Відповідно до уявлень фізичної науки, енергія – це здатність тіла чи системи тіл виконувати роботу. Існують різні класифікації видів та форм енергії. Людина у своєму повсякденному житті найчастіше зустрічається з такими видами енергії: механічна, електрична, електромагнітна, теплова, хімічна, атомна (внутрішньодерна). Останні три види належать до внутрішньої форми енергії, тобто. обумовлені потенційною енергією взаємодії частинок, що становлять тіло, або кінетичною енергією їхнього безладного руху.
Якщо енергія – результат зміни стану руху матеріальних точок чи тіл, вона називається кінетичної ; до неї відносять механічну енергію руху тіл, теплову енергію, зумовлену рухом молекул.
Якщо енергія – результат зміни взаємного розташування частин даної системи чи її становища стосовно іншим тілам, вона називається потенційною ; до неї відносять енергію мас, що притягуються згідно із законом всесвітнього тяжіння, енергію становища однорідних частинок, наприклад, енергію пружного деформованого тіла, хімічну енергію.
Енергію в природознавстві залежно від природи поділяють такі види.
Механічна енергія – проявляється при взаємодії, русі окремих тіл чи частинок.
До неї відносять енергію руху або обертання тіла, енергію деформації при згинанні, розтягуванні, закручуванні, стисканні пружних тіл (пружин). Ця енергія найбільш широко використовується у різних машинах – транспортних та технологічних.
Теплова енергія – енергія невпорядкованого (хаотичного) руху та взаємодії молекул речовин.
Теплова енергія, що отримується найчастіше при спалюванні різних видів палива, широко застосовується для опалення, проведення численних технологічних процесів (нагрівання, плавлення, сушіння, випарювання, перегонки тощо).
Електрична енергія – енергія електронів, що рухаються по електричному ланцюзі (електричного струму).
Електрична енергія застосовується для отримання механічної енергії за допомогою електродвигунів та здійснення механічних процесів обробки матеріалів: дроблення, подрібнення, перемішування; щодо електрохімічних реакцій; отримання теплової енергії в електронагрівальних пристроях та печах; для безпосередньої обробки матеріалів (електроерозійне оброблення).
Хімічна енергія – це енергія, «запасена» в атомах речовин, що вивільняється чи поглинається при хімічних реакціях між речовинами.
Хімічна енергія або виділяється у вигляді теплової при проведенні екзотермічних реакцій (наприклад, горінні палива), або перетворюється на електричну в гальванічних елементах та акумуляторах. Ці джерела енергії характеризуються високим ККД (до 98%), але низькою ємністю.
Магнітна енергія – енергія постійних магнітів, які мають великий запас енергії, але «віддають» її дуже неохоче. Однак електричний струм створює навколо себе протяжні, сильні магнітні поля, тому найчастіше говорять про електромагнітну енергію.
Електрична та магнітна енергії тісно взаємопов'язані один з одним, кожну з них можна розглядати як «оборотну» сторону іншої.
Електромагнітна енергія – це енергія електромагнітних хвиль, тобто. рухаються електричного та магнітного полів. Вона включає видиме світло, інфрачервоні, ультрафіолетові, рентгенівські промені та радіохвилі.
Отже, електромагнітна енергія – це енергія випромінювання. Випромінювання переносить енергію у формі енергії електромагнітної хвилі. Коли випромінювання поглинається, його енергія перетворюється на інші форми, найчастіше теплоту.
Ядерна енергія - Енергія, локалізована в ядрах атомів так званих радіоактивних речовин. Вона вивільняється при розподілі важких ядер (ядерна реакція) або синтез легких ядер (термоядерна реакція).
Існує і стара назва даного виду енергії – атомна енергія, проте ця назва неточно відображає сутність явищ, що призводять до вивільнення колосальних кількостей енергії, найчастіше у вигляді теплової та механічної.
Гравітаційна енергія - Енергія, обумовлена взаємодією (тяжінням) масивних тіл, вона особливо відчутна в космічному просторі. У земних умовах, наприклад, енергія, «запасена» тілом, піднятим на певну висоту над поверхнею Землі – енергія сили тяжіння.
Таким чином, Залежно від рівня прояви, можна назвати енергію макросвіту – гравітаційну, енергію взаємодії тіл – механічну, енергію молекулярних взаємодій – теплову, енергію атомних взаємодій – хімічну, енергію випромінювання – електромагнітну, енергію, що у ядрах атомів – ядерну.
Сучасна наука не виключає існування та інших видів енергії, поки не зафіксованих, але не порушують єдину природничо картину світу і поняття про енергію.
У Міжнародній системі одиниць СІ як одиниця виміру енергії прийнятий 1 Джоуль (Дж). 1 Дж еквівалентний
1 Ньютон метр (Нм). Якщо розрахунки пов'язані з теплотою, біологічною та багатьма іншими видами енергії, то як одиниця енергії застосовується позасистемна одиниця - калорія (кал) або кілокалорія (ккал), 1кал=4,18 Дж. Для вимірювання електричної енергії користуються такою одиницею, як годину (Вт · год, кВт · год, МВт · год), 1 Вт · год = 3,6 МДж. Для вимірювання механічної енергії використовують величину 1 кг м = 9,8 Дж.
Енергія, що безпосередньо витягується в природі(енергія палива, води, вітру, теплова енергія Землі, ядерна), і яка може бути перетворена на електричну, теплову, механічну, хімічну називається первинної. Відповідно до класифікації енергоресурсів за ознакою вичерпності можна класифікувати первинну енергію. На рис. 2.1 представлено схему класифікації первинної енергії.
