2014-02-09
3320
Табл.
| № | Вид энергии | |||||||||||
| 1. | Аннигиляционная | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| 2. | Ядерная | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| 3. | Химическая | - | - | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| 4. | Электромагнитная | - | - | - | + | + | + | - | - | + | + | + |
| 5. | Гравистатическая | - | - | - | - | + | + | - | - | + | + | + |
| 6. | Упругостная | - | - | - | - | + | + | + | + | + | + | + |
| 7. | Электростатическая | - | - | - | - | + | + | + | + | + | + | + |
| 8. | Магнитостатическая | - | - | - | - | + | + | + | + | + | + | + |
| 9. | Электрическая | - | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| 10. | Тепловая | - | - | + | + | - | + | - | - | + | + | + |
| 11. | Механическая | - | - | - | - | + | + | + | + | + | + | + |
+ - взаимопревращение возможно и: представляет практический интерес, может представлять практический интерес, практически используется частично или широко;
- - взаимопревращение невозможно.
Из приведенной таблицы видно, что аннигиляционная и ядерная энергии универсальны и могут быть преобразованы в любой другой вид.
Приведём общепринятые формулировки энергии и её видов/ /.
ЭНЕРГИЯ – универсальная скалярная мера движения материи как единой общепринятой, также универсальной, физической субстанции.
РАБОТА – результат необратимого перехода энергии из одного состояния в другое. Необратимость – утрата, диссипация, деградация и т.д. части энергии в процессе её полезного использования в реальных процессах.
|
|
|
АННИГИЛЯЦИОННАЯ энергия – это полная, предельно возможная (обоснованная теоретически) энергия парного взаимодействия: «вещество-антивещество», возникающая при столкновении частиц и античастиц: например, электрона - позитрона с превращением энергии их покоя в кванты электромагнитного поля или энергию движущихся со скоростью света фотонов; нуклона – антинуклона(протона – антипротона, нейтрона - антинейтрона) с превращением энергии их взаимодействия в энергию квантов ядерного поля, π-мезоны и т.д.
ЯДЕРНАЯ энергия – потенциальная энергия связи нуклонов в атомном ядре, которая освобождается при делении тяжёлых ядер. Энергия, которая выделяется при делении лёгких ядер, называется «термоядерной».
ХИМИЧЕСКАЯ энергия – энергия, освобождающаяся в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул в процессе химического взаимодействия двух и более реагентов.
ГРАВИСТАТИЧЕСКАЯ энергия – потенциальная энергия сверхслабого взаимодействия всех тел, пропорциональная массам этих тел и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ энергия – энергия электрического тока.
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ энергия – потенциальная энергия взаимодействия электрических зарядов.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ энергия - э нергия излучений, переносимая фотонами электромагнитного поля.
МАГНИТОСТАТИЧЕСКАЯ энергия – потенциальная энергия взаимодействия «магнитных зарядов».
УПРУГОСТНАЯ энергия – потенциальная энергия механически упруго изменённых тел(твёрдых, жидких, газообразных).
|
|
|
ТЕПЛОВАЯ энергия – часть энергии теплового движения частиц тел – теплоты(тепла), которая освобождается при наличии разности температур между телом и окружающей средой.
МЕХАНИЧЕСКАЯ энергия – кинетическая энергия движущихся макро- и микротел.
Основой современной энергетики являются следующие виды энергии: естественная, поставляемая Природой, солнечная и искусственно получаемые: механическая, тепловая, электрическая, химическая, ядерная, которые имеют свои особенности в практическом применении.
Солнечная энергия(СЭ), излучаемая Солнцем с мощностью 3.9•1026Вт и представляющая собой поток фотонов (электромагнитное излучение), достигает Земли при мощности только примерно 1.8•1017Вт, что составляет не более 4.5 •10-8 % от общей мощности солнечного излучения.
При этом если бы СЭ поступала на поверхность Земли площадью 20 тыс. км2 стабильно, даже при такой мощности можно было бы полностью обеспечить потребность всего населения Земли. Так как плотность СЭ по достижении поверхности Земли не превышает 2.35 •106Дж, то практические возможности применения этой энергии пока весьма ограничены.
