Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Огонь - пример трансформации энергии
Преобразование энергии с использованием языка энергетических систем

Преобразование энергии , также известное как преобразование энергии , - это процесс преобразования энергии из одной формы в другую. В физике , энергия является величиной , которая обеспечивает способность выполнять работу (например , Подъемное объект) или обеспечивает тепло . Помимо преобразования, согласно закону сохранения энергии , энергия может быть передана в другое место или объект, но не может быть создана или уничтожена.

Энергия во многих ее формах может использоваться в естественных процессах или для предоставления некоторых услуг обществу, таких как отопление, охлаждение , освещение или выполнение механических работ для управления машинами. Например, для обогрева дома печь сжигает топливо, химическая потенциальная энергия которого преобразуется в тепловую энергию , которая затем передается воздуху дома для повышения его температуры.

Ограничения при преобразовании тепловой энергии [ править ]

Преобразование в тепловую энергию из других форм энергии может происходить со 100% эффективностью. [1] Преобразование между нетепловыми формами энергии может происходить с довольно высокой эффективностью, хотя всегда присутствует некоторая энергия, рассеиваемая термически из-за трения и подобных процессов. Иногда эффективность близка к 100%, например, когда потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, когда объект падает в вакуум. Это относится и к противоположному случаю; например, объект на эллиптической орбитевокруг другого тела преобразует свою кинетическую энергию (скорость) в гравитационную потенциальную энергию (расстояние от другого объекта) при удалении от своего родительского тела. Когда он достигнет самой дальней точки, он обратит процесс вспять, ускоряя и преобразовывая потенциальную энергию в кинетическую. Поскольку космос - это почти вакуум, этот процесс имеет почти 100% эффективность.

Тепловая энергия уникальна тем, что не может быть преобразована в другие формы энергии. Для выполнения работы может использоваться только разница в плотности тепловой / тепловой энергии (температуры), а эффективность этого преобразования будет (намного) меньше 100%. Это потому, что тепловая энергия представляет собой особенно неупорядоченную форму энергии; он случайным образом распределяется между многими доступными состояниями набора микроскопических частиц, составляющих систему (эти комбинации положения и импульса для каждой из частиц, как говорят, образуют фазовое пространство ). Мерой этого беспорядка или случайности является энтропия., и его определяющая особенность состоит в том, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается. Невозможно взять систему с высокой энтропией (например, горячее вещество с определенным количеством тепловой энергии) и преобразовать ее в состояние с низкой энтропией (например, вещество с низкой температурой с соответственно меньшей энергией) без того, чтобы эта энтропия ушла куда-нибудь еще. (как окружающий воздух). Другими словами, невозможно сконцентрировать энергию, не распределяя энергию в другом месте.

Тепловая энергия в равновесии при данной температуре уже представляет собой максимальное выравнивание энергии между всеми возможными состояниями [2], потому что она не может полностью преобразоваться в «полезную» форму, то есть такую, которая может делать больше, чем просто влиять на температуру. Второй закон термодинамикиутверждает, что энтропия замкнутой системы никогда не может уменьшиться. По этой причине тепловая энергия в системе может быть преобразована в другие виды энергии с эффективностью, приближающейся к 100%, только если энтропия Вселенной увеличивается другими способами, чтобы компенсировать уменьшение энтропии, связанное с исчезновением тепловой энергии. и его энтропийное содержание. В противном случае только часть этой тепловой энергии может быть преобразована в другие виды энергии (и, следовательно, полезная работа). Это связано с тем, что остальная часть тепла должна быть зарезервирована для передачи в тепловой резервуар с более низкой температурой. Увеличение энтропии для этого процесса больше, чем уменьшение энтропии, связанное с преобразованием остальной части тепла в другие виды энергии.

Чтобы сделать преобразование энергии более эффективным, желательно избегать термического преобразования. Например, эффективность ядерных реакторов, в которых кинетическая энергия ядер сначала преобразуется в тепловую, а затем в электрическую, составляет около 35%. [3] [4] Путем прямого преобразования кинетической энергии в электрическую энергию, осуществляемого путем исключения промежуточного преобразования тепловой энергии, эффективность процесса преобразования энергии может быть значительно повышена. [5]

История преобразования энергии [ править ]

Преобразования энергии во Вселенной с течением времени обычно характеризуются различными видами энергии, которые были доступны после Большого взрыва , а затем «высвобождаются» (то есть преобразуются в более активные типы энергии, такие как кинетическая или лучистая энергия) посредством спусковой механизм.

