Понятие энергии. Основные виды энергии
3.1 Энергия и её виды
3.2 Способы получения и преобразования энергии
3.3 Электрические и тепловые нагрузки и способы их регулирования
3.4 Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую
3.5 Ветроэнергетика
3.6 Гидроэнергетика
3.7 Биоэнергетика
3.8 Транспортирование тепловой и электрической энергии
3.8.1 Транспортирование тепловой энергии
3.8.2 Транспортирование электрической энергии
3.9 Энергетическое хозяйство промышленных предприятий
3.1 Энергия и её виды
Энергия (от греч. energeie - действие, деятельность) представляет собой общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи. Это способность к совершению работы, а работа совершается тогда, когда на объект действует физическая сила (давление или гравитация). Работа - это энергия в действии.
Во всех механизмах при совершении работы энергия переходит из одного вида в другой. Но при этом нельзя получить энергии одного вида больше, чем другого, при любых ее превращениях, т. к. это противоречит закону сохранения энергии.
Различают следующие виды энергии: механическая; электрическая; тепловая; магнитная; атомная.
Электрическая энергия является одним из совершенных видов энергии. Её широкое использование обусловлено следующими факторами:
Получением в больших количествах вблизи месторождения ресурсов и водных источников;
Возможностью транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;
Способностью трансформации в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую, световую;
Отсутствием загрязнения окружающей среды;
Внедрением на основе электроэнергии принципиально новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.
Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.
Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности, в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указания на то, какой вид первичной энергии преобразуется на них в электрическую:
На тепловой электрической станции (ТЭС) - тепловая;
Гидроэлектростанции (ГЭС) - механическая (энергия движения воды);
Гидроаккумулирующей станции (ГАЭС) - механическая (энергия движения предварительно наполненной в искусственном водоеме воды);
Атомной электростанции (АЭС) - атомная (энергия ядерного топлива);
Приливной электростанции (ПЭС) - приливов.
В Республике Беларусь более 95 % энергии вырабатывается на ТЭС, которые по назначению делятся на два типа:
Конденсационные тепловые электростанции (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии;
Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых осуществляется комбинированное производство электрической и тепловой энергии.
3.2 Способы получения и преобразования энергии
Тепловая электростанция включает комплект оборудования, в котором внутренняя химическая энергия топлива (твердого, жидкого или газообразного) превращается в тепловую энергию воды и пара, преобразующуюся в механическую энергию вращения, которая и вырабатывает электрическую энергию. Схема выработки электроэнергии на ТЭС представлена на рисунке 6.
Как видно из представленной схемы, поступающее со склада (С) в парогенератор (ПГ) топливо при сжигании выделяет тепловую энергию, которая, нагревая подведенную с водозабора (ВЗ) воду, преобразует ее в энергию водяного пара с температурой 550 °С. В турбине (Т) энергия водяного пара превращается в механическую энергию вращения, передающуюся на генератор (Г), который превращает ее в электрическую. В конденсаторе пара (К) отработанный пар с температурой 123 …125 °С отдает скрытую теплоту парообразования охлаждающей его воде и с помощью циркулярного насоса (Н) в виде конденсата вновь подается в котел-парогенератор.
Рисунок 6 - Схема работы ТЭС
Схема ТЭЦ отличается от ТЭС тем, что взамен конденсатора устанавливается теплообменник, где пар при значительном давлении нагревает воду, подаваемую в главные тепловые магистрали.
Котельная установка представляет собой комплекс устройств для получения водяного пара под давлением или горячей воды. Она состоит из котлоагрегата и вспомогательного оборудования, газо- и воздухопроводов, трубопроводов пара и воды с арматурой, тягодутьевых устройств и др.
Районные , или производственные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства или самого предприятия. С вводом в действие ТЭЦ некоторые из них остались без дела и могут использоваться как резервные и пиковые, и тогда их называют резервно-пиковыми.
Газотурбинная установка - это двигатель, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую энергию и затем частично превращается в механическую работу, которая преобразуется в электрическую энергию.
