Для решения проблемы ограниченности ископаемых видов топлива исследователи во всем мире работают над созданием и внедрением в эксплуатацию альтернативных источников энергии. И речь идет не только о всем известных ветряках и солнечных батареях. На смену газу и нефти может прийти энергия от водорослей, вулканов и человеческих шагов. Recycle выбрал десять самых интересных и экологически чистых энерго-источников будущего.

Джоули из турникетов

Тысячи людей каждый день проходят через турникеты при входе на железнодорожные станции. Сразу в нескольких исследовательских центрах мира появилась идея использовать поток людей в качестве инновационного генератора энергии. Японская компания East Japan Railway Company решила оснастить каждый турникет на железнодорожных станциях генераторами. Установка работает на вокзале в токийском районе Сибуя: в пол под турникетами встроены пьезоэлементы, которые производят электричество от давления и вибрации, которую они получают, когда люди наступают на них.

Другая технология «энерго-турникетов» уже используется в Китае и в Нидерландах. В этих странах инженеры решили использовать не эффект нажатия на пьезоэлементы, а эффект толкания ручек турникета или дверей-турникетов. Концепция голландской компании Boon Edam предполагает замену стандартных дверец при входе в торговые центры (которые обычно работают по системе фотоэлемента и сами начинают крутиться) на двери, которые посетитель должен толкать и таким образом производить электроэнергию.

В голландском центре Natuurcafe La Port такие двери-генераторы уже появились. Каждая из них производит около 4600 киловатт-час энергии в год, что на первый взгляд может показаться незначительным, но служит неплохим примером альтернативной технологии по выработке электричества.

Водоросли отапливают дома

Водоросли стали рассматриваться в качестве альтернативного источника энергии относительно недавно, но технология, по мнению экспертов, очень перспективна. Достаточно сказать, что с 1 гектара площади водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получать 150 тысяч кубометров биогаза. Это приблизительно равно объёму газа, который выдает небольшая скважина, и достаточно для жизнедеятельности небольшого поселка.

Зеленые водоросли просты в содержании, быстро растут и представлены множеством видов, использующих энергию солнечного света для осуществления фотосинтеза. Всю биомассу, будь то сахара или жиры, можно превратить в биотопливо, чаще всего в биоэтанол и биодизельное топливо. Водоросли — идеальное эко-топливо, потому что растут в водной среде и не требуют земельных ресурсов, обладают высокой продуктивностью и не наносят ущерба окружающей среде.

По оценкам экономистов, к 2018 году глобальный оборот от переработки биомассы морских микроводорослей может составить около 100 млрд долларов. Уже существуют реализованные проекты на «водорослевом» топливе — например, 15-квартирный дом в немецком Гамбурге. Фасады дома покрыты 129 аквариумами с водорослями, служащими единственным источником энергии для отопления и кондиционирования здания, получившего название Bio Intelligent Quotient (BIQ) House.

«Лежачие полицейские» освещают улицы

Концепцию выработки электроэнергии при помощи так называемых «лежачих полицейских» начали реализовывать сначала в Великобритании, затем в Бахрейне, а скоро технология дойдет и до России. Все началось с того, что британский изобретатель Питер Хьюс создал «Генерирующую дорожную рампу» (Electro-Kinetic Road Ramp) для автомобильных дорог. Рампа представляет собой две металлические пластины, немного поднимающиеся над дорогой. Под пластинами заложен электрический генератор, который вырабатывает ток всякий раз, когда автомобиль проезжает через рампу.

В зависимости от веса машины рампа может вырабатывать от 5 до 50 киловатт в течение времени, пока автомобиль проезжает рампу. Такие рампы в качестве аккумуляторов способны питать электричеством светофоры и подсвечиваемые дорожные знаки. В Великобритании технология работает уже в нескольких городах. Способ начал распространяться и на другие страны — например, на маленький Бахрейн.

Самое удивительное, что нечто подобное можно будет увидеть и в России. Студент из Тюмени Альберт Бранд предложил такое же решение по уличному освещению на форуме «ВУЗПромЭкспо». По подсчетам разработчика, в день по «лежачим полицейским» в его городе проезжает от 1000 до 1500 машин. За один «наезд» автомобиля по оборудованному электрогенеретором «лежачему полицейскому» будет вырабатываться около 20 ватт электроэнергии, не наносящей вред окружающей среде.

Больше, чем просто футбол

Разработанный группой выпускников Гарварда, основателей компании Uncharted Play, мяч Soccket может за полчаса игры в футбол сгенерировать электроэнергию, которой будет достаточно, чтобы несколько часов подпитывать LED-лампу. Soccket называют экологически чистой альтернативой небезопасным источникам энергии, которые нередко используются жителями малоразвитых стран.

Принцип аккумулирования энергии мячом Soccket довольно прост: кинетическая энергия, образуемая от удара по мячу, передается крошечному механизму, похожему на маятник, который приводит в движение генератор. Генератор производит электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторе. Сохраненная энергия может быть использована для питания любого небольшого электроприбора — например, настольной лампы со светодиодом.

Выходная мощность Soccket составляет шесть ватт. Генерирующий энергию мяч уже завоевал признание мирового сообщества: получил множество наград, был высоко оценен организацией Clinton Global Initiative, а также получил хвалебные отзывы на известной конференции TED.

Скрытая энергия вулканов

Одна из главных разработок в освоении вулканической энергии принадлежит американским исследователям из компаний-инициаторов AltaRock Energy и Davenport Newberry Holdings. «Испытуемым» стал спящий вулкан в штате Орегон. Соленая вода закачивается глубоко в горные породы, температура которых благодаря распаду имеющихся в коре планеты радиоактивных элементов и самой горячей мантии Земли очень высока. При нагреве вода превращается в пар, который подается в турбину, вырабатывающую электроэнергию.

На данный момент существуют лишь две небольшие действующие электростанции подобного типа - во Франции и в Германии. Если американская технология заработает, то, по оценке Геологической службы США, геотермальная энергия потенциально способна обеспечить 50% необходимого стране электричества (сегодня ее вклад составляет лишь 0,3%).

Другой способ использования вулканов для получения энергии предложили в 2009 году исландские исследователи. Рядом с вулканическими недрами они обнаружили подземный резервуар воды с аномально высокой температурой. Супер-горячая вода находится где-то на границе между жидкостью и газом и существует только при определенных температуре и давлении.

Ученые могли генерировать нечто подобное в лаборатории, но оказалось, что такая вода встречается и в природе — в недрах земли. Считается, что из воды «критической температуры» можно извлечь в десять раз больше энергии, чем из воды, доведенной до кипения классическим образом.

Энергия из тепла человека

Принцип термоэлектрических генераторов , работающих на разнице температур, известен давно. Но лишь несколько лет назад технологии стали позволять использовать в качестве источника энергии тепло человеческого тела. Группа исследователей из Корейского ведущего научно-технического института (KAIST) разработала генератор, встроенный в гибкую стеклянную пластинку.

Т акой гаджет позволит фитнес-браслетам подзаряжаться от тепла человеческой руки — например, в процессе бега, когда тело сильно нагревается и контрастирует с температурой окружающей среды. Корейский генератор размером 10 на 10 сантиметров может производить около 40 милливат энергии при температуре кожи в 31 градус Цельсия.

Похожую технологию взяла за основу молодая Энн Макосински, придумавшая фонарик, заряжающийся от разницы температур воздуха и человеческого тела. Эффект объясняется использованием четырех элементов Пельтье: их особенностью является способность вырабатывать электричество при нагреве с одной стороны и охлаждении с другой стороны.

В итоге фонарик Энн производит довольно яркий свет, но не требует батарей-акуумуляторов. Для его работы необходима лишь температурная разница всего в пять градусов между степенью нагрева ладони человека и температурой в комнате.

Шаги по «умной» тротуарной плитке

На любую точку одной из оживленных улиц приходится до 50000 шагов в день. Идея использовать пешеходный поток для полезного преобразования шагов в энергию была реализована в продукте, разработанном Лоуренсом Кемболл-Куком, директором британской Pavegen Systems Ltd. Инженер создал тротуарную плитку, генерирующую электроэнергию из кинетической энергии гуляющих пешеходов.

Устройство в инновационной плитке сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается примерно на пять миллиметров. Это, в свою очередь, создаёт энергию, которую механизм преобразует в электричество. Накопленные ватты либо сохраняются в литиевом полимерном аккумуляторе, либо сразу идут на освещение автобусных остановок, витрин магазинов и вывесок.

Сама плитка Pavegen считается абсолютно экологически чистой: ее корпус изготовлен из нержавеющей стали специального сорта и переработанного полимера с низким содержанием углерода. Верхняя поверхность изготовлена из использованных шин, благодаря этому плитка обладает прочностью и высокой устойчивостью к истиранию.

Во время проведения летней Олимпиады в Лондоне в 2012 году плитку установили на многих туристических улицах. За две недели удалось получить 20 миллионов джоулей энергии. Этого с избытком хватило для работы уличного освещения британской столицы.

Велосипед, заряжающий смартфоны

Чтобы подзарядить плеер, телефон или планшет, необязательно иметь под рукой розетку. Иногда достаточно лишь покрутить педали. Так, американская компания Cycle Atom выпустила в свет устройство, позволяющее заряжать внешний аккумулятор во время езды на велосипеде и впоследствии подзаряжать мобильные устройства.

Продукт, названный Siva Cycle Atom, представляет собой легкий велосипедный генератор с литиевым аккумулятором, предназначенным для питания практически любых мобильных устройств, имеющих порт USB. Такой мини-генератор может быть установлен на большинстве обычных велосипедных рам в течение считанных минут. Сам аккумулятор легко снимается для последующей подзарядки гаджетов. Пользователь занимается спортом и крутит педали — а спустя пару часов его смартфон уже заряжен на 100 поцентов.

Компания Nokia в свою очередь тоже представила широкой публике гаджет, присоединяемый к велосипеду и позволяющий переводить кручение педалей в способ получегия экологически безопасной энергии. Комплект Nokia Bicycle Charger Kit имеет динамо-машину, небольшой электрический генератор, который использует энергию от вращения колес велосипеда и подзаряжает ей телефон через стандартный двухмиллиметровый разъем, распространенный в большинстве телефонов Nokia.

Польза от сточных вод

Любой крупный город ежедневно сбрасывает в открытые водоемы гигантское количество сточных вод , загрязняющих экосистему. Казалось бы, отравленная нечистотами вода уже никому не может пригодиться, но это не так — ученые открыли способ создавать на ее основе топливные элементы.

Одним из пионеров идеи стал профессор Университета штата Пенсильвания Брюс Логан. Общая концепция весьма сложная для понмания неспециалиста и построена на двух столпах — применении бактериальных топливных ячеек и установке так называемого обратного электродиализа. Бактерии окисляют органическое вещество в сточных водах и производят в данном процессе электроны, создавая электрический ток.