Высвобождение энергии из гравитационного потенциала [ править ]

Прямое преобразование энергии происходит, когда водород, образовавшийся в результате Большого взрыва, собирается в такие структуры, как планеты, в процессе, во время которого часть гравитационного потенциала должна быть преобразована непосредственно в тепло. На Юпитере , Сатурне и Нептуне , например, такое тепло от продолжающегося коллапса больших газовых атмосфер планет продолжает управлять погодными системами большинства планет. Эти системы, состоящие из атмосферных полос, ветров и мощных штормов, лишь частично получают энергию от солнечного света. Однако на Уране этот процесс происходит мало. [ почему? ] [ необходима ссылка ]

На Земле значительная часть тепловыделения из недр планеты, оцениваемая от трети до половины общего количества тепла, вызывается медленным коллапсом планетарных материалов до меньших размеров с выделением тепла. [ необходима цитата ]

Высвобождение энергии из радиоактивного потенциала [ править ]

Знакомые примеры других подобных процессов, преобразующих энергию Большого взрыва, включают ядерный распад, который высвобождает энергию, которая изначально была «сохранена» в тяжелых изотопах , таких как уран и торий . Эта энергия накапливалась во время нуклеосинтеза этих элементов. Этот процесс использует гравитационную потенциальную энергию, высвободившуюся в результате коллапса сверхновых звезд II типа, для создания этих тяжелых элементов, прежде чем они будут включены в звездные системы, такие как Солнечная система и Земля. Энергия, заключенная в уране, высвобождается самопроизвольно во время большинства типов радиоактивного распада и может внезапно высвобождаться при делении ядер.бомбы. В обоих случаях часть энергии, связывающей атомные ядра вместе, выделяется в виде тепла.

Высвобождение энергии из потенциала синтеза водорода [ править ]

В аналогичной цепочке преобразований, начинающейся на заре Вселенной, ядерный синтез водорода на Солнце высвобождает еще один запас потенциальной энергии, который был создан во время Большого взрыва. В то время по одной теории [ какая? ] , пространство расширилось, и Вселенная остыла слишком быстро, чтобы водород полностью расплавился на более тяжелые элементы. В результате водород представляет собой запас потенциальной энергии, которая может быть высвобождена в результате ядерного синтеза.. Такой процесс термоядерного синтеза запускается теплом и давлением, возникающим в результате гравитационного коллапса водородных облаков, когда они рождают звезды, и часть энергии термоядерного синтеза затем преобразуется в звездный свет. Что касается Солнечной системы, звездный свет, в основном от Солнца, может снова накапливаться в виде гравитационной потенциальной энергии после того, как он попадает на Землю. Это происходит в случае схода лавин или когда вода испаряется из океанов и выпадает в виде осадков высоко над уровнем моря (где после сброса на плотине гидроэлектростанции она может использоваться для привода турбин / генераторов для производства электроэнергии).

Солнечный свет также влияет на многие погодные явления на Земле. Одним из примеров является ураган , который возникает, когда большие нестабильные области теплого океана, нагретые в течение нескольких месяцев, внезапно отдают часть своей тепловой энергии, чтобы обеспечить энергичное движение воздуха в течение нескольких дней. Солнечный свет также улавливается растениями в качестве потенциальной химической энергии посредством фотосинтеза , когда углекислый газ и вода превращаются в горючую комбинацию углеводов, липидов и кислорода. Высвобождение этой энергии в виде тепла и света может быть внезапно вызвано искрой в лесном пожаре; или он может быть медленнее доступен для метаболизма животных или человека, когда эти молекулы попадают в организм, а катаболизм запускается действием ферментов.

Через все эти цепочки трансформации потенциальная энергия, накопленная во время Большого взрыва, позже высвобождается в результате промежуточных событий, иногда накапливаясь несколькими разными способами в течение длительных периодов между высвобождениями, как более активная энергия. Все эти события включают преобразование одних видов энергии в другие, включая тепло.

Примеры [ править ]

Примеры наборов преобразований энергии в машинах [ править ]

Угля -fired электростанции включает в себя эти энергетические преобразования:

  1. Химическая энергия угля преобразуется в тепловую энергию в выхлопных газах горения.
  2. Тепловая энергия выхлопных газов преобразуется в тепловую энергию пара за счет теплообмена.
  3. Тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию в турбине
  4. Механическая энергия турбины преобразуется генератором в электрическую, что является конечной мощностью.

