Энергия ее виды и формы. Виды энергии – известные человечеству типы энергии

Энергия (от греч. energeie - действие, деятельность) представляет собой общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи. Это способность к совершению работы, а работа совершается тогда, когда на объект действует физическая сила (давление или гравитация). Работа- это энергия в действии.

Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.

Электрическая энергия является одним из наиболее совершенных видов энергии в виду ряда достоинств.

Электрическая энергия является наиболее чистой формой энергии и может быть получена из большого многообразия первичных источников (например, уголь, нефть, газ, энергия воды и атомная энергия). Электрическая энергия имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими видами производной энергии – возможность получения практически любых количеств энергии как от элемента размером со спичечную головку, так и от турбогенераторов мощностью более 1000 МВт, сравнительная простота ее передачи на расстояние и легкость преобразования в энергию других видов. Основная проблема - это ее хранение.

Она более эффективна с точки зрения использования, чем ископаемое топливо, поскольку имеет широко известные преимущества: обеспечение чистоты, удобство управления, доступность. Электроэнергия может быть использована значительно более эффективно и значительно более целенаправленно, чем энергия сжигаемого топлива. Электрические нагревательные системы характеризуются высокой технической эффективностью, и, несмотря на более высокую стоимость энергии по сравнению с энергией других источников, они более экономичны вследствие более низких эксплуатационных расходов.

Электрическая и тепловая энергия производятся на:

- тепловых электрических станциях на органическом топливе (ТЭС) с использованием в турбинах водяного пара – (паротурбинные установки – ПТУ), продуктов сгорания – (газотурбинные установки – ГТУ), их комбинаций – (парогазовые установки – ПГУ);

- гидравлических электрических станциях (ГЭС), использующих энергию падающего потока воды, течения, прилива;

- атомных электрических станциях (АЭС), использующих энергию ядерного распада.

Тепловые и атомные электростанции. Типовые схемы ТЭС и АЭС. Паротурбинные конденсационные электростанции и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) с комбинированной выработкой тепла и электрической энергии.

По виду вырабатываемой энергии:

· тепловые электростанции, вырабатывающие только электроэнергию,- конденсационные электростанции (КЭС);

· тепловые электростанции, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию,- теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).

По виду теплового двигателя:

· электростанции с паровыми турбинами - паротурбинные ТЭС и АЭС;

· электростанции с газовыми турбинами - газотурбинные ТЭС;

· электростанции с парогазовыми установками - парогазовые ТЭС;

Тепловые электростанции (ТЭС) вырабатывают электроэнергию в результате преобразования тепловой энергии, которая выделяется при сжигании органического топлива (угля, нефти, газа).

В машинном зале тепловой электростанции установлен котел с водой.

При сгорании топлива вода в котле нагревается до нескольких сот градусов и превращается в пар.

Пар под давлением вращает лопасти турбины, турбина в свою очередь вращает генератор.

Генератор вырабатывает электрический ток.

Электрический ток поступает в электрические сети и по ним поступает на заводы, в школы, дома, больницы.

Передача электроэнергии от электростанций по линиям электропередачи осуществляется при напряжениях 110-500 киловольт, то есть значительно превышающих напряжения генераторов.

Повышение напряжения необходимо для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Затем необходимо обратное понижение напряжения до уровня, удобного потребителю.

Преобразование напряжения происходит в электрических подстанциях с помощью трансформаторов.

А тепло в виде горячей воды поступает из ТЭЦ по теплотрассам.

Градирня - устройство для охлаждения воды на электростанции атмосферным воздухом.

Котел паровой - закрытый агрегат для получения пара на электростанции посредством нагревания воды. Нагрев воды осуществляется посредством сжигания топлива.

ЛЭП - линия электропередачи. Предназначена для передачи электричества. Различают воздушные ЛЭП (провода, протянутые над землей) и подземные (силовые кабели).

Рис.11 – Принципиальные схемы ТЭС (а) и ТЭЦ (б)

В настоящее время на ТЭС и ТЭЦ наряду с паротурбинными установками (ПТУ) получают распространение парогазовые установки (ПГУ), работающие по комбинированной схеме.

В первой ступени ПГУ с газовой турбиной в качестве первичного источника энергии и рабочего тела используют природный газ, а вторичным рабочим телом являются продукты сгорания. Во второй ступени источником энергии служат выхлопные газы турбины, а рабочим телом – пар, генерируемый в парогенераторе с их помощью.

Атомные электроcтанции.

Такие электростанции действуют по такому же принципу, что и ТЭЦ, но используют для парообразования энергию, получающуюся при радиоактивной распаде. В качестве топлива используется обогащенная руда урана.

Рис. 12. Принципиальная схема АЭС.