В незначительном пока количестве СЭ преобразуется и поставляется потребителям с помощью специальных преобразователей в основном в теплоту и электричество. Принципиально в перспективе можно использовать солнечный парус как преобразователь солнечной энергии в механическую.
Механическая энергия(МЭ). Это исторически наиболее известный и используемый вид традиционной энергии. МЭ обычно является конечным результатом преобразований различных других видов энергии, в том числе и в транспорте. На практике использование МЭ связано с понятиями силы и работы, точнее энергия выражается через работу, которая определяется, в свою очередь через векторное произведение действующей на предмет силы, как потенциала энергии, и через перемещение этого предмета в направлении действия силы, как координаты. Математическая формула работы(энергии) в дифференциальном виде записывается как скалярное произведение векторов действующей силы P и элементарного перемещения dr:
dL = P • dr = P cosαds,
где r - радиус-вектор; α –угол между векторами Р и dr.
Работа, совершаемая силой на участке пути, определяется интегралом:
L =
Pcosαds, Дж
Работа, совершаемая при вращательном движении, определяется интегралом произведения момента М силы Р как потенциала и углом поворота d
как координаты:
L =
Мd
, Н•м,
где М = Ph; P – действующая сила; h – плечо действия силы.
Как уже было отмечено, по форме энергия подразделяется на энергию полную Еп и включаемые в неё кинетическую Ек, потенциальную Еп и внутреннюю Ев. При получении, преобразовании механической энергии полная энергия, в соответствии с законом сохранения механической энергии, равна сумме кинетической и потенциальной энергий: Еп = Ек + Еп = const.
Кинетическая энергия, как энергия движения, при поступательном движении(cosα = 1) определяется как интеграл:
Ек = 
dL = Pds = mads = (madv/dt)vdt = mvdv = mv2 /2,
где m – масса; v – линейная скорость; a – линейное ускорение движущегося тела.
При вращательном движении кинетическая энергия вращающегося тела определяется, в отличие от поступательно движущегося тела, не через работу перемещающейся массы, а через работу момента инерции вращающегося тела I, играющего в этом случае роль массы, и не через линейную скорость перемещения тела, а через угловую скорость вращения тела u, т.е. Ек = Iu2/2.
Если тело участвует одновременно в поступательном и вращательном движениях, то его кинетическая энергия определяется как сумма
Ек = mv2 /2 + Iu2/2
Потенциальная(или взаимная) энергия (ПЭ) Еп – это энергия, которая определяется только взаимным расположением взаимодействующих между собой материальных тел, точек. В механике ПЭ определяется взаимным расположением тел относительно друг друга и упругой деформацией. При определении ПЭ отдельного тела или группы взаимодействующих тел точка(начало) отсчёта выбирается произвольно, так как в любом действии измерить абсолютную величину ПЭ невозможно, измеряется только величина изменения ПЭ. Поэтому работа ПЭ должна определяться в каждом конкретном случае механического движения или взаимодействия, например, движение под действием силы тяжести, силы упругости, ядерных сил и т.д. ПЭ не зависит от траектории движении, взаимодействия тел.
|
|
|
Так работа материального тела при действии силы тяжести равна разности конечной потенциальной энергии Еп2 и начальной потенциальной энергии Еп1. Полученная при этом работа определяется в соответствии с теоремой о потенциальной энергии как
dL = - dE или L = -(Еп2 - Еп1 )
Тепловая энергия(ТЭ), не смотря на то, чтоиспользуется человечеством тысячелетиями, не может считаться достаточно изученной, судя по тем проблемам, которые возникают в процессе интенсификации эксплуатации современной тепловой техники, расширения объёмов производимой тепловой энергии и связанных с ней технологических процессов, машин, получения других видов энергии и т.д. Результаты и прогнозные оценки использования этого вида энергии в настоящее время показывают, что традиционная глобальная ориентация на ТЭ как основу мировой энергетики уже становится опасной, а в некоторых случаях и недопустимой. Поэтому более глубокое теоретическое изучение и опытная реализация принципиально новых решений в области ТЭ в настоящее время является одной из наиболее актуальных прежде всего научно-технических задач.
