Слово "энергия" с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным представлениям энергия - это общая количественная мера различных форм движения материи. Имеются качественно разные физические формы движения материи, которые способны превращаться одна в другую в строго определенных отношениях (установлено в середине ХХ века), что и позволило ввести понятие энергии как общей меры движения материи.
Важность понятия энергии определяется тем, что она подчиняется закону сохранения. Представление об энергии помогает понять невозможность создания вечного двигателя. Работа может совершаться только в результате определенных изменений окружающих тел или систем (горения топлива, падения воды).
Способность тела при переходе его из одного состояния в другое совершать определенную работу (работоспособность) и была названа энергией.
Виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная.
Энергия характеризует способность совершать работу, а работа производится при действии на объект физической силы. Работа - энергия в действии.
Сейчас как никогда остро встал вопрос: что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие. Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе.
Ученые и изобретатели с давних пор разрабатывают многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Казалось бы, просто нужно строить больше и больше электростанций и энергии будет столько, сколько понадобится. Но такое "очевидное" решение таит в себе немало подводных камней.
Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразования из других форм. Вечные двигатели к сожалению невозможны. А сегодня 4 из 5 произведенных киловатт электроэнергии получаются при сжигании топлива или использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых станциях.
Возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды потребовали нового подхода к энергетике. Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах, структура ее изменится. Сократится использование нефти, возрастет производство энергии на атомных станциях, начнется использование нетронутых запасов дешевых углей, широко будет применяться природный газ.
К сожалению, запасы нефти, угля, газа не бесконечны, а многие страны живут лишь сегодняшним днем, хищническим образом разграбляя земные богатства, и не задумываются над тем, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда?
Повышение цен на нефть, необходимую также и транспорту, и химии, заставит задуматься о других видах топлива. А пока ученые занимаются поисками новых нетрадиционных источников, которые могут взять на себя хотя бы часть забот по снабжению энергией населения.
Нетрадиционные источники энергии.
Гелиоэнергетика - солнечная энергетика, развивается быстрыми темпами и в разных направлениях. Солнечные устройства служат для отопления и вентиляции зданий, опреснения воды, производства электроэнергии. Также появились транспортные средства с "солнечным приводом". Уже в течение 3 лет немецкий поселок Францхютте полностью питается энергией от гелиоэнергетической установки из 840 плоских солнечных батарей общей площадью 360 кв. м. Мощность каждой батареи 50 Вт. Ночью и в пасмурную погоду ток обеспечивает батарея свинцовых аккумуляторов, заряженных в те часы, когда солнца в избытке.
Швейцарские ученые запатентовали прозрачные солнечные батареи, которые можно вставлять в оконные рамы вместо стекла. Между двумя слоями стекла, покрытого тончайшей пленкой двуокиси титана со столь же тонким слоем светочувствительного пигмента, находится слой электролита с содержанием йода. Свет, попадая на пигмент, выбивает из него электроны, которые через электролит попадают на слой двуокиси титана. Все слои такой солнечной батареи настолько тонки, что прозрачность стекла практически не уменьшается.
В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности солнечной энергетики чрезвычайно велики. Использование всего лишь 0,0125% количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики.
Препятствием реализации солнечных ресурсов является низкая интенсивность солнечного излучения. Поэтому коллекторы нужно размещать на громадных территориях, что также влечет за собой значительные материальные затраты.
Простейший коллектор солнечного излучения - зачерненный алюминиевый лист, внутри которого находятся трубы с циркулирующей жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. На изготовление коллекторов идет довольно много алюминия.
Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии и обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами.
Энергия ветра.
Наиболее широкое распространение получили ветряные мельницы в Голландии. Многолопастный ветряк с ветроколесом диаметром до 9 м может вырабатывать до 3 кВт электроэнергии при скорости ветра около 25 км\ч.
Энергия движущихся воздушных масс огромна. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории.
В наши дни ветроустановки вырабатывают лишь небольшую часть производимой энергии. Сейчас созданы высокопроизводительные установки, позволяющие вырабатывать электроэнергию даже при очень слабом ветре.
К созданию ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки - привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти.
Геотермальные источники энергии.
Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Подземные воды, как "живая кровь" планеты, переносят природное тепло Земли на поверхность. Обладая большой подвижностью и высокой теплоемкостью, они играют роль аккумулятора и теплоносителя. Они либо накапливаются в водоносных горизонтах, либо выходят на поверхность земли теплыми или горячими источниками, а иногда вырываются в виде пароводяных смесей. Это гейзеры и фумаролы. Гейзеры, например "Старый служака" каждые 53-70 минут выбрасывают струю воды (более 90°С) на высоту 30-45.
Использовать воду с t ниже 100°С для энергетики считается экономически невыгодным, но она вполне пригодна для теплофикации.
