Преобразование
энергии.
Основные понятия. Механическая энергия
Определение: Энергия это мера возможности совершить работу.
Для
примера: Сжатая пружина в механических часах обладает энергией достаточной для
работы часов в течении суток или более. Батарейки в детской игрушке позволяют
ей работать в течении нескольких часов. Раскрутив детский волчок, можно сообщить
ему энергию достаточную для вращения в течении некоторого времени. О
тектонических и атектонических представлениях
Тектонические
представления непосредственно связаны с методами строительства, и, в конце
концов, с идейными задачами, поставленными перед архитектурой обществом.
Энергия и работа связанные между собой понятия, единицей для их измерения служит
Джоуль [Дж]. Одно из определений работы из курса физики:
Определение:Работой
силы F на прямолинейном пути s, в случае когда направление силы и направление
движения совпадают, называется произведение силы на путь.
Опуская груз массой 1 кг на высоту s=1 м мы совершаем работу за счет силы тяжести.
Сила тяжести G действующая на груз массой 1 кг рассчитывается по формуле:
где, ускорение свободного падения:
масса груза:
следовательно работа при опускании груза:
Подняв груз массой 1 кг на высоту 1 м мы совершили работу A=9.8 Дж. Если груз
отпустить, то под действием силы тяжести опустившись на 1 м груз может совершить
работу. Другими словами тело массой 1 поднятое на высоту 1 м обладает энергией
(возможностью совершить работу) равной 9.8 Дж. В данном случае речь идет о потенциальной
энергии в поле силы тяжести.
Движущиеся тело может столкнувшись с другими
телами вызвать их движение (совершить работу). В этом случае речь идет о кинетической
энергии. Сжимая (деформируя) пружину, мы сообщаем ей потенциальную энергию
деформации (возможность совершить работу при распрямлении).
В повседневной
жизни мы наблюдаем непрерывное перетекание энергии из одного вида в другие. Подбросив
мяч мы сообщаем ему кинетическую энергию, поднявшись на высоту h он приобретает
потенциальную энергию, в момент удара о землю мяч подобно пружине сжимается приобретая
потенциальную энергию деформации, и т.д. Все выше перечисленные виды энергии относятся
к механической энергии.
Виды
и источники энергии Тепловая
энергия
Вторым, после механической, видом энергии, которым человек пользуется
на протяжении почти всей своей истории является тепловая энергии. Наглядное представление
о тепловой энергии человек получает с пеленок: это горячая пища, тепло систем
отопления в современной квартире (если его не отключили), или тепло печки в деревенском
доме.
Что же представляет собой эта энергия с точки зрения физики?
Каждое
физическое тело состоит из атомов или молекул, в жидкостях и газах они хаотично
движутся, чем выше скорость движения, тем большей тепловой энергией обладает тело.
В твердом теле подвижность молекул или атомов значительно ниже чем в жидкости,
а тем более в газе, молекулы твердого тела только колеблются относительно некоторого
среднего положения, чем сильнее эти колебания тем большей тепловой энергией обладает
тело. Нагревая тело (сообщая ему тепловую энергию), мы как бы раскачиваем его
молекулы и атомы, при достаточно сильном "раскачивании" можно выбить молекулы
со своего места и заставить хаотично двигаться. Этот процесс плавления наблюдал
каждый, нагревая в руке кусочек льда. Продолжая нагрев мы как бы разгоняем движущиеся
молекулы, при достаточном разгоне молекула может выйти за переделы тела. Чем больше
нагрев, тем больше молекул могут покинуть тело, в конце концов, передав телу достаточное
количество тепловой энергии можно превратить его в газ. Такой процесс испарения
протекает кипящем чайнике. Электрическая
энергия
Мельчайшей электрически заряженной частицей является электрон,
который в ходит в состав любого атома. Для нейтрального атома суммарный отрицательный
заряд электронов равен положительному заряду ядра, а заряд всего атома равен нулю.
Если удалить несколько электронов, то сумма зарядов электронов и ядра станет больше
нуля. Если добавить лишних то атом приобретет отрицательный заряд.
Из физики
известно что два противоположно заряженных тела притягиваются. Если на одном теле
сосредоточить положительный заряд (удалить с атомов электроны) а на другом отрицательный
(добавить электроны), то между ними возникнут силы притяжения, но на больших расстояниях
эти силы очень малы. Соединив эти два тела проводником (например металлической
проволокой в которой электроны очень подвижны) мы вызовем движение электронов
от отрицательно заряженного тела к положительно заряженному телу. Движущиеся электроны
могут совершить работу (например накалить нить электролампы) следовательно заряженные
тела обладают энергией.
В источнике электрической энергии происходит разделение
положительных и отрицательных зарядов замыкая электрическую цепь мы, как бы позволяем
разделенным зарядам соединится но при этом заставляем их выполнить необходимую
нам работу. Химические
источники энергии.