Рис. 2.1. Класифікація первинної енергії
При класифікації первинної енергії виділяють традиційні
і нетрадиційні
види енергії. До традиційних відносяться такі види енергії, які протягом багатьох років широко використовувалися людиною. До нетрадиційних видів енергії відносять такі види, які почали використовуватись порівняно недавно.
До традиційних видів первинної енергії відносять: органічне паливо (вугілля, нафту тощо), гідроенергію річок та ядерне паливо (уран, торій та ін.).
Енергія, одержувана людиною, після перетворення первинної енергії на спеціальних установках – станціях, називається вторинною
(Електрична енергія, енергія пари, гарячої води тощо).
Переваги електроенергії.Електрична енергія є найзручнішим видом енергії і може вважатися основою сучасної цивілізації. Переважна більшість технічних засобів механізації та автоматизації виробничих процесів (обладнання, прилади ЕОМ), заміна людської праці машинною в побуті мають електричну основу.
Дещо більше половини всієї споживаної енергії використовується у вигляді тепла для технічних потреб, опалення, приготування їжі, частина - у вигляді механічної, насамперед у транспортних установках, і електричної енергії. Причому частка електричної енергії з кожним роком зростає
(Рис. 2.2).
Електрична енергія
- Універсальніший вид енергії. Вона знайшла широке застосування у побуті та у всіх галузях народного господарства. Налічується понад чотириста найменувань електропобутових приладів: холодильники, пральні машини, кондиціонери, вентилятори, телевізори, магнітофони, освітлювальні прилади тощо. Не можна уявити промисловість без електричної енергії. У сільському господарстві застосування електрики безперервно розширюється: годування та напування тварин, догляд за ними, опалення та вентиляція, інкубатори, калорифери, сушарки тощо.
Електрифікація
- Основа технічного прогресу будь-якої галузі народного господарства. Вона дозволяє замінити незручні для використання енергетичні ресурси універсальним видом енергії – електричною енергією, яку можна передавати на будь-яку відстань, перетворювати на інші види енергії, наприклад, на механічну або теплову, ділити її між споживачами. Електрика
– дуже зручний для застосування та економічний вид енергії.
Рис. 2.2. Динаміка споживання електричної енергії
Електрична енергія має такі властивості, які роблять її незамінною в механізації та автоматизації виробництва та в повсякденному житті людини:
1. Електрична енергія універсальна, вона може бути використана для різних цілей. Зокрема, її дуже просто перетворити на тепло. Це робиться, наприклад, в електричних джерелах світла (лампочках розжарювання), у технологічних печах, що використовуються в металургії, у різних нагрівальних та опалювальних пристроях. Перетворення електричної енергії на механічну використовується в приводах електричних моторів.
2. При споживанні електричної енергії можна нескінченно дробити. Так, потужність електричних машин в залежності від їх призначення різна: від часток вата в мікродвигунах, що застосовуються в багатьох галузях техніки та в побутових виробах, до великих величин, що перевищують мільйон кіловат, у генераторах електростанцій.
3. У процесі виробництва та передачі електричної енергії можна концентрувати її потужність, збільшувати напругу і передавати по проводах як на малі, так і на великі відстані будь-яку кількість електричної енергії від електростанції, де вона виробляється, усім її споживачам.
Закон збереження енергії
При будь-яких обговореннях питань, пов'язаних з використанням енергії, необхідно відрізняти енергію впорядкованого руху, відому в техніці під назвою вільної енергії (механічна, хімічна, електрична, електромагнітна, ядерна) та енергію хаотичного руху, тобто. теплоту.Кожна з форм вільної енергії то, можливо практично повністю використана. У той же час, хаотична енергія тепла при перетворенні на механічну енергію знову втрачається у вигляді тепла. Ми не в змозі повністю впорядкувати випадковий рух молекул, перетворивши його енергію на вільну. Більш того, в даний час практично немає способу безпосереднього перетворення хімічної та ядерної енергії на електричну та механічну, як найбільш використовувані. Доводиться внутрішню енергію речовин перетворювати на теплову, а потім на механічну або електричну з великими неминучими тепловтратами.
Таким чином, всі види енергії після виконання ними корисної роботи перетворюються на теплоту з нижчою температурою, яка практично непридатна для подальшого використання.
Розвиток природознавства протягом життя людства незаперечно довело, які б нові види енергії не відкривалися, незабаром виявлялося одне велике правило. Сума всіх видів енергії залишалася постійною, що, зрештою, призвело до затвердження: енергія ніколи не створюється з нічого і не знищується безвісти, вона тільки переходить з одного виду в інший.
У сучасній науці та практиці ця схема настільки корисна, що здатна передбачати появу нових видів енергії.
Якщо буде виявлено зміну енергії, яка не входить до списку відомих в даний час видів енергії, якщо з'ясується, що енергія зникає або з'являється з нічого, то спочатку буде «придумано», а потім знайдено новий вид енергії, який врахує це відхилення від сталості енергії , тобто. закону збереження енергії
Закон збереження енергії знайшов підтвердження у різних галузях – від механіки Ньютона до ядерної фізики. Причому закон збереження енергії – це плід уяви чи узагальнення експериментів. Ось чому можна повністю погодитися із твердженням одного з найбільших фізиків-теоретиків Пуанкаре: «Оскільки ми не можемо дати загального визначення енергії, принцип її збереження означає, що існує щось,що залишається постійним. Тому, до яких би нових уявлень про світ не привели нас майбутні експерименти, ми заздалегідь знаємо: у них буде щось постійне, що можна назвати ЕНЕРГІЄЮ».