Для производства электричества может использоваться почти любой тип органического отходного материала - не только сточные воды, но и отходы животноводства, а также побочные продукты производств в виноделии, пивоварении и молочной промышленности. Что касается обратного электродиализа, то здесь работают электрогенераторы, разделенные мембранами на ячейки и извлекающие энергию из разницы в солености двух смешивающихся потоков жидкости.

«Бумажная» энергия

Японский производитель электроники Sony разработал и представил на Токийской выставке экологически чистых продуктов био-генератор, способный производить электроэнергию из мелко нарезанной бумаги. Суть процесса заключается в следующем: для выделения целлюлозы (это длинная цепь сахара глюкозы, которая находится в зеленых растениях) необходим гофрированный картон.

Цепь разрывается с помощью ферментов, а образовавшаяся от этого глюкоза подвергается обработке другой группой ферментов, с помощью которых высвобождаются ионы водорода и свободные электроны. Электроны направляются через внешнюю цепь для выработки электроэнергии. Предполагается, что подобная установка в ходе переработки одного листа бумаги размером 210 на 297 мм может выработать около 18 Вт в час (примерно столько же энергии вырабатывают 6 батареек AA).

Метод является экологически чистым: важным достоинством такой «батарейки» является отсутствие металлов и вредных химических соединений. Хотя на данный момент технология еще далека от коммерциализации: электричества вырабатывается достаточно мало - его хватает лишь на питание небольших портативных гаджетов.

Назовите основные этапы в истории использования энергии человеком, укажите их значение.

Какая связь между развитием цивилизации человечества и энергопотреблением? Объясните характер их изменения во времени и укажите тенденции.

Что такое энергетическая система? Ее основное назначение. Какие системы в ней функционируют?

Что представляют собой топливно-энергетические ресурсы? Как они классифицируются?

Что такое вторичные энергетические ресурсы? Назовите их и укажите способы их получения.

Что такое энергоемкость первичных энергоресурсов? Для чего введено понятие условного топлива?

Каковы основные тенденции мирового потребления ТЭР?

В чем суть энергетического кризиса 70-х гг. в Западной Европе и в 90-х гг. в странах СНГ? Какие Вы видите пути преодоления энергетического кризиса в Беларуси?

Чем можно объяснить интенсивное использование нефти в мировом энергобалансе и каковы дальнейшие перспективы ее использования?

Поясните возможности и перспективы использования водорода в энергетике.

Что такое энергоэффективные технологии? Каковы мотивы их внедрения?

Тема 2. Виды энергии. Получение, преобразование и использование энергии Лекция 2. Виды энергии. Получение, преобразование и использование энергии

Основные понятия:

энергия; кинетическая и потенциальная энергия; виды энергии; энергетика; энергосистема; электроэнергетическая система; потребители энергии; традиционная и нетрадиционная энергетика; графики нагрузки; энергопотребление на душу населения; энергоемкость экономики; показатель энергоэкономического уровня производства .

Энергия и ее виды

Энергия – всеобщая основа природных явлений, базис культуры и всей деятельности человека. В то же время под энергией (греческое –действие, деятельность )понимается количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую .

Согласно представлениям физической науки, энергия –это способность тела или системы тел совершать работу. Существуют различные классификации видов и форм энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная). Последние три видаотносятся к внутренней форме энергии, т.е. обусловлены потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих тело, или кинетической энергией их беспорядочного движения.

Если энергия – результат изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической ; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.

Если энергия – результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной ; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.

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.

Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

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).

Химическая энергия – это энергия, «запасенная» в атомахвеществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой 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. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой.

Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

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 так называемых 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.

Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира – гравитационную, энергию взаимодействия тел – механическую, энергию молекулярных взаимодействий – тепловую, энергию атомных взаимодействий – химическую, энергию излучения – электромагнит ную, энергию, заключенную в ядрах атомов – ядерную.

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

В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят 1 Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен 1 ньютон метр (Нм). Если расчеты связаны с теплотой, биологической и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица - калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал=4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт·час (Вт·ч, кВт·ч, МВт·ч), 1 Вт·ч=3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м=9,8 Дж.

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), и которая может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую называетсяпервичной . В соответствии с классификацией энергоресурсов по признаку исчерпаемости можно классифицировать и первичную энергию. На рис. 2.1 представлена схема классификации первичной энергии.

Рис. 2.1. Классификация первичной энергии

При классификации первичной энергии выделяют традиционные инетрадиционные виды энергии. К традиционным относятся такие виды энергии, которые на протяжении многих лет широко использовались человеком. К нетрадиционным видам энергии относят такие виды, которые начали использоваться сравнительно недавно.

К традиционным видам первичной энергии относят: органическое топливо (уголь, нефть и т.д.), гидроэнергию рек и ядерное топливо (уран, торий и др.).

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

Преимущества электрической энергии. Электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии и по праву может считаться основой современной цивилизации. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы ЭВМ), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.

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. Причем доля электрической энергии с каждым годом растет (рис. 2.2).

Электрическая энергия – более 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.Электричество – очень удобный для применения и экономичный вид энергии.

Рис. 2.2. Динамика потребления электрической энергии

Электрическая энергия обладает такими свойствами, которые делают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства и вповседневной жизни человека:

1. Электрическая энергия универсальна, она может быть использована для самых различных целей. В частности, ее очень просто превратить в тепло. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.

2. При потреблении электрической энергии ее можно бесконечно дробить. Так, мощность электрических машин в зависимости от их назначения различна: от долей ватта в микродвигателях, применяемых во многих отраслях техники и в бытовых изделиях, до огромных величин, превышающих миллион киловатт, в генераторах электростанций.

3. В процессе производства и передачи электрической энергии, можно концентрировать ее мощность, увеличивать напряжение и передавать по проводам как на малые, так и на большие расстояния любое количество электрической энергии от электростанции, где она вырабатывается, всем ее потребителям.

Рассматриваемые вопросы:

1. Определение энергии.

2. Виды энергии

3. Назначение и использование энергии.

В окружающем нас мире материя существует в форме вещества, поля и физического вакуума. В форме вещества и поля материя обладает массой, импульсом, энергией. Необходимым условием любого действия, взаимодействия и вообще существования является потребление энергии, обмен энергией. В человеческом обществе уровень культуры как материальной, так и духовной находится в тесной связи с количеством потребляемой энергии. Уровнем энерговооруженности определяется экономика любой страны. Так что же такое энергия?

1. Энергия и ее виды

Энергия – всеобщая основа природных явлений, базис культуры и всей деятельности человека. В то же время под энергией понимается количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую.

Согласно представлениям физической науки, энергия – это способность тела или системы тел совершать работу.

В природе существует около 20 научно обоснованных видов энергии. Существуют также различные классификации видов и форм энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная), гравитационная и другие виды. На практике непосредственно применяются всего 4 вида энергии: тепловая (70-75%), механическая (20-22%), электрическая (3-5%), электромагнитная – световая (15%).

Более двух третей всей потребляемой энергии используется в виде теплоты для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставщаяся часть – в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля использования электрической энергии постоянно возрастает.

Если энергия – результат изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.

Если энергия – результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.

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.

Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока). 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, благодаря следующим факторам:

• 
  Возможности получения ее в больших количествах вблизи месторождений горючих ископаемых или водных источников;
• 
  Удобству транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;
• 
  Способности трансформации в другие виды энергии;
• 
  Отсутствию загрязнения окружающей среды;
• 
  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.

Перечисленные диапазоны излучения отличаются длиной волны (и частотой):

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

Часто в особые виды энергии выделяют биологическую и психическую энергии. Однако, согласно современным воззрениям естествознания, психические и биологические процессы это особая группа физико-химических процессов, но они осуществляются на основе описанных выше видов энергии.

Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира – гравитационную, энергию взаимодействия тел – механическую, энергию молекулярных взаимодействий – тепловую,

К энергии , образующейся на уровне микромира , относят – энергию атомных взаимодействий – химическую; энергию излучения – электромагнитную; энергию, заключенную в ядрах атомов – 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.

В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен
1 ньютон х метр (Нм). Если расчеты связаны с теплотой, с расчетом энергии биологических объектов и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица - калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал=4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт·час (Вт·ч, кВт·ч, МВт·ч), 1 Вт·ч=3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м=9,8 Дж.

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. 1 представлена схема классификации первичной энергии.

Энергия приливов

Геотермальная энергия

Энергия морских волн

Биологическое топливо

Энергия ветра

Солнечная энергия

Нетрадиционные виды энергии

Газообразные виды топлива

Жидкие виды топлива

Твёрдые виды топлива

Атомная энергия

Гидроэнергия рек

Органическое топливо

Традиционные виды энергии

Первичная энергия


Рис. 1. Классификация 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.

Преимущества электроэнергии:

1. Электрическая энергия универсальна, она может быть использована для самых различных целей. В частности, ее очень просто превратить в тепло, свет. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.

2. При потреблении электрической энергии ее можно бесконечно дробить. Так, мощность электрических машин в зависимости от их назначения различна: от долей ватта в микродвигателях, применяемых во многих отраслях техники и в бытовых изделиях, до огромных величин, превышающих миллион киловатт, в генераторах электростанций.

3. В процессе производства и передачи электрической энергии, можно концентрировать ее мощность, увеличивать напряжение и передавать по проводам как на малые, так и на большие расстояния любое количество электрической энергии от электростанции, где она вырабатывается, всем ее потребителям.

Развитие естествознания на протяжении жизни человечества неопровержимо доказало, что энергия никогда не создается из ничего и не уничтожается бесследно, она только переходит из одного вида в другой, т.е.

сумма всех видов энергии остается постоянной. В этом состоит суть одного из самых фундаментальных законов Вселенной – закон сохранения энергии.

При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать энергию упорядоченного движения, известную в технике под названием свободной энергии (механическая, химическая, электрическая, электромагнитная, ядерная) и энергию хаотического движения , т.е. теплоту.Любая из форм свободной энергии может быть практически полностью использована. В то же время хаотическая энергия тепла при превращении в механическую энергию теряется в виде тепла. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Более того, в настоящее время практически нет способа непосредственного превращения химической и ядерной энергии в электрическую и механическую , как наиболее используемые. Приходится внутреннюю энергию веществ превращать в тепловую, а затем в механическую или электрическую с большими неизбежными теплопотерями.Таким образом, все виды энергии после выполнения ими полезной работы превращаются в теплоту с более низкой температурой, которая практически непригодна для дальнейшего использования.