По сравнению с тепловыми и гидроэлектростанциями атомные электростанции имеют серьезные преимущества: они требуют малое количество топлива, не нарушают гидрологических режим рек, не выбрасывают в атмосферу загрязняющие ее газы. Основной процесс, идущий на атомной электростанции - управляемое расщепление урана-235, при котором выделяется большое количество тепла. Главная часть атомной электростанции - ядерный реактор, роль которого заключается в поддержании непрерывной реакции расщепления.

Ядерное топливо - руда, содержащая 3% урана 235; ею заполняются длинные стальные трубки - тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). Если много ТВЭЛов разместить поблизости друг от друга, то начнется реакция расщепления. Чтобы реакцию можно было контролировать, между ТВЭЛами вставляют регулирующие стержни; выдвигая и вдвигая их, можно управлять интенсивностью распада урана-235. Комплекс неподвижных ТВЭЛов и подвижных регуляторов и есть ядерные реактор. Тепло, выделяемое реактором, используется для кипячения воды и получения пара, который приводит в движение турбину атомной электростанции, вырабатывающую электричество.

33. Преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую. Ветроэнегетика и гидроэнергетика.

Основным направлением использования солнечной энергии является теплоснабжение. Для прямого преобразования солнечной энергии в тепловую разработаны и широко используются на практике установки солнечного теплоснабжения (СТО) для различных целей (горячее водоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха в жилых, общественных, санаторно-курортных зданиях, подогрев воды в плавательных бассейнах и различных процессах сельскохозяйственного производства).

По данным метеорологов в Республике Беларусь 150 дней в году пасмурно, 185 дней - с переменной облачностью и 30 - ясных, а всего число часов солнечного сияния в Беларуси достигает 1200 часов на севере страны и 1300-на юге.

Солнечная электростанция представляет собой сооружение, состоящее из множества солнечных коллекторов, ориентирующихся на Солнце. Каждый коллектор передает солнечную энергию жидкости-теплоносителю, которая, превратившись в пар, от всех коллекторов собирается в центральной энергостанции и поступает на турбину энергогенератора.

Рисунок 13 - Последовательность приемников солнечного излучения

в порядке возрастания их эффективности и стоимости

Основным элементом солнечной нагревательной системы является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии жидкости. На рисунке 13 схематически изображены различные варианты приемников солнечной энергии. Опыт эксплуатации этих установок показывает, что в системах солнечного горячего водоснабжения может быть замещено 40-60 % годовой потребности в органическом топливе в зависимости от района расположения при нагреве воды до 40 ... 60 °С.

а) открытый резервуар на поверхности земли; б) открытый резервуар, теплоизолированный от земли; в) черный резервуар; г) черный резервуар с теплоизолированным дном; д) закрытые черные нагреватели,

е) металлические проточные нагреватели со стеклянной крышкой;

ж) металлические проточные нагреватели с двумя стеклянными крышками; з) то же, с селективной поверхностью; и) то же, с вакуумом.

Воздухонагреватель представляет собой приемник, в котором имеется пористая или шероховатая черная поглощающая поверхность, нагревающая поступающий воздух, который затем подается к потребителю.

Солнечный коллектор включает в себя приемник , поглощающий солнечное излучение, и концентратор , представляющий собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение и направляющую его на приемник. Концентратор представляет собой чаще всего зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приемник излучения. Он постоянно вращается, обеспечивая ориентацию на Солнце.

Фотоэлектрические преобразователи представляют собой устройства, действие которых основано на использовании фотоэффекта, в результате которого при освещении вещества светом происходит выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия или внешний фотоэффект), перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (вентильный фотоэффект), изменение электрической проводимости (фотопроводимость). Методы фотоэлектри-ческого преобразования солнечной энергии в электрическую находит применение для питания потребителей в широком интервале мощностей: от мини-генераторов для часов и калькуляторов мощностью от несколько ватт до центральных электростанций мощностью несколько мегаватт.

Ветроэнергетика представляет собой область техники, использующую энергию ветра для производства энергии, а устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую виды энергии, называются ветроэнергетическими установками (ВЭУ), или ветроустановками , и являются автономными

Энергия ветра в механических установках, например на мельницах и в водяных насосах, используется уже несколько столетий. После резкого скачка цен на нефть в 1973 г. интерес к таким установкам резко возрос. Большая часть существующих установок построена в конце 70-х - начале 80-х годов на современном техническом уровне при широком использовании последних достижений аэродинамики, механики, микроэлектроники для контроля и управления ими. Ветроустановки мощностью от нескольких киловатт до нескольких мегаватт производятся в Европе, США и других частях мира. Большая часть этих установок используется для производства электроэнергии, как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах.

Одно из основных условий при проектировании ветроустановок - обеспечение их защиты от разрушений очень сильными случайными порывами ветра. В каждой местности в среднем раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5-10 раз превышающей среднюю, поэтому ветроустановки приходиться проектировать с большим запасом прочности. Максимальная проектная мощность ветроустановки определяется для некоторой стандартной скорости ветра, обычно принимаемой равной 12 м/с.

