В текстах, публикуемых на этом сайте, часто встречаются различные термины, которые являются названиями физических величин. Многое мы изучали еще в школьном курсе физике, но знания имеют свойство забываться без постоянного употребления. В серии заметок, объединенных под общим заголовком «Вспоминаем физику» (можно было бы назвать «Снова в школу») мы постараемся напомнить вам, что означают основные термины, какие физические величины за этими терминами скрываются, как они связаны между собой, в каких величинах они измеряются. В общем, дать те основы, которые нужны для понимания публикуемых материалов.
Сайт нас в целом посвящен методам и технологиям получения энергии (конкретно, из возобновляемых источников). Энергия нужна людям для отопления и освещения собственных жилищ, для того, чтобы приводить в движение различные механизмы, которые совершают полезную для людей работу. То есть нам нужно получить в конечном итоге один из трех видов энергии — тепловую, механическую и энергию света. Как будет сказано ниже, в физике различают еще несколько видов энергии, но для нас важны в первую очередь эти три вида. Закончу с предисловиями и приведу те определения энергии, которые приняты в физике.
Работа и энергия
Еще из школьного курса физики (а школу я окончил 50 лет назад) я помню утверждение «Энергия является мерой способности физической системы совершить работу». Википедия дает менее понятное определение, утверждая , что
«Эне́ргия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени, в течение которого система будет являться замкнутой. Это утверждение носит название закона сохранения энергии.»
Энергия является скалярной величиной, для измерения которой применяются несколько разных единиц. Нам наиболее интересны джоуль и киловатт-час.
Джо́уль (русское обозначение: Дж; международное: J) - единица измерения работы, энергии и количества теплоты в Международной системе единиц (СИ). Джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной одному ньютону, на расстояние одного метра в направлении действия силы. В электричестве джоуль означает работу, которую совершают силы электрического поля за 1 секунду при напряжении в 1 вольт для поддержания силы тока в 1 ампер.
Впрочем, мы не будем углубляться в основы физики, выясняя, что такое сила и что такое один ньютон, просто примем понятие «энергия» за основу и запомним, что некое количество джоулей характеризует энергию, работу и количество теплоты. Еще одной величиной, с помощью которой измеряют количество энергии, является киловатт-час.
Килова́тт-час (кВт⋅ч) - внесистемная единица измерения количества произведенной или потреблённой энергии, а также выполненной работы. Используется преимущественно для измерения потребления электроэнергии в быту, народном хозяйстве и для измерения выработки электроэнергии в электроэнергетике.
Следует заметить, что правильно писать именно «кВт⋅ч» (мощность, умноженная на время). Написание «кВт/ч» (киловатт в час), часто употребляемое во многих СМИ и даже иногда в официальных документах, неправильно. Такое обозначение соответствует изменению мощности в единицу времени (что обычно никого не интересует), но никак не количеству энергии. Столь же распространённая ошибка - использовать «киловатт» (единицу мощности) вместо «киловатт-час».
В последующих статьях мы будем использовать джоуль и киловатт-час как единицы для оценки количества энергии или работы, имея в виду, что один киловатт-час равен 3,6·10 6 джоулей.
С точки зрения интересующих нас тем именно свойство энергии совершать работу является основополагающим. Мы не будем выяснять, как физика трактует понятие «работа», будем считать, что это понятие является первоначальным и не определяемым. Только еще раз подчеркнем, что количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.
В зависимости от вида энергии или работы величина энергии рассчитывается разными способами:
Формы и виды энергии
Поскольку энергия, как сказано выше, является только мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие, различные формы энергии выделяются в соответствии с различными формами движения материи. Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить следующие формы энергии:
- энергия макромира - гравитационная или энергия притяжения тел,
- энергия взаимодействия тел - механическая,
- энергия молекулярных взаимодействий - тепловая,
- энергия атомных взаимодействий - химическая,
- энергия излучения - электромагнитная,
- энергия, заключенную в ядрах атомов, - ядерная.
Гравитационная энергия - энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным гравитационным тяготением. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли - энергия силы тяжести. Таким образом, энергию, запасенную в водохранилищах гидроэлектростанций, можно отнести к гравитационной энергии.
Механическая энергия - проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах - транспортных и технологических.
