Закон одржања енергије

Савремена физика познаје многе врсте енергије повезане са кретањем или различитим међусобним распоредом широког спектра материјалних тела или честица, на пример, свако покретно тело има кинетичку енергију пропорционалну квадрату његове брзине. Ова енергија се може променити ако се брзина тела повећава или смањује. Тело подигнуто изнад земље има гравитациону потенцијалну енергију која варира у три промене висине тела.

Стационарна електрична наелектрисања која су на извесној удаљености једно од другог имају електростатичку потенцијалну енергију у складу са чињеницом да се, према Кулоновом закону, наелектрисања или привлаче (ако су различитог знака) или одбијају са силом обрнуто пропорционалном квадрату растојање између њих.

Кинетичку и потенцијалну енергију поседују молекули, атоми и честице, њихови састојци — електрони, протони, неутрони итд. у виду механичког рада, у току електричне струје, у преносу топлоте, у промени унутрашњег стања тела, у ширењу електромагнетних таласа итд.

Пре више од 100 година успостављен је основни закон физике, према којем енергија не може нестати нити настати ни из чега. Она може само да се промени из једног типа у други... Овај закон се зове закон одржања енергије.

У делима А. Ајнштајна овај закон је значајно развијен. Ајнштајн је успоставио заменљивост енергије и масе и тиме проширио тумачење закона одржања енергије, који се данас обично наводи као закон одржања енергије и масе.

У складу са Ајнштајновом теоријом, свака промена енергије тела дЕ повезана је са променом његове масе дм формулом дЕ =дмц2, где је ц брзина светлости у вакууму једнака 3 к 108 Мисс.

Из ове формуле, посебно, следи да ако се, као резултат неког процеса, маса свих тела укључених у процес смањи за 1 г, онда је енергија једнака 9 × 1013 Ј, што је еквивалентно 3000 тона стандардно гориво.

Ови односи су од примарног значаја у анализи нуклеарних трансформација. У већини макроскопских процеса промена масе се може занемарити и може се говорити само о закону одржања енергије.

Хајде да пратимо трансформације енергије на неком конкретном примеру. Размотрите цео ланац конверзија енергије потребних за производњу било ког дела на стругу (слика 1). Нека се почетна енергија 1, чију количину узимамо за 100%, добије услед потпуног сагоревања одређене количине фосилног горива. Дакле, за наш пример, 100% почетне енергије садржано је у продуктима сагоревања горива, који су на високој (око 2000 К) температури.

Производи сагоревања у котлу електране, када се охладе, одају своју унутрашњу енергију у виду топлоте води и воденој пари. Међутим, из техничких и економских разлога, производи сагоревања се не могу охладити на температуру околине. Они се кроз цев избацују у атмосферу на температури од око 400 К, узимајући са собом део првобитне енергије. Дакле, само 95% почетне енергије ће се пренети на унутрашњу енергију водене паре.

Настала водена пара ће ући у парну турбину, где се њена унутрашња енергија у почетку делимично претвара у кинетичку енергију парних струна, која ће се затим као механичка енергија преносити на ротор турбине.

Само део енергије паре може се претворити у механичку енергију. Остатак се даје расхладној води када се пара кондензује у кондензатору. У нашем примеру претпоставили смо да ће енергија која се преноси на ротор турбине износити око 38%, што отприлике одговара стању у савременим електранама.

При претварању механичке енергије у електричну због тзв Губици џула у намотајима ротора и статора генератора ће изгубити око 2% енергије. Као резултат тога, око 36% почетне енергије ће отићи у мрежу.

Електрични мотор ће претворити само део електричне енергије која му се испоручује у механичку енергију да би ротирао струг. У нашем примеру, око 9% енергије у облику џулове топлоте у намотајима мотора и топлоте трења у његовим лежајевима биће ослобођено у околну атмосферу.

Тако ће само 27% почетне енергије бити испоручено радним органима машине. Али енергетским незгодама ни ту није крај. Испоставља се да се већина енергије током обраде дела троши на трење и у виду топлоте се одводи са течношћу која хлади део. Теоретски, само врло мали део (у нашем примеру се претпоставља 2%) почетне енергије би био довољан да се добије жељени део оригиналног дела.