Ветроэнергетическая установка состоит из ветроколеса, генератора электрического тока, сооружения для установки на определенной высоте от земли ветряного колеса, системы управления параметрами генерируемой электроэнергии в зависимости от изменения силы ветра и скорости вращения колеса.

Ветроустановки классифицируются по двум основным признакам: геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку, то установка называется горизонтально-осевой, если перпендикулярно-вертикально-осевой.

Принцип действия ветроэнергетической установки состоит в следующем. Ветряное колесо, воспринимая на себя энергию ветра, вращается и посредством пары конических шестерен и с помощью длинного вертикального вала передает свою энергию на нижний горизонтальный трансмиссионный вал и далее посредством второй пары конических шестерен и ременной передачи - электрическому генератору или другому механизму.

Поскольку периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы электрической энергии или быть запараллелены, на случаи безветрия, с электроэнергетическими установками других типов.

Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г основными направлениями использования ветроэнергетических ресурсов на ближайший период предусматривает их применение для привода насосных установок и в качестве источников энергии для электродвигателей. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки. Особенно перспективным считается их использование в сочетании с малыми гидроэлектростанциями для перекачки воды. Применение ветроэнергетических установок для водоподъёма, электроподогрева воды и электроснабжения автономных потребителей к 2010 г. предполагается довести до 15 МВт установленной мощности, что обеспечит экономию 9 тыс. т у т. в год.

Гидроэлектростанция.

Гидроэнергетика представляет отрасль науки и техники по использованию энергии движущийся воды (как правило, рек) для производства электрической, а иногда и механической энергии. Это наиболее развитая область энергетики на возобновляемых ресурсах.

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс различных сооружений и оборудования, использование которых позволяет преобразовывать энергию воды в электроэнергию. Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимую концентрацию потока воды, а дальнейшие процессы производятся при помощи соответствующего оборудования.

Гидроэлектростанции возводятся на реках, сооружая плотины и водохранилища.

В гидроэлектростанции кинетическая энергия падающей воды используется для производства электроэнергии. Турбина и генератор преобразовывают энергию воды в механическую энергию, а затем - в электроэнергию. Турбины и генераторы установлены либо в самой дамбе, либо рядом с ней.

Рис. 14. Принципиальная схема гидроэлектростанции.

План лекции:

1).Понятие энергии. Основные виды энергии, их характеристика.

2).Традиционная энергетика и ее характеристика.

3).Способы получения тепловой и электрической энергии.

Понятие энергии. Основные виды энергии. Энергия (греч.–действие, деятельность)–общая количественная мера различных форм движения материи.

Из данного определения вытекает:

· энергия–это нечто, что проявляется лишь при изменении состояния (положения) различных объектов окружающего нас мира;

· энергия–это нечто, способное переходить из одной формы в другую;

· энергия характеризуется способностью производить полезную для человека работу;

· энергия–это нечто, что можно объективно определить, количественно измерить.

Энергия является основой жизни на Земле. Растения поглощают солнечную энергия в процессе фотосинтеза; животные потребляют эту энергию косвенным путем, поедая растения и других животных. Человек потребляет солнечную энергию различными путями, в том числе и с пищей. Еще в глубокой древности человек научился перерабатывать энергию Солнца путем сжигания биологической материи (например, древесины или навоза). И в настоящее время миллионы людей используют эти важные источники энергии для приготовления пищи или обогрева жилища – первых жизненных потребностей человека.

Современные энергосистемы являются неотъемлемым компонентом инфраструктуры общества, в особенности промышленно развитых стран, которые расходуют примерно 4/5 энергоносителей и в которых живет лишь ¼ населения планеты. На страны третьего мира, где живет ¾ населения Земли, приходится около 1/5 мирового потребления энергии.

Учитывая, что энергия является важнейшим элементом устойчивого развития любого государства, каждое из них стремится разработать такие способы энергоснабжения, которые наилучшим образом обеспечивали бы развитие и повышение качества жизни людей, особенно в развивающихся странах, при одновременном сведении к минимуму воздействия человеческой деятельности на здоровье людей и окружающую среду.

Электроэнергетика является важнейшей отраслью экономики любой страны, поскольку ее продукция (электрическая энергия) относится к универсальному виду энергии. Ее легко можно передавать на значительные расстояния, делить на большое количество потребителей. Без электрической энергии невозможно осуществлять многие технологические процессы, как невозможно представить нашу повседневную жизнь без отопления, освещения, охлаждения, транспорта, телевизора, холодильника, стиральной машины, пылесоса, утюга, использования современных средств связи (телефон, телеграф, телефакс, ЭВМ), которые также потребляют электроэнергию.

Одной из специфических особенностей электроэнергетики является то, что ее продукция в отличие от других отраслей промышленности не может накапливаться в запас на складе для последующего потребления. В каждый момент времени ее производство должно соответствовать ее потреблению.