Тепловая энергия - энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т. д.).
Химическая энергия - это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.
Электромагнитная энергия - это энергия, порождаемая взаимодействием электрического и магнитного полей. Ее подразделяют на электрическую и магнитную энергии. Электрическая энергия - энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).
Электромагнитная энергия проявляется также в виде электромагнитных волн, то есть в виде излучения, включающего видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны. Таким образом, один из видов электромагнитной энергии - это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.
Ядерная энергия - энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).
В эту классификацию несколько не укладываются известные нам со школы понятия потенциальной и кинетической энергии. Современная физика считает , что понятия кинетической и потенциальной энергий (а также энергии диссипации) это не формы, а виды энергии :
Кинетическая энергия — энергия, которой обладают тела вследствие своего движения. Более строго , кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия - часть полной энергии, обусловленная движением. Когда тело не движется, кинетическая энергия равна нулю.
Потенциальная энергия — энергия, обусловленная взаимодействием различных тел или частей одного и того же тела. Потенциальная энергия всегда определяется положением тела относительно некоторого источника силы (силового поля).
Энергия диссипации (то есть рассеяния) — переход части энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счёте - в теплоту.
Дело в том, что каждая из перечисленных выше форм энергии может проявляться в виде потенциальной и кинетической энергии. То есть виды энергии должны трактоваться в обобщенном смысле, ибо они относятся к любой форме движения и, следовательно, к любой форме энергии. Например, имеется кинетическая электрическая энергия, и это не то же самое, что кинетическая механическая энергия. Это кинетическая энергия движения электронов, а не кинетическая энергия механического движения тела. Точно так же потенциальная электрическая энергия это не то же самое, что потенциальная механическая энергия. А химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии их взаимодействия друг с другом и с атомными ядрами.
Вообще, насколько я понял при подготовке этого материала, пока не существует общепринятой классификации форм и видов энергии. Впрочем, возможно нам и не нужно до конца разбираться в этих физических понятиях. Важно только помнить, что энергия — это не какая-то реальная материальная субстанция, а только мера, предназначенная для оценки перемещения некоторых форм материи или преобразования одной формы материи в другую.
С понятием энергии и работы неразрывно связано понятие мощности.
Мо́щность - физическая величина, равная в общем случае скорости изменения, преобразования, передачи или потребления энергии системы. В более узком смысле мощность равна отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.
В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения мощности является ватт, равный одному джоулю, делённому на секунду.
Мощность характеризует способность того или иного устройства совершать работу или производить энергию в течение определенного промежутка времени. Связь между мощностью, энергией и временем выражается следующим соотношением:
Киловатт-час (напомним, что это единица измерения энергии) равен количеству энергии, потребляемой (производимой) устройством мощностью один киловатт (единица мощности) в течение одного часа (единица времени) .
Отсюда и уже упомянутое выше равенство 1 кВт⋅ч = 1000 Вт ⋅ 3600 с = 3,6·10 6 Дж = 3,6 МДж.
Из трех рассмотренных на этой странице единиц именно мощность представляет для нас наибольший интерес, поскольку эта величина будет нам встречаться при рассмотрении и сравнении различных ветро- или гидро-генераторов и солнечных панелей. В этих случаях мощность характеризует способность этих устройств производить энергию. И наоборот, указание мощности на многих бытовых электроприборах характеризует потребление энергии этими приборами. Если мы хотим обеспечить некоторую совокупность бытовых приборов энергией, мы должны сопоставить суммарную потребляемую этими приборами мощность с суммарной мощностью, которую можем получить от производителей энергии.
Но подробнее о мощности мы поговорим в следующих статьях, посвященных конкретным видам энергии. И начнем с электрической энергии , рассмотрим, какими величинами характеризуется электричество и в каких единицах оно измеряется.
Энергия - это то, благодаря чему существует жизнь не только на нашей планете, но и во Вселенной. При этом она может быть очень разной. Так, тепло, звук, свет, электричество, микроволны, калории представляют собой различные виды энергии. Для всех процессов, происходящих вокруг нас, необходима эта субстанция. Большую часть энергии все сущее на Земле получает от Солнца, но имеются и другие ее источники. Солнце передает ее нашей планете столько, сколько бы выработали одновременно 100 млн самых мощных электростанций.
