Zákon zachovania energie

Moderná fyzika pozná mnoho druhov energie spojených s pohybom alebo rôznym vzájomným usporiadaním najrôznejších hmotných telies alebo častíc, napríklad každé pohybujúce sa teleso má kinetickú energiu úmernú štvorcu jeho rýchlosti. Táto energia sa môže zmeniť, ak sa rýchlosť tela zvýši alebo zníži. Teleso zdvihnuté nad zemou má gravitačnú potenciálnu energiu meniacu sa v troch zmenách výšky tela.

Stacionárne elektrické náboje, ktoré sú od seba v určitej vzdialenosti, majú elektrostatickú potenciálnu energiu v súlade so skutočnosťou, že podľa Coulombovho zákona sa náboje buď priťahujú (ak sú rôzneho znamienka) alebo sa odpudzujú silou nepriamo úmernou štvorcu vzdialenosť medzi nimi.

Kinetická a potenciálna energia je vlastnená molekulami, atómami a časticami, ich zložkami - elektróny, protóny, neutróny atď. vo forme mechanickej práce, pri prúdení elektrického prúdu, pri prenose tepla, pri zmene vnútorného stavu telies, pri šírení elektromagnetických vĺn a pod.

Pred viac ako 100 rokmi bol stanovený základný fyzikálny zákon, podľa ktorého energia nemôže zaniknúť ani vzniknúť z ničoho. Môže sa zmeniť len z jedného typu na druhý... Tento zákon sa nazýva zákon zachovania energie.

V prácach A. Einsteina je tento zákon výrazne rozvinutý. Einstein stanovil zameniteľnosť energie a hmoty a tým rozšíril výklad zákona zachovania energie, ktorý sa dnes bežne uvádza ako zákon zachovania energie a hmoty.

V súlade s Einsteinovou teóriou každá zmena energie dE telesa súvisí so zmenou jeho hmotnosti dm podľa vzorca dE =dmc2, kde c je rýchlosť svetla vo vákuu rovná 3 x 108 Miss.

Z tohto vzorca najmä vyplýva, že ak sa v dôsledku nejakého procesu hmotnosť všetkých telies zapojených do procesu zníži o 1 g, potom energia rovná 9 × 1013 J, čo sa rovná 3 000 tonám štandardné palivo.

Tieto pomery majú primárny význam pri analýze jadrových transformácií. Pri väčšine makroskopických procesov možno zmenu hmotnosti zanedbať a hovoriť len o zákone zachovania energie.

Pozrime sa na premeny energie na nejakom konkrétnom príklade. Zvážte celý reťazec energetických premien potrebných na výrobu akejkoľvek časti na sústruhu (obr. 1). Nech je počiatočná energia 1, ktorej množstvo berieme ako 100%, získaná úplným spaľovaním určitého množstva fosílneho paliva. Preto je pre náš príklad 100% počiatočnej energie obsiahnutých v produktoch spaľovania paliva, ktoré majú vysokú (asi 2000 K) teplotu.

Produkty spaľovania v kotli elektrárne pri ochladzovaní odovzdávajú svoju vnútornú energiu vo forme tepla vode a vodnej pare. Z technických a ekonomických dôvodov však nie je možné splodiny horenia ochladiť na teplotu okolia. Sú vyvrhnuté cez trubicu do atmosféry pri teplote asi 400 K, pričom si zoberú časť pôvodnej energie. Preto iba 95% počiatočnej energie bude prenesených na vnútornú energiu vodnej pary.

Vzniknutá vodná para sa dostane do parnej turbíny, kde sa jej vnútorná energia najprv čiastočne premení na kinetickú energiu parných strún, ktorá sa potom ako mechanická energia prenesie na rotor turbíny.

Len časť energie pary sa môže premeniť na mechanickú energiu. Zvyšok sa odovzdá chladiacej vode, keď para kondenzuje v kondenzátore. V našom príklade sme predpokladali, že energia prenesená na rotor turbíny bude asi 38 %, čo zhruba zodpovedá stavu v moderných elektrárňach.

Pri premene mechanickej energie na elektrickú v dôsledku tzv Straty joulov vo vinutí rotora a statora generátora stratia asi 2 % energie. Výsledkom je, že približne 36 % počiatočnej energie pôjde do siete.

Elektrický motor premení iba časť elektrickej energie, ktorá sa mu dodáva, na mechanickú energiu na otáčanie sústruhu. V našom príklade sa asi 9 % energie vo forme Jouleovho tepla vo vinutí motora a trecieho tepla v jeho ložiskách uvoľní do okolitej atmosféry.

Do pracovných orgánov stroja sa teda dostane iba 27 % počiatočnej energie. Ani tu však energetické nešťastia nekončia. Ukazuje sa, že väčšina energie pri obrábaní dielu sa minie na trenie a vo forme tepla sa odvádza s kvapalinou, ktorá diel ochladzuje. Teoreticky by na získanie požadovanej časti pôvodnej časti stačil len veľmi malý zlomok (v našom príklade sa predpokladá 2 %) počiatočnej energie.

