Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Работа и энергия

Слово "работа" известно каждому. Работа играет огромную роль в жизни как отдельного человека, так и всего человеческого общества. В процессе эволюции живой природы именно труд выделила человека из животного мира.

Обычно под работой мы понимаем различного рода деятельность людей в народном хозяйстве, которая направлена на удовлетворение потребностей общества. Это - сев и уборка урожая, добыча руды, разливка металла, вождение поезда и автомашины, пиление и строгание, стирка и домашняя уборка, деятельность инженера, врача и писателя, функционирование государственного аппарата и правосудия. А такие виды деятельности, как туризм, шахматная игра, танцы и многие другие обычно считаются отдыхом и рассматриваются как развлечение.

В действительности же работа неотделима и от этих видов деятельности человека. Рассмотренное выше понятие работы необходимо отличать от понятия работы в физическом смысле, которое намного шире и сложнее.

Легче всего дать определение механической работы, которая была первой ступенью в познании характерных особенностей работы. Чтобы производить работу, нужна сила, и по известному всем определению работа А, совершенная при помощи силы F, равна произведению этой силы на путь S в направлении действия, то есть А = FS , если сила при этом не меняется.

В качестве простого примера механической работы приведем работу, совершаемую телом с массой m при свободном падении под действием земного притяжения (характеризуемого ускорением силы тяжести g) с некоторой высоты h. Эта работа в соответствии с формулой равна mgh. Таким образом, тело, на высоте h, обладает тем свойством, что при определенных условиях, т.е. при падении, оно может производить работу. В таком случае говорят, что тело с массой m на высоте h (относительно высоты h=0) обладает потенциальной энергией (энергией положения) mgh. После падения на уровень h=0 потенциальная энергия становится равной нулю (тело уже не способно производить дальнейшую работу), но теперь оно приобретает "новое" свойство, а именно скорость V (V=2gh), и, следовательно, обладает кинетической энергией (энергией движения) равной mV2/2.

Итак, механическая работа совершается при изменении состояния тела, производящего работу. В приведенном примере тело в начальном состоянии вследствие своего положения обладало способностью производить работу, а в конечном состоянии его положение уже не обеспечивало ему этой возможности. Однако способность тела производить работу ни в коей мере не исчезла, она лишь видоизменилась. Теперь тело способно производить работу за счет скорости; оно может даже (при условии незначительного трения во время движения) практически произвести столько работы> сколько ее производит в своем начальном состоянии на высоте h. Примером могут служить колебания маятника без трения (1). Если принять, что в самом нижнем положении h=0, то маятник, представляющий собой шарик, висящий на тонкой нити, отклонившись в левое крайнее положение, будет находиться на высоте h=0 и благодаря этому производит работу mgh. Самое нижнее положение (h=0) он проходит со скоростью V, достигнув в результате этого движения, так как его потенциальная энергия mgh перешла в кинетическую энергию mxV2/2. Если трение маятника ничтожно мало, то приобретенная скорость обеспечивает шарику возможность пройти через нижнюю точку и подняться на ту же высоту h. При этом он совершает работу mgh против силы гравитационного поля, а скорость его падает до 0. Таким образом, работа совершается благодаря постоянному превращению энергии. При свободных колебаниях маятника без трения будет непрерывно происходить переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно.

Наши рассуждения ясно показывают, что механическая энергия означает способность производить работу, но она не идентична самой работе. Работа же совершается при превращении одного вида энергии в другой, причем результатом такого превращения не всегда является именно механическая

работа, как в рассматриваемом выше примере. Если, например, маятник будет двигаться с очень сильным трением (допустим, в вязкой жидкости), то при возвращении из верхнего положения в нижнее он остановится, то есть его скорость уменьшится до 0. В этом случае потенциальная энергия маятника превращается в кинетическую лишь временно; к концу движения вся энергия маятника переходит в тепло, вследствие чего повышается внутренняя энергия всей системы маятник-окружающая среда. Работа, которую мы можем непосредственно воспринять нашими органами чувств, совершается благодаря движению макроскопических тел. Способность производить работу, а следовательно, и энергия неразрывно связаны с движением. Однако это - необязательно непосредственно наблюдаемое движение макррскпических тел. Энергия может быть также обусловлена движением атомов и молекул, которое не воспринимается нашими органами чувств. К такому движению относится, например непрерывное хаотическое движение атомов.и молекул, соответствующее термической энергии (энергии теплового движения). При определенных условиях это движение все же частично можно упорядочить, и тогда оно проявляется макроскопически и может быть использовано для получения работы.

Выводы, полученные из примера с механической энергией и работой, могут быть обобщены. Работа - это всегда результат превращения одной формы энергии в другую, и она неизбежно связана с какими-либо изменениями, процессами.

Существование различных видов энергии вызывается разнообразием форм движений (кинетическая энергия например, упорядоченным движением тела как целого, термическая энергия - хаотическим движением молекул или атомов, электрическая - движением электронов или других заряженных частиц). Следовательно, работа производится при взаимном превращении различных форм движения различных тел. Иными словами, работа есть количественная мера качественного взаимного превращения. Эти формы энергии могут превращаться друг в друга или переходить от одного тела к другим. Работа возникает лишь как следствие этих превращений. Кроме того работа, которая является результатом изменения состояния тела или системы тел, может изменить состояние других тел. В пределах, установленных законами природы границ, мы можем целесообразно управлять этими превращениями в нужном для нас направлении. Например, в водяных мельницах превратить кинетическую энергию речной воды во вращательную энергию жерновов и использовать ее для размола зерна или химическую энергию, освобождающююся при сжигании угля, нагревающего котел, - в механическую энергию и с помощью произведенной при этом работы изготовить из металлических болванок необходимые нам предметы, из нитей - ткани и т.д. Таким образом, работа становится средством для переработки природных материалов и тем самым важнейшим фактором для человека и общества в целом. Так как можно накапливать только энергию, а не работу, то важнейшая наша задача - найти вещества, содержащие такой вид энергии, который при производстве работы относительно просто превращается в другой вид энергии. Эти вещества мы называем источниками или носителями энергии (энергоносителями).