З огляду на вищевикладене термінологічно правильно було б говорити не «енергозбереження», оскільки «зберегти» енергію неможливо, а «ефективне енерговикористання».
і т.д.................
Енергія(Від грец. energeie - дія, діяльність) є загальною кількісною мірою руху і взаємодії всіх видів матерії. Це здатність до роботи, а робота відбувається тоді, коли на об'єкт діє фізична сила (тиск або гравітація). Робота-це енергія в дії.
Теплова енергіяшироко використовується на сучасних виробництвах та у побуті у вигляді енергії пари, гарячої води, продуктів згоряння палива.
Електрична енергіяє одним з найбільш досконалих видів енергії через ряд переваг.
Електрична енергія є найчистішою формою енергії і може бути отримана з великої різноманітності первинних джерел (наприклад, вугілля, нафта, газ, енергія води та атомна енергія). Електрична енергія має низку незаперечних переваг у порівнянні з іншими видами похідної енергії – можливість отримання практично будь-яких кількостей енергії як від елемента розміром із сірникову голівку, так і від турбогенераторів потужністю понад 1000 МВт, порівняльна простота її передачі на відстань та легкість перетворення на енергію інших видів . Основна проблема – це її зберігання.
Вона ефективніша з погляду використання, ніж викопне паливо, оскільки має відомі переваги: забезпечення чистоти, зручність управління, доступність. Електроенергія може бути використана значно ефективніше і значно цілеспрямованіше, ніж енергія палива, що спалюється. Електричні нагрівальні системи характеризуються високою технічною ефективністю, і, незважаючи на більш високу вартість енергії порівняно з енергією інших джерел, вони економічніші внаслідок нижчих експлуатаційних витрат.
Електрична та теплова енергія виробляються на:
- тепловихелектричних станціях на органічному паливі (ТЕС) з використанням у турбінах водяної пари – (паротурбінні установки – ПТУ), продуктів згоряння – (газотурбінні установки – ГТУ), їх комбінацій – (парогазові установки – ПГУ);
- гідравлічнихелектричних станціях (ГЕС), що використовують енергію падаючого потоку води, течії, припливу;
- атомнихелектричних станціях (АЕС), що використовують енергію ядерного розпаду.
Теплові та атомні електростанції. Типові схеми ТЕС та АЕС. Паротурбінні конденсаційні електростанції та теплоелектроцентралі (ТЕЦ) з комбінованим виробленням тепла та електричної енергії.
По виду енергії, що виробляється:
· Теплові електростанції , що виробляють лише електроенергію, - конденсаційні електростанції (КЕС);
· Теплові електростанції, що виробляють електричну та теплову енергію, - теплоелектроцентралі (ТЕЦ).
По виду теплового двигуна:
· Електростанції з паровими турбінами - паротурбінні ТЕС та АЕС;
· Електростанції з газовими турбінами – газотурбінні ТЕС;
· Електростанції з парогазовими установками – парогазові ТЕС;
Теплові електростанції (ТЕС) виробляють електроенергію внаслідок перетворення теплової енергії, що виділяється при спалюванні органічного палива (вугілля, нафти, газу).
У машинному залі теплової електростанції встановлено котел із водою.
При згорянні палива вода в котлі нагрівається до кількох сотень градусів і перетворюється на пару.
Пара під тиском обертає лопаті турбіни, турбіна у свою чергу обертає генератор.
Генератор виробляє електричний струм.
Електричний струм надходить в електричні мережі і по них надходить на заводи, школи, будинки, лікарні.
Передача електроенергії від електростанцій по лініях електропередач здійснюється при напругах 110-500 кіловольт, тобто значно перевищують напруги генераторів.
Підвищення напруги необхідне передачі електроенергії великі відстані.
Потім необхідно зворотне зниження напруги рівня, зручного споживачеві.
Перетворення напруги відбувається у електричних підстанціях з допомогою трансформаторів.
А тепло у вигляді гарячої води надходить із ТЕЦ теплотрасами.
Градирня- Пристрій для охолодження води на електростанції атмосферним повітрям.
Котел паровий- Закритий агрегат для отримання пари на електростанції за допомогою нагрівання води. Нагрів води здійснюється за допомогою спалювання палива.
ЛЕП- лінія електропередачі. Призначена для передачі електроенергії. Розрізняють повітряні ЛЕП (проводи, протягнуті над землею) та підземні (силові кабелі).
Рис.11 - Принципові схеми ТЕС (а) та ТЕЦ (б)
В даний час на ТЕС і ТЕЦ поряд з паротурбінними установками (ПТУ) набувають поширення парогазові установки (ПГУ), що працюють за комбінованою схемою.
У першому ступені ПГУ з газовою турбіною як первинне джерело енергії та робочого тіла використовують природний газ, а вторинним робочим тілом є продукти згоряння. У другому ступені джерелом енергії служать вихлопні гази турбіни, а робочим тілом – пара, що генерується в парогенераторі з допомогою.
Атомні електростанції.
Такі електростанції діють за таким же принципом, як і ТЕЦ, але використовують для пароутворення енергію, що виходить при радіоактивному розпаді. Як паливо використовується збагачена руда урану.