Что такое энергия?
В теории, выдвинутой Альбертом Эйнштейном, изучается взаимосвязь материи и энергии. Этот великий ученый смог доказать способность одной субстанции превращаться в другую. При этом выяснилось, что энергия является самым важным фактором существования тел, а материя вторична.
Энергия - это, по большому счету, способность выполнять какую-то работу. Именно она стоит за понятием силы, способной двигать тело или придавать ему новые свойства. Что же означает термин «энергия»? Физика - это фундаментальная наука, которой посвятили свою жизнь многие ученые разных эпох и стран. Еще Аристотель использовал слово «энергия» для обозначения деятельности человека. В переводе с греческого языка «энергия» - это «деятельность», «сила», «действие», «мощь». Первый раз это слово появилось в трактате ученого-грека под названием «Физика».
В общепринятом сейчас смысле данный термин был введен в обиход английским ученым-физиком Это знаменательное событие произошло в далеком 1807 году. В 50-х годах XIX в. английский механик Уильям Томсон впервые использовал понятие «кинетическая энгергия», а в 1853 г. шотландский физик Уильям Ренкин ввел термин «потенциальная энергия».
Сегодня эта скалярная величина присутствует во всех разделах физики. Она является единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи. Другими словами, она представляет собой меру преобразования одних форм в другие.
Единицы измерения и обозначения
Количество энергии измеряется Эта специальная единица в зависимости от вида энергии может иметь разные обозначения, например:
- W - полная энергия системы.
- Q - тепловая.
- U - потенциальная.
Виды энергии
В природе существует множество самых разных видов энергии. Основными из них считаются:
- механическая;
- электромагнитная;
- электрическая;
- химическая;
- тепловая;
- ядерная (атомная).
Есть и другие виды энергии: световая, звука, магнитная. В последние годы все большее число ученых-физиков склоняются к гипотезе о существовании так называемой «темной» энергии. Каждый из перечисленных ранее видов данной субстанции имеет свои особенности. Например, энергия звука способна передаваться при помощи волн. Они способствуют возникновению вибрации барабанных перепонок в ухе людей и животных, благодаря которой можно слышать звуки. В ходе различных химических реакций высвобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности всех организмов. Любое топливо, продукты питания, аккумуляторы, батарейки являются хранилищем этой энергии.
Наше светило дает Земле энергию в виде электромагнитных волн. Только так она может преодолеть просторы Космоса. Благодаря современным технологиям, таким как солнечные батареи, мы можем использовать ее с наибольшим эффектом. Излишки неиспользованной энергии аккумулируются в особых энергохранилищах. Наряду с вышеперечисленными видами энергии часто используются термальные источники, реки, океана, биотопливо.
Механическая энергия
Этот вид энергии изучается в разделе физики, называемом «Механикой». Она обозначается буквой Е. Ее измерение осуществляется в джоулях (Дж). Что собой представляет эта энергия? Физика механики изучает движение тел и взаимодействие их друг с другом либо с внешними полями. При этом энергия, обусловленная движением тел, называется кинетической (обозначается Ек), а энергию, обусловленную или внешних полей, именуют потенциальной (Еп). Сумма движения и взаимодействия представляет собой полную механическую энергию системы.
Для расчета обоих видов существует общее правило. Для определения величины энергии следует вычислить работу, необходимую для перевода тела из нулевого состояния в данное состояние. При этом чем больше работа, тем большей энергией будет обладать тело в данном состоянии.
Разделение видов по разным признакам
Существует несколько видов разделения энергии. По разным признакам ее делят на: внешнюю (кинетическую и потенциальную) и внутреннюю (механическую, термическую, электромагнитную, ядерную, гравитационную). Электромагнитная энергия в свою очередь подразделяется на магнитную и электрическую, а ядерная - на энергию слабого и сильного взаимодействия.
Кинетическая
Любые движущиеся тела отличаются наличием кинетической энергии. Она часто так и называется - движущей. Энергия тела, которое движется, теряется при его замедлении. Таким образом, чем быстрее скорость, тем больше кинетическая энергия.
При соприкосновении движущегося тела с неподвижным объектом последнему передается часть кинетической, приводящая и его в движение. Формула энергии кинетической следующая:
- Е к = mv 2: 2,
где m — масса тела, v - скорость движения тела.