Главное достоинство тепла, получаемого из недр - экологическая чистота и возобновимость. Конечно, неконтролируемый забор может привести к истощению источников, для этого разработана методика замкнутой системы, по которой остывшая или обычная холодная вода возвращается в высокотемпературный пласт. По одной скважине закачивают холодную, по другой - получают уже горячую воду. Создается надежная, практически "вечная" замкнутая циркуляция.
Огромный резерв экологически чистой тепловой энергии нашей страны может заменить до полутораста млн тонн органического топлива.
Энергия Мирового океана.
Запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (мощностью 240 тыс. - 6 млн. кВт·ч). Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. Для полного обеспечения энергией каждого человека достаточно 1 га плантаций таких водорослей. Большое внимание привлекает "океанотермическая энерговерсия" (ОТЭК) - получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний.
Немало инженерного искусства вложено в макеты генераторов электроэнергии, работающих за счет морского волнения. Предполагается, что некоторые из установок могут быть реализованы и стать рентабельными уже в ближайшем будущем. Вполне вероятно, что существенные сдвиги в океансокй энергетике должны произойти в ближайшие десятилетия.
Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Энергия Солнца нагревает океан, он накапливает тепловую энергию, приводит в движение течения, которые меняют свое направление под действием вращения Земли. Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного притяжения. Она является движущей силой системы Земля-Луна и вызывает приливы и отливы.
При подготовке этой работы были использованы материалы с сайта http://www.studentu.ru
Движения, наблюдаемые в макромире, качественно различаются. В зависимости от вида движущегося объекта их можно подразделить на механические, электромагнитные и внутренние.
Механическим называют движение ограниченного количества макроскопических тел.
Электромагнитное движение — это движение световых частиц — фотонов. В макромире мы воспринимаем, как правило, коллективные движения фотонов, представляющие собою электромагнитные волны . Примером электромагнитного движения может служить распространение радиоволны.
Внутренним считают беспорядочное движение молекул, составляющих макроскопическое тело. Внутреннее движение проявляет себя в макромире в виде тепла .
Эти движения могут превращаться друг в друга. Электрический генератор преобразует механическое движение в электромагнитное, а электродвигатель производит обратное преобразование. Когда электрический ток протекает по проводнику, электромагнитное движение превращается во внутреннее. Мы ощущаем его в виде тепла. Химические источники тока превращают внутреннее движение в электрическое. Процессы трения приводят к преобразованию механического движения во внутреннее. И, наконец, многочисленное семейство тепловых двигателей было создано для преобразования внутреннего движения в механическое.
Для измерения различного рода движений человечеством были придуманы всевозможные меры. Для измерения количества механического движения используется величина, равная произведению массы движущегося тела на его скорость. Использовать эту величину для измерения электромагнитного движения невозможно, так как непонятно, что считать массой. Поэтому для электрического движения придумали специальные величины, например, силу электрического тока. Мера механического движения не подходит и для измерения количества внутреннего движения, потому что невозможно однозначно определить, куда направлена скорость беспорядочного движения молекул. Поэтому количество тепла измерялось в специальных единицах — калориях.
Взаимное преобразование движений требует умения определять количество движения, переходящего из одного вида в другой. Для этого приходится сравнивать количества разнородных движений. Необходима общая мера, пригодная для измерения движений разного вида.
С похожей проблемой человечество столкнулось, пытаясь в процессе обмена сравнивать различные товары. Для такого сравнения были придуманы деньги как мера, позволяющая сравнивать товары в процессе их обмена. Деньги служат универсальным товарным эквивалентом.
В решении научных задач значительную роль играет концепция аналогии . Аналогия позволяет переносить в другую научную отрасль метод решения известной задачи. Метод аналогий обладает большой силой, так как позволяет значительно сократить время, затрачиваемое на решение задачи. Однако он таит в себе и многочисленные опасности. Аналогия может оказаться формальной, внешней. Решение “по аналогии” в таком случае окажется ошибочным.
Впрочем, даже формальные аналогии иногда дают удовлетворительные результаты. Так, при изучении магнитных явлений на них, используя внешнюю аналогию, перенесли методы электростатики. Так появилась теория магнитных зарядов. Аналогия оказалась несостоятельной. Согласно современным представлениям магнитных зарядов не существует. Однако формальные выводы, основанные на представлении о магнитных зарядах, подтверждались экспериментом. Впоследствии они получили надлежащую интерпретацию в классической теории электромагнитного поля.
Подобно тому, как это делалось в экономике, физики использовали идею универсального эквивалента для сравнения различных видов движения. Универсальная мера, позволяющая сравнивать различные движения, получила название энергии .
В какой-то мере энергия аналогична деньгам. Так же как не существует “денег вообще”, а существуют конкретные виды денег, так не существует и “энергии вообще”. Применительно к движениям, явно проявляющим себя в макромире, определены три вида энергии: полная механическая, электромагнитная и внутренняя. Каждый из них служит для определения количества движения соответствующего вида. Существенно то, что эти разновидности одной и той же характеристики движения, имеют одну и ту же единицу измерения. Благодаря этому они могут использоваться при оценке количества движения, испытавшего превращение.
