Преобразование энергии

Огонь – пример трансформации энергии

Преобразование энергии с использованием языка энергетических систем

Преобразование энергии , также известное как преобразование энергии , представляет собой процесс изменения энергии из одной формы в другую. 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, химическая потенциальная энергия которого преобразуется в тепловую энергию , которая затем передается воздуху дома, повышая его температуру.

Ограничения в преобразовании тепловой энергии

Преобразование в тепловую энергию из других видов энергии может происходить со 100% эффективностью. 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 преобразуя 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. 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%. Путем прямого преобразования кинетической энергии в электрическую, осуществляемого за счет исключения промежуточного преобразования тепловой энергии, эффективность процесса преобразования энергии может быть значительно повышена.

История трансформации энергетики

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

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.

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.

Высвобождение энергии из радиоактивного потенциала

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

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 , 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 в виде химической потенциальной энергии 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

Примеры наборов преобразований энергии в машинах

Угольная электростанция включает в себя следующие энергетические преобразования:

1. Химическая энергия угля преобразуется в тепловую энергию выхлопных газов сгорания.
2. Тепловая энергия выхлопных газов преобразуется в тепловую энергию пара путем теплообмена.
3. Кинетическая энергия пара преобразуется в механическую энергию в турбине.
4. 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%. Нефтяные и угольные станции менее эффективны.

В обычном автомобиле происходят следующие преобразования энергии:

1. Химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию расширяющегося газа посредством сгорания.
2. Кинетическая энергия расширяющегося газа, преобразованная в линейное движение поршня.
3. Линейное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.
4. Вращательное движение коленчатого вала передано в узел трансмиссии.
5. Вращательное движение вышло из узла трансмиссии
6. Вращательное движение проходило через дифференциал
7. Вращательное движение передавалось из дифференциала на ведущие колеса.
8. Вращательное движение ведущих колес преобразуется в поступательное движение автомобиля.

Другие преобразования энергии

Ветряная электростанция Ламаталавентоза

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

• Теория хаоса
• Закон сохранения
• Сохранение энергии
• Сохранение массы
• Учет энергии
• Качество энергии
• Энергетический баланс подземных вод
• Законы термодинамики
• Теорема Нётер
• Преобразование тепловой энергии океана
• Термодинамическое равновесие
• Термоэкономика
• Принцип неопределенности

Дальнейшее чтение

• «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