Zákon zachování energie

Moderní fyzika zná mnoho druhů energií spojených s pohybem nebo různým vzájemným uspořádáním široké škály hmotných těles nebo částic, například každé pohybující se těleso má kinetickou energii úměrnou druhé mocnině své rychlosti. Tato energie se může změnit, pokud se rychlost těla zvýší nebo sníží. Těleso zvednuté nad zemí má gravitační potenciální energii měnící se ve třech změnách výšky těla.

Stacionární elektrické náboje, které jsou od sebe v určité vzdálenosti, mají elektrostatickou potenciální energii v souladu se skutečností, že podle Coulombova zákona se náboje buď přitahují (pokud jsou různého znaménka), nebo se odpuzují silou nepřímo úměrnou druhé mocnině vzdálenost mezi nimi.

Kinetická a potenciální energie je vlastněna molekulami, atomy a částicemi, jejich složkami — elektrony, protony, neutrony atd. v podobě mechanické práce, v toku elektrického proudu, v přenosu tepla, ve změně vnitřního stavu těles, v šíření elektromagnetických vln atd.

Před více než 100 lety byl stanoven základní fyzikální zákon, podle kterého energie nemůže zaniknout ani vzniknout z ničeho. Může se změnit pouze z jednoho typu na druhý…. Tento zákon se nazývá zákon zachování energie.

V dílech A. Einsteina je tento zákon výrazně rozvinut. Einstein stanovil zaměnitelnost energie a hmoty a tím rozšířil výklad zákona zachování energie, který se dnes běžně uvádí jako zákon zachování energie a hmoty.

V souladu s Einsteinovou teorií každá změna energie dE tělesa souvisí se změnou jeho hmotnosti dm podle vzorce dE =dmc2, kde c je rychlost světla ve vakuu rovna 3 x 108 Miss.

Z tohoto vzorce zejména vyplývá, že pokud se v důsledku nějakého procesu hmotnost všech těles účastnících se procesu sníží o 1 g, pak energie rovna 9×1013 J, což je ekvivalent 3000 tun standardní palivo.

Tyto poměry mají primární význam při analýze jaderných přeměn. U většiny makroskopických procesů lze změnu hmotnosti zanedbat a mluvit pouze o zákonu zachování energie.

Pojďme sledovat transformace energie na nějakém konkrétním příkladu. Uvažujme celý řetězec přeměn energie potřebný k výrobě jakékoli součásti na soustruhu (obr. 1). Nechť počáteční energii 1, jejíž množství bereme jako 100%, získáme úplným spálením určitého množství fosilního paliva. Proto je pro náš příklad 100 % počáteční energie obsaženo v produktech spalování paliva, které mají vysokou (asi 2000 K) teplotu.

Produkty spalování v kotli elektrárny při ochlazení odevzdávají svou vnitřní energii ve formě tepla vodě a vodní páře. Z technických a ekonomických důvodů však nelze zplodiny hoření ochladit na okolní teplotu. Jsou vymrštěny trubicí do atmosféry o teplotě asi 400 K a berou s sebou část původní energie. Tedy pouze 95 % počáteční energie bude převedeno na vnitřní energii vodní páry.

Vzniklá vodní pára bude vstupovat do parní turbíny, kde se její vnitřní energie nejprve částečně přemění na kinetickou energii parních řetězců, která se pak jako mechanická energie přenese na rotor turbíny.

Pouze část energie páry může být přeměněna na mechanickou energii. Zbytek je dán do chladicí vody, když pára kondenzuje v kondenzátoru. V našem příkladu jsme předpokládali, že energie přenesená na rotor turbíny bude asi 38 %, což zhruba odpovídá stavu v moderních elektrárnách.

Při přeměně mechanické energie na elektrickou díky tzv Ztráty joulů ve vinutí rotoru a statoru generátoru ztratí asi 2 % energie. Výsledkem je, že asi 36 % počáteční energie půjde do sítě.

Elektrický motor přemění pouze část elektrické energie, která je mu dodávána, na mechanickou energii pro otáčení soustruhu. V našem příkladu se asi 9 % energie ve formě Jouleova tepla ve vinutí motoru a třecího tepla v jeho ložiscích uvolní do okolní atmosféry.

Pracovním orgánům stroje tak bude dodáno pouze 27 % počáteční energie. Ani tím ale energetické neštěstí nekončí. Ukazuje se, že většina energie při obrábění součásti je vynaložena na tření a ve formě tepla je odváděna s kapalinou, která součást ochlazuje. K získání požadované části původního dílu by teoreticky stačil jen velmi malý zlomek (v našem příkladu se předpokládá 2 %) počáteční energie.