Подобно тому, как это принято в бухгалтерских расчетах, при описании перехода движения из одного вида в другой используют уравнения энергетического баланса. В основу этих уравнений положено представление о неуничтожимости движения, сформулированное в виде закона сохранения энергии. Как видите, иногда естественные науки заимствуют концепции, принадлежащие экономике, и делают это довольно успешно.
Необходимо понимать, что энергия, будучи количественной мерой движения, не имеет самостоятельного существования. Расхожие выражения типа: “передача энергии”, “у него отобрали всю его энергию”, строго говоря, не верны. Передается, распространяется, отбирается движение . Энергия как атрибут движения, его количественная мера служит только для сравнения движений разных видов. В этом отношении она напоминает другие количественные меры, например: протяженность, которая не существует без материальных тел, или массу, являющуюся характеристикой инертных или тяготеющих тел и без них не существующую. Представление об энергии как самостоятельно существующей бесконечно тонкой неосязаемой субстанции, способной тем не менее производить работу, по-видимому, является пережитком парадигмы невесомых.
Ситуация с энергией напоминает хорошо известный в экономике товарно-денежный фетишизм, когда представление о товарном обмене заменяется представлением об обмене денежном. Следовало бы говорить об источниках движения и энергии, которой они обладают. Однако словосочетание “источники энергии” настолько укрепилось в текущей парадигме, что мы будем использовать его с учетом всего вышесказанного.
Источники энергии
Источники движения на нашей планете или на современном жаргоне “источники” энергии можно подразделить на внешние и внутренние. К внутренним источникам относится собственное тепло Земли и естественная радиоактивность составляющих ее полезных ископаемых. Радиоактивные элементы земной коры используются в качестве топлива для ядерных электростанций.
Земля — разогретая планета. Доля земного тепла в энергетическом балансе планеты весьма значительна. Оно незаметно пронизывает всю нашу жизнь. В технике земное тепло практически не используется. Исключение составляет несколько геотермальных электростанций и курортов с горячими подземными источниками.
Внешние источники энергии имеют космическое происхождение и представляют собой разнообразные космические тела. Вклад удаленных звезд и большинства планет в земную энергетику исчезающе мал. Более существенным является влияние нашего ближайшего спутника — Луны. Лунное тяготение возмущает жидкие и газообразные оболочки Земли, придавая им форму в несколько утрированном виде изображенную на рис. 6.1.
Деформация этих оболочек, перемещаясь вместе с Луной, обходит земной шар примерно за сутки. В результате в течение суток в данном месте земной поверхности возникают две приливные волны. Атмосферные приливы практически неощутимы и обнаруживаются только из космоса. Водные приливы хорошо известны и используются в немногочисленных приливных электростанциях. Приливные волны возникают также в жидком ядре Земли. Однако их размах ограничивается жесткостью земной коры. Тем не менее это явление создает так называемые сухопутные приливы, поднимающие поверхность Земли на несколько сантиметров.
Такая деформация требует от земной коры некоторой подвижности. По данным современной геологии эта подвижность обеспечивается за счет существования тектонических плит , покрывающих всю поверхность Земли. Между тектоническими плитами находятся тектонические разломы. Плавающие на расплавленном ядре тектонические плиты могут незначительно смещаться друг относительно друга, позволяя приливной волне беспрепятственно обегать земной шар. В случае, когда подвижность одной из плит по каким-либо причинам ограничивается, может наступить землетрясение. Дополнительную подвижность земной коре сообщают жидкие и газообразные полезные ископаемые. В связи с этим интересно бы выявить, как все возрастающая добыча полезных ископаемых влияет на подвижность земной коры и статистику землетрясений. Сухопутные приливы в земной энергетике не используются.
По данным современной науки основным источником движения на нашей планете является Солнце. Энергия, которая приходит к нам от Солнца, поистине огромна. Она используется человечеством как непосредственно, так и опосредованно.
Вы непосредственно используете солнечную энергию, согреваясь на солнцепеке. Прямое использование солнечной энергии обеспечивают также солнечные батареи. К сожалению, использование солнечных батарей на сегодня ограничивается их высокой себестоимостью. Однако не исключено, что в будущем ситуация может измениться в лучшую сторону.
Значительная часть солнечной энергии уходит на разогрев атмосферы. Солнечные лучи нагревают разные участки атмосферы по-разному. Поэтому Солнце является основным источником разнообразных атмосферных явлений. Оно же вызывает круговорот воды в природе. Водяные колеса и ветряные двигатели таким образом используют энергию движений, создаваемых Солнцем. Это традиционные способы опосредованного использования солнечной энергии.
Значительная часть энергии солнечного излучения поглощается живыми организмами. При этом происходят многочисленные фотохимические реакции . Важнейшей из них является реакция фотосинтеза, благодаря которой растения связывают находящуюся в воздухе углекислоту и наращивают свою живую массу. Растения в буквальном смысле строят свое тело из воздуха и солнечных лучей.