В словах эту формулу можно выразить следующим образом: кинетическая энергия объекта равна половине произведения его массы на квадрат его скорости.
Потенциальная
Этим видом энергии обладают тела, которые находятся в каком-либо силовом поле. Так, магнитная возникает, когда объект находится под действием магнитного поля. Все тела, находящиеся на земле, обладают потенциальной гравитационной энергией.
В зависимости от свойств объектов изучения они могут иметь различные виды потенциальной энергии. Так, упругие и эластичные тела, которые способны вытягиваться, имеют потенциальную энергию упругости либо натяжения. Любое падающее тело, которое было ранее неподвижно, теряет потенциальную и приобретает кинетическую. При этом величина этих двух видов будет равнозначна. В поле тяготения нашей планеты формула энергии потенциальной будет иметь следующий вид:
- Е п =
mhg,
где m — масса тела; h - высота центра массы тела над нулевым уровнем; g - ускорение свободного падения.
В словах эту формулу можно выразить так: потенциальная энергия объекта, взаимодействующего с Землей, равна произведению его массы, ускорению свободного падения и высоты, на которой оно находится.
Эта скалярная величина является характеристикой запаса энергии материальной точки (тела), находящейся в потенциальном силовом поле и идущей на приобретение кинетической энергии за счет работы сил поля. Иногда ее называют функцией координат, являющейся слагаемым в лангранжиане системы (функция Лагранжа динамической системы). Эта система описывает их взаимодействие.
Потенциальную энергию приравнивают к нулю для некой конфигурации тел, расположенных в пространстве. Выбор конфигурации определяется удобством дальнейших вычислений и называется «нормировкой потенциальной энергии».
Закон сохранения энергии
Одним из самых основных постулатов физики является Закон сохранения энергии. В соответствии с ним, энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает. Она постоянно переходит из одной формы в другую. Иными словами, происходит только изменение энергии. Так, например, химическая энергия аккумулятора фонарика преобразуется в электрическую, а из нее - в световую и тепловую. Различные бытовые приборы превращают электрическую в свет, тепло или звук. Чаще всего конечным результатом изменения являются тепло и свет. После этого энергия уходит в окружающее пространство.
Закон энергии способен объяснить многие Ученые утверждают, что общий объем ее во Вселенной постоянно остается неизменным. Никто не может создать энергию заново или уничтожить. Вырабатывая один из ее видов, люди используют энергию топлива, падающей воды, атома. При этом один ее вид превращается в другой.
В 1918 г. ученые смогли доказать, что закон сохранения энергии представляет собой математическое следствие трансляционной симметрии времени - величины сопряженной энергии. Другими словами, энергия сохраняется вследствие того, что законы физики не отличаются в различные моменты времени.
Особенности энергии
Энергия - это способность тела совершать работу. В замкнутых физических системах она сохраняется на протяжении всего времени (пока система будет замкнутой) и представляет собой один из трех аддитивных интегралов движения, сохраняющих величину при движении. К ним относятся: энергия, момент Введение понятия «энергия» целесообразно тогда, когда физическая система однородна во времени.
Внутрення энергия тел
Она представляет собой сумму энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекул, составляющих его. Ее нельзя измерить напрямую, поскольку она является однозначной функцией состояния системы. Всегда, когда система оказывается в данном состоянии, ее внутренняя энергия имеет присущее ему значение, независимо от истории существования системы. Изменение внутренней энергии в процессе перехода из одного физического состояния в другое всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях.
Внутренняя энергия газа
Помимо твердых тел, энергию имеют и газы. Она представляет собой кинетическую энергию теплового (хаотического) движения частиц системы, к которым относятся атомы, молекулы, электроны, ядра. Внутренней энергией идеального газа (математической модели газа) является сумма кинетических энергий его частиц. При этом учитывается число степеней свободы, представляющее собой число независимых переменных, определяющих положение молекулы в пространстве.
С каждым годом человечество потребляет все большее количество энергоресурсов. Чаще всего для получения энергии, необходимой для освещения и отопления наших жилищ, работы автотранспорта и различных механизмов, используются такие ископаемые углеводороды, как уголь, нефть и газ. Они относятся к невозобновимым ресурсам.
