Undang-undang pemuliharaan tenaga

Fizik moden mengetahui banyak jenis tenaga yang berkaitan dengan gerakan atau susunan bersama yang berbeza bagi pelbagai jenis jasad atau zarah bahan, contohnya, mana-mana jasad yang bergerak mempunyai tenaga kinetik yang berkadar dengan kuasa dua halajunya. Tenaga ini boleh berubah jika kelajuan badan bertambah atau berkurang. Jasad yang dinaikkan di atas tanah mempunyai tenaga potensi graviti yang mengubah tiga perubahan ketinggian badan.

Caj elektrik pegun yang agak jauh antara satu sama lain mempunyai tenaga potensi elektrostatik selaras dengan fakta bahawa, menurut hukum Coulomb, cas sama ada menarik (jika ia berbeza tanda) atau menolak dengan daya yang berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara mereka.

Tenaga kinetik dan potensi dimiliki oleh molekul, atom dan zarah, konstituennya - elektron, proton, neutron, dll. dalam bentuk kerja mekanikal, dalam aliran arus elektrik, dalam pemindahan haba, dalam perubahan keadaan dalaman badan, dalam perambatan gelombang elektromagnet, dll.

Lebih daripada 100 tahun yang lalu, undang-undang asas fizik telah ditubuhkan, mengikut mana tenaga tidak boleh hilang atau timbul daripada tiada. Dia hanya boleh bertukar dari satu jenis ke jenis yang lain…. Undang-undang ini dipanggil undang-undang pemuliharaan tenaga.

Dalam karya A. Einstein, undang-undang ini dibangunkan dengan ketara. Einstein mewujudkan kebolehtukaran tenaga dan jisim dan dengan itu meluaskan tafsiran undang-undang pemuliharaan tenaga, yang kini lazimnya dinyatakan sebagai undang-undang pemuliharaan tenaga dan jisim.

Selaras dengan teori Einstein, sebarang perubahan dalam tenaga badan dE berkaitan dengan perubahan dalam jisimnya dm dengan formula dE =dmc2, di mana c ialah kelajuan cahaya dalam vakum bersamaan dengan 3 x 108 Miss.

Daripada formula ini, khususnya, ia mengikuti bahawa jika, sebagai hasil daripada beberapa proses, jisim semua badan yang terlibat dalam proses itu berkurangan sebanyak 1 g, maka tenaga bersamaan dengan 9 × 1013 J, yang bersamaan dengan 3000 tan bahan api standard.

Nisbah ini adalah kepentingan utama dalam analisis transformasi nuklear. Dalam kebanyakan proses makroskopik, perubahan jisim boleh diabaikan dan hanya undang-undang pemuliharaan tenaga boleh diperkatakan.

Marilah kita mengesan perubahan tenaga pada beberapa contoh konkrit. Pertimbangkan keseluruhan rantaian penukaran tenaga yang diperlukan untuk menghasilkan mana-mana bahagian pada mesin pelarik (Rajah 1). Biarkan tenaga awal 1, jumlah yang kita ambil sebagai 100%, diperoleh kerana pembakaran lengkap sejumlah bahan api fosil. Oleh itu, untuk contoh kami, 100% tenaga awal terkandung dalam produk pembakaran bahan api, yang berada pada suhu tinggi (kira-kira 2000 K).

Produk pembakaran dalam dandang loji kuasa, apabila disejukkan, melepaskan tenaga dalaman mereka dalam bentuk haba kepada air dan wap air. Walau bagaimanapun, atas sebab teknikal dan ekonomi, produk pembakaran tidak boleh disejukkan kepada suhu ambien. Mereka dikeluarkan melalui tiub ke atmosfera pada suhu kira-kira 400 K, membawa bersama mereka sebahagian daripada tenaga asal. Oleh itu, hanya 95% daripada tenaga awal akan dipindahkan ke tenaga dalaman wap air.

Wap air yang terhasil akan memasuki turbin stim, di mana tenaga dalamannya pada mulanya sebahagiannya ditukar kepada tenaga kinetik rentetan stim, yang kemudiannya akan dihantar sebagai tenaga mekanikal kepada pemutar turbin.

Hanya sebahagian daripada tenaga wap boleh ditukar kepada tenaga mekanikal. Selebihnya diberikan kepada air penyejuk apabila wap terpeluwap dalam pemeluwap. Dalam contoh kami, kami mengandaikan bahawa tenaga yang dipindahkan ke pemutar turbin adalah kira-kira 38%, yang kira-kira sepadan dengan keadaan dalam loji kuasa moden.

Apabila menukar tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik disebabkan oleh apa yang dipanggil Kehilangan joule dalam belitan pemutar dan pemegun penjana akan kehilangan kira-kira 2% tenaga. Akibatnya, kira-kira 36% daripada tenaga awal akan masuk ke dalam grid.

Motor elektrik akan menukar hanya sebahagian daripada tenaga elektrik yang dibekalkan kepadanya kepada tenaga mekanikal untuk memutar mesin pelarik. Dalam contoh kita, kira-kira 9% daripada tenaga dalam bentuk haba Joule dalam belitan motor dan haba geseran dalam galasnya akan dibebaskan ke atmosfera sekeliling.