Роль фотосинтеза в жизни растения впервые подробно исследовал выдающийся отечественный биолог К. А. Тимирязев. Именно он путем прямых экспериментов показал увеличение массы растения за счет фотосинтеза. Возможно, вам покажется это странным, но молодой побег растет и утолщается, начинаясь с вершинки, а не от корня. Если плотно перевязать молодое растение, то ниже повязки его толщина останется практически неизменной, в то время как верхняя будет утолщаться постепенно “наплывая” на повязку.
Накопленная растениями биомасса вовлекается во множество пищевых цепочек, давая жизнь животным и человеку. Кроме того, она может вступать в реакцию окисления, выделяя запасенное солнечное тепло и углекислоту. Сидя у костра или затопленной печки, мы в конечном итоге греемся запасенным солнечным теплом. К сожалению, процесс накопления энергии в биомассе весьма длителен, а ее высвобождение при химических реакциях, например горении, весьма непродолжителен. Отапливая жилой дом дровами, можно сжечь 60-70-летнюю сосну в течение нескольких дней. Поэтому полученное в результате фотосинтеза топливо следует считать слабо восполнимым ресурсом.
Созданное в XX в. общество потребления привело к неоправданно высоким расходам энергии. Покрыть их за счет поступления энергии от Солнца и других природных источников не удалось. Поэтому человечество начало интенсивный поиск дополнительных источников энергии. Они были обнаружены в рамках другой материальной системы — микромира. На сегодня значительная часть электроэнергии получается на электростанциях, извлекающих энергию атомного ядра. Получаемая на ядерных станциях энергия лежит вне энергетических цепочек, существующих в макромире, что обусловливает значительные экологические проблемы, присущие этому виду энергетики.
Деградация энергии
Движения, которые можно охарактеризовать равными количествами энергии, вообще говоря, различаются по своей полезности. Традиционно наиболее полезным считается механическое движение. При отсутствии сил трения оно может быть полностью использовано в виде механической работы. Практически целиком в механическую работу превращается электромагнитная энергия. В то же время внутреннее движение, проявляющееся в виде тепла, использовать гораздо сложнее. Принципиальной особенностью внутреннего движения является то, что его энергия не может быть полностью использована в виде работы. В этом смысл утверждения, известного в физике под именем “второе начало термодинамики”.
В природе всегда существуют силы трения. Они превращают высококачественные виды движения во внутреннее. Так, в механике трение систематически уменьшает количество механического движения, превращая его энергию во внутреннюю. Аналогично в случае движений электромагнитной природы сопротивление проводников и рассеяние, и поглощение электромагнитных волн неуклонно снижают количество электромагнитного движения, превращая его во внутреннее. Осуществить обратное превращение в полном объеме принципиально невозможно.
Для обозначения процесса необратимого перехода высококачественных видов энергии во внутреннюю в начале XX столетия был придуман термин “деградация” полезной энергии. Осознание качественного различия движений с непохожей физической природой потребовало его количественной оценки. С этой целью физикой была создана новая характеристика движения, получившая название “энтропия”.
Накопление и передача энергии
Собственно говоря, и в этом разделе речь идет о накоплении и передаче движения, ибо энергия самостоятельного существования не имеет. Всюду в дальнейшем говоря “энергия”, мы будем подразумевать движение, обладающее данной энергией.
Полная механическая энергия, как известно, бывает двух типов: кинетическая, или энергия существующего движения и потенциальная — энергия движения, которое может возникнуть при определенных условиях. Запасти потенциальную энергию можно, поднимая вверх массивное тело, например, гирю настенных часов, или деформируя упругое тело, скажем, пружину тех же часов.
Запасти кинетическую энергию несколько сложнее, обычно накопляют энергию вращения, используя для этого массивные колеса — маховики. Маховиками снабжают большинство используемых на практике механизмов. На пороховых заводах использовали любопытные устройства — инерционные кары. Основу такого кара составлял тяжелый маховик, имеющий привод на колеса. Маховик предварительно раскручивали при помощи стационарного дизельного двигателя, после чего кар мог перемещаться по цехам с взрывоопасной продукцией и перевозить грузы в течение почти часа.
Для накопления электричества служат разнообразные конденсаторы и катушки индуктивности, запасающие электроэнергию в виде электромагнитного поля. Комбинированным способом накопления электричества является преобразование электрической энергии в энергию химического взаимодействия с последующим обратным преобразованием. По этому принципу работают аккумуляторы электричества, по сути своей представляющие восстановимые химические источники электрического тока.
Внутренняя энергия чаще всего запасается в топливе. Из топлива она освобождается при помощи различного рода реакций. Чаще всего это химические реакции, например интенсивная реакция окисления, известная в обиходе как горение. На протяжении тысячелетий для получения внутренней энергии человечество сжигало топливо. В прошедшем веке люди научились получать внутреннюю энергию при помощи ядерных реакций деления и синтеза. Вы должны понимать, что при всем своеобразии этих реакций их конечным результатом является получение большого количества внутренней энергии.
