กฎการอนุรักษ์พลังงาน

ฟิสิกส์สมัยใหม่รู้จักพลังงานหลายประเภทที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่หรือการจัดเรียงตัวร่วมกันที่แตกต่างกันของวัตถุหรืออนุภาคต่างๆ ที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่น วัตถุที่เคลื่อนที่ใดๆ จะมีพลังงานจลน์เป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความเร็ว พลังงานนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้หากความเร็วของร่างกายเพิ่มขึ้นหรือลดลง วัตถุที่ยกขึ้นเหนือพื้นดินมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่เปลี่ยนแปลงความสูงของร่างกายได้ 3 ระดับ

ประจุไฟฟ้าที่อยู่นิ่งซึ่งอยู่ห่างจากกันและกันจะมีพลังงานศักย์ไฟฟ้าสถิตตามความจริงที่ว่า ตามกฎของคูลอมบ์ ประจุไฟฟ้าจะดึงดูด (หากเป็นสัญญาณที่แตกต่างกัน) หรือผลักออกด้วยแรงที่แปรผกผันกับกำลังสองของ ระยะห่างระหว่างพวกเขา

พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ถูกครอบครองโดยโมเลกุล อะตอม และอนุภาค องค์ประกอบของพวกมัน — อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน ฯลฯ ในรูปแบบของงานกล, ในการไหลของกระแสไฟฟ้า, ในการถ่ายโอนความร้อน, ในการเปลี่ยนแปลงสถานะภายในของร่างกาย, ในการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า, ฯลฯ

กว่า 100 ปีที่แล้ว กฎพื้นฐานทางฟิสิกส์ได้ก่อตั้งขึ้นโดยระบุว่าพลังงานไม่สามารถหายไปหรือเกิดขึ้นจากความว่างเปล่าได้ เธอสามารถเปลี่ยนจากแบบหนึ่งเป็นแบบอื่นเท่านั้น…. กฎนี้เรียกว่ากฎการอนุรักษ์พลังงาน

ในผลงานของ A. Einstein กฎหมายนี้ได้รับการพัฒนาอย่างมีนัยสำคัญ ไอน์สไตน์ได้กำหนดความสามารถในการแลกเปลี่ยนพลังงานและมวล และด้วยเหตุนี้จึงขยายการตีความของกฎการอนุรักษ์พลังงาน ซึ่งปัจจุบันกล่าวกันทั่วไปว่าเป็นกฎการอนุรักษ์พลังงานและมวล

ตามทฤษฎีของไอน์สไตน์ การเปลี่ยนแปลงใดๆ ในพลังงานของร่างกาย dE เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงมวล dm ตามสูตร dE =dmc2 โดยที่ c คือความเร็วแสงในสุญญากาศเท่ากับ 3 x 108 Miss

โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากสูตรนี้ หากมวลของวัตถุทั้งหมดที่เกี่ยวข้องในกระบวนการลดลง 1 กรัม เป็นผลมาจากกระบวนการบางอย่าง พลังงานจะเท่ากับ 9 × 1,013 J ซึ่งเทียบเท่ากับ 3,000 ตันของ เชื้อเพลิงมาตรฐาน

อัตราส่วนเหล่านี้มีความสำคัญเบื้องต้นในการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์ ในกระบวนการระดับมหภาคส่วนใหญ่ การเปลี่ยนแปลงของมวลสามารถถูกละเลยได้ และมีเพียงกฎแห่งการอนุรักษ์พลังงานเท่านั้นที่สามารถพูดถึงได้

ให้เราติดตามการเปลี่ยนแปลงของพลังงานด้วยตัวอย่างที่เป็นรูปธรรม พิจารณาวงจรการแปลงพลังงานทั้งหมดที่จำเป็นในการผลิตชิ้นส่วนใดๆ บนเครื่องกลึง (รูปที่ 1) ให้พลังงานเริ่มต้น 1 ซึ่งเป็นจำนวนที่เราใช้เป็น 100% ได้รับจากการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ของเชื้อเพลิงฟอสซิลจำนวนหนึ่ง ดังนั้น ตัวอย่างเช่น 100% ของพลังงานเริ่มต้นมีอยู่ในผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงซึ่งมีอุณหภูมิสูง (ประมาณ 2,000 K)

ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ในหม้อไอน้ำของโรงไฟฟ้าเมื่อเย็นตัวลง จะปล่อยพลังงานภายในในรูปของความร้อนให้กับน้ำและไอน้ำ อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลทางเทคนิคและเศรษฐกิจ ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ไม่สามารถทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิแวดล้อมได้ พวกมันถูกปล่อยผ่านท่อสู่ชั้นบรรยากาศที่อุณหภูมิประมาณ 400 K โดยใช้พลังงานดั้งเดิมบางส่วนไปด้วย ดังนั้นพลังงานเริ่มต้นเพียง 95% จะถูกถ่ายโอนไปยังพลังงานภายในของไอน้ำ

