Лекция 2. Энергия. Закон сохранения энергии. Виды энергии

Энергия

Энергия – термин, который мы часто используем в быту и встречаем в различной литературе. Давайте попробуем разобраться, какой смысл он в себе несет. Слово «энергия» заимствовано из греческого языка и означает «действие» или «деятельность». Отсюда вытекает, что всё что движется, является источником энергии: летящий мяч, шагающий человек, движущаяся планета и тд.

 В словаре Глоссарий.ру дается наиболее понятное и емкое определение этого понятия “энергия – это скалярная физическая величина, являющаяся единой количественной мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие”.

 В физике энергию определяют, как способность тела совершать работу, а работа совершается только в том случае, если в результате применения силы тело изменило свою координату.

 Если тело совершает работу или способно совершить работу, то говорят, что оно обладает энергией. Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает. Таким образом, энергия – это физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело.

 Для дальнейшего усвоения нового материала вспомним такие понятия как «тело» и «система». Тело – это отдельный предмет в пространстве, или часть пространства, заполненная материей. Система – это совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которая образует определенную целостность, единство.

 Приведем пример.

 Стакан можно рассмотреть как тело, имеющее форму и объем. А если рассмотреть его на молекулярном уровне, то он состоит из большого числа молекул (диоксид кремния), которое и можно рассмотреть как систему.

 Полная энергия тела (системы тел) состоит и суммы внешней и внутренней энергии системы.

$\mathrm{W}=\mathrm{E}+\mathrm{U}$,

 где W-полная энергия тела, E-внешняя энергия, U-внутренняя энергия 

 Единица измерения энергии как и работы Джоуль [1 ДЖ].

 Внешняя энергия состоит из кинетической и потенциальной энергий тела как целого. Внутренняя энергия – это энергия системы, зависящая только от ее внутреннего состояния и не включающая в себя виды энергии системы как целого.

 Как уже было сказано ранее внешняя энергия включает в себя формы энергии: кинетическую и потенциальную.

 Кинетическая энергия – это энергия движения тела (как целого). Кинетической энергией обладает любое движущееся тело. Формула кинетической энергии:

$E_{\mathrm{кин}}=\frac{m{v}^2}{2}$,

 где m-масса тела (кг), v-скорость тела (м/с²).

 Согласно этой формуле кинетическая энергия зависит еще и от массы тела. Чем больше скорость и масса тела, тем больше его кинетическая энергия. Но в случае если тело, обладающее большой массой будет покоиться (V=0), его кинетическая энергия также будет равна 0.

 Потенциальной энергией называется энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей тела. Потенциальной энергией обладают тела, поднятые над поверхностью земли, потому что они могут совершить работу при падении и упруго деформированное тело (пружина). Поэтому формул для определения потенциальной энергии две.

Потенциальная энергия тела, находящегося на высоте над землей: ${\mathrm{E}}_{\mathrm{пот}}=\mathrm{mgh}$,

 где m-масса тела (кг), g-ускорение свободного падения(9,8 м/с²), h-высота тела над поверхностью земли (м)

 Потенциальная энергия пружины: ${\mathrm{E}}_{\mathrm{пот}}=\frac{{\mathrm{kx}}^2}{2}$

 где k-коэффициент жесткости пружины (Н/м), x-удлинение пружины (м).

Классический случай перехода потенциальной энергии в тепловую и обратно показан на следующем видео.

 Схема видов энергии,  о которых шла речь выше показана на рисунке 1. 

Виды энергии

 Основной источник энергии на нашей планете – природа. Солнце, вода, ветер несут в себе огромное количество энергии. В зависимости от источника, можно выделить следующие виды энергии: механическая, электрическая, электромагнитная (световая), тепловая, химическая, атомная (внутриядерная), гравитационная и другие виды. Рассмотрим подробнее основные виды энергии.

 Механическая энергия – проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах – транспортных и технологических. Любой механический процесс сопровождается выделением или поглощением энергии. Чтобы колесо начало крутиться необходимо приложить силу и задать ему начальную энергию, но когда оно пришло в движение ,крутящееся колесо само становится источником энергии.

 Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия в большей степени связана с внутренней энергией тела, получаем ее чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.). Самым простым примером возникновения тепловой энергии является возникновение тепла при растирании ладоней.

 Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока). То есть если в проводнике возник электрический ток, сразу же возникнет электрическая энергия.

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).

Этот вид энергии является наиболее совершенным и используемым, благодаря следующим факторам:

1. Возможности получения ее в больших количествах вблизи месторождений горючих ископаемых или водных источников;
2. Удобству транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;
3. Способности трансформации в другие виды энергии;
4. Отсутствию загрязнения окружающей среды;
5. Возможности создания принципиально новых технологических процессов с высокой степенью автоматизации и роботизации производства.