Способы передачи различных видов движения также хорошо изучены. Механическое движение передается при помощи различных трансмиссий. Примером может служить распространенная автомобильная трансмиссия, позволяющая передавать вращательное движение от автомобильного двигателя к колесам.
Для передачи внутреннего движения (теплопередачи) требуется теплоноситель. В качестве теплоносителя чаще всего используют воду и водяной пар. Именно такой теплоноситель передает тепло от котельной в вашу квартиру. Кроме того, перемещение тепла часто заменяют перемещением топлива с последующей выработкой тепла на месте. Это позволяет избежать теплопотерь в окружающую среду. Следует заметить, что теплопередача и выработка тепла всегда связана с его рассеянием в окружающую среду. Наблюдавшийся в течение прошедшего столетия стремительный рост производства привел к значительным тепловым загрязнениям атмосферы, которые грозят стать необратимыми. Это одна из неотложных проблем, стоящих перед человечеством.
Наиболее удобным для передачи оказалось электрическое движение. Электричество можно передавать как в виде электрического тока, по проводам, так и в беспроводной форме электромагнитных волн.
Мощность N, передаваемая по проводам, может быть определена как произведение силы тока I в проводнике на напряжение U на его концах
Для передачи максимального количества энергии в единицу времени требуется увеличить это произведение. Это можно сделать, увеличивая силу тока через проводник или напряжение. Сила тока, протекающего через проводник, связана с электрическим напряжением на его концах законом Ома
где R — электрическое сопротивление проводника. Очевидно, что увеличить силу тока при данном напряжении можно, уменьшая сопротивление проводника.
На сегодняшний день существенно уменьшить сопротивление проводника возможно. Для этого следует увеличить его поперечное сечение. Такой путь кажется неприемлемым, так как для увеличения передаваемых мощностей он потребовал бы значительного увеличения затрат на материал проводов. Провода большого сечения было бы сложно протягивать и изолировать. Стоимость линий электропередач и без того немалая в этом случае многократно бы возросла.
Поэтому современные линии электропередач делают высоковольтными. Это позволяет снизить материалоемкость электроэнергетики. Однако повышение передаваемого напряжения до нескольких тысяч вольт ставит задачу обратного преобразования его к напряжению, безопасному для потребителя. Для этого в электроэнергетике используется разветвленная сеть трансформаторных подстанций.
Трансформаторы преобразуют только переменный ток. Поэтому по высоковольтным линиям электропередач протекает переменный ток. Провода таких линий работают как огромные антенны, излучая электромагнитные волны. Энергия этих волн теряется безвозвратно, усугубляя и без того нелегкую экологическую обстановку планеты электромагнитными загрязнениями.
Облегчить ситуацию могло бы сравнительно недавно открытое явление сверхпроводимости. Суть этого явления сводится к тому, что при определенных условиях электрическое сопротивление проводника может упасть до нуля. К сожалению, наблюдать явление сверхпроводимости возможно только при температурах, близких к абсолютному нулю. На сегодня такие температуры достижимы только в лабораторных условиях. Полагаю, что в свете сказанного вам понятны усилия, направляемые учеными на поиск так называемой высокотемпературной сверхпроводимости, которая позволила бы получать эффект сверхпроводимости при температурах, близких к комнатной.
Энергия - всеобъемлющее понятие, поскольку она присутствует повсюду. При упоминании этого слова обычному человеку, скорее всего, придет на ум электроэнергия, используемая повсеместно для освещения помещений, работы бытовой и компьютерной техники. Между тем, в науке рассматриваются разные формы .
Инструкция
Энергия в науке - это физическая величина, мера разных форм движения и взаимодействия форм материй, их перехода из одних форм в другие. В зависимости от формы движения материи различают такие формы энергии, как механическая, электромагнитная, химическая, внутренняя, ядерная и т.д. Но это деление во многом условно. В физике использование понятия энергии считается целесообразным тогда, когда величина сохраняется при движении, т.е. рассматриваемая система должна быть однородной во времени.
Тепловая энергия представляет собой энергию хаотического движения молекул. В другие виды энергии она превращается с потерями. Электромагнитная - энергия, заключенная в магнитном поле (ее также в зависимости от ситуации делят на электрическую и магнитную). Под гравитационной понимается потенциальная энергия системы частиц (или тел), тяготеющих друг к другу. Ядерная (или атомная) энергия содержится в атомных ядрах и выделяется при ядерных реакциях. Эта энергия применяется в атомных электрических станциях для получения тепла (которое используется для обеспечения отопления и электроэнергии), а также в разрушительном ядерном оружии и водородных бомбах. В термодинамике (раздел физики) существует понятие внутренней энергии - суммы энергий тепловых движений молекулы и молекулярных взаимодействий. Это далеко не весь список форм энергии.
С понятием энергии связана теория относительности Эйнштейна, согласно которой есть связь между энергией и массой. Она выражена в формуле E = mc2: энергия системы (E) равна ее массе (m), умноженной на скорость света в квадрате (c2). Под массой принято понимать массу тела в состоянии покоя, а под энергией - внутреннюю энергию системы.