Понятие о мощности N - это работа, произведенная в единицу времени, определяется как N = dL/dt = Pv при поступательном движении и N = Mu при вращательном движении, следовательно, одну и ту же мощность можно получить, варьируя силой P и линейной скоростью v или моментом инерции M и угловой скоростью единица измерения мощности – Вт.
|
|
|
Теоретической основой ТЭ является теплотехника, включающая в качестве подразделов термодинамику, теорию тепломассообмена, теоретические основы современных преобразователей теплоты.
Термодинамика, базирующаяся на своих трёх началах, рассматривает теоретически в упрощённом виде основные тепловые процессы и обратимые термодинамические циклы, описываемые этими процессами в различных машинах. Однако существует и термодинамика необратимых(реальных) процессов(циклов), позволяющая более точно анализировать и разрабатывать уточнённые математические модели реальных процессов(циклов) преобразования теплоты в работу, т.е. создавать инструмент для корректных расчётов и конструирования двигателей, теплоэнергетических установок, теплотехнического оборудования и др.
В нашем случае рассматривается только элементарная термодинамика обратимых процессов, базирующаяся, как было сказано, на следующих основных законах и положениях.
Основным уравнением, характеризующим условия протекания термодинамических процессов, является уравнение состояния идеального газа Менделеева- Клапейрона:
рV = mRT,
устанавливающее связь между давлением р, температурой Т, объёмом V газов и позволяющее описать поведение газа при изменениях p, T, V газа.
Основными законами термодинамики являются:
Первое начало термодинамики, представляющее всеобщий закон сохранения энергии применительно к тепловым процессам и системам, которое имеет вид:
?U = Q + L,
когда работа внешних сил совершается над системой, то изменение внутренней энергии?U тела равно сумме количества теплоты Q, сообщённого телу, и работы этих внешних L, приложенных к телу.
Если же само тело совершает работу над внешними силами, например двигатель, то первое начало записывается как:
Q =?U + L',
т.е. для того, чтобы совершить работу, телу необходимо вначале сообщить энергию Q, которая и будет израсходована в процессе совершения работы на изменение внутренней энергии?U этого тела и работу L' над оказывающей воздействие на тело внешней средой.
Таким образом, Q – количество теплоты;?U – изменение или приращение внутренней энергии; L – работа внешних сил над системой; L' – работа самой системы над внешними воздействиями. При этом L = - L' = - р?V.
U – внутренняя энергия тела, характеризующаяся суммарной кинетической и потенциальной энергией составляющих это тело элементарных частиц. Так как в термодинамике нас интересуют в основном пар, газы, парогазы, которые являются рабочими телами практически всех современных энергетических установок, то U – это единая энергия всех взаимодействующих и находящихся в соответствующем молекулярно-атомарном энергетическом состоянии частиц этого рабочего тела.
В рамках первого начала термодинамики рассматриваются 5 базовых процесса, непосредственно определяющие отношение между указанными энергетическими характеристиками Q,?U, L'(L).
Адиабатический процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. В этом случае: Q = О; тогда?U = L'(L).
Изотермический процесс(закон Бойля-Мариотта), протекающий при постоянной температуре Т = const. Изменения внутренней энергии не будет, т.е.?U = О; тогда Q = L.
Изохорический процесс(закон Шарля), протекающий при постоянном объёме?V = const. Здесь механическая работа не может совершаться, так как нет изменения объёма, т.е. L' = О. Следовательно, количество подведенной теплоты идёт только на повышение внутренней энергии тела, т.е. Q =?U.
Изобарический процесс(закон Гей-Люссака), протекающий при постоянном давлении р = const. При этом процессе рабочее тело одновременно нагревается, если Q > О, т.е. когда теплота подводится к рабочему телу, и совершает работу расширения
L' = р?V. Следовательно для изобарического процесса, совершающего работу над внешней средой, Q =?U + L'.
Политропический процесс как обобщённый процесс, из которого могут быть математически получены как частные все 4 указанные выше процесса. Именно этот процесс прежде всего используется при изучении реальных рабочих процессов и циклов.
Второе начало термодинамики.
Так как первое начало термодинамики не позволяет определить направление протекания тепловых процессов и, следовательно, исключить возможность создания вечного двигателя, то Р.Клаузиусом было сформулировано второе начало термодинамики, из которого вытекает, что невозможны процессы, единственным результатом которых будет:
· превращение всего количества тепла, полученного от горячего источника, в эквивалентное количество работы и
· передача тепла от холодного источника к горячему без затраты на это работы.
