керосиновых лампах только ОД %
освобожденной при сгорании керосина химической энергии превращается в световую.
Правомерно задать такой вопрос: если включение тепловой
энергии как промежуточной стадии при превращении химической энергии в работу
или электрическую энергию столь выгодно, то почему же большая часть
электрической энергии и механической работы на сегодняшний день производится
при помощи тепловых двигателей (паровые машины, бензиновые и дизельные
двигатели)? Причина заключается в том, что для создания надежно работающих
тепловых двигателей достаточно знания законов движения макроскопических тел,
а также макроскопических свойств тепла. Для создания же гальванических
элементов, не имеющих макроскопически движущихся деталей, надежно и
экономично работающих в промышленных масштабах, нужно глубоко изучить
соответствующие законы движения молекул, атомов и электронов. Только в таком
случае возможно создание большого количества дешевых гальванических
элементов, надежно работающих в условиях производства. Из-за недостаточности
знаний в этой области человечество из года в год несет потери энергии, размер
которых даже не поддается оценке. Поэтому высокоразвитые страны вкладывают
средства в чрезвычайно дорогие исследования с целью восполнить этот пробел.
Теоретически превращения энергии без промежуточной стадии
тепла возможны с КПД, равным 100%. В настоящее время КПД таких превращений
еще очень низок как вследствие слабого знания механизмов микропроцессов,
происходящих при этих превращениях, так и из-за отсутствия соответствующих
материалов для изготовления нужных устройств. Таких материалов в природе не
существует, поэтому их нужно создавать искусственно. Правда, в живых
организмах процессы превращения энергии происходят с очень высоким КПД, но
они идут с участием веществ, имеющих чрезвычайно сложную структуру. Эти
химические соединения и законы их превращений не изучены нами настолько
хорошо, чтобы применять их для практического получения энергии вне живых
организмов. Мы пока еще не можем синтезировать все сложные вещества живых
организмов и тем более поставлять их для нужд производства.
Фундаментальные принципы
Слово «энергия» имеет множество применений в повседневной жизни, в областях, не имеющих никакого отношения к физике. Например, подвижного человека могут назвать энергичным. Но в науке есть строгое определение понятию. Чтобы выполнить какое-либо действие, нужно совершить работу. Но для этого что-то нужно.
Человека — покормить, простейший механизм —завести, какой-то предмет — поднять и опустить.
Таким образом, о телах или их системах говорят, что если они способны совершить работу, то имеют энергию. Другими словами, характеризуются физической величиной, описывающей способность совершать действие. Обозначать энергию принято латинской буквой E, а измерять в джоулях [Дж]. В системе же СГС (сантиметр-грамм-секунда) за количественную единицу принимают [эрг] или [г * см2 / с2].
Впервые слово «энергия» упомянул в своих работах Аристотель. Под ним он понимал действие. Лейбниц использовал термин «живая сила», который определял, как произведение массы тела на квадрат скорости. Он высказал предположение, что утраченная при совершении работы сила не исчезает, а переходит к другим атомам. Например, при трении. Но лишь в 1807 году Томас Юнг не только ввёл в обиход слово «энергия», но и предсказал существование двух её видов.
В учёном мире долго велись споры, что же, по сути, представляет собой параметр — субстанцию или только величину. В результате большая часть физиков склонилась к тому, что это просто физическое значение, характеризующее движение или его изменение. Сегодня считается, что энергия — скалярная величина, используемая в качестве меры различных форм работы и взаимодействия материй, а также преобразования субстанции из одной формы в другую.
Пожалуй, важным принципом в природе является закон сохранения энергии. Установлен он был опытным путём. Его смысл заключается в том, что при любой работе в замкнутой системе, происходит взаимопревращение энергии из одной формы в другую. То есть она ниоткуда не берётся и никуда не исчезает, а лишь может преобразовываться.
Ричард Фейнман в 1961 году заявил, что исключений из этого закона не существует, и он абсолютно точен. По существу, это математический принцип, согласно которому есть некоторая численная величина, которая постоянна при любых обстоятельствах.
Это — не описание механизма, а сущность природного явления.
Виды энергии
В природе взаимные превращения энергии определяются способностью тел выполнять тот или иной вид работы. Так как это просто количественная мера, её можно измерить лишь при каком-либо изменении. Вызвать же последнее могут любые процессы, относящиеся к различным отраслям науки. В отличие от материи, о которой можно утверждать, что она существует, энергия — плод человеческого предположения.
В зависимости от природы превращения, различают следующие её виды:
- Механический — возникает при перемещении физических тел или частиц, а также при их взаимодействии. Например, вращение, деформирование при сгибании, сжатие, растяжение. Такой вид энергии проявляется при работе механических и технологических машин, ГЭС.
- Тепловой — появляется из-за хаотичного движения элементарных носителей или колебаний атомов кристаллической решётки. Например, при сжигании, плавлении, сушки, выпаривании и других многочисленных технологических процессах.
- Электрический— проявляется при протекании электрического тока в цепи. Отличается от других видов способностью легко передаваться на большие расстояния с огромной скоростью. Используется в двигателях, радиоэлектронных устройствах. Сегодня способы использования электрических преобразований определяют уровень технического прогресса.
- Химический — высвобождается при протекании реакций из-за разрушения межатомных связей. Чаще всего является побочным продуктом.