Самым первым источником энергии, который человек поставил
себе на службу, были обыкновенные дрова для пещерного костра. При горении происходят
химические реакции окисления. Самой распространенной и широко используемой, с
древних времен и до наших дней, является реакция окисления углерода:
Углерод в ходящий в состав любого органического топлива (уголь, дерево, нефть,
газ), взаимодействуя с кислородом атмосферы образует углекислый газ и выделяется
тепловая энергия.
Химические реакции могут происходить как с поглощением
так и с выделением энергии, сама энергия может быть как тепловой так и электрической.
В автомобильном аккумуляторе при работе происходит выделение электрической энергии,
при зарядке происходит поглощение электрической энергии. Ядерный
источник энергии
Эйнштейн установил связь между энергией и массой в своем
уравнении:
где с = 300 000 000 м/с - скорость
света;
таким образом тело человек массой 70 кг содержит в себе энергию
такое количество энергии реакторная установка РБМК-1000 выработает только за две
тысячи лет работы. Главная проблема научится превращать массу в полезную энергию.
Первый шаг для решения этой проблемы человечество сделало освоив военное и мирное
использование энергии деления ядер. В самом первом приближении процессы, происходящие
в ядерном реакторе, можно описать как непрерывное деление ядер. При этом масса
целого ядра до деления больше массы получившихся осколков. Разница составляет
примерно 0.1 % массы разделившегося ядра. Разумеется
до полного превращения массы в энергию еще очень далеко, но уже такое, не обнаруживаемое
обычными весами, изменение массы топлива в реакторе позволяет получать гигантское
количество энергии. Изменение массы топлива за год непрерывной работы в реакторе
РБМК-1000 составляет приблизительно 0.3 г, но выделившаяся при этом энергия такая
же, как при сжигании 3000000 (три миллиона) тон угля. Мощность
В
практике, когда мы говорим о источнике энергии нас, как правило, интересует его
мощность. Поднять тысячу кирпичей на пятый этаж строящегося дома, можно краном,
а можно и с помощью двух рабочих с носилками. И в том, и в другом случае совершенная
работа и затраченная энергия одинакова, отличаются только мощности источников
энергии.
Определение: Мощность источника энергии (машины),
это количество полученной энергии (совершенной работы) в единицу времени.
мощность=
энергия(работа)/время
размерность [Дж/сек = Вт] Закон
сохранения энергии
Как указывалось выше в окружающем нас мире происходит
непрерывное преобразование энергии из одного вида в другую. Подбросив мячик мы
вызвали цепочку преобразований механической энергии из одного вида в другой. Прыгающий
мячик наглядно иллюстрирует закон сохранения энергии:
Энергия не может исчезать
в никуда, или появляться из неоткуда, она может только переходит из одного вида
в другой.
Мяч, совершив несколько подскоков, в конце концов останется неподвижным
на поверхности. Поскольку первоначально переданная ему механическая энергия расходуется
на:
а) преодоление сопротивления воздуха в котором движется мяч (переходит
в тепловую энергию воздуха)
б) нагрев мяча и поверхности соударения. (изменение
формы всегда сопровождается нагревом, вспомним как нагревается алюминиевая проволока
при многократных перегибах) Преобразование
энергии
Возможности по преобразованию и использованию энергии являются
показателем технического развития человечества. Первым, используемым человеком,
преобразователем энергии можно считать парус - использование энергии ветра для
перемещения по воде, дальнейшие развитее, это использование ветра и воды в ветряных
и водяных мельницах. Изобретение и внедрение паровой машины произвело настоящую
революцию в технике. Паровые машины на фабриках и заводах резко увеличили производительность
труда. Паровозы и теплоходы сделали перевозки по суше и морю более быстрыми и
дешевыми. На начальном этапе паровая машина служила для превращения тепловой энергии
в механическую энергию вращающегося колеса, от которого с помощью различного рода
передач (валы, шкивы, ремни, цепи), энергия передавалась на машины и механизмы.
Широкое внедрение электрических машин, двигателей превращающих электрическую
энергию в механическую и генераторов для производства электроэнергии из механической
энергии, ознаменовало собой новый скачёк в развитии техники. Появилась возможность
передавать энергию на большие расстояния в виде электроэнергии, родилась целая
отрасль промышленности энергетика.
В настоящее время создано большое количество
приборов предназначенных, как для преобразования электроэнергии в любой вид энергии
необходимый для жизнедеятельности человека: электромоторы, электронагреватели,
лампы освещения, так и использующие непосредственно электроэнергию: телевизоры,
приемники и т.п.
При использование тепловой энергии пара в цепочки преобразования
энергии появляется возможность использовать часть тепловой энергии для обогрева
(показано пунктиром) или для нужд производства. АЭС
(с одноконтурным реактором)
 |