Существует закон сохранения энергии. Он заключается в том, что энергия не происходит ниоткуда и не исчезает в никуда. Она лишь переходит из одной формы в другую.
Внимание, только СЕГОДНЯ!
Все интересное
Джоуль – одна из единиц измерения, входящая в Международную систему единиц. В джоулях измеряется не одна физическая величина, а целых три – энергия, работа и количество теплоты. Введение новой единицы измерения, получившей наименование джоуль,…
Механическая энергия является суммой энергии в системе или любой группе объектов, которые взаимодействуют на основе механических принципов. Это включает в себя как кинетический, так и потенциальный вид энергии. Гравитация, как правило, является…
Законы сохранения в механике формулируются для замкнутых систем, которые еще часто называют изолированными. В них на тела не действуют внешние силы, другими словами, отсутствует взаимодействие со средой. Закон сохранения импульсаИмпульсом называют…
Внутренняя энергия тела – это часть полной его энергии, обусловленная лишь внутренними процессами и взаимодействиями между частицами вещества. Она складывается из потенциальной и кинетической энергии частиц. Внутренняя энергия телаВнутренняя…
Полная механическая энергия тела – это сумма потенциальной и кинетической энергий, которые свойственны любому физическому телу в каждый момент времени. Их соотношение может изменяться, но сумма двух этих видов энергии всегда остается постоянной. …
Кинетическая и потенциальная энергии являются характеристиками взаимодействия и движения тел, а также их способности совершать изменения во внешней среде. Кинетическая энергия может определяться для одного тела относительно другого, в то время как…
Ученые, мистики, просто думающие люди полагают, что все в мире – это энергия. Атомы, молекулы – все движется, меняется, преобразуется, становится другим и возвращается к первоначальному состоянию. И все это благодаря тому потенциалу, что заложен в…
Кинетическая энергия - основа всего движения в природе. С кинетической энергией летят пули, бегут спортсмены и движутся планеты. Чем же этот тип энергии отличается от остальных и как изменяется? Инструкция 1Кинетической энергией обладают…
Энергия – физическое понятие, сопровождающее любое движение или деятельность. Этот параметр в условно замкнутой системе является неизменной величиной независимо от происходящих в ней взаимодействий между телами. Инструкция 1Любое движение или…
Чтобы определить полную энергию движения физического тела или взаимодействия элементов механической системы, нужно сложить величины кинетической и потенциальной энергии. Согласно закону сохранения эта сумма не изменяется. Инструкция 1Энергия –…
В одном и том же теле энергия может храниться одновременно в нескольких формах. Форма всех его энергий, выраженных во всех формах, называется полной энергией. Некоторые процессы протекают таким образом, что в их ходе полная энергия тела почти не…
В любом веществе содержится некоторое количество тепла. Это тепло называют энтальпией. Энтальпия есть величина, характеризующая энергию системы. В физике и химии она показывает теплоту реакции. Она является альтернативой внутренней энергии, и эту…
Естественно-научные проблемы современной энергетики. Традиционные и нетрадиционные источники энергии
Слово "энергия" с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным представлениям энергия - это общая количественная мера различных форм движения материи. Имеются качественно разные физические формы движения материи, которые способны превращаться одна в другую в строго определенных отношениях (установлено в середине ХХ века), что и позволило ввести понятие энергии как общей меры движения материи.
Важность понятия энергии определяется тем, что она подчиняется закону сохранения. Представление об энергии помогает понять невозможность создания вечного двигателя. Работа может совершаться только в результате определенных изменений окружающих тел или систем (горения топлива, падения воды).
Способность тела при переходе его из одного состояния в другое совершать определенную работу (работоспособность) и была названа энергией.
Виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная.
Энергия характеризует способность совершать работу, а работа производится при действии на объект физической силы. Работа - энергия в действии.
Сейчас как никогда остро встал вопрос: что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие. Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе.
Ученые и изобретатели с давних пор разрабатывают многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Казалось бы, просто нужно строить больше и больше электростанций и энергии будет столько, сколько понадобится. Но такое "очевидное" решение таит в себе немало подводных камней.
Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразования из других форм. Вечные двигатели к сожалению невозможны. А сегодня 4 из 5 произведенных киловатт электроэнергии получаются при сжигании топлива или использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых станциях.
Возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды потребовали нового подхода к энергетике. Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах, структура ее изменится. Сократится использование нефти, возрастет производство энергии на атомных станциях, начнется использование нетронутых запасов дешевых углей, широко будет применяться природный газ.
К сожалению, запасы нефти, угля, газа не бесконечны, а многие страны живут лишь сегодняшним днем, хищническим образом разграбляя земные богатства, и не задумываются над тем, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда?
Повышение цен на нефть, необходимую также и транспорту, и химии, заставит задуматься о других видах топлива. А пока ученые занимаются поисками новых нетрадиционных источников, которые могут взять на себя хотя бы часть забот по снабжению энергией населения.
Нетрадиционные источники энергии.