- Магнитный — тесно связан с электрическим. Обусловлен природными свойствами постоянных магнитов и существованием электромагнитного поля. По сути — энергия, проявляющаяся в виде излучения.
- Ядерный — высвобождается при распаде изотопов, делении тяжёлых или синтезе лёгких ядер. В природе выделяется в звёздах. Используется для создания оружия и в энергетике. Этот тип содержится в больших количествах в атомах.
- Гравитационный — обусловлен взаимным тяготением массивных тел. Характерен для космического пространства. Например, эта энергия тела, поднятого на определённую высоту над поверхностью Земли.
Учёные не исключают возможность существования и других типов. При этом переход энергии из одного вида в другой может происходить как последовательно, так и параллельно.
Например, превращение световой в химическую, механической — в электрическую и тепловую.
Потенциальный и кинетический тип
Чаще всего в физике превращение энергии рассматривают как зависимость между запасённым её значением для работы и набираемой при движении. Так как величина — это способность совершать телом действие, классифицировать её можно не только по форме, но и учитывая изменение положения. В зависимости от этого она может быть двух видов:
- потенциальная;
- кинетическая.
Для понимания отличия одного вида от другого лучше всего рассмотреть пример. Пусть есть часы с маятником и гирей. Когда последняя опускается, за счёт работы силы тяжести приводится в действие механизм часов. Значит, поднятая гиря обладает энергией. Если эти часы разместить в космосе, идти они не будут. Всё дело в том, что там груз не имеет веса, так как отсутствует сила, с которой Земля действует на гирю. Следовательно, запасённой энергии у тела не будет. Значит, для примера характерно взаимодействие.
Похожие действия происходят при скручивании пружины, возникновение силы упругости при деформации. Энергия, обусловленная взаимодействием тел или частей одного вещества, носит название потенциальной. Её вычисление зависит от выбранной системы. Значение для тела, поднятого над Землёй, можно определить, как Ep = m*g*h, где:
- m — масса;
- g — ускорение свободного падения;
- h — высота.
Например, когда тело поднимают по наклонной плоскости, ему сообщают потенциал. Фактически это полезная работа. Следует отметить, что Ep зависит, от какого уровня ведётся отсчёт высоты. Но при этом следует учитывать, что работа равна изменению.
Другая ситуация. Пусть нужно забить гвоздь в стену. Чтобы это сделать, нужно отвести инструмент в сторону, а после нанести удар. Другими словами, разогнать молоток. Перед тем как коснуться шляпки гвоздя, инструмент наберёт скорость, которая и позволяет совершить работу по забиванию. Получается, что любое движущееся тело обладает энергией. Называется она кинетической. Её значение зависит от массы тела и скорости. Находится она по формуле: Ek = m * v2 / 2, где:
- m — вес тела;
- v — скорость движения.
Эти 2 вида тесно связаны между собой. При этом очень часто при различных действиях происходит преобразование одного типа в другой. В окружающем мире можно самостоятельно наблюдать, как преобразовывается энергия. Например, при движении любого тела вниз.
Примеры превращения
Поднятая гиря над Землёй обладает каким-то потенциальным значением. Если тело отпустить, она будет уменьшаться. При этом скорость гири по мере движения вниз начнёт увеличиваться. Значит, можно утверждать, что кинетическая энергия будет возрастать. Получается, что уменьшение значения первой сопровождается приростом величины второй.
Правда, для этого должны выполняться некоторые условия. Например, эту гирю можно спустить с наклонной плоскости. В этом случае будет присутствовать трение. В результате движение может быть равномерным. Так как тело опускается, его потенциальная величина снижается, но из-за того, что нет разгона, кинетическое значение не изменяется, поэтому в этом случае энергия преобразовываться не будет.
Если тело захотеть подбросить, ему нужно сообщить Ek за счёт работы бросающего. Но в какой-то момент кинетическое значение, которым обладает тело, станет равным нулю, и оно остановится.
Зато в этот момент потенциальная работа достигнет наибольшей величины.
Таким образом, можно утверждать, что если в системе отсутствует трение, превращаться энергия из одного вида в другой будет симметрично: насколько уменьшается одна, на столько же произойдёт приращение другой. Значит, их сумма будет постоянной величиной. Называется она внутренней энергией.
Наглядно увидеть, как преобразуется энергия, можно на устройстве, которое называется нитяной маятник. Состоит они из кронштейна, на котором подвешен шар. Если тело отводить в сторону, для этого нужно прикладывать силу, то есть совершать работу. Она идёт на сообщение потенциала. В тот момент, когда шар отпускается, он под действием силы тяжести стремится опуститься.
Высота становится меньше, и потенциал уменьшается. В самой нижней точке он будет равняться нулю. Зато Ek наберёт своё максимальное значение. Но тела обладают свойством инерции, и шар начнёт снова подниматься. Сопротивление воздуха — ничтожно малая величина, поэтому тело займёт ту же самую высоту, но с противоположной стороны. Его потенциал опять вырастет, поэтому можно сказать, что какие превращения энергии бы не проходили, мерой преобразования будет работа.
В качестве яркого примера перехода можно описать работу бытового нагревателя. Электрическая энергия поступает на спираль, которая оказывает сопротивление току. В результате происходит превращение электричества в свет и тепло.