Сила, энергия и мощность
Каталог предыдущих постов
1. «Возобновляемая энергия. Энергетика устойчивого будущего»
2. Современные мировые тенденции использования энергии
3. Конверсия и эффективность
4. Ископаемое топливо и изменение климата
5. Солнечная энергия: прямое использование
6. Солнечная энергия: косвенное использование
7. Возобновляемые источники энергии без использования энергии Солнца
8. Возобновляемая энергия ближайшего будущего
9. Возможный сценарий развития энергетики до 2020 г.
Для того, чтобы продолжить разговор про возобновляемую энергию, нужно обсудить, что же такое энергия. Продолжаю цитировать перевод оксфордского учебника.
Слово «энергия» происходит от греческих слов en (в) и ergon (работа). Научное понятие энергии служит, чтобы показать общие особенности в разноообразных процессах, таких как горение топлив, движение машин или зарядка батарей. Эти и другие процессы могут быть описаны в разнообразных терминах для разных форм энергии. Например, тепловая энергия (тепло), химическая энергия (в топливах или батарейках), кинетическая энергия (при перемещении тел), электрическая энергия, гравитационная, потенциальная энергия и разные другие.
В 1960 г. научный мир договорился о введении единой системы физических единиц - системе CИ (Системы Интернациолнальных (единиц)). Есть три базовых единицы измерения: метр (м), килограмм (кг) и секунда (с); единицы для измерения других величин получены как их производные. Для некоторых из них полученные единицы, как, например, метр в секунду (м*с-1) (единица скорости), базовые единицы очевидны. Другие были названы собственными именами - например, Ньютон или Джоуль.
Чтобы изменить движение любого объекта, нужна сила. Единица ее измерения из системы СИ - Ньютон (Н), который соответсвует силе, ускоряющей тело массой один килограмма (кг) на метр в секунду за секунду (м*с-2). Таким образом:
Сила (Н) = масса (кг) * ускорение (м*с-2).
В реальном мире сила часто нужна, чтобы перемещать объект с постоянной скоростью, потому, что на объект действуют внешние силы, например, трение.
Каждый раз, когда сила перемещает что-нибудь, на это тратится энергия. Единица энергии, Джоуль (Дж), соответствует энергии, обеспечивающей силу в один Ньютон для перемещения тела на расстояние в 1 метр. Тогда:
Энергия (Дж) = Сила (в Ньютонах) * Расстояние (в метрах)
Понятия «энергия» и «сила» часто используются неофициально, как будто они были синонимическими (например, мощность ветра/энергия ветра), но в научном обсуждении важно их различать. Мощность - понятие, когда энергия превращается из одной формы в другую или перемещает что-либо из одного места в другое. Ее единица - Ватт (Вт). Один Ватт соответствует энергии в один Джоуль за секунду. Например, в 100-Ваттной лампочке накаливания сто Джоулей электрической энергии превращаются в свет (и «сопутствующее» тепло) каждую секунду.
На практике, часто удобно измерить энергию в пределах мощности, используемой в течение определенного периода времени. Если мощность электрического нагревателя составляет 1 кВт, и она измеряется в течение часа, мы говорим, что нагреватель потребил один киловатт-час (кВт*час) энергии. (Приложение A2 объясняет приставки, такие как кило-, мега-, и т.п.). Киловатт равен 1000 Ватт, или 1000 Джоулей за секунду. Так как в часе 3600 секунд, то 1 кВт*час = 3600 * 1000 = 3,6 * 106 Дж (т.е. 3,6 MДж).
Энергия также часто измеряется в пределах количества использованного топлива, например метрические тонны угля или масла. Национальная английская статистика учета энергии часто использует термин «миллион метрической тонны нефтяного эквивалента» (1 млн. т. н.э. = 41,9 МДж).
Закон сохранения энергии: первый закон термодинамики
При любом преобразовании энергии из одной формы в другую количество энергии не изменяется. Этот принцип о неизменности количества энергии описывает Первый закон термодинамики. Из него следует, что если количество энергии на выходе электростанции меньше количества энергии со стороны теплового оборудования на входе, то некоторая часть энергии должны быть превращены в какую-то другую форму (обычно это потери).
Если общее количество энергии всегда одно и то же, тогда может быть речь идет только о ее потреблении? Собственно говоря, мы не можем так сказать: мы только превращаем энергию из одной формы в другие формы. Мы используем топливо, которое является источником легко доступной энергии. Мы сжигаем топливо в двигателях, превращая его сохраненную химическую энергию в тепло, а затем в кинетическую энергию движущегося транспортного средства. Ветротурбина извлекает кинетическую энергию от перемещения воздуха и превращает ее в электрическую энергию, которая может, свою очередь, использоваться, чтобы нагреть нить лампы, превращаясь в энергию света.
Виды энергии
В общем виде все разнообразие форм энергии может быть сведено к четырем видам: кинетическая, гравитационная, электрическая и ядерная.
Первая из них - кинетическая энергия, которой обладают любые движущиеся объекты. Она рассчитывается так:
кинетическая энергия = 0,5 * масса * скорость2
где энергия в джоулях (Дж), масса в килограммах (кг), скорость в метрах в секунду (м*с-1).
