Định luật bảo toàn năng lượng

Vật lý hiện đại biết nhiều loại năng lượng liên quan đến chuyển động hoặc sự sắp xếp lẫn nhau khác nhau của nhiều loại vật chất hoặc hạt, ví dụ, bất kỳ vật thể chuyển động nào cũng có động năng tỷ lệ với bình phương vận tốc của nó. Năng lượng này có thể thay đổi nếu tốc độ của cơ thể tăng hoặc giảm. Một vật được nâng lên khỏi mặt đất có thế năng hấp dẫn thay đổi ba lần độ cao của vật.

Các điện tích đứng yên cách nhau một khoảng có thế năng tĩnh điện phù hợp với thực tế là theo định luật Coulomb, các điện tích hoặc hút (nếu chúng khác dấu) hoặc đẩy nhau với một lực tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách giữa chúng.

Động năng và thế năng được sở hữu bởi các phân tử, nguyên tử và hạt, thành phần của chúng - electron, proton, neutron, v.v. dưới dạng công cơ học, trong dòng điện, trong sự truyền nhiệt, trong sự thay đổi trạng thái bên trong của các vật thể, trong sự lan truyền của sóng điện từ, v.v.

Hơn 100 năm trước, một định luật vật lý cơ bản đã được thiết lập, theo đó năng lượng không thể biến mất hoặc phát sinh từ hư không. Cô ấy chỉ có thể thay đổi từ loại này sang loại khác…. Định luật này được gọi là định luật bảo toàn năng lượng.

Trong các tác phẩm của A. Einstein, luật này được phát triển đáng kể. Einstein đã thiết lập khả năng hoán đổi cho nhau của năng lượng và khối lượng và do đó mở rộng cách giải thích định luật bảo toàn năng lượng, mà ngày nay thường được phát biểu là định luật bảo toàn năng lượng và khối lượng.

Theo lý thuyết của Einstein, bất kỳ sự thay đổi năng lượng nào của vật thể dE đều liên quan đến sự thay đổi khối lượng dm của nó theo công thức dE = dmc2, trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không bằng 3 x 108 Miss.

Đặc biệt, từ công thức này, suy ra rằng nếu do kết quả của một quá trình nào đó, khối lượng của tất cả các vật tham gia vào quá trình giảm đi 1 g, thì năng lượng bằng 9×1013 J, tương đương với 3000 tấn nhiên liệu tiêu chuẩn.

Các tỷ lệ này có tầm quan trọng hàng đầu trong việc phân tích các biến đổi hạt nhân. Trong hầu hết các quá trình vĩ mô, sự thay đổi khối lượng có thể được bỏ qua và chỉ có thể phát biểu định luật bảo toàn năng lượng.

Hãy để chúng tôi theo dõi sự biến đổi của năng lượng trên một số ví dụ cụ thể. Xem xét toàn bộ chuỗi chuyển đổi năng lượng cần thiết để sản xuất bất kỳ bộ phận nào trên máy tiện (Hình 1). Hãy để năng lượng ban đầu 1, lượng mà chúng ta lấy là 100%, thu được do đốt cháy hoàn toàn một lượng nhiên liệu hóa thạch nhất định. Do đó, ví dụ của chúng tôi, 100% năng lượng ban đầu được chứa trong các sản phẩm đốt cháy nhiên liệu ở nhiệt độ cao (khoảng 2000 K).

Các sản phẩm đốt cháy trong nồi hơi của nhà máy điện khi được làm mát sẽ giải phóng năng lượng bên trong của chúng dưới dạng nhiệt thành nước và hơi nước. Tuy nhiên, vì lý do kỹ thuật và kinh tế, các sản phẩm đốt cháy không thể được làm mát đến nhiệt độ môi trường xung quanh. Chúng bị đẩy qua ống vào khí quyển ở nhiệt độ khoảng 400 K, mang theo một phần năng lượng ban đầu. Do đó, chỉ 95% năng lượng ban đầu sẽ được chuyển thành nội năng của hơi nước.

Hơi nước thu được sẽ đi vào tuabin hơi, ở đó năng lượng bên trong của nó ban đầu được chuyển đổi một phần thành động năng của các dây hơi, sau đó sẽ được truyền dưới dạng cơ năng tới rôto tuabin.

Chỉ một phần năng lượng hơi nước có thể được chuyển đổi thành năng lượng cơ học. Phần còn lại được trao cho nước làm mát khi hơi nước được ngưng tụ trong bình ngưng. Trong ví dụ của chúng tôi, chúng tôi giả định rằng năng lượng được truyền tới rôto tuabin sẽ vào khoảng 38%, gần tương ứng với tình trạng hoạt động của các nhà máy điện hiện đại.

Khi chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện do cái gọi là Tổn thất Joule trong cuộn dây rôto và stato của máy phát sẽ mất khoảng 2% năng lượng. Kết quả là khoảng 36% năng lượng ban đầu sẽ đi vào lưới điện.

Một động cơ điện sẽ chỉ chuyển đổi một phần năng lượng điện cung cấp cho nó thành năng lượng cơ học để quay máy tiện. Trong ví dụ của chúng tôi, khoảng 9% năng lượng ở dạng nhiệt Joule trong cuộn dây động cơ và nhiệt ma sát trong ổ trục của nó sẽ được giải phóng vào bầu không khí xung quanh.

Do đó, chỉ 27% năng lượng ban đầu sẽ được chuyển đến các cơ quan làm việc của máy. Nhưng những rủi ro về năng lượng cũng không kết thúc ở đó. Nó chỉ ra rằng phần lớn năng lượng trong quá trình gia công một bộ phận được dành cho ma sát và ở dạng nhiệt được loại bỏ bằng chất lỏng làm mát bộ phận đó. Về mặt lý thuyết, chỉ một phần rất nhỏ (trong ví dụ của chúng tôi, 2% được giả định) của năng lượng ban đầu là đủ để thu được phần mong muốn của phần ban đầu.

