Преобразование энергии
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июль 2017 г. ) |
Преобразование энергии , также известное как преобразование энергии , представляет собой процесс изменения энергии из одной формы в другую. [ 1 ] В физике или перемещаться (например , энергия — это величина, которая обеспечивает способность выполнять работу поднимать объект) или обеспечивает тепло . Помимо преобразования, согласно закону сохранения энергии , энергия может быть передана в другое место или объект, но не может быть создана или уничтожена.
Энергия во многих ее формах может использоваться в естественных процессах или для оказания определенных услуг обществу, таких как отопление, охлаждение , освещение или выполнение механической работы для управления машинами. Например, чтобы обогреть дом, печь сжигает топливо, чья химическая потенциальная энергия преобразуется в тепловую энергию , которая затем передается воздуху дома для повышения его температуры.
Ограничения в преобразовании тепловой энергии
[ редактировать ]Преобразование в тепловую энергию из других видов энергии может происходить со 100% эффективностью. [ 2 ] [ самостоятельно опубликованный источник? ] Преобразование нетепловых форм энергии может происходить с довольно высокой эффективностью, хотя некоторая энергия всегда рассеивается термически из-за трения и подобных процессов. Иногда эффективность близка к 100%, например, когда потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию при падении объекта в вакууме. Это относится и к противоположному случаю; например, объект, находящийся на эллиптической орбите вокруг другого тела, преобразует свою кинетическую энергию (скорость) в гравитационную потенциальную энергию (расстояние от другого объекта) по мере удаления от родительского тела. Когда он достигнет самой дальней точки, он обратит процесс вспять, ускоряя и превращая потенциальную энергию в кинетическую. Поскольку космос представляет собой почти вакуум, эффективность этого процесса близка к 100%.
Тепловая энергия уникальна тем, что ее в большинстве случаев (ивы) невозможно преобразовать в другие виды энергии. Для совершения работы можно использовать только разницу в плотности тепловой/тепловой энергии (температуры), и КПД этого преобразования будет (значительно) меньше 100%. Это связано с тем, что тепловая энергия представляет собой особенно неупорядоченную форму энергии; он распределяется случайным образом среди многих доступных состояний набора микроскопических частиц, составляющих систему (говорят, что эти комбинации положения и импульса для каждой из частиц образуют фазовое пространство ). Мерой этого беспорядка или случайности является энтропия , а ее определяющей особенностью является то, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается. Нельзя взять систему с высокой энтропией (например, горячее вещество с определенным количеством тепловой энергии) и перевести ее в состояние с низкой энтропией (например, вещество с низкой температурой, с соответственно более низкой энергией), без того, чтобы эта энтропия не ушла куда-то еще. (как и окружающий воздух). Другими словами, невозможно сконцентрировать энергию, не распылив ее куда-то еще.
Тепловая энергия в равновесии при данной температуре уже представляет собой максимальное выравнивание энергии между всеми возможными состояниями. [ 3 ] потому что его не полностью можно преобразовать в «полезную» форму, то есть в ту, которая может делать больше, чем просто влиять на температуру. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия замкнутой системы никогда не может уменьшаться. По этой причине тепловая энергия в системе может быть преобразована в другие виды энергии с эффективностью, приближающейся к 100%, только в том случае, если энтропия Вселенной увеличивается другими способами, чтобы компенсировать уменьшение энтропии, связанное с исчезновением тепловой энергии. и его энтропийное содержание. В противном случае только часть этой тепловой энергии может быть преобразована в другие виды энергии (и, следовательно, в полезную работу). Это связано с тем, что оставшуюся часть тепла необходимо сохранить для передачи в тепловой резервуар с более низкой температурой. Увеличение энтропии при этом процессе больше, чем уменьшение энтропии, связанное с превращением остального тепла в другие виды энергии.
Чтобы сделать преобразование энергии более эффективным, желательно избегать термического преобразования. Например, КПД ядерных реакторов, где кинетическая энергия ядер сначала преобразуется в тепловую, а затем в электрическую энергию, лежит на отметке 35%. [ 4 ] [ 5 ] Путем прямого преобразования кинетической энергии в электрическую, осуществляемого за счет исключения промежуточного преобразования тепловой энергии, эффективность процесса преобразования энергии может быть значительно повышена. [ 6 ]
История трансформации энергетики
[ редактировать ] |
Преобразования энергии во Вселенной с течением времени обычно характеризуются различными видами энергии, которые были доступны со времен Большого взрыва и позже были «высвобождены» (то есть преобразованы в более активные виды энергии, такие как кинетическая или лучистая энергия) под действием спусковой механизм.