К сожалению, только незначительная часть энергии добывается на нашей планете с помощью возобновимых ресурсов, таких как вода, ветер и Солнце. На сегодняшний день их удельный вес в энергетике составляет всего 5 %. Еще 3 % люди получают в виде ядерной энергии, производимой на атомных электростанциях.
Имеют следующие запасы (в джоулях):
- ядерная энергия - 2 х 10 24 ;
- энергия газа и нефти - 2 х 10 23 ;
- внутренне тепло планеты - 5 х 10 20 .
Годовая величина возобновляемых ресурсов Земли:
- энергия Солнца - 2 х 10 24 ;
- ветер - 6 х 10 21 ;
- реки - 6,5 х 10 19 ;
- морские приливы - 2,5 х 10 23 .
Только при своевременном переходе от использования невозобновляемых запасов энергии Земли к возобновляемым человечество имеет шанс на долгое и счастливое существование на нашей планете. Для воплощения передовых разработок ученые всего мира продолжают тщательно изучать разнообразные свойства энергии.
Лекция 2. Виды энергии. Получение, преобразование и использование энергии
ТЕМА 2. ВИДЫ ЭНЕРГИИ. ПОЛУЧЕНИЕ, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
Основные понятия:
энергия; кинетическая и потенциальная энергия; виды энергии; энергетика; энергосистема; электроэнергетическая система; потребители энергии; традиционная и нетрадиционная энергетика; графики нагрузки; энергопотребление на душу населения; энергоемкость экономики; показатель энергоэкономического уровня производства .
Энергия – всеобщая основа природных явлений, базис культуры и всей деятельности человека. В то же время под энергией (греческое – действие, деятельность ) понимается количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую .
Согласно представлениям физической науки, энергия – это способность тела или системы тел совершать работу. Существуют различные классификации видов и форм энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная). Последние три вида относятся к внутренней форме энергии, т.е. обусловлены потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих тело, или кинетической энергией их беспорядочного движения.
Если энергия – результат изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической ; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.
Если энергия – результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной ; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.
Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.
Механическая энергия – проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.
К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах – транспортных и технологических.
Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.
Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).
Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).
Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).
Химическая энергия – это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.
Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.
Магнитная энергия – энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.
Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой.
Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.
Таким образом, электромагнитная энергия – это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.
Ядерная энергия – энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).
Бытует и старое название данного вида энергии – атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.
Гравитационная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести.
Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира – гравитационную, энергию взаимодействия тел – механическую, энергию молекулярных взаимодействий – тепловую, энергию атомных взаимодействий – химическую, энергию излучения – электромагнитную, энергию, заключенную в ядрах атомов – ядерную.
Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.
В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят 1 Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен
1 ньютон метр (Нм). Если расчеты связаны с теплотой, биологической и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица - калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал=4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт·час (Вт·ч, кВт·ч, МВт·ч), 1 Вт·ч=3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м=9,8 Дж.
Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), и которая может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую называется первичной . В соответствии с классификацией энергоресурсов по признаку исчерпаемости можно классифицировать и первичную энергию. На рис. 2.1 представлена схема классификации первичной энергии.
Рис. 2.1. Классификация первичной энергии
При классификации первичной энергии выделяют традиционные и нетрадиционные виды энергии. К традиционным относятся такие виды энергии, которые на протяжении многих лет широко использовались человеком. К нетрадиционным видам энергии относят такие виды, которые начали использоваться сравнительно недавно.
К традиционным видам первичной энергии относят: органическое топливо (уголь, нефть и т.д.), гидроэнергию рек и ядерное топливо (уран, торий и др.).
Энергия, получаемая человеком, после преобразования первичной энергии на специальных установках - станциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.).
Преимущества электрической энергии. Электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии и по праву может считаться основой современной цивилизации. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы ЭВМ), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.
Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть - в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля электрической энергии с каждым годом растет
(рис. 2.2).
