Batas ng konserbasyon ng enerhiya

Alam ng modernong pisika ang maraming uri ng enerhiya na nauugnay sa paggalaw o iba't ibang pagsasaayos ng isa't isa ng iba't ibang uri ng materyal na katawan o particle, halimbawa, anumang gumagalaw na katawan ay may kinetic energy na proporsyonal sa parisukat ng bilis nito. Ang enerhiya na ito ay maaaring magbago kung ang bilis ng katawan ay tumaas o bumababa. Ang isang katawan na nakataas sa ibabaw ng lupa ay may gravitational potential energy na nag-iiba-iba ng tatlong pagbabago sa taas ng katawan.

Ang mga nakatigil na singil sa kuryente na medyo malayo sa isa't isa ay may electrostatic na potensyal na enerhiya alinsunod sa katotohanan na, ayon sa batas ng Coulomb, ang mga singil ay maaaring umaakit (kung magkaiba ang mga palatandaan) o nagtataboy ng puwersa na inversely proporsyonal sa parisukat ng ang layo ng pagitan nila.

Ang kinetic at potensyal na enerhiya ay nagtataglay ng mga molekula, mga atomo at mga particle, ang kanilang mga nasasakupan - mga electron, proton, neutron, atbp. sa anyo ng mekanikal na gawain, sa daloy ng electric current, sa paglipat ng init, sa pagbabago ng panloob na estado ng mga katawan, sa pagpapalaganap ng electromagnetic waves, atbp.

Mahigit sa 100 taon na ang nakalilipas, ang isang pangunahing batas ng pisika ay itinatag, ayon sa kung saan ang enerhiya ay hindi maaaring mawala o lumabas mula sa wala. Maaari lamang siyang magbago mula sa isang uri patungo sa isa pa…. Ang batas na ito ay tinatawag na batas ng konserbasyon ng enerhiya.

Sa mga gawa ni A. Einstein, ang batas na ito ay makabuluhang binuo. Itinatag ni Einstein ang pagpapalitan ng enerhiya at masa at sa gayon ay pinalawak ang interpretasyon ng batas ng konserbasyon ng enerhiya, na ngayon ay karaniwang nakasaad bilang batas ng konserbasyon ng enerhiya at masa.

Alinsunod sa teorya ni Einstein, ang anumang pagbabago sa enerhiya ng katawan dE ay nauugnay sa pagbabago sa mass dm nito sa pamamagitan ng formula dE =dmc2, kung saan ang c ay ang bilis ng liwanag sa isang vacuum na katumbas ng 3 x 108 Miss.

Mula sa formula na ito, lalo na, sumusunod na kung, bilang isang resulta ng ilang proseso, ang masa ng lahat ng mga katawan na kasangkot sa proseso ay bumaba ng 1 g, kung gayon ang enerhiya ay katumbas ng 9 × 1013 J, na katumbas ng 3000 tonelada ng karaniwang gasolina.

Ang mga ratios na ito ay pangunahing kahalagahan sa pagsusuri ng mga pagbabagong nuklear. Sa karamihan ng mga macroscopic na proseso, ang pagbabago sa masa ay maaaring mapabayaan at tanging ang batas ng konserbasyon ng enerhiya ang maaaring pag-usapan.

Tuntunin natin ang mga pagbabagong-anyo ng enerhiya sa ilang kongkretong halimbawa. Isaalang-alang ang buong chain ng mga conversion ng enerhiya na kinakailangan upang makagawa ng anumang bahagi sa isang lathe (Larawan 1). Hayaang makuha ang paunang enerhiya 1, ang dami ng kinukuha natin bilang 100%, dahil sa kumpletong pagkasunog ng isang tiyak na halaga ng fossil fuel. Samakatuwid, para sa aming halimbawa, 100% ng paunang enerhiya ay nakapaloob sa mga produkto ng pagkasunog ng gasolina, na nasa isang mataas na (mga 2000 K) na temperatura.

Ang mga produkto ng pagkasunog sa boiler ng planta ng kuryente, kapag pinalamig, ibibigay ang kanilang panloob na enerhiya sa anyo ng init sa tubig at singaw ng tubig. Gayunpaman, para sa mga teknikal at pang-ekonomiyang kadahilanan, ang mga produkto ng pagkasunog ay hindi maaaring palamig sa temperatura ng kapaligiran. Ang mga ito ay inilalabas sa pamamagitan ng tubo patungo sa atmospera sa temperatura na humigit-kumulang 400 K, na dinadala sa kanila ang ilan sa orihinal na enerhiya. Samakatuwid, 95% lamang ng paunang enerhiya ang ililipat sa panloob na enerhiya ng singaw ng tubig.