Oleh itu, hanya 27% daripada tenaga awal akan dihantar ke organ kerja mesin. Tetapi masalah tenaga tidak berakhir di situ juga. Ternyata kebanyakan tenaga semasa pemesinan sesuatu bahagian dibelanjakan untuk geseran dan dalam bentuk haba dikeluarkan dengan cecair yang menyejukkan bahagian tersebut. Secara teorinya, hanya pecahan yang sangat kecil (dalam contoh kita, 2% diandaikan) tenaga awal akan mencukupi untuk mendapatkan bahagian yang dikehendaki dari bahagian asal.

nasi. 1. Gambar rajah perubahan tenaga semasa pemprosesan bahan kerja pada mesin pelarik: 1 — kehilangan tenaga dengan gas ekzos, 2 — tenaga dalaman hasil pembakaran, 3 — tenaga dalaman bendalir kerja — wap air, 4 — haba yang dibebaskan daripada penyejukan air dalam pemeluwap turbin, 5 — tenaga mekanikal pemutar penjana turbin, 6 — kerugian dalam penjana elektrik, 7 — sisa dalam pemacu elektrik mesin, 8 — tenaga mekanikal putaran mesin, 9 — geseran kerja, yang ditukar kepada haba, dipisahkan daripada cecair, bahagian penyejukan, 10 — meningkatkan tenaga dalaman bahagian dan cip selepas pemprosesan ...

Sekurang-kurangnya tiga kesimpulan yang sangat berguna boleh dibuat daripada contoh yang sedang dipertimbangkan, jika ia dianggap agak tipikal.

Pertama, pada setiap langkah penukaran tenaga sebahagian daripadanya hilang... Pernyataan ini tidak sepatutnya difahami sebagai pelanggaran undang-undang pemuliharaan tenaga. Ia hilang kerana kesan berguna yang mana transformasi yang sepadan dilakukan. Jumlah tenaga selepas penukaran kekal tidak berubah.

Jika proses penukaran dan pemindahan tenaga berlaku dalam mesin atau radas tertentu, maka kecekapan peranti ini biasanya dicirikan oleh kecekapan (kecekapan)... Gambar rajah peranti sedemikian ditunjukkan dalam rajah. 2.

nasi. 2. Skim untuk menentukan kecekapan peranti yang menukar tenaga.

Menggunakan tatatanda yang ditunjukkan dalam rajah, kecekapan boleh ditakrifkan sebagai Kecekapan = Epol/Epod

Jelas bahawa dalam kes ini, berdasarkan undang-undang pemuliharaan tenaga, mesti ada Epod = Epol + Epot.

Oleh itu, kecekapan juga boleh ditulis seperti berikut: kecekapan = 1 — (Epot / Epol)

Kembali kepada contoh yang ditunjukkan dalam FIG. 1, kita boleh mengatakan bahawa kecekapan dandang ialah 95%, kecekapan menukar tenaga dalaman stim kepada kerja mekanikal ialah 40%, kecekapan penjana elektrik ialah 95%, kecekapan adalah — pemacu elektrik a mesin — 75%, dan kecekapan pemprosesan sebenar bahan kerja adalah kira-kira 7%.

Pada masa lalu, apabila undang-undang transformasi tenaga belum diketahui, impian orang ramai adalah untuk mencipta apa yang dipanggil mesin gerakan kekal — peranti yang akan melakukan kerja yang berguna tanpa menghabiskan tenaga. Enjin hipotesis sedemikian, yang kewujudannya akan melanggar undang-undang pemuliharaan tenaga, hari ini dipanggil mesin gerakan kekal jenis pertama, berbanding mesin gerakan kekal jenis kedua. Hari ini, sudah tentu, tiada siapa yang mengambil serius kemungkinan mencipta mesin gerakan kekal jenis pertama.

Kedua, semua kehilangan tenaga akhirnya ditukar kepada haba, yang dibebaskan sama ada ke udara atmosfera atau ke air dari takungan semula jadi.

Ketiga, orang akhirnya menggunakan hanya sebahagian kecil daripada tenaga primer yang dibelanjakan untuk mendapatkan kesan bermanfaat yang berkaitan.

Ini amat ketara apabila melihat kos pengangkutan tenaga. Dalam mekanik ideal, yang tidak menganggap daya geseran, beban bergerak dalam satah mendatar tidak memerlukan tenaga.

Dalam keadaan sebenar, semua tenaga yang digunakan oleh kenderaan digunakan untuk mengatasi daya geseran dan daya rintangan udara, iaitu, akhirnya, semua tenaga yang digunakan dalam pengangkutan ditukar kepada haba. Dalam hal ini, angka berikut adalah menarik, mencirikan kerja memindahkan 1 tan kargo pada jarak 1 km dengan jenis pengangkutan yang berbeza: kapal terbang — 7.6 kWj / (t-km), kereta — 0.51 kWj / ( t- km), kereta api-0.12 kWj / (t-km).

Oleh itu, kesan berfaedah yang sama boleh dicapai dengan pengangkutan udara dengan mengorbankan penggunaan tenaga 60 kali lebih besar daripada dengan kereta api. Sudah tentu, penggunaan tenaga yang tinggi memberikan penjimatan masa yang ketara, tetapi walaupun pada kelajuan yang sama (kereta dan kereta api), kos tenaga berbeza sebanyak 4 kali.

Contoh ini menunjukkan bahawa orang sering membuat pertukaran dengan kecekapan tenaga untuk mencapai matlamat lain, contohnya keselesaan, kelajuan, dsb. Sebagai peraturan, kecekapan tenaga proses itu sendiri tidak menarik minat kami — teknikal umum dan penilaian ekonomi terhadap kecekapan proses adalah penting... Tetapi apabila harga komponen tenaga utama meningkat, komponen tenaga dalam penilaian teknikal dan ekonomi menjadi semakin penting.