Ryža. 1. Schéma premien energie pri spracovaní obrobku na sústruhu: 1 — strata energie s výfukovými plynmi, 2 — vnútorná energia splodín horenia, 3 — vnútorná energia pracovnej tekutiny — vodná para, 4 — teplo uvoľnené z chladenia voda v turbínovom kondenzátore, 5 — mechanická energia rotora turbínového generátora, 6 — straty v elektrickom generátore, 7 — odpad v elektrickom pohone stroja, 8 — mechanická energia rotácie stroja, 9 — trecia práca, ktorá sa premieňa na teplo, oddelená od kvapaliny, chladiaca časť, 10 — zvýšenie vnútornej energie dielu a triesok po spracovaní ...

Z uvažovaného príkladu možno vyvodiť aspoň tri veľmi užitočné závery, ak sa považuje za dosť typický.

Po prvé, pri každom kroku premeny energie sa niečo z nej stratí... Toto tvrdenie netreba chápať ako porušenie zákona o zachovaní energie. Stráca sa kvôli užitočnému účinku, pre ktorý sa vykonáva zodpovedajúca transformácia. Celkové množstvo energie po premene zostáva nezmenené.

Ak proces premeny a prenosu energie prebieha v určitom stroji alebo prístroji, tak účinnosť tohto zariadenia je zvyčajne charakterizovaná účinnosťou (účinnosťou)... Schéma takéhoto zariadenia je na obr. 2.

Ryža. 2. Schéma určenia účinnosti zariadenia, ktoré premieňa energiu.

Pomocou zápisu znázorneného na obrázku možno účinnosť definovať ako účinnosť = Epol/Epod

Je jasné, že v tomto prípade na základe zákona zachovania energie musí existovať Epod = Epol + Epot

Preto možno účinnosť zapísať aj takto: účinnosť = 1 — (Epot / Epol)

Vráťme sa k príkladu znázornenému na obr. 1 môžeme povedať, že účinnosť kotla je 95%, účinnosť premeny vnútornej energie pary na mechanickú prácu je 40%, účinnosť elektrického generátora je 95%, účinnosť je — elektrický pohon a. stroj — 75% a účinnosť skutočného spracovania obrobku je asi 7%.

V minulosti, keď ešte neboli známe zákony premeny energie, bolo snom ľudí vytvoriť takzvaný perpetum mobile – zariadenie, ktoré by robilo užitočnú prácu bez míňania energie. Takýto hypotetický motor, ktorého existencia by porušovala zákon zachovania energie, sa dnes nazýva perpetum mobile prvého druhu na rozdiel od perpetum mobile druhého druhu, dnes už samozrejme nikto neberie vážne možnosť vytvorenia stroja na večný pohyb prvého druhu.

Po druhé, všetky energetické straty sa v konečnom dôsledku premenia na teplo, ktoré sa uvoľňuje buď do atmosférického vzduchu, alebo do vody z prírodných rezervoárov.

Po tretie, ľudia nakoniec spotrebúvajú len malý zlomok primárnej energie, ktorá sa vynakladá na dosiahnutie príslušného priaznivého účinku.

Je to zrejmé najmä pri pohľade na náklady na dopravu energie. V idealizovanej mechanike, ktorá nezohľadňuje trecie sily, si pohybujúce sa bremená v horizontálnej rovine nevyžadujú žiadnu energiu.

V reálnych podmienkach sa všetka energia spotrebovaná vozidlom využíva na prekonanie trecích síl a síl odporu vzduchu, čiže v konečnom dôsledku sa všetka energia spotrebovaná pri doprave premení na teplo. V tomto smere sú zaujímavé nasledujúce čísla, charakterizujúce prácu pri presune 1 tony nákladu na vzdialenosť 1 km rôznymi druhmi dopravy: lietadlo — 7,6 kWh / (t-km), auto — 0,51 kWh / ( t- km) , vlak-0,12 kWh / (t-km).

Rovnaký priaznivý efekt teda možno dosiahnuť pri leteckej doprave na úkor 60-krát väčšej spotreby energie ako pri železničnej. Samozrejme, vysoká spotreba energie prináša výraznú úsporu času, ale aj pri rovnakej rýchlosti (auto a vlak) sa náklady na energiu líšia 4-krát.

Tento príklad naznačuje, že ľudia často robia kompromisy s energetickou účinnosťou, aby dosiahli iné ciele, napríklad pohodlie, rýchlosť atď. Energetická účinnosť samotného procesu nás spravidla nezaujíma – všeobecné technické a ekonomické hodnotenia efektívnosti procesov sú dôležité... Ale s rastúcou cenou primárnych energetických zložiek sa energetická zložka v technicko-ekonomických hodnoteniach stáva čoraz dôležitejšou.