Enerji korunumu yasası

Modern fizik, çok çeşitli maddi cisimlerin veya parçacıkların hareketi veya farklı karşılıklı düzenlemesi ile ilişkili birçok enerji türünü bilir; örneğin, hareket eden herhangi bir cisim, hızının karesiyle orantılı kinetik enerjiye sahiptir. Bu enerji, vücudun hızı artarsa ​​veya azalırsa değişebilir. Yerden yukarı kaldırılmış bir cisim, vücudun yüksekliğindeki üç değişiklikte değişen bir yerçekimi potansiyel enerjisine sahiptir.

Birbirlerinden biraz uzakta olan durağan elektrik yükleri, Coulomb yasasına göre yüklerin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle ya çekmeleri (eğer farklı işaretlerdeyseler) ya da itmeleri gerçeğine uygun olarak bir elektrostatik potansiyel enerjiye sahiptir. aralarındaki mesafe.

Kinetik ve potansiyel enerjiye moleküller, atomlar ve parçacıklar, bunların bileşenleri - elektronlar, protonlar, nötronlar vb. sahiptir. mekanik iş biçiminde, elektrik akımı akışında, ısı transferinde, cisimlerin iç durumlarının değişmesinde, elektromanyetik dalgaların yayılmasında vb.

100 yıldan fazla bir süre önce, enerjinin yok olamayacağını veya yoktan var olamayacağını söyleyen temel bir fizik yasası oluşturuldu. Sadece bir türden diğerine değişebilir…. Bu yasaya enerjinin korunumu yasası denir.

A. Einstein'ın çalışmalarında bu yasa önemli ölçüde geliştirilmiştir. Einstein, enerji ve kütlenin birbirinin yerine geçebilirliğini ortaya koydu ve böylece, günümüzde yaygın olarak enerjinin ve kütlenin korunumu yasası olarak ifade edilen enerjinin korunumu yasasının yorumunu genişletti.

Einstein'ın teorisine göre, vücudun enerji dE'sindeki herhangi bir değişiklik, dE =dmc2 formülüyle kütlesindeki bir değişiklikle ilişkilidir; burada c, 3 x 108 Miss'e eşit bir boşluktaki ışık hızıdır.

Bu formülden, özellikle, bir sürecin sonucu olarak, sürece dahil olan tüm cisimlerin kütlesi 1 g azalırsa, o zaman enerjinin 9 × 1013 J'ye eşit olduğu ve bu da 3000 tona eşdeğer olduğu sonucu çıkar. standart yakıt.

Bu oranlar, nükleer dönüşümlerin analizinde birincil öneme sahiptir. Çoğu makroskobik süreçte, kütledeki değişim ihmal edilebilir ve yalnızca enerjinin korunumu yasasından söz edilebilir.

Somut bir örnek üzerinde enerjinin dönüşümlerini izleyelim. Bir torna tezgahında herhangi bir parçayı üretmek için gereken tüm enerji dönüşüm zincirini göz önünde bulundurun (Şekil 1). Miktarını %100 olarak aldığımız başlangıç ​​enerjisi 1, fosil yakıtın belirli bir miktarının tamamen yanması nedeniyle elde edilsin. Bu nedenle, örneğimiz için, başlangıç ​​enerjisinin %100'ü, yüksek (yaklaşık 2000 K) sıcaklıktaki yakıt yanma ürünlerinde bulunur.

Santralin kazanındaki yanma ürünleri soğutulduklarında iç enerjilerini ısı şeklinde su ve su buharına verirler. Ancak teknik ve ekonomik nedenlerle yanma ürünleri ortam sıcaklığına soğutulamaz. Tüpten atmosfere yaklaşık 400 K sıcaklıkta atılırlar ve yanlarında orijinal enerjinin bir kısmını alırlar. Bu nedenle başlangıç ​​enerjisinin sadece %95'i su buharının iç enerjisine aktarılacaktır.

Ortaya çıkan su buharı buhar türbinine girecek ve burada iç enerjisi başlangıçta kısmen buhar dizilerinin kinetik enerjisine dönüştürülecek ve bu daha sonra mekanik enerji olarak türbin rotoruna iletilecektir.

Buhar enerjisinin sadece bir kısmı mekanik enerjiye dönüştürülebilir. Geri kalanı, kondenserde buhar yoğuşturulduğunda soğutma suyuna verilir. Örneğimizde, türbin rotoruna aktarılan enerjinin yaklaşık %38 olacağını varsaydık, bu da kabaca modern enerji santrallerindeki duruma karşılık geliyor.

Sözde nedeniyle mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürken Jeneratörün rotor ve stator sargılarındaki joule kayıpları enerjinin yaklaşık %2'sini kaybedecektir. Sonuç olarak, ilk enerjinin yaklaşık %36'sı şebekeye gidecektir.

Bir elektrik motoru, torna tezgahını döndürmek için kendisine sağlanan elektrik enerjisinin yalnızca bir kısmını mekanik enerjiye dönüştürecektir. Örneğimizde, motor sargılarındaki Joule ısısı ve yataklarındaki sürtünme ısısı şeklindeki enerjinin yaklaşık %9'u çevreleyen atmosfere salınacaktır.