Электрическая энергия – более универсальный вид энергии. Она нашла широкое применение в быту и во всех отраслях народного хозяйства. Насчитывается свыше четырехсот наименований электробытовых приборов: холодильники, стиральные машины, кондиционеры, вентиляторы, телевизоры, магнитофоны, осветительные приборы и т.д. Нельзя представить промышленность без электрической энергии. В сельском хозяйстве применение электричества непрерывно расширяется: кормление и поение животных, уход за ними, отопление и вентиляция, инкубаторы, калориферы, сушилки и т.д.
Электрификация – основа технического прогресса любой отрасли народного хозяйства. Она позволяет заменить неудобные для использования энергетические ресурсы универсальным видом энергии – электрической энергией, которую можно передавать на любое расстояние, превращать в другие виды энергии, например, в механическую или тепловую, делить ее между потребителями. Электричество – очень удобный для применения и экономичный вид энергии.
Рис. 2.2. Динамика потребления электрической энергии
Электрическая энергия обладает такими свойствами, которые делают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства и в повседневной жизни человека:
1. Электрическая энергия универсальна, она может быть использована для самых различных целей. В частности, ее очень просто превратить в тепло. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.
2. При потреблении электрической энергии ее можно бесконечно дробить. Так, мощность электрических машин в зависимости от их назначения различна: от долей ватта в микродвигателях, применяемых во многих отраслях техники и в бытовых изделиях, до огромных величин, превышающих миллион киловатт, в генераторах электростанций.
3. В процессе производства и передачи электрической энергии, можно концентрировать ее мощность, увеличивать напряжение и передавать по проводам как на малые, так и на большие расстояния любое количество электрической энергии от электростанции, где она вырабатывается, всем ее потребителям.
Любое тело, чтобы расти, двигаться, гореть или вообще делать что бы то ни было, нуждается в энергии. Без энергии не может быть жизни.
Что такое энергия?
В природе существует множество различных видов энергии. Некоторые из них описаны ниже. Энергия не пребывает вечно в той или иной форме, она постоянно переходит из одного вида, скажем, химической энергии, в другой — например, в тепловую энергию. Тепловая энергия.
Нагретое вещество обладает большим запасом энергии, чем холодное, так как атомы в нем движутся быстрее. Тепловая энергия может распространяться из одного места в другое. Световая энергия.
Свет представляет собой особый вид энергии, движущейся по прямой с колоссальной скоростью. Ничто в мире не способно перемещаться быстрее, чем свет. Обычно его испускают очень горячие тела. Раскаленная нить лампы накаливания излучает световую энергию. Химическая энергия.
Энергия может также накапливаться в химических веществах. Животные и растения поглощают химическую энергию в виде пищи. Основные наши виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, также содержат в себе химическую энергию. Потенциальная энергия.
Потенциальной энергией называется запас внутренней энергии, которым тело располагает благодаря своему состоянию. К примеру, сжатая или растянутая пружина обладает потенциальной энергией. Если пружину отпустить, то эта скрытая энергия высвободится.
Электрическая энергия.
Электроэнергия перемещается по электрическим проводам, как бы
перепрыгивая с одного атома на другой. Ее можно преобразовать во многие
другие виды энергии, например, в звуковую или световую.
Звуковая энергия.
Звуковая энергия распространяется в виде волн, называемых звуковыми.
Проходя через воздух, звуковые волны заставляют его колебаться. Когда
звуковые волны достигают ваших ушей, вы слышите различные звуки.
Атомная (ядерная) энергия.
Атомная энергия заключена в ядре (центральной части) атома. Эту энергию
используют на атомных электростанциях для производства электричества.
Свет и тепло, излучаемые солнцем, также имеют в своей основе атомную
энергию.
Кинетическая энергия.
Кинетическая энергия — это энергия движения. Все, что движется, несет в
себе кинетическую энергию. Чем быстрее тело движется и чем оно тяжелее,
тем запас его кинетической энергии больше.
Откуда берется энергия?
Источник почти всей энергии, имеющейся на Земле — Солнце. Солнечное тепло согревает сушу, моря и воздух. Оно также порождает ветры, волны и океанические течения, обладающие огромным запасом кинетической энергии. Энергия, содержащаяся в пище, тоже непосредственно создается Солнцем, как это наглядно показано на этом рисунке.
Растения поглощают солнечный свет для поддержания своей жизнедеятельности и преобразуют его в химическую энергию, хранящуюся в их стеблях и листьях.
