Az energia megmaradásának törvénye

A modern fizika sokféle energiát ismer, amelyek mozgással vagy különféle anyagi testek vagy részecskék eltérő kölcsönös elrendeződésével kapcsolatosak, például minden mozgó testnek a sebességének négyzetével arányos kinetikus energiája van. Ez az energia megváltozhat, ha a test sebessége nő vagy csökken. A talaj fölé emelt test gravitációs potenciálenergiája a test magasságának három változásával változik.

Az egymástól bizonyos távolságra lévő álló elektromos töltések elektrosztatikus potenciálenergiával rendelkeznek annak megfelelően, hogy a Coulomb-törvény szerint a töltések vagy vonzanak (ha eltérő előjelűek), vagy taszítják a töltés négyzetével fordítottan arányos erővel. a távolság köztük.

A kinetikus és potenciális energiát molekulák, atomok és részecskék, valamint ezek alkotórészei – elektronok, protonok, neutronok stb. mechanikai munka formájában, elektromos áram áramlásában, hőátadásban, testek belső állapotának megváltoztatásában, elektromágneses hullámok terjedésében stb.

Több mint 100 éve született meg a fizika egy alaptörvénye, amely szerint az energia nem tűnhet el és nem keletkezhet a semmiből. Csak egyik típusból tud átváltozni a másikba… Ezt a törvényt energiamegmaradás törvényének nevezik.

A. Einstein munkáiban ez a törvény jelentősen kifejlődött. Einstein megteremtette az energia és a tömeg felcserélhetőségét, és ezzel kibővítette az energia-megmaradás törvényének értelmezését, amelyet manapság általában az energia és a tömeg megmaradásának törvényeként emlegetnek.

Einstein elméletének megfelelően a test dE energiájában bekövetkező bármely változás a dm tömegének változásához kapcsolódik a dE =dmc2 képlet szerint, ahol c a fény sebessége vákuumban, amely egyenlő 3 x 108 Miss.

Ebből a képletből különösen az következik, hogy ha valamilyen folyamat eredményeként a folyamatban részt vevő összes test tömege 1 g-mal csökken, akkor az energia 9×1013 J, ami 3000 tonnának felel meg. standard üzemanyag.

Ezek az arányok elsődleges fontosságúak a nukleáris átalakulások elemzésében. A legtöbb makroszkopikus folyamatban a tömegváltozás elhanyagolható, és csak az energiamegmaradás törvényéről lehet beszélni.

Kövessük nyomon az energia átalakulását néhány konkrét példán. Tekintsük a teljes energiaátalakítási láncot, amely bármely alkatrész előállításához szükséges esztergagépen (1. ábra). Legyen az 1 kezdeti energia, amelynek mennyiségét 100%-nak vesszük, bizonyos mennyiségű fosszilis tüzelőanyag teljes elégetése következtében. Ezért példánkban a kezdeti energia 100%-át a tüzelőanyag égéstermékei tartalmazzák, amelyek magas (kb. 2000 K) hőmérsékleten vannak.

Az erőmű kazánjában keletkező égéstermékek lehűtve belső energiájukat hő formájában adják át víznek és vízgőznek. Az égéstermékek azonban műszaki és gazdasági okokból nem hűthetők környezeti hőmérsékletre. A csövön keresztül körülbelül 400 K hőmérsékleten kilökődnek a légkörbe, és magukkal viszik az eredeti energia egy részét. Ezért a kezdeti energiának csak 95%-a kerül át a vízgőz belső energiájába.

A keletkező vízgőz bejut a gőzturbinába, ahol belső energiája kezdetben részben a gőzhúrok mozgási energiájává alakul át, amely aztán mechanikai energiaként a turbina rotorjába kerül.

A gőzenergiának csak egy része alakítható mechanikai energiává. A maradékot a hűtővízhez adjuk, amikor a kondenzátorban kondenzálódik a gőz. Példánkban azt feltételeztük, hogy a turbina forgórészére átvitt energia körülbelül 38%, ami nagyjából megfelel a modern erőművek állapotának.

A mechanikai energia elektromos energiává alakításakor az ún A generátor forgórészének és állórészének tekercsében a Joule veszteségek az energia körülbelül 2%-át veszítik el. Ennek eredményeként a kezdeti energia körülbelül 36%-a kerül a hálózatba.

Egy villanymotor a hozzá szolgáltatott elektromos energiának csak egy részét alakítja át mechanikai energiává az eszterga forgatásához. Példánkban a motor tekercseiben lévő Joule-hő és a csapágyakban lévő súrlódási hő formájában megjelenő energia körülbelül 9%-a szabadul fel a környező légkörbe.

Így a kezdeti energia mindössze 27%-a jut el a gép munkaszerveihez. De az energiabalesetek ezzel még nem értek véget. Kiderül, hogy egy alkatrész megmunkálása során az energia nagy részét a súrlódásra fordítják, és hő formájában távoznak az alkatrészt hűtő folyadékkal. Elméletileg a kezdeti energiának csak nagyon kis része (példánkban 2%-át feltételezzük) elegendő lenne az eredeti rész kívánt részének megszerzéséhez.