Пиринач. 1. Дијаграм трансформација енергије при обради радног предмета на стругу: 1 — губитак енергије са издувним гасовима, 2 — унутрашња енергија продуката сагоревања, 3 — унутрашња енергија радног флуида — водена пара, 4 — топлота која се ослобађа од хлађења. вода у турбинском кондензатору, 5 — механичка енергија ротора турбинског генератора, 6 — губици у електрогенератору, 7 — отпад у електричном погону машине, 8 — механичка енергија ротације машине, 9 — трења рад, који се претвара у топлоту, одвојен од течности, део за хлађење, 10 — повећање унутрашње енергије дела и чипова након обраде ...

Из примера који се разматра могу се извући најмање три веома корисна закључка, ако се сматра прилично типичним.

Прво, на сваком кораку конверзије енергије нешто се губи... Ову изјаву не треба схватити као кршење закона одржања енергије. Губи се због корисног ефекта за који се врши одговарајућа трансформација. Укупна количина енергије након конверзије остаје непромењена.

Ако се процес конверзије и преноса енергије одвија у одређеној машини или апарату, онда се ефикасност овог уређаја најчешће карактерише ефикасношћу (ефикасношћу)... Шема таквог уређаја је приказана на сл. 2.

Пиринач. 2. Шема за одређивање ефикасности уређаја који претвара енергију.

Користећи ознаку приказану на слици, ефикасност се може дефинисати као Ефикасност = Епол/Епод

Јасно је да у овом случају, на основу закона одржања енергије, мора постојати Епод = Епол + Епот

Стога се ефикасност може написати и на следећи начин: ефикасност = 1 — (Епот / Епол)

Враћајући се на пример приказан на Сл. 1, можемо рећи да је ефикасност котла 95%, ефикасност претварања унутрашње енергије паре у механички рад је 40%, ефикасност електрогенератора је 95%, ефикасност је — електрични погон машина — 75%, а ефикасност стварне обраде радног предмета је око 7%.

У прошлости, када закони трансформације енергије још нису били познати, људи су сањали да створе такозвани перпетуал мотор — уређај који би обављао користан посао без трошења енергије. Такав хипотетички мотор, чије би постојање нарушило закон одржања енергије, данас се назива вечитим мотором прве врсте, за разлику од вечитог мотора друге врсте.Данас, наравно, нико не узима озбиљно могућност стварања перпетуалног мотора прве врсте.

Друго, сви губици енергије се на крају претварају у топлоту, која се ослобађа или у атмосферски ваздух или у воду из природних резервоара.

Треће, људи на крају користе само мали део примарне енергије која се троши за постизање релевантног благотворног ефекта.

Ово је посебно видљиво када се посматрају трошкови транспорта енергије. У идеализованој механици, која не узима у обзир силе трења, покретна оптерећења у хоризонталној равни не захтевају енергију.

У реалним условима сва енергија коју потроши возило користи се за савладавање сила трења и сила отпора ваздуха, односно, у крајњој линији, сва енергија утрошена у транспорту се претвара у топлоту. С тим у вези, интересантне су следеће бројке које карактеришу рад кретања 1 тоне терета на удаљености од 1 км различитим врстама транспорта: авион — 7,6 кВх / (т-км), аутомобил — 0,51 кВх / ( т- км) , воз-0,12 кВх / (т-км).

Тако се исти благотворан ефекат може постићи ваздушним саобраћајем на рачун 60 пута веће потрошње енергије него железничким. Наравно, велика потрошња енергије даје значајну уштеду времена, али чак и при истој брзини (ауто и воз) трошкови енергије се разликују 4 пута.

Овај пример сугерише да људи често праве компромисе са енергетском ефикасношћу како би постигли друге циљеве, на пример удобност, брзину итд. По правилу, енергетска ефикасност самог процеса нас мало интересује — опште техничке и економска процена ефикасности процеса је важна... Али како цена примарних енергетских компоненти расте, енергетска компонента у техничко-економским оценама постаје све важнија.