Закон сохранения энергии нашел подтверждение в различных областях – от механики Ньютона до ядерной физики. Причем закон сохранения энергии – это не только плод воображения или обобщения экспериментов. Вот почему можно полностью согласиться с утверждением одного из крупнейших физиков-теоретиков Пуанкаре: «Так как мы не в силах дать общего определения энергии, принцип ее сохранения означает, что существует нечто, остающееся постоянным. Поэтому, к каким бы новым представлениям о мире не привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем: в них будет нечто остающееся постоянным, что можно назвать ЭНЕРГИЕЙ».

Учебная дисциплина "Основы энергосбережения" призвана вооружить будущего специалиста знаниями общих законов и подходов к расчету процессов, возникающих при получении, трансформации и передаче энергии.

3. Проблемы использования энергии человеком

Из всех видов энергоресурсов энергия Солнца имеет особое значение. Все виды энергоресурсов есть результат естественных преобразований солнечной энергии. Уголь, нефть, природный газ, торф, горючие сланцы и дрова – это запасы лучистой энергии Солнца, извлеченные и преобразованные растениями. В процессе реакции фотосинтеза из неорганических элементов окружающей среды – воды Н 2 О и углекислого газа СО 2 – под воздействием солнечного света в растениях образуется органическое вещество, основным элементом которого является углерод С . В определенную геологическую эпоху на протяжении миллионов лет из отмерших растений под воздействием давления и температурного режима, которые, в свою очередь, являются результатом конкретного количества энергии Солнца, падающего на Землю, и образовались органические энергетические ресурсы, основу которых составляет углерод, ранее накопленный в растениях. Энергия воды также получается за счет солнечной энергии, испаряющей воду и поднимающей пар в высокие слои атмосферы. Ветер возникает за счет различной температуры нагревания Солнцем разных точек нашей планеты. Кроме того, непосредственно излучение Солнца, приходящееся на поверхность Земли, обладает огромным потенциалом энергии.

Таким образом, образование органического топлива является результатом, с одной стороны, естественных преобразований солнечной энергии, а с другой, – результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывавшиеся во всех геологических формациях. Все это топливо имеют углеродную основу, и энергия высвобождается из него, главным образом, в процессе образования диоксида углерода (СО2).

На протяжении всего своего существования человечество использовало энергию, накопленную природой в течение миллиардов лет. При этом способы ее использования постоянно совершенствовались с целью получения максимальной эффективности .

Так, в самом начале своего эволюционного развития человеку была доступна только энергия мышц его тела . Позднее человек научился получать и использовать энергию огня . Очередной виток эволюционного развития человеческого общества принес возможность использовать энергию воды и ветра – появились первые водяные и ветряные мельницы, водяные колеса, парусные суда, использующие силу ветра для своего перемещения. В XVIII веке была изобретена паровая машина, в которой тепловая энергия , полученная в результате сжигания угля или древесины, превращалась в энергию механического движения. В XIX веке была открыта вольтовая дуга, электрическое освещение, изобретен электродвигатель, а затем и электрогенератор, - что и явилось началом века электричества . XX век явил собой подлинную революцию в освоении человечеством способов получения и использования энергии: строятся тепловые, гидравлические, атомные электростанции огромной мощности, сооружаются линии передачи электрической энергии высокого, сверх- и ультравысокого напряжения, разрабатываются новые способы производства, преобразования и передачи электроэнергии (управляемая термоядерная реакция, магнитогидродинамический генератор, сверхпроводниковые турбогенераторы и т.д.), создаются мощные энергосистемы . В это же время появляются мощные системы нефте- и газоснабжения.
Таким образом, окружающий нас мир обладает поистине неиссякаемым источником различных видов энергии. Некоторые из них еще в полной мере не используются и в нынешнее время – энергия Солнца, энергия взаимодействия Земли и Луны, энергия термоядерного синтеза, энергия тепла Земли .

Сейчас энергия играет решающую роль в развитии человеческой цивилизации. Существует тесная взаимосвязь между расходом энергии и объемом выпускаемой продукции. Энергетика имеет большое значение в жизни человечества. Уровень ее развития отражает уровень развития производительных сил общества, возможности научно-технического прогресса и уровень жизни населения. К сожалению, большинство энергии, потребляемой человеком, превращается в бесполезное тепло из-за низкой эффективности использования имеющихся энергетических ресурсов.

Ориентировочное распределение потребляемой энергии за год в мире приведено в табл. 1.1. Величина энергии дается в количестве угля в мегатоннах (Мт), который при сгорании дал бы ту же энергию.
На питание людей ежегодно идет около 400 Мт, из которых около 40 Мт превращается в полезный труд. На бытовые нужды расходуется около 800 Мт, на общественное производство – 1000 Мт.

Таблица1.1
Годовое потребление энергии в мире

Форма энергии	Количество, Мт	Источник
Питание людей и корм рабочего скота	650	Солнечный свет (в настоящем)
Дрова	150	Солнечный свет (в прошлом)
Гидроэлектростанции	100	Движение воды
Уголь, нефть, газ, торф	6 600	Солнечный свет (в прошлом)

Таким образом, из годового потребления, составляющего 7500 Мт, полезно используется 2200 Мт, остальное растрачивается в виде теплоты . Но даже эффективностью 2200/7500 Мт человечество не может похвастаться, так как не учтено падающее на Землю солнечное излучение, составляющее 10000000 Мт в год.

Рис. 2 Распределение энергии солнечного света.

Неравномерность использования энергии населением представлена на рис.3.

Рис. 3.Неравномерность использования энергии населением.

Энергия сыграла решающую роль в развитии цивилизации. Потребление энергии и накопление информации имеет примерно одинаковый характер изменения во времени, тесна связь между расходом энергии и объемом выпускаемой продукции. Установлено, что для удовлетворения физиологических потребностей человеку современному требуется приблизительно столько же энергии, сколько и человеку первобытному. В то же время рост потребления энергии поразительно высок. Но именно благодаря ему человек значительную часть своей жизни может посвятить досугу, образованию, созидательной деятельности, добился теперешней высокой продолжительности жизни.
Мы считаем энергию чем-то нужным, способным работать на нас.

Снабжение общества энергией необходимо для: обогрева помещений, обеспечения передвижения, выпуска необходимых нам товаров, поддержания работоспособности различных машин, механизмов, приборов, приготовления пищи, освещения, поддержания жизнедеятельности и т.д.

Эти примеры применения энергии можно разделить на три большие группы:
а) энергия питания . Она дороже других видов энергии: пшеница в перерасчете на Джоули гораздо дороже, чем уголь. Питание дает тепло для поддержания температуры тела, энергию для его движения, для осуществления умственного и физического труда;
б) энергия в виде тепла для обогрева домов и приготовления пищи. Она дает возможность жить в различных климатических условиях и разнообразить пищевой рацион человека;
в) энергия для обеспечения функционирования общественного производства. Это энергия для производства товаров и услуг, физического перемещения людей и грузов в пространстве, для поддержания работоспособности всех систем коммуникаций. Затраты этой энергии на душу населения значительно выше, чем затраты энергии на питание.

К сожалению, 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 средыотходами энергетического производства . Эти отходы значительны по массе и содержат большое количество различных вредных компонентов. Так, при производстве 106 кВт⋅_ч электроэнергии на современной электростанции, работающей на твердом топливе, в окружающую среду сбрасываются 14 000 кг шлака, 80 000 кг золы, 1 000 000 кг диоксида углерода, 14000 кг диокиси серы,4 000 кг окислов азота, 100 000 кг водяных паров, а также соединения фтора, мышьяка, ванадия и других элементов. 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. 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.

4. Энергетическая безопасность и энергосбережение

Согласно прогнозам ученых, в обозримом будущем основным источником энергии останутся углеводородные топлива и ядерное горючее. Но человечество уже приближается к такому пределу повышения суммарной мощности традиционных энергоустановок, преодоление которого неизбежно повлечет экологическую катастрофу . Поэтому современная «нетрадиционная» энергетика – это тот резерв, который дает надежду и возможность преодолеть многие казалось бы неразрешимые проблемы и обеспечить возрастающие потребности человека в будущем. По мере совершенствования технологий и масштабов практического использования часть «нетрадиционных» энергоустановок перейдет в разряд традиционной «большой» энергетики, другая часть найдет свою нишу в «малой» энергетике для энергообеспечения локальных объектов. Так или иначе – за нетрадиционными источниками энергии большое будущее, и мы должны всемерно способствовать тому, чтобы это будущее скорее становилось настоящим. От этого зависят вопросы жизни и смерти на нашей планете.Именно этим определяется настоятельная необходимость рационального расхода энергии, снижения её удельных затрат во всех сферах человеческой деятельности. Это направление получило название - энергосбережение.

Один из результатов энергосбережения - прямое снижение в несколько раз затрат на ускорение темпов постоянных поисков источников энергии, их освоения. Стремление решить эти и другие проблемы наблюдается практически с самого начала большой энергетики. Оно реализуется как в поисках других первичных энергетических источников (электрохимические и термоядерные преобразователи), так и в разработке новых способов преобразования энергии первичных источников в электрическую, например, в термоэлектрических или термоэмиссионных устройствах, в МГД-генераторах.

Энергосбережение - организационная, научная, практическая, информационная деятельность государственных органов, юридических и физических лиц. Эта деятельность направлена на снижение расхода (потерь) топливно-энергетических ресурсов в процессе их добычи , переработки, транспортировки, хранения, производства, использования и утилизации. Энергосбережение - комплекс мер для обеспечения эффективного и рационального использования энергоресурсов.

В настоящее время самыми эффективными признаны следующие направления деятельности по энергосбережению:

1. Создание нормативной и правовой базы энергосбережения.

2. Создание необходимых экономических механизмов.

3. Создание финансовых механизмов энергосбережения.

4. Проведение политики ценообразования, которая отражает затраты на энергоресурсы, производимую продукцию, услуги и определяет уровень жизни населения.

5. Создание системы управления энергосбережением.

6. Создание информационной системы пропаганды проблем энергосбережения, обучения, переподготовки кадров, менеджеров, работающих в этой сфере.

Основа энергосбережения - рациональное использование энергоресурсов и сокращение их потерь. Во всех передовых странах широко применяется энергосберегающая политика.

Исходя из определения понятия энергосбережения как комплекса мер, направленных на эффективное использование энергии, возникает требование ограничения возможностей использования материальных ресурсов внешней среды, если речь идет о так называемых невозобновляемых первичных источниках энергии в виде органических минеральных горючих. Вполне понятно стремление многих стран в современных условиях к максимальному использованию, но на новых принципах, возобновляемых источников энергии - ветра, солнца, биомассы и т.д. Использование их позволит уже сегодня решить массу экологических проблем, что создает предпосылки к резервированию для потомков части запасов ископаемых топлив (если при этом их еще и не будут вывозить за рубеж), в том числе и для неэнергетических потребностей: производства химических продуктов, лекарств, всевозможных препаратов.