Не так очевидно, однако кинетическая энергия в материале определяет его температуру. Вещество состоит из атомов или из молекул, которые состоят из этих атомов. В газе, например, в воздухе, который окружает нас, они движутся свободно. В твердом теле или в жидкости, они формируют условно свободно связанную сеть, в которой каждая частица постоянно вибрирует. Тепловая энергия, или тепло - определенное воплощение кинетической энергии, связанной с этим быстрым случайным движением. Более высокая температура тела определяется более быстрым движением молекул. По шкале температуры Келвина (K), которая принята в настоящее время, ноль К соответствует нулевому молекулярному движению. По используемой более широко шкале измерения температуры Цельсия (°C), ноль соответствует точке замерзания воды, а 100°С соответствует точке кипения воды. Два масштаба связаны простой формулой:
температура (К) = температура (°C) + 273°
Вторая фундаментальная форма энергии - гравитационная энергия. Она определяется гравитационным притяжением объекта к земле. Если объект, например, яблоко, поднять выше головы, то яблоко приобретет потенциальную энергию, вызванную силами гравитации («потенциальная энергия» или «гравитационная энергия»). Существование этой сохраненной энергии станет очевидно, если выпустить яблоко и наблюдать последующее превращение в кинетическую энергию. Гравитационная сила, тянущая объект по направлению к земле, вызвана весом объекта, и равна его массе, m, умноженной на ускорение свободного падения, g (которое равно 9,81 м*с-2). (Следует отметить, что хотя это и общепринятые понятия, вес и массу часто путают в быту, а в науке легко разделяют). Потенциальная энергия (в Дж), определяемая высотой h (в метрах) поднятого над землей тела массой m (в килограммах) равна:
потенциальная энергия = сила * расстояние = вес * высоту = м * g * h
Гравитация - не единственная сила, влияющая на объекты вокруг нас. В масштабах, практически не различимых глазом, от атомов до молекул материала, на тела действуют силы электрической природы; гравитация - незначительная сила на молекулярном уровне. Электрическая энергия, вызванная силами молекулярного уровня, составляет треть от основных форм энергии. Каждый атом может рассматриваться, как облако электрически заряженных частиц, электронов, которые непрерывно движутся вокруг центрального ядра. Когда атомы объединяются в молекулы или твердые материалы, распределение электронов изменяется, часто с существенным эффектом. Поэтому химическая энергия, работающая на атомном уровне, может рассматриваться как форма электрической энергии. Когда сжигают топливо, химическая энергия, которая в нем содержится, превращается в тепловую энергию. По существу, электрическая энергия, созданная перестройкой электронов атомов, превращается в кинетическую энергию молекул продуктов горения.
Наиболее знакомая всем форма электрической энергии - энергия электрического тока - энергия направленных потоков электронов в материале, наблюдается чаще всего металлах. В металлах один или два электрона каждого атома могут отделиться от своего атома и двигаться свободно через решетчатую структуру материала. Эти «свободные электроны» формируют в металлах электрический ток. Чтобы поддерживать устойчивый поток электронов, необходима постоянная подача энергии, т.к. электроны постоянно теряют энергию в столкновениях с металлической решеткой (вот почему провода нагреваются электрическим током). Напряжение (в В) - энергия, необходимая для поддержки тока. Электрическая мощность (в Вт), необходимая для поддержания электрического тока или используемая приборами, равна произведению напряжения (в В) на ток (в А), т.е.:
мощность = напряжение * ток
На обычной электростанции топливо сжигают и используют для получения пара высокого давления, который вращает турбину. Турбина, в свою очередь, вращает электрический генератор, который работает по закону Майкла Фарадея (1832): напряжение индуктируется в витках обмотки в переменном магнитном поле. Соединение витков в кольцо создает электрическую цепь и позволяет течь току. Электрическая энергия может, в свою очередь, быть преобразована в тепло, свет, движение или в любой другой вид энергии, в зависимости от того, что присоединено к цепи. Электричество - удобная промежуточная форма энергии: оно дает возможность превратить энергию, полученную от одного источника, в энергию другого вида, обычно удаленную на некоторое расстояние от источника.
Другая форма электрической энергии передается электромагнитным излучением. Это форма электромагнитной энергии, в которой, например, солнечная энергия достигает Земли. Электромагнитная энергия излучается в больших или меньших количествах каждым объектом. Она передается в виде волны, которая переносит энергию к потребителю через пустое пространство. Длина этой волны характеризует спектр, который разбит на рентгеновские лучи, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, спектр видимого света, радио- и микроволны.
Четвертая и последняя основная форма энергии - энергия, заключенная в ядрах атомов. Она называется ядерной энергией. Технология ее получения, разработанная во время Второй мировой войны для военных целей, впоследствии была использована как управляемая энергия для мирного производства электроэнергии. Атомные электростанции действуют почти на таких же принципах, как тепловые электростанции, за исключением того, что в топках сгорает не ископаемое топливо, а в ядерных реакторах расщепляют атомы урана, и при этом расщеплении выделяется большие количества тепла.
Источник энергии Солнца также ядерного происхождения. Здесь происходит процесс не ядерного деления, а ядерного синтеза, при котором значительное количество атомов водорода создает атомы гелия, производя при этом огромное количества солнечного излучения. Реакторы ядерного синтеза, имитирующие процессы на Солнце, были темой многих десятилетних исследований и серьезных изысканий, но поиски практических решений продолжаются.
Еще один, пятый вид энергии, темная энергия, описан тут.
Также рекомендую пост " Энергия Вселенной".