Рис. 12. Принципова схема АЕС.
У порівнянні з тепловими та гідроелектростанціями атомні електростанції мають серйозні переваги: вони вимагають малу кількість палива, не порушують гідрологічний режим річок, не викидають в атмосферу гази, що забруднюють її. Основний процес, що йде на атомній електростанції, - кероване розщеплення урану-235, при якому виділяється велика кількість тепла. Головна частина атомної електростанції - ядерний реактор, роль якого полягає у підтримці безперервної реакції розщеплення.
Ядерне паливо - руда, що містить 3% урану 235; нею заповнюються довгі сталеві трубки - тепловиділяючі елементи (ТВЕЛ). Якщо багато ТВЕЛ розмістити поблизу один від одного, то почнеться реакція розщеплення. Щоб реакцію можна було контролювати, між ТВЕЛами вставляють регулюючі стрижні; висуваючи та всуваючи їх, можна керувати інтенсивністю розпаду урану-235. Комплекс нерухомих ТВЕЛів і рухомих регуляторів і є ядерним реактором. Тепло, що виділяється реактором, використовується для кип'ятіння води та отримання пари, який приводить у рух турбіну атомної електростанції, що виробляє електрику.
33. Перетворення сонячної енергії на теплову та електричну. Вітроенергетика та гідроенергетика.
Основним напрямком використання сонячної енергії є теплопостачання.Для прямого перетворення сонячної енергії на теплову розроблено та широко використовується на практиці встановлення сонячного теплопостачання (СТО) для різних цілей (гаряче водопостачання, опалення та кондиціювання повітря в житлових, громадських, санаторно-курортних будівлях, підігрів води в плавальних басейнах та різних процесах сільськогосподарського виробництва. ).
За даними метеорологів в Республіці Білорусь 150 днів на рік похмуро, 185 днів - з мінливою хмарністю і 30 - ясних, а кількість годин сонячного сяйва в Білорусі досягає 1200 годин на півночі країни і 1300-на півдні.
Сонячна електростанціяє спорудою, що складається з безлічі сонячних колекторів, що орієнтуються на Сонце. Кожен колектор передає сонячну енергію рідини-теплоносію, яка, перетворившись на пару, від усіх колекторів збирається в центральній енергостанції та надходить на турбіну енергогенератора.
Малюнок 13 - Послідовність приймачів сонячного випромінювання
у порядку зростання їх ефективності та вартості
Основним елементом сонячної нагрівальної системиє приймач, у якому відбувається поглинання сонячного випромінювання та передачі енергії рідини. На малюнку 13 схематично зображені різні варіанти приймачів сонячної енергії. Досвід експлуатації цих установок показує, що у системах сонячного гарячого водопостачання може бути заміщено 40-60% річної потреби в органічному паливі залежно від району розташування при нагріванні води до 40...60°С.
а) відкритий резервуар на землі; б) відкритий резервуар теплоізольований від землі; в) чорний резервуар; г) чорний резервуар із теплоізольованим дном; д) закриті чорні нагрівачі,
е) металеві проточні нагрівачі зі скляною кришкою;
ж) металеві проточні нагрівачі із двома скляними кришками; з) те саме, з селективною поверхнею; і) те саме, з вакуумом.
Повітронагрівач являє собою приймач, в якому є пориста або шорстка чорна поглинаюча поверхня, що нагріває повітря, що поступає, який потім подається до споживача.
Сонячний колектор включає в себе приймач, що поглинає сонячне випромінювання, та концентратор, що є оптичною системою, що збирає сонячне випромінювання і направляє його на приймач. Концентратор є найчастіше дзеркало параболічної форми, у фокусі якого розташовується приймач випромінювання. Він постійно обертається, забезпечуючи орієнтацію Сонце.
Фотоелектричні перетворювачі є пристроями, дія яких заснована на використанні фотоефекту, в результаті якого при освітленні речовини світлом відбувається вихід електронів з металів (фотоелектрична емісія або зовнішній фотоефект), переміщення зарядів через межу розділу напівпровідників з різними типами провідності (вентильний фотоефект), зміна електричної провідності (фотопровідність). Методи фотоелектричного перетворення сонячної енергії в електричну знаходить застосування для живлення споживачів у широкому інтервалі потужностей: від міні-генераторів для годинника і калькуляторів потужністю від кілька ватів до центральних електростанцій потужністю кілька мегаватів.
Вітроенергетика являє собою область техніки, що використовує енергію вітру для виробництва енергії, а пристрої, що перетворюють енергію вітру на корисну механічну, електричну або теплову види енергії, називаються вітроенергетичними установками(ВЕУ), або вітроустановками, та є автономними
Енергія вітру в механічних установках, наприклад на млинах та водяних насосах, використовується вже кілька століть. Після різкого стрибка ціни нафту 1973 р. інтерес до таких установок різко зріс. Більшість існуючих установок побудована наприкінці 70-х - початку 80-х на сучасному технічному рівні при широкому використанні останніх досягнень аеродинаміки, механіки, мікроелектроніки для контролю та управління ними. Вітроустановки потужністю від кількох кіловат до кількох мегаватів виробляються в Європі, США та інших частинах світу. Більшість цих установок використовується для виробництва електроенергії, як в єдиній енергосистемі, так і в автономних режимах.