Ang nagreresultang singaw ng tubig ay papasok sa steam turbine, kung saan ang panloob na enerhiya nito ay bahagyang na-convert sa kinetic energy ng mga string ng singaw, na pagkatapos ay ipapadala bilang mekanikal na enerhiya sa turbine rotor.

Bahagi lamang ng enerhiya ng singaw ang maaaring ma-convert sa mekanikal na enerhiya. Ang natitira ay ibinibigay sa nagpapalamig na tubig kapag ang singaw ay na-condensed sa condenser. Sa aming halimbawa, ipinapalagay namin na ang enerhiya na inilipat sa turbine rotor ay magiging tungkol sa 38%, na halos tumutugma sa estado ng mga pangyayari sa mga modernong power plant.

Kapag nagko-convert ng mekanikal na enerhiya sa elektrikal na enerhiya dahil sa tinatawag na Ang pagkalugi ng Joule sa rotor at stator windings ng generator ay mawawalan ng halos 2% ng enerhiya. Bilang resulta, humigit-kumulang 36% ng paunang enerhiya ang mapupunta sa grid.

Ang isang de-koryenteng motor ay magko-convert lamang ng isang bahagi ng elektrikal na enerhiya na ibinibigay dito sa mekanikal na enerhiya upang paikutin ang lathe. Sa aming halimbawa, humigit-kumulang 9% ng enerhiya sa anyo ng init ng Joule sa mga windings ng motor at frictional heat sa mga bearings nito ay ilalabas sa nakapaligid na kapaligiran.

Kaya, 27% lamang ng paunang enerhiya ang ihahatid sa mga gumaganang organo ng makina. Ngunit hindi rin doon nagtatapos ang mga mishap ng enerhiya. Ito ay lumiliko na ang karamihan sa enerhiya sa panahon ng machining ng isang bahagi ay ginugol sa alitan at sa anyo ng init ay inalis kasama ang likido na nagpapalamig sa bahagi. Sa teorya, isang napakaliit na bahagi lamang (sa aming halimbawa, 2% ang ipinapalagay) ng paunang enerhiya ay magiging sapat upang makuha ang nais na bahagi ng orihinal na bahagi.

kanin. 1. Diagram ng mga pagbabagong-anyo ng enerhiya sa panahon ng pagproseso ng isang workpiece sa isang lathe: 1 - pagkawala ng enerhiya na may mga gas na maubos, 2 - panloob na enerhiya ng mga produkto ng pagkasunog, 3 - panloob na enerhiya ng gumaganang likido - singaw ng tubig, 4 - init na inilabas mula sa paglamig tubig sa isang turbine condenser, 5 - mekanikal na enerhiya ng rotor ng isang turbine generator, 6 - pagkalugi sa electric generator, 7 - basura sa electrical drive ng makina, 8 - mekanikal na enerhiya ng pag-ikot ng makina, 9 - frictional trabaho, na kung saan ay na-convert sa init, na pinaghihiwalay mula sa likido, ang paglamig na bahagi, 10 - pagtaas ng panloob na enerhiya ng bahagi at mga chips pagkatapos ng pagproseso ...

Hindi bababa sa tatlong napaka-kapaki-pakinabang na konklusyon ang maaaring makuha mula sa halimbawang isinasaalang-alang, kung ito ay itinuturing na medyo tipikal.

Una, sa bawat hakbang ng conversion ng enerhiya ang ilan sa mga ito ay nawala... Ang pahayag na ito ay hindi dapat unawain bilang isang paglabag sa batas ng konserbasyon ng enerhiya. Nawala ito dahil sa kapaki-pakinabang na epekto kung saan isinasagawa ang kaukulang pagbabago. Ang kabuuang halaga ng enerhiya pagkatapos ng conversion ay nananatiling hindi nagbabago.

Kung ang proseso ng conversion at paglipat ng enerhiya ay nagaganap sa isang tiyak na makina o aparato, kung gayon ang kahusayan ng aparatong ito ay karaniwang nailalarawan sa pamamagitan ng kahusayan (kahusayan)... Ang isang diagram ng naturang aparato ay ipinapakita sa fig. 2.

kanin. 2. Scheme para sa pagtukoy sa kahusayan ng isang aparato na nagko-convert ng enerhiya.