Энергию в зависимости от природы делят на следующие виды:

Механическая энергия–проявляется при взаимодействие, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах–транспортных и технологических.

Тепловая энергия–энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия–энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока). Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэррозионная обработка).

Химическая энергия–это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горения топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.

Магнитная энергия–энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой.

Электромагнитная энергия–это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны. Таким образом, электромагнитная энергия–это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия–энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер(термоядерная реакция).

Гравитационная энергия–энергия, обусловленная взаимодействием(тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» теплом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести.

Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира–гравитационную энергию взаимодействия тел–механическую, энергию молекулярных взаимодействий–тепловую; энергию атомных взаимодействий–химическую энергию излучения–электромагнитную, энергию, заключенную в ядрах атомов–ядерную.

Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

По большому счету понятие энергии, идеи о ней искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия–это плод мысли человека, его «изобретение», построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией, даже если наше представление об энергии будет меняться из года в год.

Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джоуль), для измерения механической энергии используют величину 1 кгм=9,8 Дж, электрической энергии–1 кВт/ч=3,6 МДж, при этом 1 Дж=1 Вт/С.

Необходимо отметить, что в естественнонаучной литературе тепловую, химическую и ядерную энергии иногда объединяют понятием внутренней энергии, т.е. заключенный внутри вещества.

Первичная энергия – это энергия, которая содержится в таких видах природных (источников) ресурсов, как древесина, уголь, нефть, природные газ, уран, энергия ветра, солнца, гидроэнергия, и может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую.

Вторичная энергия – это формы, более пригодные для эксплуатации, в которые может быть преобразована первичная энергия, такие, как электроэнергия и бензин. Вторичная энергия получается после преобразования первичной на специальных установках.

В первичной энергии нет недостатка. Солнце дарит нам свою энергию каждый день. Мы видим проявление ее в разных формах. Так, например, деревья и растения, пропуская через себя солнечные лучи, преобразуют эту энергию в растительную биомассу. Огромное количество солнечной энергии скопилось в материалах земной коры (торф, нефть, уголь).

Общие запасы первичной энергии, на которые может рассчитывать человечество, оцениваются ресурсами, которые можно разделить на две большие группы: возобновляемые и невозобновляемые.

Возобновляемая – это энергия солнца, ветра, волн, биомассы (древесины или растений), геотермальная и гидроэнергия.

Возобновляемая энергия:

· падающая на поверхность Земли солнечная энергия;

· геофизическая энергия (ветра, рек, морских приливов и отливов);

· энергия биомассы (древесина, отходы растениеводства, отходы животноводства).

Невозобновляемая энергия – это энергия, содержащаяся в органическом топливе: уголь, нефть, природный газ, которые дают на сегодня свыше 80% энергии. Плюс уран (торий и др.).

Использование запасов органического топлива может быть связано с большими затратами на разработку, транспортировку этих ресурсов, охрану труда и окружающей среды.

Традиционную энергетику главным образом разделяют на электроэнергетику и теплоэнергетику.

Наиболее удобный вид энергии–электрическая, которая может считаться основой цивилизации. Преобразование первичной энергии в электрическую производится на электростанциях: ТЭС, ГЭС, АЭС.

Характерной чертой традиционной энергетики является ее давняя и хорошая освоенность, она прошла длительную проверку в разнообразных условиях эксплуатации. Основную долю электроэнергии во всем мире получают именно на традиционных электростанциях, их единичная электрическая мощность очень часто превышает 1000 Мвт. Традиционная энергетика делится на несколько направлений:

· Тепловая энергетика;

· Гидравлическая энергетика;

· Ядерная энергетика.

Эта энергетика является традиционной, потому как для производства вторичных энергоресурсов используются такие невозобновляемые ресурсы как нефть, газ, уран. Гидроэнергетика использует энергию водного потока. Использование только традиционной энергетики ведет не только к истощению недр земли, но и к значительному ухудшению экологической ситуации на планете. Основной проблемой является высокая эмиссия углекислого газа в атмосферу, вызванная сжиганием угля, нефти и природного газа. Только на ухудшение экологии на планете влияет вырубка лесов, осушение болот и т.д.

Электроэнергетика требует и поставляет потребителям электрическую энергию. Она включает в себя электрические станции, подстанции, линии электропередач, центры потребления электрической энергии.

Теплоэнергетика производит и поставляет потребителю тепловую энергию (пар, горячая вода). В нее входят тепловые станции, тепловые сетки (трубопроводы горячей воды и пара), центры потребления тепловой энергии.

Наиболее удобный вид энергии – электрическая, которая по праву считается основой цивилизации.

