Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Превращение различных видов энергии в тепло

Зная свойства термической энергии или тепла, можно понять, почемy любое превращение энергии всегда сопровождается выделением тепла, точнее увеличением термической энергии. Ведь термическая энергия обусловлена хаотическим движением атомов и молекул, в то же время как остальные виды энергии связаны с более или менее упорядоченным их движением. Однако упорядоченное движение легко может стать хаотическим, тогда как упорядочение хаотичексого движения наталкивается на значительные трудности.

Упорядоченное и хаотическое движение

Рассмотрим свойства упорядоченного движения в его связи с механической энергией. Например, камень, падающий на Землю, обладает термической энергией, его атомы и молекулы движутся хаотически, но вследствие падения имеется некоторое преимущественное направление их скоростей в сторону Земли. Иначе говоря, при падении камня к средней одинаковой во всех направлениях скорости теплового движения его молекул прибавляется еще одна компонента, направленная вниз. Правда, при этом хаотичность движения сохраняется, термическая энергия остается неизменной, но благодаря этой направленной вниз компоненте скорости растет кинетическая энергия частиц. Такой рост энергии не приводит, однако, к увеличению термической энергии, так как причиной его служит упорядоченное движение. Этим объясняется, почему энергию падающего вниз тела можно использовать для получения работы (например падающую вниз воду для вращения мельничного колеса). Работа требует именно упорядоченного движения, так как только благодаря ему мы можем изменять состояние макроскопического тела в макроскопических масштабах. Что же происходит с кинетической энергией падающего тела? Если оно падает в вакууме, вследствие силы тяжести его скорость все время растет, что, однако, не оказывает влияния на хаотическое движение - температура тела не изменяется. Но если оно падает в воздухе, то во время движения сталкивается с хаотически движущимися молекулами воздуха (возникает трение). В результате этих столкновений растет энергия хаотического движения как молекул падающего тела, так, и газа, т.е. растет их термическая энергия, повышается температура. Термическая энергия в виде тепла переходит в воздух. Переход тепла идет в направлении выравнивания термической энергии.

Столкновение частиц тела, находящегося в макроскопическом движении, с молекулами окружающей среды приводит к тому, что компоненты скорости, направленные в сторону движения, уменьшаются: макроскопическое движение тормозится. Скорость тела, свободно падающего.в воздухе, меньше (в жидкости еще меньше), чем она была бы при падении в вакууме с той же высоты.

Таким образом, часть кинетической энергии упорядоченного движе.-ния, которой обладает падающее тело, преобразуется из-за трения в термическую энергию и рассеивается.

Наступает момент, когда этот процесс кончается: камень ударяется о землю, кинетическая энергия поступательного движения переходит в другие формы. Большая часть кинетической энергии падающего тела превращается в термическую энергию, а меньшая - в звуковую (в энергию колебания воздуха и Земли) - мы слышим звук удара. Выделение термической энергии говорит о том, что средняя скорость хаотического движения частиц возросла за счет упорядоченной компоненты. В месте удара повышается температура по сравнению с кружающей средой, и термическая энергия в форме тепла переходит из нагретых слоев в более холодные. Таким образом, и здесь большая часть энергии упорядоченного движения рассеивается в виде термической энергии.

Рассеяние энергии

В химических процессах энергия упорядоченного движения также рассеивается в виде энергии хаотического движения. Например, при сжигании метана, сопровождающимся уменьшением химической энергии исходных веществ, образуется углекислый газ и вода. Химическая энергия зависит от суммы энергий связи между атомами продуктов химической реакции. Химически связанные между собой атомы не находятся в состоянии покоя, а колеблются. Эти колебательные движения отчасти хаотичны (направление и энергия колебаний постоянно изменяются), и в этом смысле их можно отнести к тепловому движению; но отчасти они упорядочены, так как в двухатомных молекулах атомы всегда могут колебаться приблизительно вдоль направлений связей. Хотя в многоатомных молекулах колебательные движения гораздо сложнее, но до известной степени и упорядочены. При обычном сгорании часть освободившейся в процессе химического превращения (окисления) химической энергии переходит в термическую энергию практически независимых друг от друга молекул и в таком виде рассеивается.

При соответствующих условиях (например в живых организмах или в гальванических элементах) освободившаяся химическая энергия способствует образованию энергетически более богатых соединений, а также может быть использована для получения работы. Однако и в этом случае часть химической энергии рассеивается.

Энергия электрического тока есть, в сущности, энергия движущихся в проводниках электрически заряженных частиц (электронов - в металлах, ионов - в электролитах). Сами заряженные частицы движутся хаотически и, следовательно, обладают термической энергией. Но при протекании электрического тока возникает также упорядоченное движение частиц в направлении протекания тока, при этом с макроскопической точки зрения их энергия увеличивается. Электрически заряженные частицы при своем движении в проводящих средах (металлах, жидкостях) сталкиваются с другими частицами среды, энергия хаотического даиже-ния этих частиц растет. В результате часть электрической энергии также рассеивается, превращается в.тепло.

Подобные наблюдения позволяют сделать следующее заключение: в существующих на Земле условиях во всех естественных макроскопических явлениях по меньшей мере часть энергии упорядоченного движения рассеивается в виде энергии теплового (хаотического) движения. Этот важнейший закон природы известен как второе начало термодинамики (первое начало термодинамики - это закон сохранения энергии). Причина данного явления заключается в том, что при движении материальных тел относительно друг друга их частицы взаимодействуют между собой таким образом, что энергия их хаотического движения увеличивается.

Второе начало термодинамики дозволяет определить направление процессов, которые в природе протекают самопроизвольно. Как мы видим, выделение тепла связано с увеличением термической энергии, т.е. энергии хаотического движения. Выделение тепла это всеобщее явление, поскольку упорядоченное движение легко становится хаотическим. Обратить этот процесс, т.е. перевести тепло в другой вид энергии, гораздо труднее, так как хаотическое движение само по себе не становится упорядоченным, а рассеянная термическая энергия не концентрируется сама по себе, чтобы вновь стать энергией упорядоченного движения.

И все же тепло можно превратить в работу (примером тому служит всякий тепловой двигатель), но для этого требуются совершенно особые условия.