Уголь, нефть и природный газ многие миллионы лет назад сформировались из останков растений и животных. И энергия своим происхождением обязана химической энергии, когда-то накопленной этими растениями и животными.
Существуют, однако, три основных источника энергии, впрямую не зависящих от солнечного тепла и света. Это радиоактивные элементы — например уран, используемые для производства атомной энергии; тепло земных недр; и, наконец, энергия приливов и отливов, создаваемая притяжением Солнца и Луны в Мировом Океане.
Ученым трудно объяснить, что такое энергия. Это не является веществом или объектом, к которому можно прикоснуться или удерживать. Но вещества и объекты обладают энергией.
Полезное определение заключается в том, что энергия — это то, что необходимо для того, чтобы все произошло. Она может заставить вещи двигаться или меняться и делает что-то!
Различные формы
Все, что мы делаем, требует энергии даже для сна! В таблице ниже показано количество необходимое для различных видов деятельности.
Энергия, вовлеченная в повседневную деятельность:
Сохранение энергии
Хотя энергия может изменить свою форму, она не может просто исчезнуть. Если проследить источник то обнаружится, что она просто не появляется из ниоткуда.
Эти открытия привели ученых к утверждению закона об энергии.
Первая часть гласит, что энергия должна откуда-то поступать. Она никогда не создается из ничего, но может изменяться из одной формы в другую, но общее количество остается неизменным. Энергетические цепи обычно начинаются с некоторой формы потенциальной энергии. Если проследить множество энергетических цепочек, то можно обнаружить, что она исходит от ядерных реакций внутри Солнца, которые преобразуют энергию, хранящуюся в атомных ядрах в тепловую и лучистую.
- Согласно Закону сохранения: вход = выходу
- Это уравнение может быть изменено на: потребление = полезное + отходы
Конструкторы обеспокоены тем, чтобы сделать приборы, которые производят максимальный коэффициент полезного действия.
- Это измеряется энергоэффективностью: энергоэффективность % = полезная энергия x 100/потребляемая
Человеческий организм не очень эффективен в преобразовании энергии. Спортсмен использует до 40000 джоулей химической (пищевой) при спринте на 100 м. Только 8000 из этого преобразуется в кинетическую энергию бега. Остальное тратится как тепло!
Количество энергии, преобразуемой машиной каждую секунду, называется мощностью машины. Мощность измеряется в ваттах (1 ватт равен 1 джоулю энергии, преобразуемой в каждую секунду).
Преобразование энергии
Энергия может передаваться от одного объекта к другому. Если вы касаетесь горячего объекта, тепло передается на ваши пальцы. Передача не влечет за собой изменения в типе энергии.
Преобразования или изменения происходят вокруг нас все время. При преобразовании энергия изменяется от одного типа к другому или на несколько различных типов. Электрическая лампочка преобразует электрическую в световую и инфракрасную.
Происходит преобразование энергии:
- внутри вашего тела-движущаяся мышца
- внутри электроприборов
- в физических процессах — молния
В трансформации важно определить затраты и выход. Иногда передачи и преобразования энергии происходят один за другим. Это называется энергетической цепью.
Например, преобразование энергии в фонарике:
- Батареи преобразовывают химическую потенциальную в электрическую. Лампочка изменяет электрическую энергию в тепловую и световую.
- Энергетическая цепь записывается как: химическая потенциальная — — — — > электрическая — — — — > тепловая и световая
Уравнения преобразования энергии
Во время преобразования энергия обычно преобразуется в более чем одну форму. Слово уравнение может быть использовано, чтобы показать изменения энергии, которые происходят.
Например, преобразование энергии в тостере:
- Тостер изменяет электрическую энергию в энергию тепла и света.
- Ввод — электрическая, вывод -тепловая и световая энергия.
Уравнение преобразования энергии тостера:
- Электрическая — — — — — > тепловая + световая
Устройство, преобразующее энергию из одной формы в другую, называется машиной или преобразователем энергии.
Измерение энергии
Научной единицей энергии является джоуль. Это названо в честь британского ученого по имени Джеймс Джоуль. Один джоуль — это очень небольшое количество, поэтому ученые используют килоджоули (кДж).
Если поднять объект на 1 метр весом 1 кг, то объект получит 1 джоуль гравитационной энергии.