Преимущества электрической энергии перед другими видами энергии, а именно:

· Электрическую энергию легко преобразовать в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и др.), и наоборот, в электрическую энергию легко преобразуются любые другие виды энергии;

· Электрическую энергию можно передавать практически на любые расстояния. Это дает возможность строить электростанции в местах, где имеются природные энергетические ресурсы, и передавать электрическую энергию в места, где расположены источники промышленного сырья, но нет местной энергетической базы;

· Электрическую энергию удобно дробить на любые части в электрических цепях (мощность приемников электроэнергии может быть от долей ватта до тысячи киловатт);

· Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии легко поддаются автоматизации;

· Процессы, в которых используется электрическая энергия, допускают простое управление (нажатие кнопки, выключателя и т.д.)

Особо следует отметить существенное удобство применения электрической энергии при автоматизации производственных процессов, благодаря точности и чувствительности электрических методов контроля и управления. Использование электрической энергии позволило повысить производительность труда во всех областях деятельности человека, автоматизировать почти все технологические процессы в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту, а также создать комфорт в производственных и жилых помещениях. Кроме того, электрическую энергию широко используют в технологических установках для нагрева изделий, плавления металлов с помощью электрохимии, очистки материалов и газов и т.д.

В настоящее время электрическая энергия является практически единственным видом энергии для искусственного освещения. Можно сказать, что без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества.

Единственным недостатком электрической энергии является невозможность запасать ее в больших количествах и сохранять эти запасы в течение длительного времени. Запасы электрической энергии в аккумуляторах, гальванических элементах и конденсаторах достаточны лишь для работы сравнительно маломощных устройств, причем сроки ее сохранения ограничены. Поэтому электрическая энергия должна быть произведена тогда, когда ее требует потребитель, и в том количестве, в котором она ему необходима.

Потребителями энергии являются: промышленность, транспорт, сельское хозяйство, жилищно-коммунальное хозяйство, сфера сбыта и обслуживания. Если общую энергию применяемых первичных энергоресурсов принять за 100%, то полезно используемая энергия составит только 35-40%, остальная часть теряется, причем большая часть – в виде теплоты.

Энергия (от греческого energeia – действие, деятельность ) - общая мера (количественная оценка) различных форм движения материи, рассматриваемых в физике.

Согласно представлениям физической науки, энергия - это способность тела или объекта совершать работу. Для количественной характеристики качественно различных форм движения и соответствующих им взаимодействий введены различные виды энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механической, электрической, электромагнитной, тепловой, химической, ядерной и т.д.

Кинетическая энергия – мера механического движения, равная для твердого тела половине произведения массы тела на квадрат ее скорости. К ней относят механическую энергию движения частицы или тела, тепловую энергию, ядерную энергию и т.д.

Если энергия - результат изменения взаимного расположения частиц системы и их положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной. К ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, химическую энергию, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела и т.п. .

Механическая энергия – энергия механического движения и взаимодействия тел или их частей. Механическая энергия системы тел равна сумме кинетической и потенциальной энергий этой системы. Она проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.

К ней относят энергию поступательного движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах - транспортных и технологических .

Тепловая энергия - энергия хаотического поступательного и вращательного движения молекул вещества. Для твердого тела это энергия колебания атомов в молекулах, находящихся в узлах кристаллической решетки.

Тепловая энергия возникает только в результате превращения других видов энергии, например, при сжигании различных видов топлив их химическая энергия переходит в тепловую. Она применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия - энергия упорядоченно движущихся по замкнутой электрической цепи заряженных частиц или тел (электронов, ионов).

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии, тепловой энергии или любой другой потребной энергии.

Химическая энергия - это энергия, "запасенная" в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой энергии при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую энергию в гальванических элементах и аккумуляторах .

Ядерная энергия – внутренняя энергия атомного ядра, связанная с движением и взаимодействием образующих ядро нуклонов. Она выделяется в результате цепной ядерной реакции деления тяжелых ядер (ядерная реакция) или при синтезе легких ядер (термоядерная реакция). В ядерной энергетике пока используется только первый способ, т.к. использование второго связано с нерешенной еще проблемой осуществления управляемой термоядерной реакции.

Гравитационная энергия - энергия взаимодействия (притяжения) между любыми двумя телами и определяемая их массами. Она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, которую "запасает" тело, при его подъеме на определенную высоту над поверхностью Земли.

В текстах, публикуемых на этом сайте, часто встречаются различные термины, которые являются названиями физических величин. Многое мы изучали еще в школьном курсе физике, но знания имеют свойство забываться без постоянного употребления. В серии заметок, объединенных под общим заголовком «Вспоминаем физику» (можно было бы назвать «Снова в школу») мы постараемся напомнить вам, что означают основные термины, какие физические величины за этими терминами скрываются, как они связаны между собой, в каких величинах они измеряются. В общем, дать те основы, которые нужны для понимания публикуемых материалов.

Сайт нас в целом посвящен методам и технологиям получения энергии (конкретно, из возобновляемых источников). Энергия нужна людям для отопления и освещения собственных жилищ, для того, чтобы приводить в движение различные механизмы, которые совершают полезную для людей работу. То есть нам нужно получить в конечном итоге один из трех видов энергии — тепловую, механическую и энергию света. Как будет сказано ниже, в физике различают еще несколько видов энергии, но для нас важны в первую очередь эти три вида. Закончу с предисловиями и приведу те определения энергии, которые приняты в физике.