Под энергетической безопасностью понимается такое состояние государства, когда не испытывают недостатка во всех видах энергии все нуждающиеся в них потребители. В более широком аспекте –

• 
  это такое состояние топливно-энергетического комплекса, которое обеспечивает достаточное и надежное энергоснабжение страны, необходимое для устойчивого развития экономики и комфортных условий проживания населения в обычных условиях и минимизацию ущерба в ЧС.
• 
  - Это состояние общества поддерживать необходимый уровень национальной безопасности

Основными принципами энергетической безопасности являются:

• 
  Наличие энергоресурсов или запасов энергетического сырья
• 
  Резервы электрических и тепловых мощностей (не менее 15% по сравнению с пиковой нагрузкой)
• 
  Надежность энергетического оборудования
• 
  Подконтрольность энергосистемы страны государству
• 
  Если энергетика государства базируется на импорте энергоресурсов – закупки не должны осуществляться в одной стране . Доля каждого источника энергопоставок не должна превышать 50%
• 
  Энергосберегающая политика государства - правовое, организационное и финансово-экономическое регулирование деятельности в области энергосбережения. Примером осознания важности решения проблемы энергосбережения, является Закон Республики Беларусь «Об энергосбережении», принятый в 1998 году. Настоящим законом регулируются отношения, возникающие в процессе деятельности юридических и физических лиц, в сфере энергосбережения в целях повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, и устанавливаются правовые основы этих отношений. . Для осуществления энергосбережения на уровне государства постоянно разрабатываются программы по энергосбережению.
• 
  Республиканские – на 5 лет, начиная с 2001г.
• 
  Областные – на 1 год
• 
  Отраслевые научно-технические - бывают долгосрочные (на5 лет) и краткосрочные (на 1год)
• 
  Перед РБ стоит задача энергосбережения и снижения энергоемкости валового внутреннего продуктка.
• 
  Для решения этой задачи необходимо:
• 
  - создание системы подготовки специалистов в области энергосбережения, энергосберегающих технологий и энергетического менеджмента;
• 
  - обеспечить перестройку мышления общества в целом, радикально изменить его отношение к проблеме энерго- и ресурсосбережения.

Лекция 2

Энергетические ресурсы мира

Рассматриваемые вопросы:

1. Основные определения

2. Виды энергоресурсов и их классификация.

3. Структура и состояние мирового энергохозяйства

2.1. Энергетические ресурсы и их классификация

Согласно Закона Республики Беларусь «Об энергосбережении», который был принят 29 июня 1998 г. источником энергии являются энергетические ресурсы:

Энергетические ресурсы – это материальные объекты, в которых сосредоточена энергия, пригодная для практического использования человеком. Энергетическим ресурсом называют любой источник энергии, естественный или искусственно активированный. Энергетические ресурсы – носители энергии, которые используются в настоящее время или могут быть полезно использованы в перспективе .

топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) – совокупность всех природных и преобразованных видов топлива и энергии, используемых в республике.Энергетические ресурсы классифицируются согласно следующей схеме (рис.1).

Первичные природные энергоресурсы - естественно образовавшиеся в результате геологического развития Земли или проявляющиеся через космические связи (излучение Солнца), делятся на невозобновляемые (уголь, нефть, природный газ, сланцы, торф) и возобновляемые (энергия рек, солнечная радиация, энергия приливов, биотопливо).

К возобновляемым относят ресурсы, восстанавливаемые природой (земля, растения, животные и т.д.), к невозобновляемым - ресурсы, ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (нефть, уголь и другие запасы недр).

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) – энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом энергетическом процессе. К данному виду ресурсов относятся: бытовые и промышленные отходы, горячие отработанные теплоносители, отработанные горючие органические вещества, отходы сельскохозяйственного производства.

Р и с.1. Структура энергетических ресурсов.

Одна из классификаций природных ресурсов – классификация по признаку исчерпаемости, в соответствии с которой энергетические ресурсы разделяют на исчерпаемые и неисчерпаемые (рис. 3) . В свою очередь, исчерпаемые можно разделить на возобновляемые и невозобновляемые .

К неисчерпаемым относятся космические, климатические, водные ресурсы.

Рис.2. Исчерпаемые и неисчерпаемые энергоресурсы.

Все неисчерпаемые источники энергии считаются возобновимыми.

По сути, во вселенной не существует неисчерпаемых энергоресурсов. Рано или поздно они иссякнут. Так, например, через 4.5 миллиарда лет наша звезда Солнце перейдет в очередную свою стадию эволюции и превратится в белый карлик. Такой переход именуется вспышка сверхновой звезды. При этом в космическое пространство будет излучен огромный поток энергии, который достигнет нашей планеты, уничтожит (сожжет) атмосферу Земли, испарятся океаны и Земля превратится в безжизненное космическое тело.

Однако в сравнении с человеческой жизнью и временем существования человеческой цивилизации такие источники считаются неисчерпаемыми. Таким образом, возобновляемыми источниками энергии называются источники, потоки энергии которых постоянно существуют или периодически возникают в окружающей среде и не являются следствием целенаправленной деятельности человека.

К возобновляемым энергоресурсам относят энергию:

Мирового океана в виде энергии приливов и отливов, энергии волн;

- ветра;

Морских течений;

Соленую;

Морских водорослей;

Вырабатываемую из биомассы;

Водостоков;

Твердых бытовых отходов;

Геотермальных источников.

Недостатком возобновляемых источников энергии является низкая степень ее концентрации. Но это в значительной степени компенсируется широким распространением, относительно высокой экологической чистотой и их практической неисчерпаемостью. Такие источники наиболее рационально использовать непосредственно вблизи потребителя без передачи энергии на расстояние. Энергетика, работающая на этих источниках, использует потоки энергии, уже существующие в окружающем пространстве, перераспределяет, но не нарушает их общий баланс.

Около 90% используемых в настоящее время энергоресурсов составляет невозобноляемые (уголь, нефть, газ, и т.д.). Это обусловлено их высоким энергетическим потенциалом, относительной доступностью их извлечения. Темпы добычи и потребления этих ресурсов обуславливают энергетическую политику. Наиболее часто используемые в настоящее время энергоресурсы называют традиционными, новые виды энергоресурсов, использование которых начато сравнительно недавно – альтернативными (энергетические ресурсы рек, водохранилищ и промышленных водостоков, энергию ветра, солнца, редуцируемого природного газа, биомассы (включая древесные отходы), сточных вод и твердых бытовых отходов).

В современном природопользовании энергетические ресурсы классифицируют на три группы

– участвующие в постоянном обороте и потоке энергии (солнечная, космическая энергия и т.д.),

- депонированные энергетические ресурсы (нефть, газ, торф, сланцы и т.д.) и

- искусственно активированные источники энергии (атомная и термоядерная энергии).

С экономической точки зрения различают валовые, технические и экономические энергетическиересурсы.

Валовой ресурс представляет суммарную энергию, заключенную в данном видеэнергоресурса.

Технический ресурс – это энергия, которая может быть получена из данного вида энергоресурса при существующем развитии науки и техники. Он составляет от доли процента до десятка процентов от валового, но постоянно увеличивается по мере усовершенствования энергетического оборудования и освоения новых технологий.

Экономический ресурс – энергия, получение которой из данного вида ресурса экономически выгодно при существующем соотношении цен на оборудование, материалы и рабочую силу. Он составляет некоторую долю от технического и тоже увеличивается по мере развития энергетики.

Энергетические ресурсы принято характеризовать числом лет, в течение которых данного ресурса хватит для производства энергии на современном качественном уровне. Из доклада комиссии Мирового энергетического совета (1994 г.) при современном уровне потребления запасов угля хватит на 250 лет, газа – на 60 лет, нефти – на 40 лет. При этом по данным Международного института прикладного системного анализа, мировой спрос на энергоносители вырастет с 9,2 млрд. т в пересчете на нефть (конец 1990-х гг.) до 14,2–24,8 млрд. т в 2050 году.

Показатель энергоэффективности – научнообоснованная абсолютная или удельная величина потребления топливно-энергетических ресурсов (с учетом их нормативных потерь) любого назначения, установленная нормативнымидокументами.

Эффективность использования энергоресурсов определяется степенью преобразования их энергетического потенциала в конечную используемую продукцию или конечные потребляемые виды энергии и характеризуется коэффициентом использования энергоресурсов :

где η д – коэффициент извлечения потенциального запаса энергоресурса (отношение добытого ко всему количеству ресурса),

η П – коэффициент преобразования (отношение полученной полезной энергии ко всем подведенным энергоресурсам),η и – коэффициент использования энергии (отношение использованной энергии к подведенной к потребителю энергии).

Для некоторых видов ископаемых энергоресурсов η д составляет:

для нефти  30,…40%, для газа  80%, для угля  40%. При сжигании топливаη п равняется 9498 %.

С понятием энергоэффективность сопряжены понятия эффективное и рациональное использование энергоресурсов.

Энергетический баланс – это система показателей, отражающих количественное соответствие между приходом и расходом энергоресурсов, распределение по типу и потребителям (см. рис. 3).

Рис. 3. Структура энергетического баланса.

Рациональное использование ресурсов – это система деятельности, призванная обеспечить экономическое использование ресурсов и их воспроизводство с учетом перспективных интересов развивающегося народного хозяйства и сохранения здоровья людей.

Эффективное использование ресурсов - использование всех видов энергии экономически оправданными, прогрессивными способами при существующем уровне развития техники и технологий (подразумевает вторичное использование ресурсов, сокращение потребления, энергосбережение, непревышениеэколгического порога устойчивости экосистем).

Пользователи топливно-энергетических ресурсов – субъекты хозяйствования независимо от форм собственности, зарегистрированные на территории Республики Беларусь в качестве юридических лиц или предпринимателей без образования юридического лица, а также другие лица, которые в соответствии с законодательством Республики Беларусь имеют право заключать хозяйственные договоры, и граждане, использующие топливно-энергетическиересурсы.

Производители топливно-энергетических ресурсов – субъекты хозяйствования независимо от форм собственности, зарегистрированные на территории Республики Беларусь в качестве юридических лиц, для которых любой из видов топливно-энергетических ресурсов, используемых в республике,являетсятоварнойпродукцией.

Под энергетикой или энергетической системой , следует понимать совокупность больших естественных (природных) и искусственных (созданных человеком) систем, предназначенных для получения, преобразования, распределения и использования в народном хозяйстве энергетических ресурсов всех видов.

