Законы преобразования энергии. Ее источники и преобразователи

Энергия – одна из скалярных характеристик движения материи. Каждой форме материи соответствует свой вид энергии. Основными законами материального мира являются законы сохранения материи и энергии. В энергетике закон сохранения энергии – I-ый закон термодинамики. Общее количество энергии тела:

, кДж (1.1),

Е – полный запас энергии тела; m – масса тела; с – скорость света; Eвн – внешняя энергия; Евнут – внутренняя энергия; Ео – энергия массы покоя; Екин – кинетическая энергия, энергия механического движения; Епот – потенциальная энергия (энергия взаимодействия тела с силовыми полями).

Грамму массы, по формуле (1.1) соответствует энергия, равная кДж или кВт·ч.

Процессы превращения внутренней энергии тела во внешние формы – освобождение энергии. При химических реакциях освобождается % общего запаса энергии тела, при ядерных %, при термоядерных - 0.65%.

Закономерности взаимного превращения разных видов энергии изучает термодинамика, базирующаяся на двух законах:

1-ый закон термодинамики показывает два пути выхода освобожденной энергии тела:

(1.2),

- изменение внутренней энергии тела;

Q – количество тепла;

W – количество работы.

Здесь величины Q, W – две формы передачи энергии.

2-ый закон термодинамики определяет направление самопроизвольных процессов. Его следствием является то, что изолированная система приходит к наиболее вероятному состоянию. Упорядоченное движение переходит в неупорядоченное, концентрированная энергия рассеивается путем превращения всех ее видов в тепло.

Превращение тепла в полезные (упорядоченные) виды энергии ограничено КПД обратимого цикла:

(1.3)

- тепло, подводимое к рабочему телу, кДж;

- тепло, отводимое от рабочего тела в окружающую среду, кДж.

Потребитель использует разные виды энергии: электрическую, механическую, тепловую, световую, звуковую, химическую, ядерную и т.п. Особую роль играет электрическая энергия, которую легко передавать распределять и превращать в другие виды энергии.

Основными источниками энергии на Земле являются:

§ Солнце (излучение, падающее на Землю);

§ внешняя энергия некоторых тел на земле (потоки воздуха, воды, обладающие запасом механической энергии).

§ Вещества, носители высококонцентрированной внутренней энергии, которая может освобождаться в химических и ядерных реакциях. Эти вещества носят название топлив (органического и ядерного).

На основании закона сохранения энергии все ее виды взаимопревращаемы (рис1.3).

Устройства для взаимного превращения энергий называют преобразователями энергии или генераторами энергии. Они делятся на простые, с одним преобразованием и сложные (комбинированные) в которых можно выделить два и более превращений энергии.

Пример простого преобразователя: топка, печь, в которых химическая энергия топлива превращается в тепло.

Пример сложного преобразователя: теплоэнергетическая установка (ТЭУ), в которой имеем целую цепочку преобразований химическая энергия топлива – тепло – внутренняя энергия рабочего тела (пар) – механическая энергия – электрическая энергия.

Рассмотрим классификацию генераторов энергии:

§ По виду энергии, отдаваемой потребителю различают:

¨ генераторы тепла (ГГ);

¨ генераторы электрической энергии (ЭГ);

¨ генераторы механической энергии, двигатели (Д).

§ Генераторы тепла по виду получаемой энергии делятся на:

¨ химические – топки, камеры сгорания и т. п.;

¨ ядерные и термоядерные – реакторы и ядерные батареи;

¨ солнечные световые нагреватели;

¨ электрические – электрические нагреватели;

¨ механические (МТГ) – сварка трением, механические тормоза;

¨ тепловые – теплообменники, тепловые насосы.