Гелиоэнергетика - солнечная энергетика, развивается быстрыми темпами и в разных направлениях. Солнечные устройства служат для отопления и вентиляции зданий, опреснения воды, производства электроэнергии. Также появились транспортные средства с "солнечным приводом". Уже в течение 3 лет немецкий поселок Францхютте полностью питается энергией от гелиоэнергетической установки из 840 плоских солнечных батарей общей площадью 360 кв. м. Мощность каждой батареи 50 Вт. Ночью и в пасмурную погоду ток обеспечивает батарея свинцовых аккумуляторов, заряженных в те часы, когда солнца в избытке.
Швейцарские ученые запатентовали прозрачные солнечные батареи, которые можно вставлять в оконные рамы вместо стекла. Между двумя слоями стекла, покрытого тончайшей пленкой двуокиси титана со столь же тонким слоем светочувствительного пигмента, находится слой электролита с содержанием йода. Свет, попадая на пигмент, выбивает из него электроны, которые через электролит попадают на слой двуокиси титана. Все слои такой солнечной батареи настолько тонки, что прозрачность стекла практически не уменьшается.
В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности солнечной энергетики чрезвычайно велики. Использование всего лишь 0,0125% количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики.
Препятствием реализации солнечных ресурсов является низкая интенсивность солнечного излучения. Поэтому коллекторы нужно размещать на громадных территориях, что также влечет за собой значительные материальные затраты.
Простейший коллектор солнечного излучения - зачерненный алюминиевый лист, внутри которого находятся трубы с циркулирующей жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. На изготовление коллекторов идет довольно много алюминия.
Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии и обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами.
Энергия ветра.
Наиболее широкое распространение получили ветряные мельницы в Голландии. Многолопастный ветряк с ветроколесом диаметром до 9 м может вырабатывать до 3 кВт электроэнергии при скорости ветра около 25 кмч.
Энергия движущихся воздушных масс огромна. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории.
В наши дни ветроустановки вырабатывают лишь небольшую часть производимой энергии. Сейчас созданы высокопроизводительные установки, позволяющие вырабатывать электроэнергию даже при очень слабом ветре.
К созданию ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки - привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти.
Геотермальные источники энергии.
Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Подземные воды, как "живая кровь" планеты, переносят природное тепло Земли на поверхность. Обладая большой подвижностью и высокой теплоемкостью, они играют роль аккумулятора и теплоносителя. Они либо накапливаются в водоносных горизонтах, либо выходят на поверхность земли теплыми или горячими источниками, а иногда вырываются в виде пароводяных смесей. Это гейзеры и фумаролы. Гейзеры, например "Старый служака" каждые 53-70 минут выбрасывают струю воды (более 90°С) на высоту 30-45.
Использовать воду с t ниже 100°С для энергетики считается экономически невыгодным, но она вполне пригодна для теплофикации.
Главное достоинство тепла, получаемого из недр - экологическая чистота и возобновимость. Конечно, неконтролируемый забор может привести к истощению источников, для этого разработана методика замкнутой системы, по которой остывшая или обычная холодная вода возвращается в высокотемпературный пласт. По одной скважине закачивают холодную, по другой - получают уже горячую воду. Создается надежная, практически "вечная" замкнутая циркуляция.
Огромный резерв экологически чистой тепловой энергии нашей страны может заменить до полутораста млн тонн органического топлива.
Энергия Мирового океана.
Запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (мощностью 240 тыс. - 6 млн. кВт·ч). Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. Для полного обеспечения энергией каждого человека достаточно 1 га плантаций таких водорослей. Большое внимание привлекает "океанотермическая энерговерсия" (ОТЭК) - получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний.
Немало инженерного искусства вложено в макеты генераторов электроэнергии, работающих за счет морского волнения. Предполагается, что некоторые из установок могут быть реализованы и стать рентабельными уже в ближайшем будущем. Вполне вероятно, что существенные сдвиги в океансокй энергетике должны произойти в ближайшие десятилетия.
Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Энергия Солнца нагревает океан, он накапливает тепловую энергию, приводит в движение течения, которые меняют свое направление под действием вращения Земли. Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного притяжения. Она является движущей силой системы Земля-Луна и вызывает приливы и отливы.
При подготовке этой работы были использованы материалы с сайта http://www.studentu.ru
74 75 76 77 78 79 ..Глава 9. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ
9.1. Современное представление об энергии
Естественно научное понимание энергии
Слово «энергия» в переводе с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным представлениям энергия – это общая количественная мера различных форм движения материи. Существуют качественно разные физические формы движения материи, способные взаимно превращаться. В середине XX в. было установлено важное свойство материи: все ее формы движения превращаются друг в друга в строго определенных отношениях. Именно такое свойство и позволило ввести понятие энергии как общей меры движения материи.