Если нагреть 1 мл воды на 1 градус С, то вода получит 4,2 джоулей тепловой энергии.
Энергия в пище
Все, что вы делаете каждый день, даже сон, требует энергии. Различные виды деятельности требуют разного количества.
Сколько энергии нужно вашему организму каждый день:
Мужчина или женщина, молодые или старые, активные или нет, люди получают ресурсы, в которых они нуждаются каждый день от еды, которую они едят. Эта пища является формой химической потенциальной энергии. Когда еда расходуется в клетках тела во время дыхания, химическая потенциальная энергия выпускается. Различные продукты выделяют разное количество ресурсов.
Ежедневные энергетические потребности женщин и мужчин в(килоджоулей)
Держать себя здоровым без избыточного веса — — — — > сбалансировать потребление с расходом
Некоторые виды пищи обеспечивают больше энергии, чем другие. Жиры дают вдвое больше, чем углеводы. В виду того что жир дает больше чем другие типы еды, можно подумать что еда всегда хороша для нас. ЭТО НЕ ТАК! Организм не может использовать так много еды одновременно. Все что необходимо он использует, а лишнее хранит как жир. Это может привести к ожирению и другим проблемам со здоровьем.
Когда вы активны, организм сжигает много энергии. Когда вы смотрите телевизор или играете на компьютере, организм сжигает гораздо меньше.
Большее количество энергии, которую наши тела получают от пищи, преобразуется в тепловую в результате дыхания. Это использовано для того чтобы держать наши тела на определенной температуре постоянно (37 градусах C). Это важно, если химические реакции, которые происходят в клетках должны работать эффективно.
Чтобы узнать, сколько энергии хранится в пище, вы можете превратить ее в тепло и измерить, что может сделать это тепло.
Альтернативные источники
Большая часть энергии в мире используется в виде ископаемого топлива. Эти виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, поступают от Солнца. Солнечная энергия хранится в растениях и животных, которые вымерли миллионы лет назад.
Сжигание ископаемых видов топлива является единственным способом высвобождения накопленных в них ресурсов. Проблема с ископаемыми видами топлива заключается в том, что они загрязняют окружающую среду, и они занимают очень много времени. Это невозобновляемые источники энергии. После того, как ископаемые виды топлива были использованы, они ушли навсегда.
Возобновляемые источники энергии заканчиваются. Люди во всем мире ищут альтернативные источники, которые являются экологически чистыми, безопасными и возобновляемыми. Некоторые были использованы в течение многих лет. Некоторые все еще находятся на экспериментальной стадии. Большинство из них используются для производства электрической энергии, но некоторые используются в их первоначальном виде.
Альтернативные (возобновляемые) источники энергии включают:
Солнечная
Солнечная энергия поступает от солнца в виде электромагнитных волн. Количество Земли получает в год более чем достаточно, чтобы обеспечить все мировые потребности на этот год.
Ветра
Движение воздуха (ветер) является результатом неравномерного нагрева земной поверхности солнцем. Ветряные турбины превращаются в ветер и вырабатывают электричество.
Гидроэлектрическая
Когда вода, накопленная высоко за плотиной, стекает по трубам в электростанцию, ее гравитационная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, которая превращает турбины, генерирующие электричество.
Биомасса
Это органический материал, который преобразуется в том числе и . Древесина — это форма биомассы. Сжигание древесной щепы производит газ, который сжигается, чтобы высвободить ресурсы, которые могут быть использованы для обеспечения отопления или использоваться для производства электроэнергии.
Приливная
Приливы вызваны притяжением Луны. Плотина через лиман может удерживать воду, а затем использовать ее для выработки электроэнергии.
Биогаз
Разлагаемые животные, отходы и нечистоты производят лэндфилл-газ. Когда лэндфилл-газ совмещается с углекислым газом производится метан. Процесс происходит в закрытом контейнере, называемом метантенка. В Индии и Китае этот способ используют для получения топлива для приготовления пищи.
Волновая
Волны вызваны ветром, дующим через море. Большие поплавки которые двигают вверх и вниз с волнами теперь используются для генерации электричества.
Водород
Водород используется в топливных элементах. Его можно совместить с кислородом для того чтобы произвести электрический ток. Он горит легко выпуская большое количество тепловой энергии.