Энергетика рассматривается как большая система, включающая в себя на правах подсистем части других больших систем.
Вторая трактовка энергосистемы , принятая среди энергетиков, следующая: энергетическая система – это совокупность взаимосвязанных электрических станций, подстанций, линий электропередачи, электрических и тепловых сетей, центров потребления электрической энергии и теплоты.
В составе энергетической системы, обеспечивающей потребности всей экономики в электрической и тепловой энергии, функционируют следующие большие системы :

электроэнергетическая система (электроэнергетика), в состав которой в качестве подсистемы входит теплоснабжающая система (теплоэнергетика);

система нефте- и газоснабжения;

система угольной промышленности;

ядерная энергетика;

нетрадиционная энергетика.

Производство электроэнергии обеспечивают электрические станции;преобразование – трансформаторы, транспорт;

распределение электрической энергии – линии электропередачи;потребление – различные приемники.

2.2 Виды топлива, характеристика и запасы

По определению Д. И. Менделеева, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты». Минеральное топливо - основной источник энергии в современном хозяйстве и важнейшее промышленное сырье. Переработка минерального топлива является базой формирования промышленных предприятий, в т. ч. нефтехимических, газохи-мических, торфобрикетных и т. п.

Топливо подразделяют на следующие четыре группы:

Твердое;

Газообразное;

Ядерное.

Самым первейшим видом твердого топлива были (а во многих местах остаются и в настоящее время) древесина и другие растения: солома, камыш, стебли кукурузы и т. п.

Первая промышленная революция, которая в XIX веке полностью преобразовала аграрные страны Европы, а затем и Америку, произошла в результате перехода от древесного топлива к ископаемому угольному. Потом пришла эра электричества.

Открытие электричества оказало огромное влияние на жизнь человечества и обусловило зарождение и рост крупнейших городов мира.

Применение нефти (жидкий вид топлива) и природного газа в сочетании с развитием электроэнергетики, а затем и освоение энергии атома позволили промышленно развитым странам осуществить грандиозные преобразования, итогом которых стало формирование современного облика Земли.

Таким образом, к твердому виду топлива относят:

Древесину, другие продукты растительного происхождения;

Уголь (с его разновидностями: каменный, бурый);

Торф;

- горючие сланцы.

Ископаемые твердые топлива (за исключением сланцев) являются продуктом разложения органической массы растений. Самый молодой из них торф , представляющий собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли - землистая или черная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется (выветривается) и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли , обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них - антрацитов претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твердостью.

Горючие сланцы представляют собой полезное ископаемое из группы твердыхкаустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы, близкой по составу к нефти.

Жидкие виды топлива получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300 ... 370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре:

Сжиженный газ (выход около 1 %);

Бензиновую (около 15%, tк =30... 180°С);

Керосиновую (около 17 %, tк = 120 ... 135 °С);

Дизельную (около 18 %, tк = 180 ... 350 °С).

Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 - 350 °С называется мазутом.

Газообразными видами топлива являются природный газ, добываемый как непосредственно, так и попутно с добычей нефти, называемый попутным. Основным компонентом природного газа является метан СН4 и в небольшом количестве азот N2, высшие углеводороды СnНm, двуокись углерода СО2. Попутный газ содержит меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому выделяет при сгорании больше теплоты.

В промышленности и, особенно в быту, находит широкое распространение сжиженный газ , получаемый при первичной переработке нефти. На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы . Они используются здесь же на заводах для отопления печей и технологических аппаратов. В районах расположения угольных шахт своеобразным «топливом» может служить метан , выделяющийся из пластов при их вентиляции . Газы, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив, в большинстве стран практически вытеснены природным газом, однако в настоящее время снова возрождается интерес к их производству и использованию.

В последнее время все большее применение находит биогаз - продукт анаэробной ферментации (сбраживание) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т. д.).

Ядерным топливом является уран. Об эффективности использования его показывает работа первого в мире атомного ледокола «Ленин» водоизмещением 19 тыс. т, длиной 134 м, шириной 23,6 м, высотой 16,1 м, осадкой 10,5 м, со скоростью 18 узлов (около 30 км/ч). Он был создан для проводки караванов судов по Северному морскому пути, толщина льда по которому достигала 2 и более метров. В сутки он потреблял 260-310 граммов урана. Дизельному ледоколу для выполнения такого же объема работы, которую выполнял ледокол «Ленин», потребовалось бы 560 т дизтоплива.

Анализ оценки обеспеченности ТЭР показывает, что наиболее дефи-цитным видом топлива является нефть. Ее хватит по разным источникам на 250 лет. Затем, через 35-64 года, истощатся запасы горючего газа и урана. Лучше всего обстоит дело с углем, запасы которого в мире достаточно велики, и обеспеченность углем составит 218-330 лет.

2.2 Условное топливо, калорийность, энергетический потенциал.

Экономические расчеты, сравнение показателей топливоиспользующих устройств друг с другом и планирование необходимо осуществлять на единой базе. Поэтому введено понятие так называемого условного топлива.

Условное топливо представляет собой единицу учета органического топлива, применяемую для сопоставления эффективности различных видов топлива и суммарного учета. Использование условного топлива особенно удобно для сопоставления экономичности различных теплоэнергетических установок.

В качестве единицы условного топлива применяется 1 кг топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг), что соответствует хорошему малозольному сухому углю. Для сравнения укажем, что бурые угли имеют теплоту сгорания менее 24 МДж/кг, а антрациты и каменные угли - 23-27 МДж/кг. Соотношение между условным топливом и натуральным выражается формулой

Вт= (Qнр / 7000) Вн = Э Вн,

где Вт - масса эквивалентного количества условного топлива, кг;

Вн - масса натурального топлива, кг (твердое и жидкое топливо) или м3 -газообразного;

Qнр - низшая теплота сгорания данного натурального топлива, ккал/кгили ккал/м3.

СоотношениеЭ = Qнр / 7000

называется калорийным коэффициентом , и его принимают для:

Нефти - 1,43;

Природного газа- 1,15;

Торфа- 0,34-0,41 (в зависимости от влажности);

Торфобрикетов - 0,45 -0,6 (в зависимости от влажности);

Дизтоплива - 1,45;

Мазута- 1,37.

Теплотворная способность различных видов топлива , ккал/кг, составляет примерно:

нефть - 10 000 (ккал/кг);

природный газ - 8 000 (ккал/ м3);

каменный уголь - 7000(ккал/кг);

дрова влажностью 10% - 3900(ккал/кг);

40% - 2400(ккал/кг);

торф влажности 10% - 4100(ккал/кг);

40% - 2500(ккал/кг);

Параметром, определяющим возможность использования источника энергии являетсяЭнергетический потенциал . Он выражается в единицах энергии Дж или кВт час. Энергетический потенциал энергоресурсов Земли, измеряемый в эксаджоулях , (эДж=10 18 Дж ), оценивается следующими величинами :

• 
  ядерная энергия деления 1,97 · 10 6
• 
  геотермальная энергия 2,94 · 10 6
• 
  энергия Солнца на уровне Земли, за 1 год 2,41 · 10 6
• 
  химическая энергия химического топлива 5,21 · 10 5
• 
  термоядерная энергия 3,60 · 10 5
• 
  энергия приливов, за 1 год 2,52 · 10 5
• 
  энергия ветра, за 1 год 6,12 · 10 3
• 
  биоэнергия лесов, за 1 год 1,46 · 10 3
• 
  энергия рек, за 1 год 1,19 · 10 2

2. 3 Энергетические ресурсы мира

Структура мирового энергохозяйства на сегодня сложилась так, что 80 % потребляемой электроэнергии получается при сжигании топлива на электростанциях, где химическая энергия топлива превращается сначала в тепло, теплота – в работу, а работа – в электричество. Ощутимый процент дает и гидроэнергетика (около 15 %), остальное покрывается другими источниками, в основном атомными электростанциями. 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 их количество стремительно сокращается. 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.

Ограниченность запасовневозобновляемых ресурсов, используемых для получения электроэнергии даже с учетом экономии, отражена в табл.2.1. Развитие современных технологий требует повышение уровня использования электроэнергии. Кроме этого, необходимо учесть, что темпы роста населения позволяют прогнозировать, что лет через 40 на Земле будет жить 12 млрд. человек, поэтому столь жестко стоят проблемы энергосбережения.

Таблица 2.1. Энергетические ресурсы мира

Электроэнергетика является важнейшей отраслью экономики любой страны, поскольку ее продукция (электрическая энергия) относится к универсальному виду энергии. Ее легко можно передавать на значительные расстояния, делить на большое количество потребителей. Без электрической энергии невозможно осуществить многие технологические процессы, как невозможно представить нашу повседневную жизнь без отопления, освещения, охлаждения, транспорта, телевизора, холодильника, стиральной машины, пылесоса, утюга, использования современных средств связи (телефон, телеграф, телефакс, ЭВМ), которые также потребляют электроэнергию.

В большинстве развитых зарубежных стран электрическая составляющая всего топливно-энергетического комплекса достигает 3540%, а к началу XXI века превысила 50%. Электрическая энергия внедряется практически во все новые сферы промышленности, сельского хозяйства и быта.

В США производится около 2,5 трлн. кВт·ч электроэнергии, в СНГ – около 1,75 трлн. кВт·ч. Общая мощность электростанции в США составляет 660 млн. кВт·ч., в СНГ – около 350 млн. кВт·ч., причем 30 % из них в США находится в горячем резерве. В СНГ горячего резерва нет, а холодный составляет 68% при нормативе – 13%.Степень же электрической вооруженности в республике Беларусь составляет 22%, что значительно ниже показателей не только развитых стран, но среднемирового уровня (27%).

Хотя последние 25 лет развитые страны перестали наращивать потребление энергии на душу населения, рост потребления остается высоким за счет наращивания энергопотребления на душу населения в развивающихся странах. При нынешних темпах рост электроэнергетики будет идти еще долго, в том числе и нашей.