Превращение энергии подчиняется фундаментальному закону сохранения, из которого следует невозможность создания вечного двигателя. В большинстве случаев полезная работа совершается только в результате определенных изменений состояния окружающих тел или систем (горения топлива, падения воды и т. п.). Работоспособность тела, т. е. способность его совершать определенную работу при переходе из одного состояния в другое, определяется энергией. Различным формам физического движения соответствуют различные виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т. д. Однако способность движения материи к взаимным превращениям придает данным видам энергии условный характер. Движение – неотъемлемое свойство материи, поэтому все виды энергии всегда локализованы в определенных материальных объектах.
Энергия характеризует способность материальных объектов совершать работу, а работа производится при действии на объект физической силы. Значит, работа – это энергия в действии. Движется автомобиль, скользят санки по склону горы, набегающая волна приподнимает плот и т. д. – все это примеры совершаемой работы, энергии в действии.
Уровень развития современного общества во многом определяется производством и потреблением энергии. Благодаря потреблению энергии движется транспорт, улетают в космос ракеты, готовится пища, обогреваются жилища и приводятся в действие кондиционеры, освещаются улицы и т. д. Можно сказать: окружающий нас мир заполнен энергией, которая может быть использована для совершения различных видов работы. Энергией обладают люди и животные, камни и растения, ископаемое топливо и деревья, реки и озера, Мировой океан и т. п.
Энергия - источник благосостояния
В последнее время как никогда, обсуждается вопрос: что ждет человечество – энергетический голод или энергетическое изобилие? На страницах газет и журналов все чаще появляются статьи об энергетическом кризисе. Стремление обладать источником энергии (обычно нефти) приводит к возникновению войн. Газетными сенсациями стали сообщения о запуске новых энергетических установок и новые изобретения в области энергетики. Предлагаются гигантские энергетические программы, рассчитанные на привлечение огромных материальных ресурсов.
Если в конце XIX века самая распространенная сейчас энергия – электрическая – играла вспомогательную и незначительную роль, то уже в 1930 г. во всем мире было произведено около 300 млрд кВт. ч электроэнергии. Вполне реален прогноз, согласно которому в 2002 г. будет произведено 30 тыс. млрд кВт·ч! Гигантские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии мало, потребности в ней растут быстро.
Развитие экономики, уровень материального благосостояния, людей находится в прямой зависимости от количества потребляемой энергии. Многие виды трудовой деятельности основаны на потреблении энергии. Для добычи руды, выплавки из нее металла, для строительства дома и т. д., нужна энергия. Потребности людей постоянно растут, потребителей энергии становится все больше – все это приводит к необходимости увеличения объемов производимой энергии.
Природные энергоресурсы могут быть одним из основных источников процветания жизни. В качестве примера можно назвать нефть, добываемую в Арабских Эмиратах. Эту когда-то отсталую страну нефтяные энергоресурсы вывели на современный уровень развития. Построены большие города, по внешнему облику и инфраструктуре очень похожие на многие города такой развитой страны, как США. Проезжая, например по городу Абу-Даби – столице Арабских Эмиратов, утопающей в ковровой зелени и многокрасочных цветах, – трудно поверить, что этот город, как и многие другие города Эмиратов, вырос на пустынной земле, сквозь песчаную толщу которой с большим трудом пробивается верблюжья колючка. Такие города – эдемские уголки Арабских Эмиратов – выросли очень быстро, за каких-то двадцать-тридцать лет. Было бы ошибочно думать, что только благодаря нефти – основному источнику энергии – можно преобразовать пустынную землю. Продуманное государственное управление вместе с хорошо отлаженной системой образования, включающей религиозное воспитание, играют при этом не менее важную роль в развитии Арабских Эмиратов.
Из фундаментального закона природы следует, что пригодную для потребления энергию можно получить из других форм энергии в результате их преобразования. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт электроэнергии получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, т. е. при сжигании топлива или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях. Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее. Новые факторы – возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды – потребовали нового подхода к энергетике.
В основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах. Однако структура ее изменится. Сократится потребление нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется разработка пока еще не тронутых гигантских запасов дешевого угля, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Будет широко применяться природный газ, запасы которого в нашей стране сравнительно велики.
К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь небезграничны. В естественных условиях они формировались миллионы лет, а будут израсходованы за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Лишь при экономном, рачительном потреблении природных ресурсов их может хватить на века. К сожалению, многие страны живут сегодняшним днем, добывая в большом количестве подаренные им природой богатства. Многие из таких стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь над тем, что через несколько десятков лет земные запасы иссякнут. Что же произойдет тогда – а это рано или поздно случится, – когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? При этом следует иметь в виду, что и нефть, и газ потребляет не только энергетика, но и транспорт, и химическая промышленность. Ответ очевиден – поиск новых источников энергии. Ученые, инженеры еще с давних времен занимаются поиском новых, нетрадиционных источников, которые могли бы обеспечить человечество энергией. Возможны разные пути решения данной проблемы. Самый очевидный путь – использование вечных, возобновляемых источников энергии – энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, Солнца. Можно назвать еще один заманчивый путь – управляемый термоядерный синтез, над освоением которого усердно работают ученые многих стран.
