Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Коэффициент полезного действия процессов превращения энергии

Законы сохранения и превращения энергии

Тысячелетний опыт науки и техники, бесчисленные эксперименты привели нас к выводу, что энергия не может ни возникнуть из ничего, ни исчезнуть. Мечта многих изобретателей о машине, которая производила бы механическую работу, не питаясь от внешнего энергетического источника (перпетуум мобиле), так и осталась мечтой. Этого факта было достаточно для того, чтобы сформулировать один из основных законов природы, так называемый закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии во многих случаях противоречит нашим непосредственным восприятиям. Часто кажется, что энергия будто бы пропадает. Подмастерье кидает каменщику кирпич вверх: кинетическая энергия кирпича исчезла, поскольку наверху он уже находится в состоянии покоя. Поезд затормозил. Его кинетическая энергия исчезла. Батарея нашего карманного фонаря истощилась - большая часть ее химической энергии исчезла. Можно привести еще бесчисленное количество примеров. На каждом шагу наблюдаются явления исчезновения энергии. Однако при ближайшем рассмотрении этого вопроса можно убедиться, что при исчезновении одного вида энергии всегда одновременно возникает по меньшей мере один новый вид энергии; в большинстве случаев возникает несколько новых видов энергии. Таким образом, энергия не исчезла, а превратилась в один или несколько других видов энергии. Кинетическая энергия кирпича в основном перешла в потенциальную и в меньшей степени - в звуковую и тепловую; кинетическая энергия затормозившего поезда - в тепловую; химическая энергия, содержащаяся в батарее карманного фонаря, при его работе превращается в световую и тепловую энергии; в радиоприемнике электрическая энергия - в звуковую, тепловую и световую энергии.

Переход одного вида энергии в другой может совершаться различными способами. Если не принимать во внимание технических несовершенств, то можно сказать, что из определенного количества энергии одного вида всегда возникает (в случае полного превращения) вполне определенное количество другого вида энергии независимо от того, каким способом и с помощью какого устройства совершено это превращение. Так например, из 1кГм механической работы всегда возникает 2,34 кал и из 1 кВтч электрической энергии - всегда 860 ккал тепла (если при этом не возникают другие формы.энергии). Когда в процессе превращения образуются несколько видов энергии, нужно учитывать сумму энергий всех видов, выраженных в одинаковых единицах. Исходя из этого, сделаем вывод, что закон превращения энергии является составной частью закона сохранения энергии.

Так как энергия есть мера движения тела и составляющих его атомов и молекул, 'закон сохранения энергии может быть выражен так: движение сохраняется и не может быть остановлено, оно есть важнейшее свойство материи. Из закона превращения энергии видно, что существует много видов движения, например механическое, тепловое, электрическое и т.д., которые могут быть превращены друг в друга, и всегда строго соблюдается принцип "эквивалентности", т.е. в этих процессах движение не уничтожается, не создается "из ничего".

Потери энергии

В связи с практическим использованием энергии обычно говорят о потере энергии с точки зрения экономики. Однако такая потеря энергии не противоречит закону сохранения энергии. Энергия, потерянная для экономики, не превратилась в ничто: речь идет только о том, что часть энергии превратилась не в ту форму, которая нам в данном случае нужна. Когда мы пускаем паровую машину, то делаем это с намерением превратить химическую энергию топлива (угля, нефти и т.д.) в механическую энергию, поскольку в данном случае она представляет для нас ценность. На практике, однако, в паровой машине наряду с механической энергией неизбежно возникает тепло, которое в данном случае можно считать потерянной энергией. Конечно, в других случаях, например при отоплении, ценно именно тепло. Но не следует думать.что при этом в печах нет потери энергии. Только часть тепла, полученного из химической энергии топлива, достигает нашей комнаты или отопительного котла, большая же часть уходит в трубу, через стены комнаты, и следовательно, теряется.

Итак, потери энергии означают не ее исчезновение, а только превращения, которые не служат нашим целям и поэтому бесполезны. В этом смысле потери энергии подобны всем прочим потерям: потеря шляпы или карманного ножа не означает уничтожение этих предметов, другим людям они могут принести туже пользу.

