חוק שימור האנרגיה

הפיזיקה המודרנית מכירה סוגים רבים של אנרגיה הקשורה לתנועה או סידור הדדי שונה של מגוון רחב של גופים או חלקיקים חומריים, למשל, לכל גוף נע יש אנרגיה קינטית פרופורציונלית לריבוע מהירותו. אנרגיה זו יכולה להשתנות אם מהירות הגוף עולה או יורדת. לגוף המורם מעל הקרקע יש אנרגיה פוטנציאלית כבידה המשתנה בשלושה שינויים בגובה הגוף.

למטענים חשמליים נייחים שנמצאים במרחק מה זה מזה יש אנרגיה פוטנציאלית אלקטרוסטטית בהתאם לעובדה שלפי חוק קולומב, המטענים מושכים (אם הם בעלי סימנים שונים) או דוחים בכוח ביחס הפוך לריבוע של המרחק ביניהם.

אנרגיה קינטית ופוטנציאלית מוחזקת על ידי מולקולות, אטומים וחלקיקים, מרכיביהם - אלקטרונים, פרוטונים, נויטרונים וכו'. בצורה של עבודה מכנית, בזרימת זרם חשמלי, בהעברת חום, בשינוי המצב הפנימי של גופים, בהתפשטות גלים אלקטרומגנטיים וכו'.

לפני יותר מ-100 שנה, נקבע חוק יסוד בפיזיקה, לפיו אנרגיה אינה יכולה להיעלם או להתעורר יש מאין. היא יכולה לשנות רק מסוג אחד לאחר... חוק זה נקרא חוק שימור האנרגיה.

בעבודותיו של א' איינשטיין, חוק זה מפותח בצורה משמעותית. איינשטיין ביסס את ההחלפה בין אנרגיה ומסה ובכך הרחיב את הפרשנות של חוק שימור האנרגיה, שכיום מקובל לקבוע אותו כחוק שימור האנרגיה והמסה.

בהתאם לתיאוריה של איינשטיין, כל שינוי באנרגיה של הגוף dE קשור לשינוי במסה שלו dm על ידי הנוסחה dE =dmc2, כאשר c היא מהירות האור בוואקום השווה ל-3 x 108 Miss.

מנוסחה זו, במיוחד, עולה שאם כתוצאה מתהליך כלשהו המסה של כל הגופים המעורבים בתהליך יורדת ב-1 גרם, אז האנרגיה שווה ל-9×1013 J, השווה ל-3000 טון של דלק סטנדרטי.

ליחסים אלה יש חשיבות עיקרית בניתוח של טרנספורמציות גרעיניות. ברוב התהליכים המקרוסקופיים, ניתן להזניח את השינוי במסה ולדבר רק על חוק שימור האנרגיה.

הבה נעקוב אחר התמורות האנרגיה על דוגמה קונקרטית כלשהי. שקול את כל שרשרת המרות האנרגיה הנדרשת לייצור חלק כלשהו במחרטה (איור 1). תן לאנרגיה הראשונית 1, שכמותה אנו לוקחים כ-100%, מתקבלת עקב בעירה מלאה של כמות מסוימת של דלק מאובנים. לכן, לדוגמה שלנו, 100% מהאנרגיה הראשונית מוכלת בתוצרי שריפת הדלק, שנמצאים בטמפרטורה גבוהה (כ-2000 K).

תוצרי הבעירה בדוד של תחנת הכוח, כשהם מקוררים, מוותרים על האנרגיה הפנימית שלהם בצורת חום למים ולאדי מים. עם זאת, מסיבות טכניות וכלכליות, לא ניתן לקרר את מוצרי הבעירה לטמפרטורת הסביבה. הם נפלטים דרך הצינור לאטמוספירה בטמפרטורה של כ-400 K, לוקחים איתם חלק מהאנרגיה המקורית. לכן רק 95% מהאנרגיה הראשונית תועבר לאנרגיה הפנימית של אדי המים.

אדי המים המתקבלים ייכנסו לטורבינת הקיטור, שם האנרגיה הפנימית שלה מומרת בתחילה חלקית לאנרגיה קינטית של מיתרי הקיטור, אשר לאחר מכן תועבר כאנרגיה מכנית לרוטור הטורבינה.

ניתן להמיר רק חלק מאנרגיית הקיטור לאנרגיה מכנית. השאר ניתן למי הקירור כאשר קיטור מתעבה בקבל. בדוגמה שלנו, הנחנו שהאנרגיה המועברת לרוטור הטורבינה תהיה כ-38%, מה שמתאים בערך למצב העניינים בתחנות כוח מודרניות.

בעת המרת אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית בשל מה שנקרא הפסדי ג'ול בפיתולי הרוטור והסטטור של הגנרטור יאבדו כ-2% מהאנרגיה. כתוצאה מכך, כ-36% מהאנרגיה הראשונית יכנסו לרשת.

מנוע חשמלי ימיר רק חלק מהאנרגיה החשמלית המסופקת לו לאנרגיה מכנית כדי לסובב את המחרטה. בדוגמה שלנו, כ-9% מהאנרגיה בצורת חום ג'ול בפיתולי המנוע וחום חיכוך במיסבים שלו ישתחררו לאטמוספירה שמסביב.

לפיכך, רק 27% מהאנרגיה הראשונית תועבר לאיברי העבודה של המכונה. אבל גם תקלות האנרגיה לא נגמרות שם. מסתבר שרוב האנרגיה במהלך העיבוד של חלק מושקעת על חיכוך ובצורת חום מוסרת עם הנוזל המקרר את החלק. תיאורטית, רק חלק קטן מאוד (בדוגמה שלנו מניחים 2%) מהאנרגיה הראשונית יספיק כדי להשיג את החלק הרצוי של החלק המקורי.