Работа и энергия

Еще из школьного курса физики (а школу я окончил 50 лет назад) я помню утверждение «Энергия является мерой способности физической системы совершить работу». Википедия дает менее понятное определение, утверждая , что

«Эне́ргия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени, в течение которого система будет являться замкнутой. Это утверждение носит название закона сохранения энергии.»

Энергия является скалярной величиной, для измерения которой применяются несколько разных единиц. Нам наиболее интересны джоуль и киловатт-час.

Джо́уль (русское обозначение: Дж; международное: J) - единица измерения работы, энергии и количества теплоты в Международной системе единиц (СИ). Джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной одному ньютону, на расстояние одного метра в направлении действия силы. В электричестве джоуль означает работу, которую совершают силы электрического поля за 1 секунду при напряжении в 1 вольт для поддержания силы тока в 1 ампер.

Впрочем, мы не будем углубляться в основы физики, выясняя, что такое сила и что такое один ньютон, просто примем понятие «энергия» за основу и запомним, что некое количество джоулей характеризует энергию, работу и количество теплоты. Еще одной величиной, с помощью которой измеряют количество энергии, является киловатт-час.

Килова́тт-час (кВт⋅ч) - внесистемная единица измерения количества произведенной или потреблённой энергии, а также выполненной работы. Используется преимущественно для измерения потребления электроэнергии в быту, народном хозяйстве и для измерения выработки электроэнергии в электроэнергетике.

Следует заметить, что правильно писать именно «кВт⋅ч» (мощность, умноженная на время). Написание «кВт/ч» (киловатт в час), часто употребляемое во многих СМИ и даже иногда в официальных документах, неправильно. Такое обозначение соответствует изменению мощности в единицу времени (что обычно никого не интересует), но никак не количеству энергии. Столь же распространённая ошибка - использовать «киловатт» (единицу мощности) вместо «киловатт-час».

В последующих статьях мы будем использовать джоуль и киловатт-час как единицы для оценки количества энергии или работы, имея в виду, что один киловатт-час равен 3,6·10 6 джоулей.

С точки зрения интересующих нас тем именно свойство энергии совершать работу является основополагающим. Мы не будем выяснять, как физика трактует понятие «работа», будем считать, что это понятие является первоначальным и не определяемым. Только еще раз подчеркнем, что количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.

В зависимости от вида энергии или работы величина энергии рассчитывается разными способами:

Формы и виды энергии

Поскольку энергия, как сказано выше, является только мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие, различные формы энергии выделяются в соответствии с различными формами движения материи. Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить следующие формы энергии:

энергия макромира - гравитационная или энергия притяжения тел,
энергия взаимодействия тел - механическая,
энергия молекулярных взаимодействий - тепловая,
энергия атомных взаимодействий - химическая,
энергия излучения - электромагнитная,
энергия, заключенную в ядрах атомов, - ядерная.

Гравитационная энергия - энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным гравитационным тяготением. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли - энергия силы тяжести. Таким образом, энергию, запасенную в водохранилищах гидроэлектростанций, можно отнести к гравитационной энергии.

Механическая энергия - проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах - транспортных и технологических.

Тепловая энергия - энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т. д.).

Химическая энергия - это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Электромагнитная энергия - это энергия, порождаемая взаимодействием электрического и магнитного полей. Ее подразделяют на электрическую и магнитную энергии. Электрическая энергия - энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электромагнитная энергия проявляется также в виде электромагнитных волн, то есть в виде излучения, включающего видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны. Таким образом, один из видов электромагнитной энергии - это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия - энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

В эту классификацию несколько не укладываются известные нам со школы понятия потенциальной и кинетической энергии. Современная физика считает , что понятия кинетической и потенциальной энергий (а также энергии диссипации) это не формы, а виды энергии :

Кинетическая энергия — энергия, которой обладают тела вследствие своего движения. Более строго , кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия - часть полной энергии, обусловленная движением. Когда тело не движется, кинетическая энергия равна нулю.

Потенциальная энергия — энергия, обусловленная взаимодействием различных тел или частей одного и того же тела. Потенциальная энергия всегда определяется положением тела относительно некоторого источника силы (силового поля).

Энергия диссипации (то есть рассеяния) — переход части энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счёте - в теплоту.

Дело в том, что каждая из перечисленных выше форм энергии может проявляться в виде потенциальной и кинетической энергии. То есть виды энергии должны трактоваться в обобщенном смысле, ибо они относятся к любой форме движения и, следовательно, к любой форме энергии. Например, имеется кинетическая электрическая энергия, и это не то же самое, что кинетическая механическая энергия. Это кинетическая энергия движения электронов, а не кинетическая энергия механического движения тела. Точно так же потенциальная электрическая энергия это не то же самое, что потенциальная механическая энергия. А химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии их взаимодействия друг с другом и с атомными ядрами.