Однією з основних умов при проектуванні вітроустановок є забезпечення їх захисту від руйнувань дуже сильними випадковими поривами вітру. У кожній місцевості в середньому раз на 50 років бувають вітри зі швидкістю, що у 5-10 разів перевищує середню, тому вітроустановки доводиться проектувати з великим запасом міцності. Максимальна проектна потужність вітроустановки визначається для деякої стандартної швидкості вітру, що зазвичай приймається 12 м/с.
Вітроенергетична установка складається з вітроколеса, генератора електричного струму, споруди для установки на певній висоті від землі вітрового колеса, системи управління параметрами електроенергії, що генерується, залежно від зміни сили вітру і швидкості обертання колеса.
Вітроустановки класифікуються за двома основними ознаками: геометрії вітроколеса та його положення щодо напряму вітру. Якщо вісь обертання вітроколеса паралельна повітряному потоку, то установка називається горизонтально-осьовий, якщо перпендикулярно-вертикально-осьовий.
Принцип дії вітроенергетичної установки ось у чому. Вітряне колесо, сприймаючи на себе енергію вітру, обертається за допомогою пари конічних шестерень і за допомогою довгого вертикального валу передає свою енергію на нижній горизонтальний трансмісійний вал і далі за допомогою другої пари конічних шестерень і ремінної передачі - електричного генератора або іншого механізму.
Оскільки періоди безвітря неминучі, то для виключення перебоїв в електропостачанні ВЕУ повинні мати акумулятори електричної енергії або запаралелені, на випадки безвітря, з електроенергетичними установками інших типів.
Енергетична програма Республіки Білорусь до 2010 р. основними напрямками використання вітроенергетичних ресурсів на найближчий період передбачає їх застосування для приводу насосних установок та як джерела енергії для електродвигунів. Ці галузі застосування характеризуються мінімальними вимогами до якості електричної енергії, що дозволяє різко спростити та здешевити вітроенергетичні установки. Особливо перспективним вважається їх використання у поєднанні з малими гідроелектростанціями для перекачування води. Застосування вітроенергетичних установок для водопідйому, електропідігріву води та електропостачання автономних споживачів до 2010 р. передбачається довести до 15 МВт встановленої потужності, що забезпечить економію 9 тис. т на рік.
Гідроелектростанція.
Гідроенергетика представляє галузь науки та техніки з використання енергії рухомої води(Як правило, рік) для виробництва електричної, а іноді і механічної енергії. Це найбільш розвинена галузь енергетики на відновлюваних ресурсах.
Гідроелектростанція є комплексом різних споруд та обладнання, використання яких дозволяє перетворювати енергію води в електроенергію. Гідротехнічні споруди забезпечують необхідну концентрацію потоку води, а подальші процеси виробляються за допомогою обладнання.
Гідроелектростанції зводяться на річках, споруджуючи греблі та водосховища.
У гідроелектростанції кінетична енергія падаючої води використовується для електроенергії. Турбіна і генератор перетворюють енергію води на механічну енергію, а потім - на електроенергію. Турбіни та генератори встановлені або в самій дамбі, або поруч із нею.
Рис. 14. Принципова схема гідроелектростанції.
Слово «енергія» у перекладі з грецької означає «дія». Енергійним ми називаємо людину, яка активно рухається, виробляючи при цьому безліч різноманітних дій.
Енергія у фізиці
І якщо в житті енергію людини ми можемо оцінювати в основному за наслідками її діяльності, то у фізиці енергію можна вимірювати та вивчати безліччю різних способів. Ваш бадьорий друг чи сусід, швидше за все, відмовиться повторити тридцять-п'ятдесят разів одну й ту саму дію, коли раптом вам спаде на думку досліджувати феномен його енергійності.
А ось у фізиці ви можете повторювати майже будь-які досліди як завгодно багато разів, проводячи необхідні вам дослідження. Так і вивчення енергії. Вчені-дослідники вивчили та позначили безліч видів енергії у фізиці. Це електрична, магнітна, атомна енергія тощо. Але зараз ми поговоримо про механічну енергію. А конкретніше про кінетичну та потенційну енергію.
Кінетична та потенційна енергія
У механіці вивчають рух та взаємодію тіл один з одним. Тому прийнято розрізняти два види механічної енергії: енергію, обумовлену рухом тіл, або кінетичну енергію, та енергію, обумовлену взаємодією тіл, або потенційну енергію.
У фізиці існує загальне правило, що пов'язує енергію та роботу. Щоб знайти енергію тіла, треба знайти роботу, яка необхідна для переведення тіла в даний стан з нульового, тобто такого, за якого його енергія дорівнює нулю.
Потенційна енергія
У фізиці потенційною енергією називають енергію, яка визначається взаємним становищем тіл, що взаємодіють, або частин одного і того ж тіла. Тобто, якщо тіло підняте над землею, то воно має можливість падаючи, зробити якусь роботу.
І можлива величина цієї роботи дорівнюватиме потенційної енергії тіла на висоті h. Для потенційної енергії формула визначається за такою схемою:
A=Fs=Fт*h=mgh, або Eп=mgh,
де Eп потенційна енергія тіла,
m маса тіла,
h - висота тіла над поверхнею землі
g прискорення вільного падіння.
Причому за нульове становище тіла може бути прийняте будь-яке зручне нам становище залежно від умов досвіду і вимірювань, що проводяться, не тільки поверхню Землі. Це може бути поверхня підлоги, столу і таке інше.
