قانون حفظ الطاقة

تعرف الفيزياء الحديثة العديد من أنواع الطاقة المرتبطة بالحركة أو الترتيب المتبادل المختلف لمجموعة متنوعة من الأجسام أو الجسيمات المادية ، على سبيل المثال ، أي جسم متحرك لديه طاقة حركية تتناسب مع مربع سرعته. يمكن أن تتغير هذه الطاقة إذا زادت سرعة الجسم أو انخفضت. يمتلك الجسم المرتفع فوق الأرض طاقة وضع جاذبية متفاوتة ثلاثة تغيرات في ارتفاع الجسم.

تمتلك الشحنات الكهربائية الثابتة التي تكون على مسافة من بعضها البعض طاقة كامنة كهروستاتيكية وفقًا لحقيقة أنه وفقًا لقانون كولوم ، فإن الشحنات إما تجتذب (إذا كانت من علامات مختلفة) أو تتنافر بقوة تتناسب عكسياً مع مربع المسافة بينهما.

تمتلك الجزيئات والذرات والجسيمات الطاقة الحركية والوضعية ، ومكوناتها - الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات ، إلخ. في شكل عمل ميكانيكي ، في تدفق التيار الكهربائي ، في نقل الحرارة ، في تغيير الحالة الداخلية للأجسام ، في انتشار الموجات الكهرومغناطيسية ، إلخ.

منذ أكثر من 100 عام ، تم وضع قانون أساسي للفيزياء ، والذي بموجبه لا يمكن أن تختفي الطاقة أو تنشأ من لا شيء. يمكنها فقط التغيير من نوع إلى آخر…. يسمى هذا القانون قانون حفظ الطاقة.

في أعمال أ. أينشتاين ، تم تطوير هذا القانون بشكل كبير. أسس أينشتاين قابلية تبادل الطاقة والكتلة وبالتالي وسع تفسير قانون الحفاظ على الطاقة ، والذي يُشار إليه الآن على أنه قانون الحفاظ على الطاقة والكتلة.

وفقًا لنظرية أينشتاين ، فإن أي تغيير في طاقة الجسم dE يرتبط بتغيير في كتلته dm بواسطة الصيغة dE = dmc2 ، حيث c هي سرعة الضوء في الفراغ تساوي 3 x 108 Miss.

من هذه الصيغة ، على وجه الخصوص ، يترتب على ذلك أنه نتيجة لبعض العمليات ، انخفضت كتلة جميع الهيئات المشاركة في العملية بمقدار 1 جم ، فإن الطاقة تساوي 9 × 1013 جول ، أي ما يعادل 3000 طن من وقود قياسي.

هذه النسب لها أهمية أساسية في تحليل التحولات النووية. في معظم العمليات العيانية ، يمكن إهمال التغيير في الكتلة ويمكن التحدث عن قانون الحفاظ على الطاقة فقط.

دعونا نتتبع تحولات الطاقة من خلال بعض الأمثلة الملموسة. ضع في اعتبارك السلسلة الكاملة لتحويلات الطاقة المطلوبة لإنتاج أي جزء على مخرطة (الشكل 1). دع الطاقة الأولية 1 ، الكمية التي نأخذها بنسبة 100٪ ، يتم الحصول عليها بسبب الاحتراق الكامل لكمية معينة من الوقود الأحفوري. لذلك ، على سبيل المثال ، يتم احتواء 100٪ من الطاقة الأولية في منتجات احتراق الوقود ، والتي تكون عند درجة حرارة عالية (حوالي 2000 كلفن).

منتجات الاحتراق في غلاية محطة توليد الكهرباء ، عند تبريدها ، تتخلى عن طاقتها الداخلية على شكل حرارة إلى ماء وبخار ماء. ومع ذلك ، لأسباب فنية واقتصادية ، لا يمكن تبريد منتجات الاحتراق إلى درجة الحرارة المحيطة. يتم إخراجها من خلال الأنبوب إلى الغلاف الجوي عند درجة حرارة حوالي 400 كلفن ، آخذة معها بعض الطاقة الأصلية. لذلك ، سيتم تحويل 95٪ فقط من الطاقة الأولية إلى الطاقة الداخلية لبخار الماء.