Рисунок 7 - Схема газотурбинной установки с подводом тепловой энергии при = с onst
1 - воздушный компрессор; 2 - газовая турбина; 3 - электрогенератор; 4 - топливный насос; 5 - камера сгорания
В простейшей газотурбинной установке постоянного горения (рисунок 7) воздух, сжатый до некоторого давления в компрессоре 1, поступает в камеру сгорания 5, где его температура повышается за счет сжигания топлива, подающего топливным насосом 4, при постоянном давлении. Продукты сгорания под давлением и при высокой температуре подводятся к турбине 2, в которой совершается работа расширения газа. При этом давление и температура падают. Далее продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.
Парогазовая установка - это турбинная теплосиловая установка, в тепловом цикле которой используются два рабочих тела - водяной пар и дымовые газы, поступающие из котлоагрегата.
Поступающий из атмосферы в компрессор 1 (рисунок 8) воздух сжимается с повышением температуры и подается в камеру сгорания 5, в которую при помощи топливного насоса и впрыскивается топливо. В камере сгорания 5 происходит горение топлива, а образующиеся газы поступают в газовую турбину 2, где и совершается работа.
Рисунок 8 - Схема парогазовой установки
1 - воздушный компрессор; 2 - газовая турбина; 3 - электрогенератор; 4 – топ-ливный насос; 5 - камера сгорания; 6 - подогреватель; 7 - котел; 8 - паровая турбина; 9 - конденсатор водяного пара; 10 - питательный насос
Отработанные газы с температурой 350 °С и пониженным давлением поступают в подогреватель 6, где отдают часть теплоты для подогрева питательной воды, поступающей в котел 7 и, охладившись при этом, сбрасываются в атмосферу. Питательная вода используется в котле для получения пара, который поступает в паровую турбину 8 с температурой
540 °С. В ней пар расширяется, производя техническую работу. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 9, в котором конденсируется, а образовавшийся конденсат при помощи насоса 10 направляется сначала в подогреватель 6, где воспринимает тепло отработавших в газовой турбине газов, а затем - в паровой котел 7. Расходы пара и газа подбираются таким образом, чтобы вода воспринимала максимальное количество теплоты газов. Термический коэффициент полезного действия установок - свыше 60 %.
О том, насколько эффективно внедрение паротурбинных установок, показывает внедрение в Витебском производственном объединении «Витязь» двух паротурбинных установок, которые способны вырабатывать 1500 кВт электроэнергии (по 750 кВт каждая) и ежемесячно экономить до 30 тыс. долларов на покупку энергии. Срок окупаемости проекта - чуть больше года.
Гидроэлектростанция представляет собой комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, посредством которых энергия водных потоков или расположенных на относительно более высоких уровнях водоёмов преобразуется в электрическую энергию.
Технологический процесс получения электроэнергии на ГЭС включает:
Создание разных уровней воды в верхнем и нижнем бьефах;
Превращение энергии потока воды в энергию вращения вала гидравлической турбины;
Превращение гидрогенератором энергии вращения в энергию электрического тока.
Гидроаккумулирующая электростанция представляет собой такую гидроэлектростанцию, в которой поступление воды в водоем верхнего бьефа обеспечивается искусственно, посредством насосов, работающих за счет электроэнергии из системы. Она оборудована кроме турбин насосами (помпами) или только турбинами, которые могут работать в режиме помп (обратные турбины) для подъема воды в часы малых нагрузок в энергосистеме с нижнего бьефа в водохранилище верхнего бьефа за счет подключения к энергосистеме. При больших нагрузках ГАЭС работают как обычные ГЭС.
Тепловые схемы АЭС зависят от типа реактора; вида теплоносителя; состава оборудования и могут быть одно-, двух-, и трехконтурными.
Схема выработки электроэнергии на одноконтурной АЭС представлена па рисунке 9. Пар вырабатывается непосредственно в реакторе и поступает в паровую турбину. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и конденсат подается насосом в реактор. Схема проста, экономична. Однако пар (рабочее тело) на выходе из реактора становится радиоактивным, что предъявляет повышенные требования к биологической защите и затрудняет проведение контроля и ремонта оборудования.