Böylece başlangıçtaki enerjinin sadece %27'si makinenin çalışan organlarına iletilmiş olacaktır. Ancak enerji aksilikleri burada da bitmiyor. Bir parçanın işlenmesi sırasında enerjinin çoğunun sürtünmeye harcandığı ve parçayı soğutan sıvı ile ısı şeklinde uzaklaştırıldığı ortaya çıktı. Teorik olarak, orijinal parçanın istenen kısmını elde etmek için başlangıç ​​enerjisinin yalnızca çok küçük bir kısmı (bizim örneğimizde %2 varsayılmıştır) yeterli olacaktır.

Pirinç. 1. Bir iş parçasının torna tezgahında işlenmesi sırasında enerji dönüşümlerinin şeması: 1 - egzoz gazlarıyla enerji kaybı, 2 - yanma ürünlerinin iç enerjisi, 3 - çalışma sıvısının iç enerjisi - su buharı, 4 - soğutmadan salınan ısı türbin kondansatöründeki su, 5 — türbin jeneratörünün rotorunun mekanik enerjisi, 6 — elektrik jeneratöründeki kayıplar, 7 — makinenin elektrik tahrikindeki atık, 8 — makinenin dönme mekanik enerjisi, 9 — sürtünme Isıya dönüştürülen iş, sıvıdan ayrılan kısım, soğuyan kısım, 10 — işlendikten sonra parçanın ve talaşların iç enerjisini artıran...

Oldukça tipik kabul edilirse, incelenen örnekten en az üç çok yararlı sonuç çıkarılabilir.

Birincisi, enerji dönüşümünün her adımında bir kısmı kaybolur... Bu ifade, enerjinin korunumu yasasının ihlali olarak anlaşılmamalıdır. Karşılık gelen dönüşümün gerçekleştirildiği yararlı etki nedeniyle kaybolur. Dönüşümden sonraki toplam enerji miktarı değişmeden kalır.

Enerji dönüştürme ve aktarma işlemi belirli bir makine veya aparatta gerçekleşiyorsa, bu cihazın verimliliği genellikle verimlilikle karakterize edilir (verimlilik)... Böyle bir cihazın bir diyagramı, Şek. 2.

Pirinç. 2. Enerjiyi dönüştüren bir cihazın verimliliğini belirleme şeması.

Şekilde gösterilen notasyonu kullanarak verimlilik, Verimlilik = Epol/Epod olarak tanımlanabilir.

Bu durumda enerjinin korunumu yasasına göre Epod = Epol + Epot olması gerektiği açıktır.

Dolayısıyla verim şu şekilde de yazılabilir: verim = 1 — (Epot / Epol)

ŞEKİL l'de gösterilen örneğe geri dönersek; 1, kazanın veriminin %95 olduğunu, buharın iç enerjisini mekanik işe dönüştürme verimliliğinin %40 olduğunu, elektrik jeneratörünün veriminin %95 olduğunu söyleyebiliriz, verim - bir elektrik tahriki makine — %75 ve iş parçasının gerçek işleme verimliliği yaklaşık %7'dir.

Geçmişte, enerji dönüşümü yasaları henüz bilinmezken, insanların hayali, enerji harcamadan yararlı işler yapacak bir cihaz olan sürekli hareket makinesi yaratmaktı. Varlığı enerjinin korunumu yasasını ihlal edecek böyle varsayımsal bir motora, ikinci tür sürekli hareket makinesi yerine bugün birinci tür sürekli hareket makinesi denir. ciddi olarak birinci türden bir sürekli hareket makinesi yaratma olasılığı.

İkinci olarak, tüm enerji kayıpları nihayetinde ısıya dönüştürülür ve bu ısı ya atmosferik havaya ya da doğal rezervuarlardan suya salınır.

Üçüncüsü, insanlar ilgili yararlı etkiyi elde etmek için harcanan birincil enerjinin yalnızca küçük bir kısmını kullanır.

Bu, özellikle enerji taşıma maliyetlerine bakıldığında belirgindir. Sürtünme kuvvetlerini dikkate almayan idealleştirilmiş mekanikte, yatay düzlemde hareket eden yükler enerji gerektirmez.

Gerçek koşullarda, bir araç tarafından tüketilen tüm enerji, sürtünme kuvvetlerinin ve hava direnci kuvvetlerinin üstesinden gelmek için kullanılır, yani sonuçta ulaşımda tüketilen tüm enerji ısıya dönüştürülür. Bu bağlamda, 1 ton yükü farklı taşıma türleriyle 1 km mesafeye taşıma işini karakterize eden aşağıdaki rakamlar ilginçtir: uçak - 7,6 kWh / (t-km), araba - 0,51 kWh / ( t- km) , tren-0,12 kWh / (t-km).

Böylece, aynı faydalı etki, demiryoluna göre 60 kat daha fazla enerji tüketimi pahasına hava taşımacılığında da elde edilebilir. Tabii ki, yüksek enerji tüketimi önemli ölçüde zaman tasarrufu sağlar, ancak aynı hızda (araba ve tren) bile enerji maliyetleri 4 kat farklılık gösterir.

Bu örnek, insanların örneğin konfor, hız vb. gibi diğer hedeflere ulaşmak için genellikle enerji verimliliği ile takas yaptıklarını göstermektedir. Kural olarak, sürecin kendisinin enerji verimliliği - genel teknik ve süreçlerin verimliliğinin ekonomik değerlendirmeleri önemlidir... Ancak birincil enerji bileşenlerinin fiyatı arttıkça, teknik ve ekonomik değerlendirmelerde enerji bileşeni giderek daha fazla önem kazanmaktadır.