يدخل بخار الماء الناتج إلى التوربين البخاري ، حيث يتم تحويل طاقته الداخلية جزئيًا في البداية إلى طاقة حركية للأوتار البخارية ، والتي ستنتقل بعد ذلك كطاقة ميكانيكية إلى دوار التوربين.

يمكن تحويل جزء فقط من طاقة البخار إلى طاقة ميكانيكية. يتم إعطاء الباقي لمياه التبريد عند تكثيف البخار في المكثف. في مثالنا ، افترضنا أن الطاقة المنقولة إلى دوار التوربين ستكون حوالي 38٪ ، وهو ما يتوافق تقريبًا مع الوضع في محطات الطاقة الحديثة.

عند تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية يرجع ذلك إلى ما يسمى ستفقد خسائر الجول في اللفات الدوارة والجزء الثابت للمولد حوالي 2 ٪ من الطاقة. نتيجة لذلك ، سيذهب حوالي 36 ٪ من الطاقة الأولية إلى الشبكة.

سيحول المحرك الكهربائي جزءًا فقط من الطاقة الكهربائية الموردة له إلى طاقة ميكانيكية لتدوير المخرطة. في مثالنا ، سيتم إطلاق حوالي 9٪ من الطاقة على شكل حرارة جول في لفائف المحرك والحرارة الاحتكاكية في محاملها في الغلاف الجوي المحيط.

وبالتالي ، فإن 27٪ فقط من الطاقة الأولية سوف يتم توصيلها إلى الأجهزة العاملة بالماكينة. لكن حوادث الطاقة المؤسفة لا تنتهي عند هذا الحد أيضًا. اتضح أن معظم الطاقة أثناء معالجة جزء ما يتم إنفاقها على الاحتكاك وفي شكل حرارة يتم إزالتها مع السائل الذي يبرد الجزء. من الناحية النظرية ، فإن جزءًا صغيرًا جدًا (في مثالنا ، يفترض 2٪) من الطاقة الأولية سيكون كافيًا للحصول على الجزء المطلوب من الجزء الأصلي.

أرز. 1. رسم تخطيطي لتحولات الطاقة أثناء معالجة قطعة العمل على مخرطة: 1 - فقد الطاقة بغازات العادم ، 2 - الطاقة الداخلية لمنتجات الاحتراق ، 3 - الطاقة الداخلية لسائل العمل - بخار الماء ، 4 - الحرارة المنبعثة من التبريد الماء في مكثف التوربينات ، 5 - الطاقة الميكانيكية لدوار مولد التوربينات ، 6 - الخسائر في المولد الكهربائي ، 7 - الهدر في المحرك الكهربائي للآلة ، 8 - الطاقة الميكانيكية لدوران الآلة ، 9 - الاحتكاك العمل ، الذي يتم تحويله إلى حرارة ، منفصل عن السائل ، جزء التبريد ، 10 - زيادة الطاقة الداخلية للجزء والرقائق بعد المعالجة ...

يمكن استخلاص ثلاثة استنتاجات مفيدة للغاية على الأقل من المثال قيد الدراسة ، إذا تم اعتباره نموذجيًا إلى حد ما.

أولاً ، في كل خطوة من خطوات تحويل الطاقة يتم فقد جزء منها ... لا ينبغي فهم هذا البيان على أنه انتهاك لقانون الحفاظ على الطاقة. يتم فقده بسبب التأثير المفيد الذي يتم من أجله إجراء التحويل المقابل. يظل إجمالي كمية الطاقة بعد التحويل دون تغيير.

إذا حدثت عملية تحويل الطاقة ونقلها في آلة أو جهاز معين ، فإن كفاءة هذا الجهاز عادة ما تتميز بالكفاءة (الكفاءة) ... يظهر رسم تخطيطي لمثل هذا الجهاز في الشكل. 2.