Rýže. 1. Schéma přeměn energie při zpracování obrobku na soustruhu: 1 — ztráta energie výfukovými plyny, 2 — vnitřní energie spalin, 3 — vnitřní energie pracovní tekutiny — vodní pára, 4 — teplo uvolněné z chlazení voda v kondenzátoru turbíny, 5 — mechanická energie rotoru turbínového generátoru, 6 — ztráty v elektrogenerátoru, 7 — odpad v elektrickém pohonu stroje, 8 — mechanická energie otáčení stroje, 9 — třecí práce, která se přemění na teplo, oddělí se od kapaliny, chladící část, 10 — zvýšení vnitřní energie součásti a třísek po zpracování ...

Z uvažovaného příkladu lze vyvodit alespoň tři velmi užitečné závěry, pokud je považován za docela typický.

Za prvé, při každém kroku přeměny energie se něco z ní ztratí... Toto tvrzení nelze chápat jako porušení zákona zachování energie. Ztrácí se kvůli užitečnému účinku, pro který se provádí odpovídající transformace. Celkové množství energie po přeměně zůstává nezměněno.

Pokud proces přeměny a přenosu energie probíhá v určitém stroji nebo přístroji, pak je účinnost tohoto zařízení obvykle charakterizována účinností (účinností)... Schéma takového zařízení je na Obr. 2.

Rýže. 2. Schéma pro stanovení účinnosti zařízení přeměňujícího energii.

Pomocí zápisu znázorněného na obrázku lze účinnost definovat jako Efficiency = Epol/Epod

Je jasné, že v tomto případě na základě zákona zachování energie musí existovat Epod = Epol + Epot

Účinnost lze tedy také zapsat takto: účinnost = 1 — (Epot / Epol)

Vrátíme-li se k příkladu znázorněnému na OBR. 1, můžeme říci, že účinnost kotle je 95 %, účinnost přeměny vnitřní energie páry na mechanickou práci je 40 %, účinnost elektrického generátoru je 95 %, účinnost je — elektrický pohon a. stroj — 75 % a účinnost vlastního zpracování obrobku je asi 7 %.

V minulosti, kdy ještě nebyly známy zákony přeměny energie, bylo snem lidí vytvořit takzvaný perpetum mobile – zařízení, které by dělalo užitečnou práci bez utrácení energie. Takovýto hypotetický motor, jehož existence by porušovala zákon zachování energie, se dnes nazývá perpetum mobile prvního druhu na rozdíl od perpetuum mobile druhého druhu, dnes už samozřejmě nikdo nebere vážně možnost vytvořit perpetum mobile prvního druhu.

Za druhé, všechny energetické ztráty se nakonec přemění na teplo, které se uvolňuje buď do atmosférického vzduchu, nebo do vody z přírodních rezervoárů.

Za třetí, lidé nakonec spotřebovávají pouze malý zlomek primární energie, která je vynaložena na získání příslušného příznivého účinku.

To je zvláště patrné při pohledu na náklady na dopravu energie. V idealizované mechanice, která nebere v úvahu třecí síly, nevyžadují pohybující se zátěže v horizontální rovině žádnou energii.

V reálných podmínkách je veškerá energie spotřebovaná vozidlem využita k překonání třecích sil a sil odporu vzduchu, to znamená, že veškerá energie spotřebovaná při dopravě se přemění na teplo. V tomto ohledu jsou zajímavé následující údaje, charakterizující práci při přesunu 1 tuny nákladu na vzdálenost 1 km s různými druhy dopravy: letadlo — 7,6 kWh / (t-km), auto — 0,51 kWh / ( t- km) , vlak-0,12 kWh / (t-km).

Stejného příznivého efektu lze tedy dosáhnout u letecké dopravy na úkor 60krát větší spotřeby energie než u železnice. Vysoká spotřeba energie samozřejmě přináší značné časové úspory, ale i při stejné rychlosti (auto a vlak) se náklady na energii liší 4krát.

Tento příklad naznačuje, že lidé často dělají kompromisy s energetickou účinností, aby dosáhli jiných cílů, například pohodlí, rychlosti atd. Energetická účinnost samotného procesu nás zpravidla nezajímá – obecně technické a ekonomická hodnocení efektivnosti procesů jsou důležitá... S rostoucí cenou primárních energetických složek je ale energetická složka v technicko-ekonomických hodnoceních stále důležitější.