Кінетична енергія
У випадку, коли тіло рухається під впливом сили, воно вже не тільки може, а й виконує якусь роботу. У фізиці кінетичною енергією називається енергія, яку має тіло внаслідок свого руху. Тіло, рухаючись, витрачає свою енергію та здійснює роботу. Для кінетичної енергії формула розраховується так:
A = Fs = mas = m * v / t * vt / 2 = (mv ^ 2) / 2, або Eк = (mv ^ 2) / 2
де Ек кінетична енергія тіла,
m маса тіла,
v швидкість тіла.
З формули видно, що чим більша маса і швидкість тіла, тим вища його кінетична енергія.
Кожне тіло має або кінетичну, або потенційну енергію, або і ту, і іншу відразу, як, наприклад, літак.
Назвіть основні етапи історії використання енергії людиною, вкажіть їх значення.
Який зв'язок між розвитком цивілізації людства та енергоспоживанням? Поясніть характер їх зміни у часі та вкажіть тенденції.
Що таке енергетична система? Її головне призначення. Які системи у ній функціонують?
Що є паливно-енергетичні ресурси? Як вони класифікуються?
Що таке вторинні енергетичні ресурси? Назвіть їх та вкажіть способи їх отримання.
Що таке енергоємність первинних енергоресурсів? Навіщо введено поняття умовного палива?
Які основні тенденції світового споживання ПЕР?
У чому суть енергетичної кризи 70-х років. у Західній Європі та у 90-х рр. у країнах СНД? Які Ви бачите шляхи подолання енергетичної кризи у Білорусі?
Чим можна пояснити інтенсивне використання нафти у світовому енергобалансі та які подальші перспективи її використання?
Поясніть можливості та перспективи використання водню в енергетиці.
Що таке енергоефективні технології? Які мотиви їхнього застосування?
Тема 2. Види енергії. Отримання, перетворення та використання енергії Лекція 2. Види енергії. Отримання, перетворення та використання енергії
Основні поняття:
енергія; кінетична та потенційна енергія; види енергії; енергетика; енергосистема; електроенергетична система; споживачі енергії; традиційна та нетрадиційна енергетика; графіки навантаження; енергоспоживання душу населення; енергоємність економіки; показник енергоекономічного рівня виробництва.
Енергія та її види
Енергія – загальна основа природних явищ, базис культури та всієї діяльності. В той же час піденергією(грецьке – дія, діяльність) розуміється кількісна оцінка різних форм руху матерії, які можуть перетворюватися одна на іншу.
Відповідно до уявлень фізичної науки, енергія - це здатність тіла або системи тіл виконувати роботу. Існують різні класифікації видів та форм енергії. Людина у своєму повсякденному житті найчастіше зустрічається з такими видами енергії: механічна, електрична, електромагнітна, теплова, хімічна, атомна (внутрішньодерна). Останні три види належать до внутрішньої форми енергії, тобто. обумовлені потенційною енергією взаємодії частинок, що становлять тіло, або кінетичною енергією їхнього безладного руху.
Якщо енергія – результат зміни стану руху матеріальних точок чи тіл, вона називається кінетичної ; до неї відносять механічну енергію руху тіл, теплову енергію, зумовлену рухом молекул.
Якщо енергія – результат зміни взаємного розташування частин даної системи чи її становища стосовно іншим тілам, вона називається потенційною ; до неї відносять енергію мас, що притягуються згідно із законом всесвітнього тяжіння, енергію становища однорідних частинок, наприклад, енергію пружного деформованого тіла, хімічну енергію.
Енергію в природознавстві залежно від природи поділяють такі види.
Механічна енергія – проявляється при взаємодії, русі окремих тіл чи частинок.
До неї відносять енергію руху або обертання тіла, енергію деформації при згинанні, розтягуванні, закручуванні, стисканні пружних тіл (пружин). Ця енергія найбільш широко використовується у різних машинах – транспортних та технологічних.
Теплова енергія – енергія невпорядкованого (хаотичного) руху та взаємодії молекул речовин.
Теплова енергія, що отримується найчастіше при спалюванні різних видів палива, широко застосовується для опалення, проведення численних технологічних процесів (нагрівання, плавлення, сушіння, випарювання, перегонки тощо).
Електрична енергія – енергія електронів, що рухаються по електричному ланцюзі (електричного струму).
Електрична енергія застосовується для отримання механічної енергії за допомогою електродвигунів та здійснення механічних процесів обробки матеріалів: дроблення, подрібнення, перемішування; щодо електрохімічних реакцій; отримання теплової енергії в електронагрівальних пристроях та печах; для безпосередньої обробки матеріалів (електроерозійне оброблення).
Хімічна енергія – це енергія, «запасена» в атомах речовин, яка вивільняється чи поглинається при хімічних реакціях між речовинами.
Хімічна енергія або виділяється у вигляді теплової при проведенні екзотермічних реакцій (наприклад, горінні палива), або перетворюється на електричну в гальванічних елементах та акумуляторах. Ці джерела енергії характеризуються високим ККД (до 98%), але низькою ємністю.
Магнітна енергія – енергія постійних магнітів, які мають великий запас енергії, але «віддають» її дуже неохоче. Однак електричний струм створює навколо себе протяжні, сильні магнітні поля, тому найчастіше говорять про електромагнітну енергію.
Електрична та магнітна енергії тісно взаємопов'язані один з одним, кожну з них можна розглядати як «оборотну» сторону іншої.