Rizs. 1. A munkadarab esztergagépen történő megmunkálása során bekövetkező energiaátalakítások diagramja: 1 — energiaveszteség kipufogógázokkal, 2 — égéstermékek belső energiája, 3 — munkaközeg belső energiája — vízgőz, 4 — a hűtésből felszabaduló hő víz a turbinakondenzátorban, 5 — turbinagenerátor forgórészének mechanikai energiája, 6 — veszteségek az elektromos generátorban, 7 — hulladék a gép elektromos hajtásában, 8 — a gép forgási mechanikai energiája, 9 — súrlódási energia munka, amely hővé alakul, elválasztva a folyadéktól, a hűtőrésztől, 10 - az alkatrész és a forgács belső energiájának növelése a feldolgozás után ...

A vizsgált példából legalább három nagyon hasznos következtetés vonható le, ha elég tipikusnak tekintjük.

Először is, az energiaátalakítás minden lépésénél egy része elveszik... Ezt a kijelentést nem szabad az energiamegmaradás törvényének megsértéseként értelmezni. Elvész a hasznos hatás miatt, amelyre a megfelelő transzformációt végrehajtják. Az átalakítás utáni teljes energiamennyiség változatlan marad.

Ha az energiaátalakítás és -átadás folyamata egy bizonyos gépben vagy berendezésben megy végbe, akkor ennek az eszköznek a hatásfokát általában a hatásfok (efficiency) jellemzi... Egy ilyen berendezés diagramja a 1. ábrán látható. 2.

Rizs. 2. Az energiát átalakító berendezés hatásfokának meghatározására szolgáló séma.

Az ábrán látható jelöléssel a hatásfok a következőképpen definiálható: Hatékonyság = Epol/Epod

Nyilvánvaló, hogy ebben az esetben az energia megmaradás törvénye alapján Epod = Epol + Epot kell

Ezért a hatásfok a következőképpen is felírható: hatékonyság = 1 — (Epot / Epol)

ábrán látható példához visszatérve. Az 1. ábrán azt mondhatjuk, hogy a kazán hatásfoka 95%, a gőz belső energiájának mechanikai munkává alakításának hatásfoka 40%, az elektromos generátor hatásfoka 95%, a hatásfoka: - az elektromos hajtás gép - 75%, és a munkadarab tényleges feldolgozásának hatékonysága körülbelül 7%.

Régebben, amikor még nem ismerték az energiaátalakítás törvényeit, az emberek álma az volt, hogy létrehozzanak egy úgynevezett örökmozgót – egy olyan eszközt, amely energiafelhasználás nélkül hasznos munkát végez. Egy ilyen hipotetikus motort, amelynek megléte megsértené az energiamegmaradás törvényét, ma az első típusú örökmozgónak nevezik, szemben a második típusú örökmozgóval. Ma már persze senki sem veszi komolyan az első típusú örökmozgó létrehozásának lehetőségét.

Másodszor, az összes energiaveszteség végül hővé alakul, amely vagy a légköri levegőbe, vagy a természetes tározókból vízbe kerül.

Harmadszor, az emberek a primer energiának csak egy kis részét használják fel a megfelelő jótékony hatás eléréséhez.

Ez különösen nyilvánvaló, ha az energiaszállítási költségeket nézzük. Az idealizált mechanikában, amely nem veszi figyelembe a súrlódási erőket, a vízszintes síkban mozgó terhelések nem igényelnek energiát.

Valós körülmények között a jármű által fogyasztott összes energia a súrlódási és légellenállási erők leküzdésére szolgál, vagyis végső soron a közlekedésben felhasznált összes energia hővé alakul. Ebben a tekintetben a következő számok érdekesek, amelyek 1 tonna rakomány 1 km távolságra történő mozgatását jellemzik különböző szállítási módokkal: repülőgép - 7,6 kWh / (t-km), autó - 0,51 kWh / ( t- km) , vonat-0,12 kWh / (t-km).

Így a légi közlekedéssel ugyanaz a jótékony hatás érhető el, 60-szor nagyobb energiafelhasználás rovására, mint a vasútnál. Természetesen a magas energiafogyasztás jelentős időmegtakarítást eredményez, de még azonos sebesség mellett (autó és vonat) is 4-szeresek az energiaköltségek.

Ez a példa azt sugallja, hogy az emberek gyakran kompromisszumot kötnek az energiahatékonysággal más célok elérése érdekében, például kényelem, sebesség stb. Általában magának a folyamatnak az energiahatékonysága kevéssé érdekel bennünket – az általános műszaki, ill. a folyamatok hatékonyságának közgazdasági értékelése fontos... De ahogy a primer energiakomponensek drágulnak, úgy a műszaki-gazdasági értékelésekben egyre fontosabbá válik az energiakomponens.