Gamit ang notasyon na ipinapakita sa figure, ang kahusayan ay maaaring tukuyin bilang Efficiency = Epol/Epod

Malinaw na sa kasong ito, batay sa batas ng konserbasyon ng enerhiya, dapat mayroong Epod = Epol + Epot

Samakatuwid, ang kahusayan ay maaari ding isulat tulad ng sumusunod: kahusayan = 1 — (Epot / Epol)

Pagbabalik sa halimbawang ipinakita sa FIG. 1, maaari nating sabihin na ang kahusayan ng boiler ay 95%, ang kahusayan ng pag-convert ng panloob na enerhiya ng singaw sa mekanikal na gawain ay 40%, ang kahusayan ng electric generator ay 95%, ang kahusayan ay - ang electric drive ng isang machine - 75%, at ang kahusayan ng aktwal na pagproseso ng workpiece ay halos 7%.

Noong nakaraan, noong hindi pa alam ang mga batas ng pagbabagong-anyo ng enerhiya, ang pangarap ng mga tao ay lumikha ng tinatawag na perpetual motion machine — isang aparato na gagawa ng kapaki-pakinabang na gawain nang hindi gumagastos ng enerhiya. Ang gayong hypothetical engine, na ang pagkakaroon nito ay lalabag sa batas ng konserbasyon ng enerhiya, ay tinatawag ngayon na perpetual motion machine ng unang uri, kumpara sa perpetual motion machine ng pangalawang uri. Ngayon, siyempre, walang kumukuha seryoso ang posibilidad ng paglikha ng isang panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng unang uri.

Pangalawa, ang lahat ng pagkawala ng enerhiya ay sa huli ay na-convert sa init, na inilabas alinman sa hangin sa atmospera o sa tubig mula sa mga natural na reservoir.

Ikatlo, ang mga tao ay gumagamit lamang ng isang maliit na bahagi ng pangunahing enerhiya na ginagastos upang makuha ang nauugnay na kapaki-pakinabang na epekto.

Ito ay partikular na maliwanag kapag tinitingnan ang mga gastos sa transportasyon ng enerhiya. Sa idealized na mechanics, na hindi isinasaalang-alang ang frictional forces, ang paglipat ng mga load sa pahalang na eroplano ay hindi nangangailangan ng enerhiya.

Sa totoong mga kondisyon, ang lahat ng enerhiya na natupok ng isang sasakyan ay ginagamit upang mapagtagumpayan ang mga frictional force at air resistance force, iyon ay, sa huli, ang lahat ng enerhiya na natupok sa transportasyon ay na-convert sa init. Kaugnay nito, ang mga sumusunod na figure ay kawili-wili, na nagpapakilala sa gawain ng paglipat ng 1 tonelada ng kargamento sa layo na 1 km na may iba't ibang uri ng transportasyon: eroplano - 7.6 kWh / (t-km), kotse - 0.51 kWh / ( t- km), tren-0.12 kWh / (t-km).

Kaya, ang parehong kapaki-pakinabang na epekto ay maaaring makamit sa transportasyon ng hangin sa gastos ng 60 beses na mas mataas na pagkonsumo ng enerhiya kaysa sa tren. Siyempre, ang mataas na pagkonsumo ng enerhiya ay nagbibigay ng makabuluhang pagtitipid sa oras, ngunit kahit na sa parehong bilis (kotse at tren), ang mga gastos sa enerhiya ay naiiba ng 4 na beses.

Ang halimbawang ito ay nagmumungkahi na ang mga tao ay madalas na gumagawa ng mga trade-off na may kahusayan sa enerhiya upang makamit ang iba pang mga layunin, halimbawa ng kaginhawahan, bilis, atbp. Bilang isang panuntunan, ang kahusayan ng enerhiya ng proseso mismo ay hindi gaanong interes sa amin — ang pangkalahatang teknikal at Ang mga pagsusuri sa ekonomiya ng kahusayan ng mga proseso ay mahalaga... Ngunit habang tumataas ang presyo ng mga pangunahing bahagi ng enerhiya, ang bahagi ng enerhiya sa mga pagsusuring teknikal at pang-ekonomiya ay nagiging mas mahalaga.