Высвобождение энергии из гравитационного потенциала
[ редактировать ]Прямое преобразование энергии происходит, когда водород, образовавшийся в результате Большого взрыва, собирается в такие структуры, как планеты, в процессе, во время которого часть гравитационного потенциала должна быть преобразована непосредственно в тепло. Например, на Юпитере , Сатурне и Нептуне такое тепло от продолжающегося коллапса больших газовых атмосфер планет продолжает управлять погодными системами большинства планет. Эти системы, состоящие из атмосферных полос, ветров и мощных штормов, лишь частично питаются от солнечного света. Однако на Уране этот процесс происходит незначительно. [ почему? ] [ нужна ссылка ]
На Земле значительная часть тепловыделения из недр планеты, составляющая от трети до половины общего количества, вызвана медленным коллапсом планетарных материалов до меньших размеров с выделением тепла. [ нужна ссылка ]
Высвобождение энергии из радиоактивного потенциала
[ редактировать ]Знакомые примеры других подобных процессов, преобразующих энергию Большого взрыва, включают ядерный распад, в результате которого высвобождается энергия, которая изначально «хранилась» в тяжелых изотопах , таких как уран и торий . Эта энергия запасалась во время нуклеосинтеза этих элементов. Этот процесс использует гравитационную потенциальную энергию, высвобождаемую в результате коллапса сверхновых типа II, для создания этих тяжелых элементов, прежде чем они будут включены в звездные системы, такие как Солнечная система и Земля. Энергия, заключенная в уране, высвобождается спонтанно во время большинства типов радиоактивного распада и может быть внезапно высвобождена в ядерного деления бомбах . В обоих случаях часть энергии, связывающей атомные ядра вместе, выделяется в виде тепла.
Высвобождение энергии из потенциала синтеза водорода
[ редактировать ]В аналогичной цепочке преобразований, начавшейся на заре Вселенной, ядерный синтез водорода на Солнце высвобождает еще один запас потенциальной энергии, созданный во время Большого взрыва. В то время, согласно одной теории [ который? ] , пространство расширилось, а Вселенная остыла слишком быстро, чтобы водород мог полностью превратиться в более тяжелые элементы. В результате появился водород, представляющий собой запас потенциальной энергии, которая может быть высвобождена в результате ядерного синтеза . Такой процесс синтеза запускается теплом и давлением, возникающими в результате гравитационного коллапса водородных облаков, когда они рождают звезды, и часть термоядерной энергии затем преобразуется в звездный свет. Учитывая Солнечную систему, звездный свет, в основном исходящий от Солнца, может снова сохраняться в виде потенциальной гравитационной энергии после того, как он достигнет Земли. Это происходит в случае схода лавин или когда вода испаряется из океанов и выпадает в виде осадков высоко над уровнем моря (где после сброса на плотине гидроэлектростанции ее можно использовать для привода турбин/генераторов для производства электроэнергии).
Солнечный свет также является причиной многих погодных явлений на Земле. Одним из примеров является ураган , который возникает, когда большие нестабильные участки теплого океана, нагревающиеся в течение нескольких месяцев, внезапно отдают часть своей тепловой энергии, чтобы обеспечить несколько дней сильного движения воздуха. Солнечный свет также улавливается растениями как химическая потенциальная энергия посредством фотосинтеза , когда углекислый газ и вода преобразуются в горючую комбинацию углеводов, липидов и кислорода. Высвобождение этой энергии в виде тепла и света может быть вызвано внезапной искрой во время лесного пожара; или он может быть доступен медленнее для метаболизма животных или человека , когда эти молекулы попадают в организм, и катаболизм запускается действием ферментов.
Посредством всех этих цепочек трансформаций потенциальная энергия , накопленная во время Большого взрыва, позже высвобождается в результате промежуточных событий, иногда сохраняясь несколькими различными способами в течение длительных периодов между выбросами, как более активная энергия. Все эти события связаны с преобразованием одного вида энергии в другие, в том числе в тепловую.
Примеры
[ редактировать ]Примеры наборов преобразований энергии в машинах
[ редактировать ]Угольная электростанция предполагает следующие энергетические преобразования:
- Химическая энергия угля преобразуется в тепловую энергию выхлопных газов сгорания.