Коэффициент полезного действия процессов превращения энергии

Эквивалентность различных видов энергии, постоянство количественных соотношений при их взаимных превращениях надежно подтверждаются тщательно проведенными научными исследованиями. Однако на практике очень трудно создать условия для полного превращения одного вида энерши в другой, нужный для какой-либо конкретной цели. В большинстве случаев образуются ненужные, для данного случая, а иногда и вредные формы энергии. Так, например, в устройствах, содержащих макроскопические движущиеся части, никак нельзя избегнуть трения, протекающего с выделением тепла. Тепло это в большинстве случаев не используется, напротив, неизбежное нагревание вредно сказывается на материалах конструкций. Поэтому на практике совершенно обоснованно говорить (в экономическом смысле) о коэффициенте полезного действия процессов превращения энергии.

Коэффициент полезного действия данного процесса превращения энергии показывает, какая часть исходной энергии (выраженная в процентах) преобразуется в нужную нам форму энергии. Например, когда мы говорим, что тепловая электростанция работает с КПД 35%, это означает, что 35% (0,35) химической энергии, освобождающейся при сжигании топлива, превращается в электрическую энергию.

КПД различных процессов или установок, где происходит превращение энергии, сильно отличаются друг от друга. Как правило, с наибольшим КПД происходит превращение в тепло. Механическая, электрическая, химическая и другие виды энергии практически могут быть на 100 % превращены в тепло. КПД при превращении механической энергии в электрическую на гидроэлектростанциях достаточно высок 90-95%. Хороший КПД мы имеем также при непосредственном (минуя стадию тепла) превращении химической энергии в электрическую в гальванических элементах. Однако в настоящее время в связи с техническими трудностями гальванические элементы не могут использоваться для получения электроэнергии в больших количествах.

Значительно хуже обстоит дело, при переводе химической энергии в электрическую не сразу, а постепенно: сначала превращаем ее в тепло, с помощью которого производится механическая работа, а последнюю в электрическую энергию. При этих условиях низкий КПД обусловлен не только техническими трудностями, но и спецификой процесса превращения тепла в другие виды энергии.

Современные большие тепловые электростанции превращают химическую энергию, освобождающуюся при сжигании топлива, в электрическую с КПД от 35 до 40 %. Дизельные двигатели работают с КПД не выше. 40-45 %, а КПД паровозов обычно не превышает 6-7 %. КПД осветительных приборов еще ниже: обычная 40-ваттная лампа накаливания превращает только около 1,5% электрической энергии в видимую световую энергию; даже самые лучшие лампы накаливания имеют КПД не выше 5 %. В керосиновых лампах только ОД % освобожденной при сгорании керосина химической энергии превращается в световую.

Правомерно задать такой вопрос: если включение тепловой энергии как промежуточной стадии при превращении химической энергии в работу или электрическую энергию столь выгодно, то почему же большая часть электрической энергии и механической работы на сегодняшний день производится при помощи тепловых двигателей (паровые машины, бензиновые и дизельные двигатели)? Причина заключается в том, что для создания надежно работающих тепловых двигателей достаточно знания законов движения макроскопических тел, а также макроскопических свойств тепла. Для создания же гальванических элементов, не имеющих макроскопически движущихся деталей, надежно и экономично работающих в промышленных масштабах, нужно глубоко изучить соответствующие законы движения молекул, атомов и электронов. Только в таком случае возможно создание большого количества дешевых гальванических элементов, надежно работающих в условиях производства. Из-за недостаточности знаний в этой области человечество из года в год несет потери энергии, размер которых даже не поддается оценке. Поэтому высокоразвитые страны вкладывают средства в чрезвычайно дорогие исследования с целью восполнить этот пробел.

Теоретически превращения энергии без промежуточной стадии тепла возможны с КПД, равным 100%. В настоящее время КПД таких превращений еще очень низок как вследствие слабого знания механизмов микропроцессов, происходящих при этих превращениях, так и из-за отсутствия соответствующих материалов для изготовления нужных устройств. Таких материалов в природе не существует, поэтому их нужно создавать искусственно. Правда, в живых организмах процессы превращения энергии происходят с очень высоким КПД, но они идут с участием веществ, имеющих чрезвычайно сложную структуру. Эти химические соединения и законы их превращений не изучены нами настолько хорошо, чтобы применять их для практического получения энергии вне живых организмов. Мы пока еще не можем синтезировать все сложные вещества живых организмов и тем более поставлять их для нужд производства.