В такой системе первый и четвертый этапы очень эффективны, но второй и третий этапы менее эффективны. Самые эффективные газовые электростанции могут достигать 50% эффективности преобразования. [ необходима цитата ] Мазутные и угольные станции менее эффективны.

В обычном автомобиле происходят следующие преобразования энергии:

  1. Химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию расширяющегося газа посредством сгорания.
  2. Кинетическая энергия расширяющегося газа преобразуется в линейное движение поршня
  3. Преобразование линейного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала
  4. Вращающееся движение коленчатого вала передано в трансмиссию
  5. Вращательное движение вышло из коробки передач
  6. Вращательное движение передается через дифференциал
  7. Вращательное движение передавалось от дифференциала на ведущие колеса
  8. Вращательное движение ведущих колес преобразовано в поступательное движение автомобиля.

Другие преобразования энергии [ править ]

Ветряная электростанция Ламаталавентоса

Есть много разных машин и преобразователей, которые преобразуют одну форму энергии в другую. Ниже приводится краткий список примеров:

  • Термоэлектрический ( тепло → электрическая энергия )
  • Геотермальная энергия (Тепло → Электрическая энергия)
  • Тепловые двигатели , такие как двигатель внутреннего сгорания, используемый в автомобилях, или паровой двигатель (Тепло → Механическая энергия)
  • Тепловая энергия океана (Тепло → Электрическая энергия)
  • Плотины гидроэлектростанций ( Гравитационная потенциальная энергия → Электрическая энергия)
  • Электрический генератор ( Кинетическая энергия или Механическая работа → Электрическая энергия)
  • Топливные элементы ( Химическая энергия → Электрическая энергия)
  • Батарея (электричество) (Химическая энергия → Электрическая энергия)
  • Огонь (Химическая энергия → Тепло и свет)
  • Электрическая лампа (Электроэнергия → Тепло и свет)
  • Микрофон (Звук → Электрическая энергия)
  • Волновая мощность (Механическая энергия → Электрическая энергия)
  • Ветряные мельницы ( энергия ветра → электрическая энергия или механическая энергия)
  • Пьезоэлектрики (Деформация → Электрическая энергия)
  • Трение (кинетическая энергия → тепло)
  • Электронагреватель (Электроэнергия → Тепло)
  • Фотосинтез (Электромагнитное излучение → Химическая энергия)
  • Гидролиз АТФ (Химическая энергия в аденозинтрифосфате → механическая энергия)

См. Также [ править ]

  • Теория хаоса
  • Закон сохранения
  • Сохранение энергии
  • Сохранение массы
  • Энергетический баланс подземных вод
  • Законы термодинамики
  • Теорема Нётер
  • Принцип неопределенности
  • Качество энергии
  • Термоэкономика
  • Учет энергии

Ссылки [ править ]

  1. ^ Пандей, Эр. Аканкша (9 февраля 2010 г.). «Преимущества и ограничения преобразования тепловой энергии океана» . Канал исследования Индии .[ самостоятельно опубликованный источник? ]
  2. ^ Katinas, Владисловас; Марчюкайтис, Мантас; Переднис, Евгений; Дзенаявичене, Евгения Фарида (1 марта 2019 г.). «Анализ использования биоразлагаемых отходов для производства энергии в Литве». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии . 101 : 559–567. DOI : 10.1016 / j.rser.2018.11.022 .
  3. ^ Данбар, Уильям Р .; Муди, Скотт Д.; Лиор, Ноам (март 1995). «Эксергетический анализ действующей АЭС с кипящим реактором». Преобразование энергии и управление . 36 (3): 149–159. DOI : 10.1016 / 0196-8904 (94) 00054-4 .
  4. Перейти ↑ Wilson, PD (1996). Ядерный топливный цикл: от руды к отходам . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета .[ требуется страница ]
  5. ^ Шинн, Эрик; Хюблер, Альфред; Лион, Дэйв; Пердекамп, Маттиас Гроссе; Безрядин Алексей; Белкин, Андрей (январь 2013). «Преобразование ядерной энергии с помощью стопок графеновых наноконденсаторов». Сложность . 18 (3): 24–27. Bibcode : 2013Cmplx..18c..24S . DOI : 10.1002 / cplx.21427 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • «Энергия - Том 3: Ядерная энергия и энергетическая политика». Прикладная энергия . 5 (4): 321. октября 1979. DOI : 10.1016 / 0306-2619 (79) 90027-8 .