Рисунок 9 - Тепловая схема простейшей одноконтурной атомной электростанции
1 - атомный реактор; 2 - турбина; 3 - электрогенератор; 4- конденсатор водяных паров; 5 - питательный насос
В двухконтурных схемах производства электроэнергии на АЭС имеется два самостоятельных контура (рисунок 10) - теплоносителя и рабочего тела. Общее оборудование у них - парогенератор, в котором нагретый в реакторе теплоноситель отдает свою теплоту рабочему телу и при помощи циркуляционного насоса возвращается в реактор.
Рисунок 10 - Тепловая схема простейшей двухконтурной атомной электростанции
1 - атомный реактор; 2 - теплообменник-парогенератор; 3 - главный циркуляционный насос; 4 - турбина; 5 - электрогенератор; 6 - конденсатор водяных паров; 7 - питательный насос
Давление в первом контуре (контуре теплоносителя) значительно выше, чем во втором. Полученный в теплогенераторе пар подается в турбину, совершает работу, затем конденсируется, и конденсат питательным насосом подается в парогенератор. Хотя парогенератор усложняет установку и уменьшает её экономичность, но препятствует радиоактивности во втором контуре.
В трехконтурной схеме теплоносителями первого контура служат жидкие металлы (например, натрий). Радиоактивный натрий из реактора поступает в теплообменник промежуточного контура с натрием, которому отдает теплоту и возвращается в реактор. Давление натрия во втором контуре выше, чем в первом, что исключает утечку радиоактивного натрия. В промежуточном втором контуре натрий отдает теплоту рабочему телу (воде) третьего контура. Образовавшийся пар поступает в турбину, совершает работу, конденсируется и поступает в парогенератор.
Трехконтурная схема требует больших затрат, но обеспечивает безопасную работу реактора.
Отличие ТЭС от АЭС состоит в том, что источником теплоты на ТЭС является паровой котел, в котором сжигается органическое топливо; на АЭС -ядерный реактор, теплота в котором выделяется делением ядерного топлива, обладающего высокой теплотворной способностью (в миллионы раз выше, чем органическое топливо). Один грамм урана содержит 2,6 10 ядер, при делении которых выделяется 2000 кВт ч энергии. Для получения такого же количества энергии нужно сжечь более 2000 кг угля.
Однако при эксплуатации АЭС образуется большое количество радиоактивных веществ в топливе, теплоносителе, конструкционных материалах. Поэтому АЭС является источником радиационной опасности для обслуживающего персонала и проживающего вблизи населения, что повышает требование к надежности и безопасности её эксплуатации.
Теплоэлектрацентраль (ТЭЦ) - это тепловая электростанция, выраба-тывающая не только электрическую энергию, но и тепло, отпускаемое потре-бителям в виде пара и горячей воды для коммунально-бытового потребления. При такой комбинированной выработке тепловой и электрической энергии в тепловую сеть отдается главным образом теплота отработавшего в турбинах пара (или газа), что приводит к снижению расхода топлива на 25-30 % по сравнению с раздельной выработкой энергии на КЭС или ГРЭС (государственные районные электростанции) и теплоты в районных котельных.
Энергия не возникает из ничего и никуда не исчезает, она может только переходить из одного вида в
другой ( сохранения энергии). связывает все явления природы в одно целое, является
общей характеристикой состояния физических тел и физических полей.
Вследствие существования закона сохранения энергии понятия «энергия» связывает все явления природы.
В физике понятие энергия обычно обозначается латинской буквой Е.
В системе СИ энергия измеряется в джоулях. Кроме этих основных единиц измерения на практике используется
очень много других удобных при конкретном использовании единиц. В атомной и ядерной физики а также в физике элементарных частиц понятие энергию измеряют электрон-вольтами, в химии калориями, в физике твердого тела градусами Кельвина, в оптике обращенными сантиметрами, в квантовой химии в самосогласованного.