Вообще, насколько я понял при подготовке этого материала, пока не существует общепринятой классификации форм и видов энергии. Впрочем, возможно нам и не нужно до конца разбираться в этих физических понятиях. Важно только помнить, что энергия — это не какая-то реальная материальная субстанция, а только мера, предназначенная для оценки перемещения некоторых форм материи или преобразования одной формы материи в другую.

С понятием энергии и работы неразрывно связано понятие мощности.

Мо́щность - физическая величина, равная в общем случае скорости изменения, преобразования, передачи или потребления энергии системы. В более узком смысле мощность равна отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения мощности является ватт, равный одному джоулю, делённому на секунду.

Мощность характеризует способность того или иного устройства совершать работу или производить энергию в течение определенного промежутка времени. Связь между мощностью, энергией и временем выражается следующим соотношением:

Киловатт-час (напомним, что это единица измерения энергии) равен количеству энергии, потребляемой (производимой) устройством мощностью один киловатт (единица мощности) в течение одного часа (единица времени) .

Отсюда и уже упомянутое выше равенство 1 кВт⋅ч = 1000 Вт ⋅ 3600 с = 3,6·10 6 Дж = 3,6 МДж.

Из трех рассмотренных на этой странице единиц именно мощность представляет для нас наибольший интерес, поскольку эта величина будет нам встречаться при рассмотрении и сравнении различных ветро- или гидро-генераторов и солнечных панелей. В этих случаях мощность характеризует способность этих устройств производить энергию. И наоборот, указание мощности на многих бытовых электроприборах характеризует потребление энергии этими приборами. Если мы хотим обеспечить некоторую совокупность бытовых приборов энергией, мы должны сопоставить суммарную потребляемую этими приборами мощность с суммарной мощностью, которую можем получить от производителей энергии.

Но подробнее о мощности мы поговорим в следующих статьях, посвященных конкретным видам энергии. И начнем с электрической энергии , рассмотрим, какими величинами характеризуется электричество и в каких единицах оно измеряется.

Что представляет собой понятие «энергия», которое мы так часто используем? «Энергия» (греч. ενεργια – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи. По большому счету понятие энергии, идея энергии искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия – это плод мысли человека, его «изобретение», построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией. Для этой физической величины долгое время употреблялся термин «живая сила», введенный И. Ньютоном. Впервые в истории в понятие «живая сила» смысл «энергия», не произнося ещё этого слова, вкладывает Роберт Майер в статье «Замечания о силах неживой природы», опубликованной в 1842 году. Специальный термин «энергия» был введен в 1807 г. английским физиком Томасом Юнгом и обозначал величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела. В науку термин «энергия» в современном его смысле ввел Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1860 году.

Энергия проявляется в различных формах движения материи, заполняющей все мировое пространство. Свойством, присущим всем видам энергии и объединяющим их, является способность каждого вида энергии переходить при определенных условиях в любой другой ее вид в строго определенном количественном соотношении. Само название этого свойства – «закон сохранения и превращения энергии» – было введено в научное обращение Ф. Энгельсом, что позволило все виды энергии измерять в одних единицах. В качестве такой единицы принят джоуль (1 Дж =1 H · м =1 кг · м 2 /с 2 ). В то же время для измерения количества теплоты используют «старую» единицу – 1 кал (калория), для измерения механической энергии – величину 1 кГм = 9,8 Дж, электрической энергии – 1 кВт · ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт · с.

Почти все виды энергии, рассматриваемые в технической термодинамике, за исключением тепловой, представляют собой энергию направленного движения. Так, механическая энергия проявляется в непосредственно наблюдаемом движении тел, имеющем определенное направление в пространстве (движение газа по трубе, полет снаряда, вращение вала и т. п.). Электрическая энергия проявляется в скрытом движении электронов по проводнику (электрический ток). Тепловая энергия выражается в молекулярном и внутримолекулярном хаотическом движении, представляя собой энергию хаотического движения атомов и молекул вещества. Тепловая энергия газов проявляется в колебательном, вращательном и поступательном движении молекул, которые постоянно меняют свою скорость по величине и направлению. При этом каждая молекула может беспорядочно перемещаться по всему объему газа. В твердых телах тепловая энергия проявляется в колебаниях молекул и атомов относительно положений, определяемых кристаллической структурой вещества, в жидкостях – в колебании и перемещении молекул или их комплексов. Следовательно, коренным отличием тепловой энергии от других видов энергии является то, что она представляет собой энергию не направленного, а хаотического движения. В результате этого превращение тепловой энергии в любой вид энергии направленного движения имеет свои особенности, изучение которых и является одной из главных задач технической термодинамики.