Електромагнітна енергія – це енергія електромагнітних хвиль, тобто. рухаються електричного та магнітного полів. Вона включає видиме світло, інфрачервоні, ультрафіолетові, рентгенівські промені та радіохвилі.
Отже, електромагнітна енергія – це енергія випромінювання. Випромінювання переносить енергію у формі енергії електромагнітної хвилі. Коли випромінювання поглинається, його енергія перетворюється на інші форми, найчастіше теплоту.
Ядерна енергія - Енергія, локалізована в ядрах атомів так званих радіоактивних речовин. Вона вивільняється при розподілі важких ядер (ядерна реакція) або синтез легких ядер (термоядерна реакція).
Існує і стара назва даного виду енергії – атомна енергія, проте ця назва неточно відображає сутність явищ, що призводять до вивільнення колосальних кількостей енергії, найчастіше у вигляді теплової та механічної.
Гравітаційна енергія - Енергія, обумовлена взаємодією (тяжінням) масивних тіл, вона особливо відчутна в космічному просторі. У земних умовах це, наприклад, енергія, «запасена» тілом, піднятим на певну висоту над поверхнею Землі – енергія сили тяжіння.
Таким чином, залежно від рівня прояву, можна виділити енергію макросвіту – гравітаційну, енергію взаємодії тіл – механічну, енергію молекулярнихвзаємодій – теплову, енергію атомних взаємодій – хімічну, енергію випромінювання – електромагнітну, енергію, укладену в ядрах атомів – ядерну.
Сучасна наука не виключає існування та інших видів енергії, поки не зафіксованих, але не порушують єдину природничо картину світу і поняття про енергію.
У Міжнародній системі одиниць СІ як одиниця виміру енергії прийнятий 1 Джоуль (Дж). 1 Дж еквівалентний 1 ньютон метр (Нм). Якщо розрахунки пов'язані з теплотою, біологічною та багатьма іншими видами енергії, то як одиниця енергії застосовується позасистемна одиниця - калорія (кал) або кілокалорія (ккал), 1кал=4,18 Дж. Для вимірювання електричної енергії користуються такою одиницею, як годину (Вт · год, кВт · год, МВт · год), 1 Вт · год = 3,6 МДж. Для вимірювання механічної енергії використовують величину 1 кг м = 9,8 Дж.
Енергія, що безпосередньо витягується в природі(енергія палива, води, вітру, теплова енергія Землі, ядерна), і яка може бути перетворена на електричну, теплову, механічну, хімічну називається первинної. Відповідно до класифікації енергоресурсів за ознакою вичерпності можна класифікувати первинну енергію. На рис. 2.1 представлено схему класифікації первинної енергії.
Рис.2.1. Класифікація первинної енергії
При класифікації первинної енергії виділяють традиційні і нетрадиційні види енергії. До традиційних відносяться такі види енергії, які протягом багатьох років широко використовувалися людиною. До нетрадиційних видів енергії відносять такі види, які почали використовуватись порівняно недавно.
До традиційних видів первинної енергії відносять: органічне паливо (вугілля, нафту тощо), гідроенергію річок та ядерне паливо (уран, торій та ін.).
Енергія, одержувана людиною, після перетворення первинної енергії на спеціальних установках – станціях, називається вторинною (Електрична енергія, енергія пари, гарячої води тощо).
Переваги електроенергії.Електрична енергія є найзручнішим видом енергії і може вважатися основою сучасної цивілізації. Переважна більшість технічних засобів механізації та автоматизації виробничих процесів (обладнання, прилади ЕОМ), заміна людської праці машинною в побуті мають електричну основу.
Дещо більше половини всієї споживаної енергії використовується у вигляді тепла для технічних потреб, опалення, приготування їжі, частина - у вигляді механічної, насамперед у транспортних установках, і електричної енергії. Причому частка електричної енергії щороку зростає (рис. 2.2).
Електрична енергія - Універсальніший вид енергії. Вона знайшла широке застосування у побуті та у всіх галузях народного господарства. Налічується понад чотириста найменувань електропобутових приладів: холодильники, пральні машини, кондиціонери, вентилятори, телевізори, магнітофони, освітлювальні прилади тощо. Не можна уявити промисловість без електричної енергії. У сільському господарстві застосування електрики безперервно розширюється: годування та напування тварин, догляд за ними, опалення та вентиляція, інкубатори, калорифери, сушарки тощо.
Електрифікація - Основа технічного прогресу будь-якої галузі народного господарства. Вона дозволяє замінити незручні для використання енергетичні ресурси універсальним видом енергії – електричною енергією, яку можна передавати на будь-яку відстань, перетворювати на інші види енергії, наприклад, на механічну або теплову, ділити її між споживачами. Електрика – дуже зручний для застосування та економічний вид енергії.
Рис. 2.2. Динаміка споживання електричної енергії
Електрична енергія має такі властивості, які роблять її незамінною в механізації та автоматизації виробництва та в повсякденному житті людини:
1. Електрична енергія універсальна, вона може бути використана для різних цілей. Зокрема, її дуже просто перетворити на тепло. Це робиться, наприклад, в електричних джерелах світла (лампочках розжарювання), у технологічних печах, що використовуються в металургії, у різних нагрівальних та опалювальних пристроях. Перетворення електричної енергії на механічну використовується в приводах електричних моторів.
2. При споживанні електричної енергії можна нескінченно дробити. Так, потужність електричних машин в залежності від їх призначення різна: від часток вата в мікродвигунах, що застосовуються в багатьох галузях техніки та в побутових виробах, до великих величин, що перевищують мільйон кіловат, у генераторах електростанцій.