ไอน้ำที่เกิดขึ้นจะเข้าสู่กังหันไอน้ำ ซึ่งพลังงานภายในจะถูกเปลี่ยนบางส่วนเป็นพลังงานจลน์ของสายไอน้ำ ซึ่งจะถูกส่งเป็นพลังงานกลไปยังโรเตอร์ของกังหัน

พลังงานไอน้ำเพียงบางส่วนเท่านั้นที่สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานกลได้ ส่วนที่เหลือจะถูกจ่ายให้กับน้ำหล่อเย็นเมื่อไอน้ำควบแน่นในคอนเดนเซอร์ ในตัวอย่างของเรา เราสันนิษฐานว่าพลังงานที่ถ่ายโอนไปยังโรเตอร์ของกังหันจะอยู่ที่ประมาณ 38% ซึ่งสอดคล้องกับสถานการณ์ในโรงไฟฟ้าสมัยใหม่อย่างคร่าว ๆ

เมื่อเปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าเนื่องจากสิ่งที่เรียกว่า การสูญเสียจูลในขดลวดโรเตอร์และสเตเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะสูญเสียพลังงานประมาณ 2% เป็นผลให้ประมาณ 36% ของพลังงานเริ่มต้นจะเข้าสู่กริด

มอเตอร์ไฟฟ้าจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเพียงบางส่วนที่จ่ายให้เป็นพลังงานกลเพื่อหมุนเครื่องกลึง ในตัวอย่างของเรา พลังงานประมาณ 9% ในรูปของความร้อนจูลในขดลวดมอเตอร์และความร้อนจากแรงเสียดทานในตลับลูกปืนจะถูกปล่อยออกสู่บรรยากาศโดยรอบ

ดังนั้นพลังงานเริ่มต้นเพียง 27% จะถูกส่งไปยังอวัยวะทำงานของเครื่อง แต่อุบัติเหตุทางพลังงานไม่ได้จบลงเพียงแค่นั้น ปรากฎว่าพลังงานส่วนใหญ่ในระหว่างการตัดเฉือนชิ้นส่วนถูกใช้ไปกับแรงเสียดทานและในรูปของความร้อนจะถูกกำจัดออกด้วยของเหลวที่ทำให้ชิ้นส่วนเย็นลง ในทางทฤษฎี พลังงานเริ่มต้นเพียงเศษส่วนเล็กน้อย (ในตัวอย่างของเรา คิดเป็น 2%) ก็เพียงพอแล้วที่จะได้ชิ้นส่วนดั้งเดิมตามที่ต้องการ

ข้าว. 1. แผนภาพการเปลี่ยนแปลงพลังงานระหว่างการประมวลผลชิ้นงานบนเครื่องกลึง: 1 — การสูญเสียพลังงานจากก๊าซไอเสีย 2 — พลังงานภายในของผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ 3 — พลังงานภายในของสารทำงาน — ไอน้ำ 4 — ความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการทำความเย็น น้ำในคอนเดนเซอร์กังหัน 5 — พลังงานกลของโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหัน 6 — การสูญเสียในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 7 — ของเสียในไดรฟ์ไฟฟ้าของเครื่อง 8 — พลังงานกลของการหมุนของเครื่อง 9 — แรงเสียดทาน งานซึ่งถูกแปลงเป็นความร้อน แยกออกจากของเหลว ส่วนระบายความร้อน 10 — เพิ่มพลังงานภายในของชิ้นส่วนและชิปหลังการประมวลผล ...

ข้อสรุปที่เป็นประโยชน์อย่างน้อยสามข้อสามารถสรุปได้จากตัวอย่างที่กำลังพิจารณา หากถือว่าค่อนข้างปกติ

ประการแรก ในแต่ละขั้นตอนของการแปลงพลังงาน บางส่วนจะหายไป... ข้อความนี้ไม่ควรเข้าใจว่าเป็นการละเมิดกฎการอนุรักษ์พลังงาน มันสูญหายไปเนื่องจากผลประโยชน์ที่ดำเนินการแปลงที่สอดคล้องกัน จำนวนพลังงานทั้งหมดหลังจากการแปลงยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

หากกระบวนการแปลงและถ่ายโอนพลังงานเกิดขึ้นในเครื่องจักรหรือเครื่องมือบางอย่าง ประสิทธิภาพของอุปกรณ์นี้มักจะมีลักษณะเฉพาะ ประสิทธิภาพ (ประสิทธิภาพ)... แผนภาพของอุปกรณ์ดังกล่าวแสดงในรูปที่ 2.