Транскрипт

1 Формы энергии и виды энергии Коган И.Ш. 1. Путаница в определениях форм и видов энергия 2. Что следует называть формами энергии и видами энергии? 3. Классификация форм и видов энергии в термодинамике 4. Краткая история появления понятий, связанных с энергией 5. Кинетическая и потенциальная энергии принадлежат каждой форме энергии 6. Сколько может быть всего видов энергии? 7. Что следует назвать формами и видами энергообмена? 8. Биологическая форма энергии и спекуляции вокруг нее 1. Путаница в определениях форм и видов энергия Понятие энергия в современной научной, учебной и справочной литературе и, особенно, в средствах массовой информации обросло большим количеством дополняющих слов, которые иногда не имеют никакого отношения к физике. Но и в самой физике в вопросе систематизации этих дополняющих слов тоже нет четкости. И прежде всего этого касается таких понятий, как формы энергии и виды энергии. В словаре Глоссарий.ру энергия это скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие. (Здесь и далее подчеркивания в цитатах наши - И.К.). О том же говорит и БСЭ: Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; она только может переходить из одной формы в другую. В приведенных определениях речь идет только о формах движения и о формах энергии. Но можно привести и другие примеры. В популярном метрологическом справочнике сказано так: Различным видам движения и взаимодействия материи соответствуют разные виды энергии: механическая (кинетическая и потенциальная), внутренняя, электромагнитная, ядерная и др.. Здесь речь идет уже о видах движения и видах энергии. В популярном справочнике по физике приведено такое словосочетание: различные виды (формы) энергии. Здесь формы и виды энергии приравнены друг другу. А вот в учебнике по физике энергия делится только на виды: В соответствии с различными формами движения материи рассматривают разные виды энергии - механическую, внутреннюю, электромагнитную, ядерную и др.. И далее: Механическая энергия бывает двух видов - кинетическая и потенциальная. Здесь уже виды энергии соответствуют формам движения. В статье вводятся понятия упорядоченных и неупорядоченных форм энергии, выведенные из упорядоченной работы технических устройств, предназначенной для целенаправленного преобразования одних видов энергии в другие, и неупорядоченной работы, при которой отсутствует упорядоченное движение физической системы. Приведенные сведения свидетельствуют о том, что в современной физике и в современной метрологии энергия на формы и виды не подразделяется вообще. А если подразделяется, то формы и виды энергии трактуются по-разному. Однако таким терминам, как формы энергии и виды энергии следует обязательно придать однозначность, и это сделано в работах . 2. Что следует называть формами энергии и видами энергии?

2 Словарь русского языка так толкует понятия форма и вид: Форма устройство, тип, структура, характер которой обусловлен содержанием. Вид понятие, обозначающее ряд предметов, явлений с одинаковыми признаками и входящее в более общее понятие рода. В соответствии с такой трактовкой форма является более общим, а вид менее общим понятием. Следовательно, вид должен входить в форму как ее составная часть. Применим этот вывод к понятию энергия. В БСЭ в словарной статье энергия указывается: В соответствии с различными формами движения материи рассматривают различные формы энергии. Это напрямую вытекает из закона сохранения энергии, в котором приращение энергии системы равно сумме приращений энергии во всех формах движения системы. Поэтому в соответствии с различными формами движения материи, следует рассматривать и различные формы энергии: механическую, гидравлическую, тепловую, электромагнитную, ядерную и т.д.. Для выяснения того, что следует понимать под видами энергии, приведем обобщенное уравнение состояния в виде:, (1) где dw приращение полной энергии системы; i номер элементарной формы движения; U i разность потенциалов i-ой формы движения; q i координата состояния i-ой формы движения системы; n количество элементарных форм движения в системе; k порядок производной по времени; m наивысший рассматриваемый порядок производной по времени. Уравнение (1) включает в себя в виде выражения в скобках уравнение динамики в i- ой форме движения системы в виде: a 0 q i + a 1 (dq i /dt) + a 2 (d 2 q i /dt 2) + = U i, (2) где a 0, a 1 и a 2 коэффициенты пропорциональности при производных по времени t, разность потенциалов U i рассматривается как воздействие на физическую систему, а слагаемые в левой части как противодействия системы. В современной физике рассматриваются обычно лишь три разных вида противодействий системы, что соответствует в уравнении (1) m = 2, а противодействия при m > 2 пренебрегаются. При порядке производной k = 0 речь идет о противодействии жесткости системы при ее дефлормации, при k = 1 о диссипативном противодействии среды и при k = 2 о противодействии инертности системы. Каждое из этих трех противодействий определяет одну из трех составляющих энергии i-ой формы движения: потенциальной энергии, энергии диссипации и кинетической энергии. Все слагаемые уравнения состояния (1) как раз и следует называть видами энергии. 3. Классификация форм и видов энергии в термодинамике Особую важность представляет собой решение проблемы классификации понятий, связанных с энергией, в термодинамике, поскольку там это невозможно сделать без классификации так называемых термодинамических потенциалов. Последние по своей физической природе являются разновидностями энергии, а вовсе не разновидностями потенциалов, как это следует из их названия.

3 Воспользовавшись справочником , статьей и словарными определениями, на рис. 1 представлена схема классификации понятий, связанных с энергией. При записи определяющих уравнений на этой схеме использованы стандартные обозначения. Схема на рис. 1 используется при систематизации физических понятий. Рис. 1 Классификация понятий, связанных с энергией 4. Краткая история появления понятий, связанных с энергией Появление понятий, приведенных на рис. 1, связано с введением У.Томсоном (Кельвином) в 1851 г. понятия внутренняя энергия, из которого следовало, что полная энергия системы является суммой внешней и внутренней энергии системы. Внешняя энергия состоит из кинетической и потенциальной энергий системы как целого. Внутренняя энергия это энергия системы, зависящая только от ее внутреннего состояния и не включающая в себя виды энергии системы как целого. Она включает в себя энергии всех форм движения, существующих в системе. Связи между полной

4 энергией и ее составными частями указаны на схеме сплошными линиями. Правда, в 2006 г. В.Эткин показал, что часть внешней энергии системы зависит от внутреннего состояния системы. И что деление энергии на внешнюю и внутреннюю не позволяет в полной мере отразить в терминологии качественные различия форм энергии. В 1865 г. после введения Р.Клаузиусом физической величины S под названием энтропия появились дополнительные варианты. Энергию системы стали различать по признаку работоспособности системы. В г.г. Дж.Гиббс разработал метод термодинамических потенциалов и ввел понятие энтальпии (теплосодержания) системы, равной сумме внутренней энергии системы и совершенной ею работы взаимодействия со средой. Эта сумма на схеме указана штриховыми линиями. Работоспособная часть энтальпии (энергия Гиббса) была названа свободной энтальпией. А неработоспособная часть, связанная с хаотическим движением составляющих систему частиц, была названа связанной энергией. Это так называемая обесцененная энергия системы, которую называют также энергией Гельмгольца. Эта сумма на схеме указана пунктирными линиями. В 1882 г. Г.Гельмгольц ввел деление внутренней энергии системы на свободную и связанную энергию. Свободная энергия это работоспособная часть внутренней энергии системы. Классификация Гельмгольца показана на схеме штрих-пунктирными линиями. В 1955 г. З.Рант ввел новые два новые понятия эксергию и анергию, призванных различать полную энергию системы только по признаку работоспособности. Эксергия это работоспособная (технически пригодная) часть полной энергии. Согласно БСЭ, это максимальная работа, которую может совершить система при переходе из данного состояния в равновесие с окружающей средой. Анергия это неработоспособная (технически непригодная) часть полной энергии. Это деление на схеме показано штрихпунктирными линиями с двумя точками. В 2006 г. В.Эткин указал на то, что работа совершается системой не только за счет энергии самой системы, но и окружающей среды (пополняясь в процессе теплообмена с ней) и что эксергия З.Ранта тоже зависит от параметров окружающей среды. А это делает понятие эксергии неоднозначным и неполным. В.Эткин предложил взамен термина эксергия ввести для превратимой (неравновесной) составляющей полной энергии новое понятие инергия, определив ее как способность системы к внутренним превращениям безотносительно к тому, в чем эти превращения будут выражаться в совершении полезной или диссипативной, внешней или внутренней работы. В.Эткин утверждает, что информативнее и вернее деление полной энергии системы на инергию (превратимую часть) и анергию (непревратимую часть). В 2007 г. И.Коган разделил понятия формы энергии и виды энергии и опубликовал схему, представленную на рис. 1, где каждой форме энергии соответствуют (m + 1) видов энергии, показанных на схеме в последнем ряду. 5. Кинетическая и потенциальная энергии принадлежат каждой форме энергии Совершенно неверно приписывать кинетическую и потенциальную энергию только механической форме движения, как это сделано, например, в справочнике по физике . Все виды энергии относятся к любой форме движения и к любой форме энергии. Например, имеется кинетическая электрическая энергия, и это не то же самое, что кинетическая механическая энергия.

5 Конечно, в основе любой формы энергии лежит механическое движение энергоносителей (движение электронов, ионов, молекул газа или жидкости). Но в механической форме движения подразумевается энергия движения тела в целом, а не движение энергоносителей внутри тела. Поэтому, например, кинетическая энергия движения электронов не является кинетической энергией движения тела. Точно так же потенциальная электрическая энергия это не то же самое, что потенциальная механическая энергия. Обычно вместо слов кинетическая электрическая энергия говорят просто об электрической энергии, не подразумевая слово кинетическая. Но слово электрическая определяет форму энергии, а не вид энергии. Точно так же, когда произносят два слова кинетическая энергия, то имеют обычно в виду только кинетическую механическую энергию, а слово механическая при этом опускают. В плане сказанного выше это неверно. В результате смешения понятий формы энергии и виды энергии возникают подчас неверные физические аналогии. Иногда считается, что кинетическая механическая энергия может быть аналогична потенциальной электрической энергии, но такая аналогия неверна, она не отражает физическое содержание явлений. Виды энергии могут переходить друг в друга, при этом оставаясь принадлежащими одной и той же форме энергии. При этом не исключается перенос любого вида энергии данной формы движения в любой вид энергии другой формы движения. В разных разделах физики иногда меняется математическая запись одного и того же вида энергии при переходе от одной формы энергии к другой, а иногда меняется и название. Но это лишь затрудняет понимание сути происходящего. 6. Сколько может быть всего видов энергии? Поскольку в уравнении динамики современная физика рассматривает лишь три слагаемых, то и рассматриваются только три вида энергии (потенциальная, кинетическая и диссипации). Но в уравнениях (1-2) нет запрета на существование видов энергии, определяемых порядком производной по времени k > 2. В частности, четвертый вид энергии (при k = 3) интересует исследователей процессов разгона и торможения двигателей в энергетике, на транспорте, в космонавтике, в теории удара. В работе , например, в систему физических величин включены величины, связанные с четвертым видом энергии. Специалисты по теории удара называют коэффициент a 3 из уравнения (2) резкостью. Пятый вид энергии (при k = 4) может интересовать, например, специалистов по взрывным процессам. Отметим также, что энергия диссипации связана не просто с энергетическим противодействием, а с качественным изменением энергии. К слову, применяемый иногда термин диссипативные потери энергии некорректен, ибо энергия теряться не может. Точнее было бы сказать о диссипативных потерях энергии упорядоченных форм движения. Вместо термина энергия диссипации (в переводе на русский язык энергия рассеяния) в некоторых научных работах применяют термин энергия деградации (в переводе на русский язык энергия вырождения). Но и это не точно, вырождается не энергия, а способность системы производить механическую работу. К числу противодействий системы внешнему энергетическому воздействию следует добавить возможное противодействие физического поля, связанное с перемещением системы в этом поле или с ее возможным поворотом относительно силовых линий поля. Это противодействие является удельным изменением еще одного вида энергии, называемого в физике потенциальной энергией в физическом поле или сокращенно