Виды энергии.Энергетические системы
Согласно различных форм движения материи, различают несколько типов энергии: механическая, электромагнитная, химическая, ядерная,тепловая, гравитационная и др. Это деление достаточно условно. Так химическая энергия состоит из кинетической энергии движения электронов, их взаимодействия и взаимодействия с атомами.
Кроме того,по понятию различают энергию внутреннюю и энергию в поле внешних сил. Внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии взаимодействия молекул между собой. Внутренняя энергия изолированной системы является постоянной.
В ризномантнитних физических процессах различные виды энергии могут превращаться друг в другой. Например, ядерная энергия в атомных электростанциях превращается сначала во внутреннюю тепловую энергию пара, вращающего турбины (механическая энергия), что в свою очередь индуцируют электрический ток в генераторах (электрическая энергия), который используется для освещения (энергия электромагнитного поля) и т.д.
Энергия системы однозначно зависит от параметров, характеризующих ее состояние. В случае непрерывного среды вводят понятие плотности
.
История развития понятие энергии
Понятие энергии состояло в физике на протяжении многих веков. Его понимание все менялось. Впервые термин энергия в современном физическом смысле применил в 1808 году Томас Янг. К тому употреблялся термин «жизненная сила» (лат. vis viva), который еще в 17-м веке ввел в обращение Лейбниц, определив его как произведение массы на квадрат скорости.
В 1829 году Кориолиса впервые применил термин кинетическая энергия в современном смысле, а срок потенциальная энергия был введен Уильямом Рэнкин в 1853 году. К тому времени получены в исследованиях в различных областях науки данные начали складываться в общую картину. Благодаря опытам Джоуля, Майера, Гельмгольца прояснилось вопросы преобразования механической энергии в тепловую. В одной из первых работ «О сохранении силы» (1847) Гельмгольц, следуя идее единства природы, математически обосновал сохранения энергии
и положение о том, что живой организм является физико-химическим средой, в которой указанный закон точно выполняется. Гельмгольц сформулировал «принцип сохранения силы» и невозможность Perpetuum Mobile . Эти открытия позволили сформулировать первый закон термодинамики или понятие сохранения энергии. Понятие энергии стало центральным в понимании
физических процессов. Вскоре естественным образом в понятие энергии вписалась термодинамика
химических реакций и теория электрических и электромагнитных явлений.
С построением теории относительности к понятию энергии добалося новое понимание. Если раньше
потенциальная энергия определялась с точностью до произвольной постоянной, то теория Эйнштейна установила
связь энергии с массой.
Квантовая механика обогатила понятие энергии
квантованием — для определенных физических систем энергия
может принимать лишь дискретные значения. Кроме того принцип неопределенности установил границы точности
измерения энергии и ее взаимосвязь с тем. Теорема Нетер продемонстрировала, что закон сохранения энергии
следует из принципа однородности времени, по которому физические процессы в одинаковых системах протекают
одинаково, даже если они начинаются в разные моменты времени.
Теория относительности.Энергетические системы
Энергия тела зависит от системы отсчета, т.е. неодинакова для разных наблюдателей. Если тело движется со
скоростью v относительно какого наблюдателя, то для другого наблюдателя, движущегося с той же скоростью, оно
покажется неподвижным. Соответственно, для первого кинетическая энергия тела будет равна
(исходя из законов классической механики) т v2/2′ где m — масса тела, а для другого — нулю.
Эта зависимость энергии от системы отсчета сохраняется также в теории относительности. Для преобразований, происходящих с энергией при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой используется сложная математическая конструкция — тензор энергии-импульса.
Энергия тела зависит от скорости уже не так как в ньютоновской физике, а иначе:
квантовая механика
Тогда, как в классической физике понятие энергия любой системы меняется непервно и может принимать произвольных значений, Квантовая теория утверждает, что энергия микрочастиц, привязанных силой взаимодействия с другими микрочастицами в ограниченных областей пространства, может приобретать только определенных дискретных значений.