Каждое тело в любом его состоянии может обладать одновременно различными видами энергии, в том числе тепловой, механической, электрической, химической, внутриядерной, а также потенциальной энергией различных физических полей (гравитационного, магнитного, электрического). Сумма всех видов энергии, которыми обладает тело, представляет собой полную его энергию.

Тепловая, химическая и внутриядерная энергии входят в состав внутренней энергии тела. Все прочие виды энергии, связанные с перемещением тела, а также потенциальная энергия внешних физических полей относятся к его внешней энергии. Например, внешней энергией летящего снаряда в зоне действия сил земного притяжения будет сумма его кинетической Е к и потенциальной энергии гравитационного поля E п. г. . Если газ или жидкость движутся непрерывным потоком в трубе, то в их внешнюю энергию дополнительно входит энергия проталкивания, иногда называемая энергией давления Е пр .

Внешняя энергия, следовательно, представляет собой сумму

Е в н = Е к + Σ Е п i +Е п р , где Е п i – потенциальная энергия i -го поля (магнитного, электростатического и т. д.).

Внутренняя энергия тела U может быть представлена как бы состоящей из двух частей: внутренней тепловой энергии U Т и U 0 – внутренней нулевой энергии тела, условно охлажденного до абсолютного нуля температуры:

U=U 0 +U Т .

Внутренней тепловой энергией является та часть полной внутренней энергии тела, которая связана с тепловым хаотическим движением молекул и атомов и может быть выражена через температуру тела и другие его параметры. Поскольку температура реального тела только частично отражает его внутреннюю тепловую энергию, изменение последней может иметь место и при постоянной температуре тела. Примерами этого являются процессы испарения, плавления, сублимации, в которых происходит фазовое превращение и меняется степень хаотичности молекулярного движения.

Таким образом, полная энергия тела в общем случае может быть представлена в виде суммы внутренней нулевой U 0 , внутренней тепловой U Т , внешней кинетической Е к энергий, совокупных внешних потенциальных Σ Е п i энергий и энергии проталкивания Е п р :Е=U 0 +U Т +Е к + Σ Е п i +Е п р .

Каждая из этих составляющих полной энергии может при определенных условиях превращаться одна в другую. Например, в химических реакциях имеет место взаимное превращение U 0 вU Т . Если реакция экзотермическая, то часть нулевой энергии превращается в тепловую. Нулевая энергия полученных веществ оказывается меньшей, чем исходных, – происходит «выделение тепла». В эндотермических реакциях отмечается обратное явление: нулевая энергия увеличивается за счет уменьшения тепловой энергии – происходит «поглощение тепла».

В процессах, не связанных с изменением химического состава вещества, нулевая энергия не изменяется и остается постоянной. В этих условиях изменяется только внутренняя тепловая энергия. Это позволяет в различных расчетных уравнениях учитывать изменение лишь внутренней тепловой энергии, которую в дальнейшем будем называть просто внутренней энергией U. Если однородное тело массой m имеет внутреннюю энергию U,то внутренняя энергия 1 кг этого тела u=U/m.

Величину и называют удельной внутренней энергией и измеряют в Дж/кг.

Внешняя кинетическая энергия (Дж) представляет собой энергию поступательного движения тела как целого и выражается формулой

E к =mw 2 /2, где m – масса тела, кг; w – скорость движения, м/с.

Внешняя потенциальная энергия как энергия направленного действия статических полей может быть выражена через возможные работы каждого поля от заданного положения до каких-то нулевых. Так, потенциальная энергия гравитационного поля выражается как произведение силы тяжести mg этого тела на его высоту H над каким-либо нулем отсчета:

Здесь высота H представляет собой соответствующую координату.

Энергия проталкивания Е п р представляет собой дополнительную энергию вещества, возникающую в системе за счет воздействия на него других частей системы, стремящихся вытолкнуть это вещество из занимаемого сосуда. Так, при течении газа (или пара) по трубе или какому-либо каналу в условиях сплошного потока каждый килограмм этого газа, кроме внутренней и внешних кинетической и потенциальных энергий, обладает еще дополнительной, переносимой на себе энергией проталкивания:

E пр . =p υ ,

где p – удельное давление; υ – удельный объем (объем 1 кг массы вещества).

Для газов, паров и жидкостей, находящихся в потоке, величина p υ (или pV для m кг вещества) определяет неотъемлемую часть их

энергии. Поэтому для веществ, находящихся в сплошном потоке, определяющим параметром будет уже не внутренняя энергия U, а сумма U+pV=I, называемая энтальпией. Для 1 кг вещества i =u+ p υ , где i – в Дж/кг.

Такой же энергией i обладает и 1 кг газа, находящийся в цилиндре, при вытеснении его поршнем.

Полная энергия рассматриваемой системы, состоящей из 1 кг газа и действующего на него поршня, будет равна сумме внутренней энергии и газа и энергии p υ его выталкивания, т. е. равна его энтальпии. На этом основании энтальпию часто называют энергией расширенной системы.