 Химическая энергия – это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой энергии при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.

Магнитная энергия – энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. При прохождении электрического тока  по цепи вокруг проводника создается магнитное поле. Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой. Поскольку электрическая и магнитная энергия тесно связаны, на практике используется понятие электромагнитная энергия. 

Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны. Самый доступный источник электромагнитной энергии является Солнце.

Перечисленные диапазоны излучения отличаются длиной волны (и частотой):

1. Радиоволны – больше 10^-2 см;
2. Инфракрасное излучение – 2*10^-4 – 7, 4*10^-5 ;
3. Видимый свет - 7, 4*10^-5 -4*10^-5 ; (420-760 нм);
4. Ультрафиолетовое излучение - 4*10^-5 -10^-6 ;
5. Рентгеновское излучение – 10^-5 -10^-12 ;
6. Гамма излучение – больше чем 10 ^-12 см.

Таким образом, электромагнитная энергия – это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

 Ядерная энергия – энергия, локализованная в ядрах атомов радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

 Бытует и старое название данного вида энергии – атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.

 Гравитационная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести.

 Как вы уже выяснили, существуют множество видов энергии, она постоянно сопровождает нас. Стоит отметить одну важную особенность любой энергии, в которой состоит суть одного из самых фундаментальных законов Вселенной – закон сохранения энергии: энергия не возникает из неоткуда и не исчезает в никуда, она лишь переходит из одного вида в другой.

Преобразование одного вида энергии в другой. Проблемы использования энергии человеком

 Энергия – всеобщая основа природных явлений, она существует независимо от нас и наших знаний о ней. Человек сделал большой шаг вперед, в тот момент, когда научился преобразовывать один вид энергии в другой. Эти шаги связанны с резким качественным переворотом в производительных силах человечества, по другому этот процесс назвали научно-техническая революция (НТР). Первая НТР связанна с изобретением парового двигателя (строительство паровозов и теплоходов), который преобразует тепловую энергию в механическую. Благодаря ему человеку стали подвластны большие расстояния. Вторая НТР связана с развитием такой отрасли промышленности как электротехника, которая в свою очередь связана с применением электрической энергии. Появились нагревательные приборы, телефонная и радиоаппаратура. Третья НТР ознаменована появлением первых ЭВМ и строительством первых атомных электростанций. Человек научился использовать атомную энергию.

 В зависимости от источника энергии и того как она проявляется, можно выделить энергию макромира – гравитационную и энергию взаимодействия тел (механическую, тепловую).

 К энергии, образующейся на уровне микромира, относят – энергию атомных взаимодействий, химическую и энергию излучения (электромагнитную, ядерную).

 Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии и закон сохранения энергии.

  Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), и которая может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую называется первичной. В соответствии с классификацией энергоресурсов по признаку исчерпаемости,  можно классифицировать и первичную энергию. На рис. 2 представлена схема классификации первичной энергии.

 Энергия, получаемая человеком, после преобразования первичной энергии на специальных установках - станциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.).

 Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть - в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии.

 Электрическая энергия по праву может считаться основой современной цивилизации. Это обусловлено ее преимуществами и удобством использования. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы, ЭВМ), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.

 Электрическая энергия – наиболее универсальный вид энергии. Она нашла широкое применение в быту и во всех отраслях народного хозяйства. Насчитывается свыше четырехсот наименований электробытовых приборов: холодильники, стиральные машины, кондиционеры, вентиляторы, телевизоры, магнитофоны, осветительные приборы и т.д. Нельзя представить промышленность без электрической энергии. В сельском хозяйстве применение электричества непрерывно расширяется: кормление и поение животных, уход за ними, отопление и вентиляция, инкубаторы, калориферы, сушилки и т.д. Электрификация – основа технического прогресса любой отрасли народного хозяйства. Она позволяет заменить неудобные для использования энергетические ресурсы универсальным видом энергии – электрической энергией, которую можно передавать на любое расстояние, превращать в другие виды энергии, например, в механическую или тепловую, делить ее между потребителями. 

 К ак мы говорили ранее, электрическая энергия очень важна для человека. Получаем мы ее из других видов энергии.

 Ветряная электростанция (Рисунок 3) позволяет преобразовать механическую энергию в электрическую. Потоки воздуха приводят лопасти в движение, далее генератор преобразует механическую энергию в электрическую.

 Это самый экологически чистый способ получить электрическую энергию, но проблема состоит в том, чтобы найти для нее место, где постоянно дуют ветра. 

 Гидроэлектростанции (Рисунок 4) работают по тому же типу что и ветровые. В них используют энергию потока воды, которую направляют на лопасти турбины, заставляя ее вращаться. Они не такие безобидные как ветряные. Строительство гидроэлектростанций сопровождается возведением водохранилищ, которые нарушают рельеф местности.