Так, атомы излучают энергию в виде дискретных порций — световых квантов, или фотонов.
Оператором энергии в квантовой механике является гамильтониан. В стационарных состояниях квантовых систем энергия
может иметь только те значения, которые соответствуют собственным значением гамильтониана. Для локализованных состояний энергия может иметь только определенные дискретные.
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.
Закон сохранения энергии
При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать энергию упорядоченного движения, известную в технике под названием свободной энергии (механическая, химическая, электрическая, электромагнитная, ядерная) и энергию хаотического движения, т.е. теплоту.Любая из форм свободной энергии может быть практически полностью использована. В то же время хаотическая энергия тепла при превращении в механическую энергию снова теряется в виде тепла. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Более того, в настоящее время практически нет способа непосредственного превращения химической и ядерной энергии в электрическую и механическую, как наиболее используемые. Приходится внутреннюю энергию веществ превращать в тепловую, а затем в механическую или электрическую с большими неизбежными теплопотерями.
Таким образом, все виды энергии после выполнения ими полезной работы превращаются в теплоту с более низкой температурой, которая практически непригодна для дальнейшего использования.
Развитие естествознания на протяжении жизни человечества неопровержимо доказало, какие бы новые виды энергии ни открывались, вскоре обнаруживалось одно великое правило. Сумма всех видов энергии оставалась постоянной, что, в конечном счете, привело к утверждению: энергия никогда не создается из ничего и не уничтожается бесследно, она только переходит из одного вида в другой.
В современной науке и практике эта схема настолько полезна, что способна предсказывать появление новых видов энергии.
Если будет обнаружено изменение энергии, которая не входит в список известных в настоящее время видов энергии, если выяснится, что энергия исчезает или появляется из ничего, то будет сначала «придуман», а затем найден новый вид энергии, который учтет это отклонение от постоянства энергии, т.е. закона сохранения энергии.
Закон сохранения энергии нашел подтверждение в различных областях – от механики Ньютона до ядерной физики. Причем закон сохранения энергии – это не только плод воображения или обобщения экспериментов. Вот почему можно полностью согласиться с утверждением одного из крупнейших физиков-теоретиков Пуанкаре: «Так как мы не в силах дать общего определения энергии, принцип ее сохранения означает, что существует нечто, остающееся постоянным. Поэтому, к каким бы новым представлениям о мире не привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем: в них будет нечто остающееся постоянным, что можно назвать ЭНЕРГИЕЙ».
Учитывая вышеизложенное, терминологически правильно было бы говорить не «энергосбережение», так как «сберечь» энергию невозможно, а «эффективное энергоиспользование».
и т.д.................
Прежде чем говорить об основных мероприятиях, обеспечивающих энергосбережение, т.е. выяснить, как можно сберечь энергию, необходимо четко определить, что представляет собой понятие "энергия"?
Энергия (греч. - действие, деятельность) - общая количественная мера различных форм движения материи.
Из данного определения вытекает:
Энергия - это нечто, что проявляется лишь при изменении состояния (положения) различных объектов окружающего нас мира;
Энергия - это нечто, способное переходить из одной формы в другую;
Энергия характеризуется способностью производить полезную для человека работу;
Энергия - это нечто, что можно объективно определить, количественно измерить.
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.).
Для сопоставления различных видов топлива и суммарного учета его запасов, оценки эффективности использования энергетических ресурсов, сравнения показателей теплоиспользующих устройств принята единица измерения - условное топливо , теплота сгорания которого принята за 29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг). Для сравнительного анализа обычно используется единица измерения тонна условного топлива.
1т у.т.= 29,33·10 9 Дж = 7·10 6 ккал = 8,12·10 3 кВт·ч
Этот показатель соответствует хорошему малозольному углю, который иногда называется угольным эквивалентом. За рубежом для анализа используется условное топливо с теплотой сгорания 41,9 Мдж/кг. Этот показатель называется нефтяным эквавалентом.
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 (электроэррозионная 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.