Cơm. 1. Sơ đồ chuyển hóa năng lượng trong quá trình gia công phôi trên máy tiện: 1 — tổn thất năng lượng do khí thải, 2 — nội năng của sản phẩm đốt, 3 — nội năng của chất lỏng công tác — hơi nước, 4 — nhiệt tỏa ra từ quá trình làm mát nước trong bình ngưng tuabin, 5 — năng lượng cơ học của rôto của máy phát điện tuabin, 6 — tổn thất trong máy phát điện, 7 — hao phí trong truyền động điện của máy, 8 — cơ năng quay của máy, 9 — ma sát công việc, được chuyển thành nhiệt, tách khỏi chất lỏng, bộ phận làm mát, 10 — tăng năng lượng bên trong của bộ phận và phoi sau khi xử lý ...

Ít nhất ba kết luận rất hữu ích có thể được rút ra từ ví dụ đang được xem xét, nếu nó được coi là khá điển hình.

Đầu tiên, ở mỗi bước chuyển đổi năng lượng, một số năng lượng bị mất đi... Không nên hiểu tuyên bố này là vi phạm định luật bảo toàn năng lượng. Nó bị mất do hiệu ứng hữu ích mà phép biến đổi tương ứng được thực hiện. Tổng năng lượng sau khi chuyển đổi không thay đổi.

Nếu quá trình chuyển đổi và truyền năng lượng diễn ra trong một máy móc hoặc thiết bị nhất định, thì hiệu quả của thiết bị này thường được đặc trưng bởi hiệu quả (hiệu suất)... Sơ đồ của một thiết bị như vậy được thể hiện trong hình. 2.

Cơm. 2. Sơ đồ xác định hiệu suất của thiết bị chuyển đổi năng lượng.

Sử dụng ký hiệu thể hiện trong hình, hiệu suất có thể được định nghĩa là Efficiency = Epol/Epod

Rõ ràng trong trường hợp này dựa vào định luật bảo toàn cơ năng phải có Epod = Epol + Epot

Do đó, hiệu quả cũng có thể được viết như sau: hiệu quả = 1 — (Epot / Epol)

Quay trở lại ví dụ được hiển thị trong FIG. 1, chúng ta có thể nói rằng hiệu suất của lò hơi là 95%, hiệu suất chuyển đổi nội năng của hơi nước thành công cơ học là 40%, hiệu suất của máy phát điện là 95%, hiệu suất là — ổ điện của một máy — 75%, và hiệu quả xử lý phôi thực tế là khoảng 7%.

Trước đây, khi các quy luật chuyển hóa năng lượng chưa được biết đến, ước mơ của mọi người là tạo ra cái gọi là cỗ máy chuyển động vĩnh cửu — một thiết bị có thể thực hiện công việc hữu ích mà không tiêu tốn năng lượng. Một động cơ giả thuyết như vậy, sự tồn tại của nó sẽ vi phạm định luật bảo toàn năng lượng, ngày nay được gọi là động cơ vĩnh cửu loại thứ nhất, trái ngược với động cơ vĩnh cửu loại thứ hai. nghiêm túc về khả năng tạo ra một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu loại đầu tiên.

Thứ hai, tất cả tổn thất năng lượng cuối cùng được chuyển thành nhiệt, được giải phóng vào không khí trong khí quyển hoặc vào nước từ các hồ chứa tự nhiên.

Thứ ba, mọi người cuối cùng chỉ sử dụng một phần nhỏ năng lượng sơ cấp được sử dụng để đạt được hiệu quả có lợi liên quan.

Điều này đặc biệt rõ ràng khi nhìn vào chi phí vận chuyển năng lượng. Trong cơ học lý tưởng hóa, vốn không xét đến lực ma sát, tải trọng chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang không cần năng lượng.

Trong điều kiện thực tế, tất cả năng lượng mà phương tiện tiêu thụ được dùng để thắng lực ma sát và lực cản của không khí, nghĩa là cuối cùng, toàn bộ năng lượng tiêu thụ trong quá trình vận chuyển đều được chuyển thành nhiệt. Về vấn đề này, những con số sau đây rất thú vị, mô tả công việc di chuyển 1 tấn hàng hóa ở khoảng cách 1 km với các loại phương tiện giao thông khác nhau: máy bay — 7,6 kWh / (t-km), ô tô — 0,51 kWh / ( t- km), tàu-0,12 kWh / (t-km).

Do đó, hiệu quả có lợi tương tự có thể đạt được với vận chuyển hàng không với chi phí tiêu thụ năng lượng lớn hơn 60 lần so với đường sắt. Tất nhiên, mức tiêu thụ năng lượng cao giúp tiết kiệm thời gian đáng kể, nhưng ngay cả ở cùng tốc độ (ô tô và tàu hỏa), chi phí năng lượng chênh lệch 4 lần.

Ví dụ này cho thấy rằng mọi người thường đánh đổi hiệu quả năng lượng để đạt được các mục tiêu khác, chẳng hạn như sự thoải mái, tốc độ, v.v. Theo quy định, hiệu quả năng lượng của bản thân quy trình ít được chúng tôi quan tâm - kỹ thuật chung và đánh giá kinh tế về hiệu quả của các quy trình là quan trọng... Nhưng khi giá của các thành phần năng lượng sơ cấp tăng lên, thành phần năng lượng trong các đánh giá kinh tế và kỹ thuật ngày càng trở nên quan trọng.