Второе начало термодинамики оперирует уже понятием необратимости физических процессов, введя принципиальные отличия в формах передачи энергии тепловым и механическим путём. ТЭ, как форма неупорядоченного движения, не может без остатка переходить в упорядоченное движение, например, механическое. Это значит, что все тепловые процессы необратимы по своей природе, т.е. в них изначально заложено несовершенство с позиций эффективного использования энергии.
Механическая же энергия, как представляющая собой упорядоченное движение тел, частиц, может полностью переходить в работу и в неупорядоченную форму движения – теплоту.
Введя в обращение понятие необратимости процессов, Р.Клаузиус ввёл в термодинамику функцию состояния системы в виде отношения количества теплоты, сообщаемого системе к температуре, при которой осуществляется подвод этой теплоты, дав этой функции название ЭНТРОПИЯ, или S = Q/T. В элементарных процессах энтропия представляет собой полный дифференциал dS. В зависимости от знака dS > О или dS < О определяется соответственно характер протекающего теплового процесса – соответственно подвод или отвод теплоты.
Энтропия характеризует также степень совершенства реализуемых термодинамических процессов. S = О соответствует обратимым процессам, т.е. без потерь. При S > О протекают необратимые процессы, при которых утрачивается часть подводимой теплоты, которую можно было бы использовать для получения работы.
Третье начало термодинамики сформулирован как принцип Нернста: при любом изотермическом процессе, протекающем при абсолютном нуле, изменение энтропии системы равно нулю, т.е. в этом случае изотермический процесс одновременно является и изоэнтропийным, адиабатическим.
На основании третьего начала сформулирован также принцип недостижимости абсолютного нуля температуры Т = ОоК.
Принцип Нернста, развитый и сформулированный Планком как предположение(гипотеза) при Т = ОоК энтропия So = О, позволяет определять абсолютное значение энтропии системы в произвольном равновесном состоянии.
Получение, транспортировка, передача, использование теплоты невозможны без понимания процессов, протекающих в рабочих телах, являющихся одновременно теплоносителями, имеющими определённую массу, процессов взаимодействия рабочего тела с тепловоспринимающими, теплоотдающими поверхностями, т.е. процессов теплоотдачи, теплопередачи. Эти процессы систематизированы и теоретически описаны в виде упрощённых линейных зависимостей в теории тепломассообмена.
В термодинамике на основании указанных законов констатируются условия преобразования, значения преобразуемой(преобразованной) энергии. Теория тепломассообмена позволяет описывать процессы энерготепломассо-переноса различными материальными энергоносителями. Процессы тепломассообмена являются основой для описания реальных рабочих процессов, на основании которых могут быть осуществлены, следовательно, расчёт и проектирование систем преобразования энергии. Фактически теория тепломассообмена и термодинамика необратимых процессов и являются теоретической основой при оптимизации рабочих процессов энергетического оборудования.
Количественной характеристикой процессов энерготепломассопереноса является обобщённая, справедливая для любых физических процессов зависимость
dL = ПdK,
где П – потенциал, а К – обобщённая координата протекающего процесса.
В частности, для интересующих нас тепловых процессов указанная зависимость представляется как известное соотношение второго начала термодинамики dQ = TdS, где Q и T соответственно потенциал и координата.
Основными процессами в теории тепломассообмена являются процессы: теплопроводность, конвективный тепломассообмен, теплообмен излучением.
Химическая энергия(ХЭ). В современной энергетике это в основном энергия сгорания различных горючих в воздухе(кислороде воздуха), чистом кислороде как окислителях и получения соответствующего количества теплоты.
Для химических реакций характерны низкоэффективные по энергии выхода молекулярно-атомарные необратимые эндотермические и экзотермические реакции поглощения или выделения теплоты соответственно. В энергетике имеют место оба типа указанных реакций. Однако преобладающими являются экзотермические реакции, так как именно эти реакции позволяют получать энергию для работы двигателей, энергетических систем и установок, теплоту для промышленности, бытовых нужд и т.д.