- Тепловая энергия выхлопных газов преобразуется в тепловую энергию пара путем теплообмена.
- Кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию в турбине.
- Механическая энергия турбины преобразуется генератором в электрическую энергию, что является конечной выходной мощностью.
В такой системе первый и четвертый шаги высокоэффективны, но второй и третий шаги менее эффективны. Наиболее эффективные газовые электростанции могут достичь эффективности преобразования 50%. [ нужна ссылка ] Нефтяные и угольные станции менее эффективны.
В обычном автомобиле происходят следующие преобразования энергии:
- Химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию расширяющегося газа посредством сгорания.
- Кинетическая энергия расширяющегося газа, преобразованная в линейное движение поршня.
- Линейное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.
- Вращательное движение коленчатого вала передано в узел трансмиссии.
- Вращательное движение вышло из узла трансмиссии
- Вращательное движение проходило через дифференциал
- Вращательное движение передавалось из дифференциала на ведущие колеса.
- Вращательное движение ведущих колес преобразуется в поступательное движение автомобиля.
Другие преобразования энергии
[ редактировать ]
Существует множество различных машин и преобразователей , преобразующих одну форму энергии в другую. Ниже приводится краткий список примеров:
- Гидролиз АТФ (химическая энергия в аденозинтрифосфате → механическая энергия)
- Батарея (электричество) (химическая энергия → электрическая энергия)
- Электрический генератор ( кинетическая энергия или механическая работа → электрическая энергия)
- Электрический обогреватель (электрическая энергия → тепло)
- Огонь (химическая энергия → тепло и свет)
- Трение (кинетическая энергия → тепло)
- Топливный элемент ( химическая энергия → электрическая энергия)
- Геотермальная энергия (тепло → электрическая энергия)
- Тепловые двигатели , такие как двигатель внутреннего сгорания, используемый в автомобилях, или паровой двигатель (тепло → механическая энергия)
- Плотина гидроэлектростанции ( гравитационная потенциальная энергия → электрическая энергия)
- Электрическая лампа (электрическая энергия → тепло и свет)
- Микрофон (звук → электрическая энергия)
- Тепловая энергия океана (тепло → электрическая энергия)
- Фотосинтез (электромагнитное излучение → химическая энергия)
- Пьезоэлектрика (деформация → электрическая энергия)
- Термоэлектрический ( тепло → электрическая энергия )
- Волновая энергия (механическая энергия → электрическая энергия)
- Ветряная мельница ( энергия ветра → электрическая энергия или механическая энергия)
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Передача и трансформация энергии | Национальное географическое общество» . Education.nationalgeographic.org . Проверено 29 мая 2022 г.
- ^ Панди, Эр. Аканкша (9 февраля 2010 г.). «Преимущества и ограничения преобразования тепловой энергии океана» . Индийский исследовательский канал .
- ^ Катина, Владислав; Марчюкайтис, Мантас; Переднис, Евгений; Дзенаявичене, Евгения Фарида (1 марта 2019 г.). «Анализ использования биоразлагаемых отходов для производства энергии в Литве». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 101 : 559–567. дои : 10.1016/j.rser.2018.11.022 . S2CID 117316732 .
- ^ Данбар, Уильям Р.; Муди, Скотт Д.; Лиор, Ноам (март 1995 г.). «Эксергетический анализ работающей атомной электростанции с кипящим реактором» . Преобразование энергии и управление . 36 (3): 149–159. Бибкод : 1995ECM....36..149D . дои : 10.1016/0196-8904(94)00054-4 .
- ^ Уилсон, П.Д. (1996). Ядерный топливный цикл: от руды к отходам . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета . [ нужна страница ]
- ^ Шинн, Эрик; Хюблер, Альфред; Лион, Дэйв; Пердекамп, Маттиас Гросс; Безрядин Алексей; Белкин, Андрей (январь 2013 г.). «Преобразование ядерной энергии с помощью стопок графеновых наноконденсаторов». Сложность . 18 (3): 24–27. Бибкод : 2013Cmplx..18c..24S . дои : 10.1002/cplx.21427 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- «Энергетика — Том 3: Ядерная энергетика и энергетическая политика». Прикладная энергетика . 5 (4): 321. Октябрь 1979 г. doi : 10.1016/0306-2619(79)90027-8 .
- Передача и преобразование энергии | Основная наука о знаниях