  ТЭЦ (теплоэлектростанции) – станции по превращению тепловой энергии в электрическую. На рисунке 5 представлена ее схема. При горении угля выделяется большое количество тепловой энергии, которая греет воду, образуя пар. Далее этот пар под большим давлением отправляют на турбину, вращаясь, она производит электрическую энергию. Здесь мы наблюдаем двойное преобразование энергии: тепловая→механическая→электрическая. На данный момент ТЭЦ это самые распространённые преобразователи электрической энергии. У них много минусов: необходимо большое количество угля, запасы которого иссякают и большие выбросы в атмосферу вредных веществ (продукты горения).

 Атомные электростанции (АЭС) позволяют преобразовать радиоактивную энергию атомов в электрическую (Рисунок 6). Немногим отличается от тепловой. Разница состоит лишь в том, что вместо угля (как в теплоэлектростанции) в атомной используют атомный реактор, где «жгут» радиоактивный уран. Схема преобразования энергии в АЭС выглядит так: атомная→тепловая→механическая→электрическая. 

 У АЭС есть преимущество – отсутствие выбросов в атмосферу. Но есть и минусы – неправильная эксплуатация атомного реактора может привести к экологической катастрофе, а так же существует проблема утилизации  отходов радиоактивного топлива.

Из всех видов энергоресурсов энергия Солнца имеет особое значение. Сейчас мы научились ее собирать и преобразовывать в электрическую с помощью солнечных батарей (Рисунок 7). Солнечный свет представляет собой поток фотонов, при попадании которых на пластину возникает электрический ток. Солнечные батареи достаточно новая технология, но в силу своей простоты в использовании и экологической безопасности за ними будущее. Более того, первичные источники энергии (уголь, нефть, радиоактивные элементы) существуют в ограниченном количестве в недрах Земли, в то время как Солнце светит каждый день.

  Динамика развития цивилизации такова, что с каждым годом человечеству требуется все больше энергии для своего существования и развития. Несмотря на наличие большого количества энергоресурсов и использование человечеством различных видов энергии, скорость потребления энергетических ресурсов заметно превышает возможности их возобновления природой. Это в первую очередь касается невозобновимых природных ресурсов. Потребности человека растут, людей становится все больше и это вызывает гигантские объемы производства энергии и темпы роста ее потребления. Сегодня традиционные источники энергии (различные топлива, гидроресурсы) и технологии их использования уже не способны обеспечивать требуемый уровень энерговооруженности общества, потому что это невозобновляемые источники. И хотя разведанные запасы природных топлив очень велики, проблема истощения природных кладовых при нынешних и прогнозируемых темпах их разработки переходит в реальную и недалекую перспективу. Уже сегодня ряд месторождений из-за истощения оказывается непригодным для промышленной разработки, и за нефтью и газом, например, приходится идти на труднодоступные, отдаленные территории, на океанские шельфы и т.п. Серьезные прогнозисты доказывают, что при сохранении нынешних объемов и темпов роста энергопотребления в 3 … 5 % (а они без сомнения будут еще выше) запасы органических топлив полностью иссякнут через 70 – 150 лет.

Другим фактором, ограничивающим значительное увеличение объемов выработки энергии за счет сжигания топлива, является все возрастающее загрязнение окружающей среды отходами энергетического производства. Эти отходы значительны по массе и содержат большое количество различных вредных компонентов. А ведь количество вырабатываемой в год электроэнергии исчисляется сотнями и тысячами миллиардов киловатт-часов! Вот откуда кислотные дожди, отравления сельхозугодий и водоемов и тому подобные явления. Причем природа уже не в состоянии естественными физико-химическими и микробиологическими способами переработать эти загрязнения и самовосстановиться.

В ядерной энергетике возникают экологические проблемы другого рода. Они связаны с необходимостью исключить попадание ядерного горючего в окружающую среду и надежным захоронением ядерных отходов, что при современном уровне развития техники и технологий связано с большими трудностями.

Не менее вредным является и тепловое загрязнение окружающей среды, способное привести к глобальному потеплению климата Земли, таянью ледников и повышению уровня мирового океана. В свете изложенного выше все более актуальным становится широкое практическое использование так называемых нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, которые ко всему прочему являются еще и экологически чистыми, не загрязняющими окружающую среду. К таким источникам относятся солнечная энергия, энергия ветра, энергия морских волн и приливов, энергия биомассы, геотермальная энергия и др.

На следующем видео вы можете подробнее узнать об альтернативных источниках будущего. 

 Природа каждого из этих источников энергии неодинакова, различны и способы их применения и использования. Вместе с тем им свойственны и общие черты, и в частности малая плотность потока генерируемой энергии, обуславливающая необходимость ее аккумулирования и резервирования.

Задание 1. Для закрепления материала необходимо выполнить следующее задание.