6 потенциальной энергией положения. Поэтому вид энергии, связанный с противодействием жесткости, следует называть потенциальной энергией деформации. Этот вид потенциальной энергии, в отличие от предыдущего, связан с внутренним силовым полем (полем упругих сил). 7. Что следует назвать формами и видами энергообмена? При переходе энергии из систему в окружающую среду или наоборот следует применять обобщающий термин энергообмен и говорить не о формах и видах энергии, а о формах и видах энергообмена, что и отражено на схеме рис. 2 . Рис. 2 Классификация форм и видов энергообмена Такие общепринятые понятия, как работа силы, теплообмен, количество электроэнергии, являются различными формами энергообмена в различных формах движения. Каждой из них соответствуют виды энергообмена внутри одной и той же формы энергообмена (изменение потенциальной и кинетической энергии, диссипативный

7 энергообмен). Причинами изменения видов энергообмена становятся различные виды противодействий системы (изменения жесткости, сопротивления, инертности). А суммарное противодействие системы, равное и противоположное по знаку энергетическому воздействию dw на систему, состоит из суммы изменений видов противодействий системы. 8. Биологическая форма энергии и спекуляции вокруг нее К формам энергии, естественно, относятся формы энергии любого вида излучения, в том числе, и так называемая биоэнергия. Ей в средствах массовой информации придают какое-то мистическое значение, хотя последнее можно отнести только к желанию неграмотных в физике журналистов придать своим статьям привлекательность и характер сенсации. Дилетанты в области естественных наук авторитетно рассуждают о хорошей и плохой энергии, о положительной и отрицательной энергии, об энергетике души и об энергетике космоса. При этом они не утруждают себя тем, чтобы точно определить, что они понимают под словами энергия и энергетика. Автор тщетно пытается найти в многочисленных публикациях на тему энергетики человека четкое определение этого понятия, пока ему это не удается. В БСЭ имеется определение биоэнергетики, но там недвусмысленно указывается на то, что все исследования в области биоэнергетики основываются на единственно научной точке зрения, согласно которой к явлениям жизни полностью применимы законы физики и химии, а к превращениям энергии в организме основные начала термодинамики. Ничего похожего в публикациях об энергетике человека не имеется. Говорить об энергии в том смысле, хорошая она или плохая, это значит присваивать энергии свойства, в природе отсутствующие. Энергия это мера движения, говорить о хорошем или плохом движении бессмысленно. Короче говоря, журналисты и разные экстрасенсы играются с термином, который им непонятен. Такое положение оказалось возможным по разным причинам. Во-первых, энергия связана с человеческой деятельностью, а в таком смысле это слово хорошо знакомо всем людям, и поэтому хорошо воспринимается в средствах массовой информации. Во-вторых, в других областях науки (не в физике) понятие энергия пытаются трактовать иначе, чем в физике. Различное понимание одного и того же термина явление не такое уж и редкое. Потому-то и следует определять тот или иной термин, прежде чем им пользоваться. В-третьих, жизнь живых существ действительно связана с энергией, особенно с энергий излучения, которое исходит от любых живых существ и в них же извне и входит. На людей влияют энергия магнитного поля Земли, Солнца и других небесных тел, энергия техногенного происхождения и т.д. Но это область биофизики, а не эзотерики. Последняя не дает определения понятию энергия, говоря вместо этого о каких-то неопределенных силах природы, карме, ауре и проч. Воздействие внешнего излучения на человека зависит не только от энергии, но и от частоты излучения. А это еще важнее, так как восприятие излучения носит, как правило, резонансный характер. Энергия воспринимаемого человеком внешнего излучения обычно настолько мала, что она чаще всего пока не фиксируется современными измерительными средствами из-за их относительного высокого порога чувствительности. Но в любом

8 случае энергия излучения остается характеристикой излучения именно в физическом смысле этого слова, а не в каком-нибудь ином. Конечно, одни излучения влияют на самочувствие человека положительно, другие отрицательно. Одно и то же излучение на разных людей может влиять по-разному. Для этого и существуют научные методы исследования, в том числе, и биоэнергетические, ничего общего с магией, колдовством и мистикой не имеющие. Никто не собирается отрицать мудрость древней восточной медицины, но ее достижениям следует давать естественно-научное объяснение, а не пользоваться словесной эквилибристикой. Литература 1. Чертов А.Г., 1990, Физические величины. М.: Высшая школа, 336 с. 2. Яворский Б.М., Детлаф А.А., 1990, Справочник по физике. 3-е изд. М.:Наука, Физматгиз, 624 с. 3. Савельев И.В., 2005, Курс общей физики (в 5 книгах). М.: АСТ: Астрель 4. Эткин В.А., 2008, Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии). СПб.: Наука, Коган И.Ш., 2007, Систематизация и классификация определений и дополнений к понятию энергия 6. Коган И.Ш., 1998, О возможном принципе систематизации физических величин. Законодательная и прикладная метрология, 5, с.с Эткин В.А., 2006, Энергия и анергия Pirnat P., 2005, Physical Analogies Коган И.Ш., 2009, Систематизация и классификация определений и дополнений к понятию энергия. Автоматизация и IT в энергетике, 2-3, с.с

Виды движения и формы движения в механике Коган И.Ш. СОДЕРЖАНИЕ. 1. Современная классификация видов движения и ее недостатки. 2. Уточненная классификация форм механического движения. 3. Угол поворота и

13 Работа и механическая энергия 131 Энергия как универсальная мера различных форм движения и взаимодействия 132 Работа Кинетическая энергия 133 Поле центральных сил 134 Консервативные и неконсервативные

Государственное бюджетное образовательное учреждение города Севастополя «Средняя общеобразовательная школа 52 имени Ф.Д.Безрукова» Рабочая программа по предмету «Физика» для 7 класса на 2016/2017 учебный

Глава 7 ТЕОРИЯ ПОРЯДКА И ХАОСА. ЭНТРОПИЯ И ИНФОРМАЦИЯ 7.1. План семинарского занятия 1. Обратимые и необратимые процессы для замкнутых и открытых систем. 2. Термодинамическая вероятность данного состояния.

Закон сохранения энергии Работа и кинетическая энергия Работа силы Определения Работа силы F на малом перемещении r определяется как скалярное произведение векторов силы и перемещения: A F r Расписывая

Классификации физических систем и их реальные примеры Коган И.Ш. СОДЕРЖАНИЕ 1. Понятие о дисбалансе между физической системой и окружающей средой. 2. Классификация физических систем по основным признакам.

10 ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. ЗАКОН ОМА Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц в пространстве. В связи с этим свободные заряды принято называть также

Основные положения термодинамики (по учебнику А.В.Грачева и др. Физика: 10 класс) Термодинамической системой называют совокупность очень большого числа частиц (сравнимого с числом Авогадро N A 6 10 3 (моль)

На изучение предмета «Физика» в 7 классе отводится 70 часов в год (2 часа в неделю). В конце изучения каждой главы учащиеся выполняют контрольную работу. Всего предусмотрено 5 контрольных и 10 лабораторных

Пояснительная записка Данная рабочая программа предназначена для учащихся 8 и 9 классов общеобразовательных организаций и составлена в соответствии с требованиями: 1. Федерального компонента государственного

Пояснительная записка Рабочая программа по физике для 9 класса составлена в соответствии с правовыми и нормативными документами: Федеральный Закон «Об образовании в Российской Федерации» (от 29.2. 202

ЛЕКЦИЯ 15 Статистический характер II начала термодинамики. Теорема Нернста. Недостижимость абсолютного нуля температуры. II начало термодинамики, как физическая закономерность отличается от первого начала

Не станем прогибаться под изменчивый мир уж лучше он прогнется под нас. «Машина Времени» Изменчивость и отрицательная энтропия В настоящей работе, в свете гипотезы о дискретности природы времени предлагается

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 1.1. Основные понятия и определения Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической

Физические поля (поля взаимодействия и поля переноса) Коган И.Ш. СОДЕРЖАНИЕ 1. Краткая история определений понятия "физическое поле". 2. Краткий анализ истории представлений о природе физического поля.

Ошибка Лоренца и Воронежской группы АНАЛИЗ. Беляев Виктор Григорьевич, гор. Фастов. [email protected] Аннотация. Применение, каких либо преобразований координат к уравнениям Максвелла с целью доказательства

Химическая термодинамика ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ 1 Основные понятия и определения Химическая термодинамика это раздел химии, изучающий взаимные превращения различных

Занятие 8. Термодинамика Вариант 4... Как изменяется внутренняя энергия идеального газа при повышении его температуры?. Увеличивается. Уменьшается. Не изменяется 4. Это не связанные величины 4... Давление

Коган И.Ш. Классификация токов (потоков зарядов) СОДЕРЖАНИЕ 1. Неопределенность определений электрического тока. 2. Электрический ток векторная величина. 3. Виды электрических токов и их наименования 4.

Планируемые результаты изучения учебного предмета Выпускник научится: знать/понимать: - смысл понятий: физическое явление, физический закон, вещество, взаимодействие, электрическое поле, магнитное поле,

ЭНЕРГИЯ И АНЕРГИЯ В.А. Эткин В.А. Обсуждаются попытки определить понятие энергии и обосновывается возможность вернуть ей близкий к изначальному смысл меры работоспособности системы ENERGY AND ANERGY V.A.

ТЕМА 16 УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА 161 Ток смещения 162 Единая теория электрических и магнитных явлений Максвелла Система уравнений Максвелла 164 Пояснения к теории классической электродинамики 165 Скорость распространения

3.. Работа и количество тепла. 3... Работа внешних сил и работа тела. Запишем работу da, совершаемую внешней силой -F x (минус означает, что внешняя сила направлена против внутренних сил давления газа)

3 СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 Параметры состояния тела 5. Удельный объем и плотность 5.2 Давление 5.3 Температура 6 2 Идеальный газ, уравнение состояния идеального газа 7 3 Газовые смеси 9 3. Понятие о газовой

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Программа составлена на основе Федерального компонента государственного стандарта среднего (полного) общего образования и Примерной программы по физике. Федеральный базисный учебный

I. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ УЧАЩИХСЯ При обучении физики в курсе 10 класса применяются вербальные, визуальные, технические, современно-информационные средства обучения; технологии проблемного и развивающего

Тема 1. Кинематика материальной точки и твердого тела 1.1. Предмет физики. Связь физики с другими науками и техникой Слово "физика" происходит от греческого "physis" природа. Т. е. физика это наука о природе.