3. У процесі виробництва та передачі електричної енергії можна концентрувати її потужність, збільшувати напругу і передавати по проводах як на малі, так і на великі відстані будь-яку кількість електричної енергії від електростанції, де вона виробляється, усім її споживачам.
Нині є науково обґрунтована класифікація видів енергії. Їх багато – близько 20.
Види енергії, які в даний час найчастіше використовуються як у повсякденному житті, так і в наукових дослідженнях:
- 1. Ядерна енергія - енергія зв'язку нейтронів і протонів в ядрі, що звільняється у різних видах при розподілі важких та синтезі легких ядер; у разі її називають термоядерной.
- 2. Хімічна (логічніше - атомна) енергія - енергія системи з двох або більше речовин, що реагують між собою. Ця енергія вивільняється внаслідок розбудови електронних оболонок атомів та молекул при хімічних реакціях. Коли ми говоримо – АЕС (атомна електростанція), це навряд чи правильно. Точніше було б ЯЕС (ядерна електростанція).
- 3. Електростатична енергія - потенційна енергія взаємодії електричних зарядів, тобто запас енергії електрично зарядженого тіла, що накопичується у процесі подолання ним сил електричного поля.
- 4. Магнітостатична енергія - потенційна енергія взаємодії «магнітних зарядів», або запас енергії, що накопичується тілом, здатним подолати сили магнітного поля у процесі переміщення проти спрямування дії цих сил. Джерелом магнітного поля може бути постійний магніт, електричний струм.
- 5. Пружна енергія - потенційна енергія механічно пружно зміненого тіла (стиснута пружина, газ), що звільняється при знятті навантаження найчастіше у вигляді механічної енергії.
- 6. Теплова енергія - частина енергії теплового руху частинок тіл, що звільняється за наявності різниці температур між даним тілом та тілами навколишнього середовища.
- 7. Механічна енергія - кінетична енергія тіл, що вільно рухаються, і окремих частинок.
- 8. Електрична (електродинамічна) енергія – енергія електричного струму у всіх його формах.
- 9. Електромагнітна (фотонна) енергія – енергія руху фотонів електромагнітного поля.
Часто у особливий вид енергії виділяють біологічну. Біологічні процеси - це особлива група фізико-хімічних процесів, але у яких беруть участь самі види енергії, що у інших.
Є ще психічна енергія. Справді, жоден акт людської діяльності не може статися без мотиваційного, а отже, і «психоенергетичного» забезпечення, джерелом якого є фізико-хімічна енергія організму. Але це предмет окремої розмови.
З усіх відомих видів енергії, а також перелічених вище в практиці безпосередньо використовуються всього чотири види: теплова, (близько 70 - 75 %), механічна (близько 20 - 22 %), електрична - близько 3 - 5 %, електромагнітна - світлова ( менше 1%). Причому електрична енергія, що широко виробляється, підводиться по дротах у будинки, до верстатів виконує в основному роль переносника енергії.
Головним джерелом безпосередньо використовуваних видів енергії служить поки що хімічна енергія мінеральних органічних горючих (вугілля, нафта, природний газ ін.), запаси якої, що становлять частки відсотка всіх запасів енергії Землі, навряд може бути нескінченними (т. е. відновлюваними).
У грудні 1942 р. було введено в роботу перший ядерний реактор та з'явилося ядерне паливо. Нині у низці країн дедалі ширше використовуються відновлювані джерела енергії (вітрова, річкової води).
Майже в будь-якому технологічному процесі вживається кілька видів енергії. Паливно-енергетичні баланси при цьому складаються зазвичай за видами палив, видам енергії для кожного технологічного циклу (переділу) окремо. Не дозволяє провести об'єктивне порівняння різних технологічних процесів виробництва однієї й тієї виду продукції.
Для наскрізних розрахунків енергоємності будь-якого технологічного продукту було запропоновано всі види енергії класифікувати за трьома групами:
- 1. Первинна енергія Е1 – хімічна енергія викопного первинного палива, з урахуванням енергетичних витрат на видобуток, підготовку (збагачення), транспортування.
- 2. Похідна енергія Е2 - енергія перетворених енергоносіїв, наприклад: пара, гаряча вода, електроенергія, стиснене повітря, кисень, вода з урахуванням витрат на їх перетворення.
- 3. Прихована енергія Е3 - енергія, витрачена у попередніх технологіях та уречевлена у сировинних вихідних матеріалах процесу, технологічному, енергетичному. обладнання, капітальні споруди, інструмент, до цієї ж форми енергії відносяться енерговитрати з підтримки обладнання у працездатному стані (ремонти), енерговитрати всередині - і міжзаводських перевезень, та інших допоміжних операцій.
Для багатьох масових видів продукції величина енергетичних витрат у вигляді прихованої енергії, тобто внесеної обладнанням і капітальними спорудами, є відносно незначною в порівнянні з іншими двома видами енергії і тому в першому наближенні може включатися до оцінки.
Сумарні енерговитрати виробництва одиниці будь-якої продукції у разі можна записати як:
Е сум = Е 1 + Е 2 + Е 3 - Е 4
де Е4 - енергія вторинних енергоресурсів, що виробляється у процесі виробництва цієї продукції, але передається використання у інший технологічний процес.
Сумарні енерговитрати називають також технологічним паливним числом (ТТЧ) конкретного виду продукції (сталі, цегли).