أرز. 2. مخطط لتحديد كفاءة الجهاز الذي يحول الطاقة.

باستخدام الترميز الموضح في الشكل ، يمكن تعريف الكفاءة على أنها Efficiency = Epol / Epod

من الواضح أنه في هذه الحالة ، بناءً على قانون الحفاظ على الطاقة ، يجب أن يكون هناك Epod = Epol + Epot

لذلك ، يمكن أيضًا كتابة الكفاءة على النحو التالي: الكفاءة = 1 - (Epot / Epol)

العودة إلى المثال الموضح في FIG. 1 ، يمكننا القول أن كفاءة المرجل 95٪ ، وكفاءة تحويل الطاقة الداخلية للبخار إلى عمل ميكانيكي 40٪ ، وكفاءة المولد الكهربائي 95٪ ، والكفاءة هي - المحرك الكهربائي لـ a الآلة - 75٪ ، وكفاءة المعالجة الفعلية لقطع العمل حوالي 7٪.

في الماضي ، عندما لم تكن قوانين تحويل الطاقة معروفة بعد ، كان حلم الناس هو إنشاء ما يسمى بآلة الحركة الدائمة - جهاز يقوم بعمل مفيد دون إنفاق الطاقة. مثل هذا المحرك الافتراضي ، الذي ينتهك وجوده قانون الحفاظ على الطاقة ، يسمى اليوم آلة الحركة الدائمة من النوع الأول ، على عكس آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني. اليوم ، بالطبع ، لا أحد يأخذ بجدية إمكانية إنشاء آلة الحركة الدائمة من النوع الأول.

ثانيًا ، يتم تحويل كل الطاقة المفقودة في النهاية إلى حرارة ، والتي يتم إطلاقها إما إلى الهواء الجوي أو إلى الماء من الخزانات الطبيعية.

ثالثًا ، ينتهي الأمر بالناس باستخدام جزء صغير فقط من الطاقة الأولية التي يتم إنفاقها للحصول على التأثير المفيد ذي الصلة.

هذا واضح بشكل خاص عند النظر إلى تكاليف نقل الطاقة. في الميكانيكا المثالية ، التي لا تأخذ في الاعتبار قوى الاحتكاك ، لا تتطلب الأحمال المتحركة في المستوى الأفقي طاقة.

في الظروف الواقعية ، تُستخدم كل الطاقة التي تستهلكها السيارة للتغلب على قوى الاحتكاك وقوى مقاومة الهواء ، أي في النهاية ، يتم تحويل كل الطاقة المستهلكة في النقل إلى حرارة. في هذا الصدد ، تعتبر الأرقام التالية مثيرة للاهتمام ، حيث تميز عمل نقل 1 طن من البضائع على مسافة كيلومتر واحد بأنواع مختلفة من النقل: طائرة - 7.6 كيلو واط ساعة / (طن - كيلومتر) ، سيارة - 0.51 كيلو واط ساعة / (t- كم) ، قطار 0.12 كيلو واط ساعة / (طن كم).

وبالتالي ، يمكن تحقيق نفس التأثير المفيد من خلال النقل الجوي على حساب استهلاك طاقة أكبر بمقدار 60 مرة مقارنة بالسكك الحديدية. بالطبع ، يوفر الاستهلاك العالي للطاقة توفيرًا كبيرًا للوقت ، ولكن حتى بنفس السرعة (السيارة والقطار) ، تختلف تكاليف الطاقة بمقدار 4 مرات.

يشير هذا المثال إلى أن الأشخاص غالبًا ما يقومون بالمقايضات مع كفاءة الطاقة من أجل تحقيق أهداف أخرى ، على سبيل المثال الراحة والسرعة وما إلى ذلك. وكقاعدة عامة ، فإن كفاءة الطاقة في العملية نفسها لا تهمنا كثيرًا - التقنية العامة و التقييمات الاقتصادية لكفاءة العمليات مهمة ... ولكن مع ارتفاع سعر مكونات الطاقة الأولية ، يصبح عنصر الطاقة في التقييمات الفنية والاقتصادية أكثر أهمية.