אורז. 1. תרשים של טרנספורמציות אנרגיה במהלך עיבוד של חומר עבודה על מחרטה: 1 - איבוד אנרגיה עם גזי פליטה, 2 - אנרגיה פנימית של מוצרי בעירה, 3 - אנרגיה פנימית של נוזל העבודה - אדי מים, 4 - חום המשתחרר מהקירור מים במעבה טורבינה, 5 - אנרגיה מכנית של הרוטור של מחולל טורבינה, 6 - הפסדים בגנרטור החשמלי, 7 - פסולת בהנעה החשמלית של המכונה, 8 - אנרגיה מכנית של סיבוב המכונה, 9 - חיכוך עבודה, המומרת לחום, מופרדת מהנוזל, חלק הקירור, 10 - הגדלת האנרגיה הפנימית של החלק והשבבים לאחר עיבוד ...

ניתן להסיק לפחות שלוש מסקנות שימושיות מאוד מהדוגמה הנבדקת, אם היא נחשבת אופיינית למדי.

ראשית, בכל שלב של המרת האנרגיה חלק ממנה הולך לאיבוד... אין להבין אמירה זו כהפרה של חוק שימור האנרגיה. זה הולך לאיבוד בגלל האפקט השימושי שעבורו מתבצעת השינוי המתאים. כמות האנרגיה הכוללת לאחר ההמרה נשארת ללא שינוי.

אם תהליך המרת האנרגיה והעברת האנרגיה מתרחש במכונה או מכשיר מסוים, אז היעילות של מכשיר זה מאופיינת בדרך כלל ביעילות (יעילות)... תרשים של מכשיר כזה מוצג באיור. 2.

אורז. 2. תכנית לקביעת יעילות מכשיר הממיר אנרגיה.

באמצעות הסימון המוצג באיור, ניתן להגדיר את היעילות כיעילות = Epol/Epod

ברור שבמקרה הזה, בהתבסס על חוק שימור האנרגיה, חייב להיות אפוד = אפול + אפוט

לכן, ניתן לכתוב את היעילות גם כך: יעילות = 1 — (Epot / Epol)

אם נחזור לדוגמה המוצגת באיור. 1, אנו יכולים לומר שיעילות הדוד היא 95%, היעילות של המרת האנרגיה הפנימית של הקיטור לעבודה מכנית היא 40%, היעילות של הגנרטור החשמלי היא 95%, היעילות היא - ההנעה החשמלית של מכונה - 75%, והיעילות של העיבוד בפועל של חומר העבודה היא כ -7%.

בעבר, כשחוקי שינוי האנרגיה עדיין לא היו ידועים, חלומם של אנשים היה ליצור מה שנקרא מכונת תנועה תמידית - מכשיר שיעשה עבודה מועילה מבלי לבזבז אנרגיה. מנוע היפותטי כזה, שקיומו יפר את חוק שימור האנרגיה, נקרא היום מכונת תנועה מתמדת מהסוג הראשון, בניגוד למכונת תנועה מתמדת מהסוג השני, כיום, כמובן, אף אחד לא לוקח ברצינות את האפשרות ליצור מכונת תנועה מתמדת מהסוג הראשון.

שנית, כל הפסדי האנרגיה מומרים בסופו של דבר לחום, המשתחרר לאוויר האטמוספרי או למים ממאגרים טבעיים.

שלישית, אנשים בסופו של דבר משתמשים רק בחלק קטן מהאנרגיה הראשונית המושקעת כדי להשיג את ההשפעה המיטיבה הרלוונטית.

זה בולט במיוחד כאשר מסתכלים על עלויות הובלת אנרגיה. במכניקה אידיאלית, שאינה מתחשבת בכוחות חיכוך, עומסים הנעים במישור האופקי אינם דורשים אנרגיה.

בתנאים אמיתיים, כל האנרגיה שצורך רכב משמשת להתגברות על כוחות חיכוך וכוחות התנגדות אוויר, כלומר, בסופו של דבר, כל האנרגיה הנצרכת בהובלה מומרת לחום. בהקשר זה, הנתונים הבאים מעניינים, המאפיינים את העבודה של העברת 1 טון מטען למרחק של 1 ק"מ עם סוגים שונים של תחבורה: מטוס — 7.6 קילו-וואט / (ט-ק"מ), מכונית - 0.51 קילוואט-שעה / ( t- ק"מ), רכבת-0.12 קילוואט / (ט-ק"מ).

לפיכך, ניתן להשיג את אותה השפעה מועילה עם הובלה אווירית על חשבון צריכת אנרגיה גדולה פי 60 מאשר עם רכבת. כמובן שצריכת אנרגיה גבוהה מעניקה חיסכון משמעותי בזמן, אך גם באותה מהירות (רכב ורכבת), עלויות האנרגיה נבדלות פי 4.

דוגמה זו מעידה על כך שלעתים קרובות אנשים עושים פשרות עם יעילות אנרגטית על מנת להשיג מטרות אחרות, למשל נוחות, מהירות וכו'. ככלל, היעילות האנרגטית של התהליך עצמו מעניינת אותנו מעט - הטכנית הכללית והכללית. הערכות כלכליות של יעילות תהליכים חשובות... אך ככל שמחירם של רכיבי אנרגיה ראשוניים עולה, מרכיב האנרגיה בהערכות טכניות וכלכליות הופך חשוב יותר ויותר.