По большому счету понятие энергии, идея о ней искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия - это плод мысли человека, его "изобретение", построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией, даже если наше представление об энергии будет меняться из года в год.
Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джоуль). В то же время для измерения количества теплоты используют "старую" единицу - 1 кал (калория) = 4,18 Дж, для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м = 9,8 Дж, электрической энергии - 1 кВт·ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт·С.
Необходимо отметить, что в естественнонаучной литературе тепловую, химическую и ядерную энергии иногда объединяют понятием внутренней энергии, т.е. заключенной внутри вещества.
Энергия - это способность выполнять работу: двигаться, перемещать предметы, производить тепло, звук или электричество.
Что такое Энергия?
Энергия таится повсюду - в солнечных лучах в виде тепловой и световой энергии, в плеере в виде звуковой энергии и даже в куске угля в виде накопленной химической энергии. Мы получаем энергию из пищи, а автомобильный двигатель извлекает ее из горючего - бензина или газа. В обоих случаях это химическая энергия. Существуют и другие формы энергии: тепловая, световая, звуковая, электрическая, ядерная. Энергия -это нечто незримое и неосязаемое, но способное накапливаться и переходить из одной формы в другую. Она никогда не исчезает.
Механическое движение
Одним из основных видов энергии является кинетическая - энергия движения. Тяжелые предметы, движущиеся с огромной скоростью, несут больше кинетической энергии, чем легкие или медленно движущиеся. Например, кинетическая энергия легкового автомобиля меньше, чем энергия грузовика, едущего с той же скоростью.
Тепловая энергия
Тепловая энергия не может существовать без кинетической. Температура физического тела зависит от скорости движения атомов, из которых оно состоит. Чем быстрее движутся атомы, тем сильнее нагрет объект. Поэтому тепловую энергию тела считают кинетической энергией его атомов.
Круговорот энергии
Солнце - основной источник энергии на Земле. Она постоянно преобразуется в другие виды энергии. К природным источникам энергии также относятся нефть, газ и уголь, которые, по сути, обладают достаточным запасом солнечной энергии.
Запас впрок
Энергию можно накапливать. Пружина накапливает энергию при сжатии. Когда же ее отпускают, она распрямляется, преобразуя потенциальную энергию в кинетическую. Лежащий на вершине скалы камень тоже обладает потенциальной энергией, при его падении она преобразуется в кинетическую.
Превращение энергии
Закон сохранения энергии гласит, что энергия никогда не исчезает, она просто преобразуется в другой вид. Например, если мальчик, едущий на велосипеде, тормозит и останавливается, его кинетическая энергия падает до нуля. Но она не исчезает совсем, а переходит в другие виды энергии - тепловую и звуковую. Трение шин велосипеда землю порождает тепло, нагревающее и землю, и колеса. А звуковая энергия проявляется в скрипе тормозов и шин.
Работа, энергия и мощность
Передача энергии - это работа. Количество совершаемой работы зависит от величины силы и расстояния перемещения предмета. Например, тяжеловес, поднимая штангу, совершает большую работу. Скорость, с которой совершается работа, называется мощностью. Чем быстрее штангист поднимает вес, тем больше его мощность. Энергию измеряют в джоулях (Дж), а мощность в ваттах (Вт).
Расход энергии
Энергия никогда не исчезает, по, если ее не использовать для работы, она будет попусту растрачена. Чаще всего энергия растрачивается на производство тепла.
Например, электрическая лампочка превращает в свет лишь пятую А часть энергии электричества, а все остальное переходит в ненужное тепло. Низкий коэффициент полезного действия автомобильных двигателей ведет к тому, что изрядное количество топлива сжигается впустую.
Энергетика игры в пейнтбол
При игре в энергия постоянно меняет свое состояние - потенциальная переходит в кинетическую. Движущийся шарик стремится остановиться из-за трения о детали автомата. Его энергия расходуется на преодоление силы трения, но не исчезает, а превращается в тепло. Когда игрок сообщает шарику дополнительную энергию толчком лопатки, движение шарика ускоряется.