ข้าว. 2. โครงการกำหนดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่แปลงพลังงาน

เมื่อใช้สัญกรณ์ที่แสดงในรูป ประสิทธิภาพสามารถกำหนดเป็น Efficiency = Epol/Epod

เป็นที่ชัดเจนว่าในกรณีนี้ตามกฎการอนุรักษ์พลังงานจะต้องมี Epod = Epol + Epot

ดังนั้นจึงสามารถเขียนประสิทธิภาพได้ดังนี้ ประสิทธิภาพ = 1 — (Epot / Epol)

กลับไปที่ตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ 1 เราสามารถพูดได้ว่าประสิทธิภาพของหม้อไอน้ำคือ 95% ประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานภายในของไอน้ำเป็นงานเชิงกลคือ 40% ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าคือ 95% ประสิทธิภาพคือ - ไดรฟ์ไฟฟ้าของ เครื่องจักร — 75% และประสิทธิภาพของการประมวลผลชิ้นงานจริงอยู่ที่ประมาณ 7%

ในอดีต เมื่อยังไม่ทราบกฎของการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ความฝันของผู้คนคือการสร้างสิ่งที่เรียกว่าเครื่องจักรเคลื่อนไหวตลอดเวลา ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่จะทำงานที่มีประโยชน์โดยไม่ต้องใช้พลังงาน กลไกสมมุติดังกล่าวซึ่งการมีอยู่จะละเมิดกฎการอนุรักษ์พลังงานในปัจจุบันเรียกว่าเครื่องจักรเคลื่อนที่ถาวรประเภทแรกซึ่งตรงข้ามกับเครื่องจักรเคลื่อนที่ถาวรประเภทที่สอง ทุกวันนี้ ไม่มีใครใช้แน่นอน เป็นไปได้อย่างจริงจังในการสร้างเครื่องเคลื่อนไหวถาวรชนิดแรก

ประการที่สอง การสูญเสียพลังงานทั้งหมดจะถูกแปลงเป็นความร้อนในที่สุด ซึ่งจะปล่อยสู่อากาศในชั้นบรรยากาศหรือน้ำจากอ่างเก็บน้ำตามธรรมชาติ

ประการที่สาม ผู้คนใช้พลังงานหลักเพียงเศษเสี้ยวเล็กๆ ที่ใช้ไปเพื่อให้ได้ผลประโยชน์ที่เกี่ยวข้อง

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาถึงต้นทุนการขนส่งพลังงาน ในกลศาสตร์อุดมคติ ซึ่งไม่คำนึงถึงแรงเสียดทาน การเคลื่อนย้ายสิ่งของในระนาบแนวนอนไม่จำเป็นต้องใช้พลังงาน

ในสภาวะจริง พลังงานทั้งหมดที่ยานพาหนะใช้ไปจะถูกใช้เพื่อเอาชนะแรงเสียดทานและแรงต้านอากาศ กล่าวคือ ท้ายที่สุดแล้ว พลังงานทั้งหมดที่ใช้ในการขนส่งจะถูกแปลงเป็นความร้อน ในเรื่องนี้ตัวเลขต่อไปนี้มีความน่าสนใจโดยแสดงลักษณะการเคลื่อนย้ายสินค้า 1 ตันในระยะทาง 1 กม. ด้วยการขนส่งประเภทต่างๆ: เครื่องบิน — 7.6 kWh / (t-km), รถยนต์ — 0.51 kWh / ( t- กม.) , รถไฟ -0.12 กิโลวัตต์ชั่วโมง / (t-กม.)

ดังนั้น การขนส่งทางอากาศจึงได้รับประโยชน์เช่นเดียวกัน โดยสิ้นเปลืองพลังงานมากกว่ารถไฟถึง 60 เท่า แน่นอนว่าการใช้พลังงานสูงช่วยประหยัดเวลาได้อย่างมาก แต่ถึงแม้จะใช้ความเร็วเท่ากัน (รถยนต์และรถไฟ) ค่าใช้จ่ายด้านพลังงานก็ต่างกันถึง 4 เท่า

ตัวอย่างนี้ชี้ให้เห็นว่าผู้คนมักจะยอมแลกกับประสิทธิภาพการใช้พลังงานเพื่อให้บรรลุเป้าหมายอื่นๆ เช่น ความสะดวกสบาย ความเร็ว เป็นต้น ตามกฎแล้ว ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของกระบวนการเองนั้นไม่ค่อยน่าสนใจสำหรับเรา—ด้านเทคนิคทั่วไปและ การประเมินประสิทธิภาพของกระบวนการในเชิงเศรษฐศาสตร์มีความสำคัญ... แต่เมื่อราคาของส่วนประกอบพลังงานหลักเพิ่มขึ้น ส่วนประกอบพลังงานในการประเมินทางเทคนิคและเศรษฐกิจก็มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