Преобразование энергии пара в соплах Рис. 12.1. Поток пара в сопле Уравнение энергии. Теоретическая скорость истечения пара из сопл. Уравнение энергии (одно из основных уравнений газодинамики) является

Муниципальное казённое общеобразовательное учреждение «Петровская средняя общеобразовательная школа» «Рассмотрено» Методическое объединение МКОУ «Петровская СОШ» /Рябикина Е.И./ Протокол 1 от «30» августа

АВТОНОМНАЯ НЕКОММЕРЧЕСКАЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ «ШКОЛА СОСНЫ» УТВЕРЖДАЮ Директор И.П. Гурьянкина Приказ 8 от «29» августа 2017 г. Рабочая программа по предмету «Физика» 11 класс Среднее общее

1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Рабочая программа по физике для 7 класса составлена на основе следующих нормативноправовых и инструктивно-методических документов: - Федерального закона от 29.12.2012 г. 273-ФЗ

Адаптированная рабочая программа для обучающихся с ОВЗ С ЗПР по физике 8 класс Разработчик: Петренко Т.А., учитель физики 2017 г. 1. Пояснительная записка Настоящая программа составлена на основе авторской

М. Петуховский к.т.н., лауреат Государственной премии ИЗЛУЧЕНИЕ ФОТОНОВ И СТРУКТУРА АТОМА В предлагаемой статье автор пытается в популярной форме изложить свой взгляд на процесс излучения света и переноса

«Химическая термодинамика» Лекция 4 Дисциплина «Общая неорганическая химия» для студентов очного отделения Лектор: к.т.н., Мачехина Ксения Игоревна * План лекции 1. Основные понятия. 2. Первый закон термодинамики.

ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК Причины возникновения электрического тока Заряженные объекты являются причиной не только электростатического поля, но еще и электрического тока. В этих двух явлениях, есть

I. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА по учебному предмету «Физика» для 11 класса 2016 г. II. Пояснительная записка Рабочая программа по физике для 11 класса составлена на основе «Программы для общеобразовательных учреждений.

В технике и окружающем нас мире часто приходится сталкиваться с периодическими (или почти периодическими) процессами, которые повторяются через одинаковые промежутки времени. Такие процессы называют колебательными.

Ã. À. Áîðäîâñêèé ÔÈÇÈ ÅÑÊÈÅ ÎÑÍÎÂÛ ÅÑÒÅÑÒÂÎÇÍÀÍÈß УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ АКАДЕМИЧЕСКОГО БАКАЛАВРИАТА 3-е издание, исправленное и дополненное Ðåêîìåíäîâàíî Ó åáíî-ìåòîäè åñêèì îòäåëîì âûñøåãî îáðàçîâàíèÿ â

Пояснительная записка 0 класс. Стандарт среднего общего образования по физике Изучение физики на ступени среднего общего образования направлено на достижение следующих целей: - освоение знаний о механических,

ЛЕКЦИЯ 11 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ. МОМЕНТ ИМПУЛЬСА 1. Симметрия гамильтониана и законы сохранения Гамильтониан системы определяет ее поведение и свойства и может зависеть от ряда параметров.

Аннотация к рабочей программе по физике для 7-9 классов Программа составлена в соответствии с Федеральным компонентом государственного стандарта основного общего образования по физике (приказ Минобразования

Аннотация к рабочей программе по физике 10 класс Рабочая программа по физике для 10 класса составлена на основе: - Закона РФ «Об образовании» 273 от 29.12.2012 г. - федерального компонента государственного

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ Крисюк Борис Эдуардович Основы химической термодинамики. Системой будем называть тело или группу тел, отделенных от окружающей среды реальной или мысленной границей. Система

Unified Fields in Disguise Теория единого поля под маской (Единые поля под маской) Известные уравнения Ньютона и Кулона представляют собой уравнения единого поля в замаскированном виде. Это было непонятно

Лекция 3. Химическое равновесие. Понятие о кинетике химических реакций. Равновесное состояние это такое состояние системы, при котором: а) еѐ интенсивные параметры не изменяются во времени (p, T, C); б)

Пояснительная записка Рабочая программа разработана на основе Федеральной примерной программы и примерной программы среднего общего образования Физика 10-11 кл. Авторы Л.Э. Генденштейн, Ю.И.Дик, Л.А.Кирик.

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет (ГОУ ВПО ИГУ) Физический факультет ОБЩАЯ ФИЗИКА

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа» Рабочая программа по учебному предмету «Физика» для 9 класса на 68 часов. Составлена на основе Программы основного

Лекция 3 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Постоянная Больцмана. Температура и давление как статистические величины. Одной из особенностей физики является использование абстракций

Мунииипальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Райковская ередняя общеобразовательная школа имени Н.И. Носова» Рассмотрено на заседании ШІѴІО математического цикла Руков

I. Планируемые результаты освоения учебного предмета «Физика» Личностные результаты обучения: сформированность познавательных интересов на основе развития интеллектуальных и творческих способностей учащихся;

При составлении программы следующие правовые документы 10-11классы были использованы федеральный компонент государственного стандарта среднего (полного) общего образования по физике, утвержденный в 2004

Пояснительная записка. Рабочая программа составлена на основе: *федерального закона Российской федерации от 29.2 202г. 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» * федерального компонента государственного

Цель работы: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9 ИЗМЕРЕНИЕ МОДУЛЯ ЮНГА МЕТОДОМ СТОЯЧИХ ВОЛН В СТЕРЖНЕ 1.Изучить условия возникновения продольной стоячей волны в упругой среде..измерить скорость распространения упругих

Цель работы: познакомиться с одним из методов определения коэффициента внутреннего трения. Задача: с помощью измерительного микроскопа измерить диаметр шариков, измерить время падения их и высоту падения.

Хмельник С. И. Математическая модель песчаного вихря Аннотация Рассматривается вопрос об источнике энергии в песчаном вихре. Атмосферные явления не могут быть единственным источником энергии поскольку

6 Лекция 1 КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ Основные понятия: идеальный раствор; снижение давления пара растворителя над раствором р; снижение температуры кристаллизации (замерзания) t з и повышение t

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭДС ПРИ ДВИЖЕНИИ ПРОВОДНИКА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ М.Г. Колонутов канд. техн. наук, доцент Контакт с автором: [email protected] http://kolonutov.mylivepage.ru Аннотация В работе отвергается привлечение

Лекция 4. Динамика материальной точки Содержание 1. Понятие о силе и ее измерении 2. Фундаментальные взаимодействия 3.Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета (ИСО) 4. Второй закон Ньютона. Масса

Московский государственный университет иммвломоносова Химический факультет Успенская ИА Конспект лекций по физической химии (для студентов биоинженерии и биоинформатики) wwwchemmsuru/teachg/useskaa/ Москва

Энергия не возникает из ничего и никуда не исчезает, она может только переходить из одного вида в
другой ( сохранения энергии). связывает все явления природы в одно целое, является
общей характеристикой состояния физических тел и физических полей.
Вследствие существования закона сохранения энергии понятия «энергия» связывает все явления природы.
В физике понятие энергия обычно обозначается латинской буквой Е.
В системе СИ энергия измеряется в джоулях. Кроме этих основных единиц измерения на практике используется
очень много других удобных при конкретном использовании единиц. В атомной и ядерной физики а также в физике элементарных частиц понятие энергию измеряют электрон-вольтами, в химии калориями, в физике твердого тела градусами Кельвина, в оптике обращенными сантиметрами, в квантовой химии в самосогласованного.

Виды энергии.Энергетические системы

Согласно различных форм движения материи, различают несколько типов энергии: механическая, электромагнитная, химическая, ядерная,тепловая, гравитационная и др. Это деление достаточно условно. Так химическая энергия состоит из кинетической энергии движения электронов, их взаимодействия и взаимодействия с атомами.
Кроме того,по понятию различают энергию внутреннюю и энергию в поле внешних сил. Внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии взаимодействия молекул между собой. Внутренняя энергия изолированной системы является постоянной.
В ризномантнитних физических процессах различные виды энергии могут превращаться друг в другой. Например, ядерная энергия в атомных электростанциях превращается сначала во внутреннюю тепловую энергию пара, вращающего турбины (механическая энергия), что в свою очередь индуцируют электрический ток в генераторах (электрическая энергия), который используется для освещения (энергия электромагнитного поля) и т.д.
Энергия системы однозначно зависит от параметров, характеризующих ее состояние. В случае непрерывного среды вводят понятие плотности .

История развития понятие энергии

Понятие энергии состояло в физике на протяжении многих веков. Его понимание все менялось. Впервые термин энергия в современном физическом смысле применил в 1808 году Томас Янг. К тому употреблялся термин «жизненная сила» (лат. vis viva), который еще в 17-м веке ввел в обращение Лейбниц, определив его как произведение массы на квадрат скорости.
В 1829 году Кориолиса впервые применил термин кинетическая энергия в современном смысле, а срок потенциальная энергия был введен Уильямом Рэнкин в 1853 году. К тому времени получены в исследованиях в различных областях науки данные начали складываться в общую картину. Благодаря опытам Джоуля, Майера, Гельмгольца прояснилось вопросы преобразования механической энергии в тепловую. В одной из первых работ «О сохранении силы» (1847) Гельмгольц, следуя идее единства природы, математически обосновал сохранения энергии
и положение о том, что живой организм является физико-химическим средой, в которой указанный закон точно выполняется. Гельмгольц сформулировал «принцип сохранения силы» и невозможность Perpetuum Mobile . Эти открытия позволили сформулировать первый закон термодинамики или понятие сохранения энергии. Понятие энергии стало центральным в понимании физических процессов. Вскоре естественным образом в понятие энергии вписалась термодинамика химических реакций и теория электрических и электромагнитных явлений.
С построением теории относительности к понятию энергии добалося новое понимание. Если раньше
потенциальная энергия определялась с точностью до произвольной постоянной, то теория Эйнштейна установила
связь энергии с массой.

Квантовая механика обогатила понятие энергии квантованием — для определенных физических систем энергия
может принимать лишь дискретные значения. Кроме того принцип неопределенности установил границы точности
измерения энергии и ее взаимосвязь с тем. Теорема Нетер продемонстрировала, что закон сохранения энергии
следует из принципа однородности времени, по которому физические процессы в одинаковых системах протекают
одинаково, даже если они начинаются в разные моменты времени.

Теория относительности.Энергетические системы

Энергия тела зависит от системы отсчета, т.е. неодинакова для разных наблюдателей. Если тело движется со
скоростью v относительно какого наблюдателя, то для другого наблюдателя, движущегося с той же скоростью, оно
покажется неподвижным. Соответственно, для первого кинетическая энергия тела будет равна
(исходя из законов классической механики) т v2/2′ где m — масса тела, а для другого — нулю.
Эта зависимость энергии от системы отсчета сохраняется также в теории относительности. Для преобразований, происходящих с энергией при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой используется сложная математическая конструкция — тензор энергии-импульса.
Энергия тела зависит от скорости уже не так как в ньютоновской физике, а иначе:
квантовая механика
Тогда, как в классической физике понятие энергия любой системы меняется непервно и может принимать произвольных значений, Квантовая теория утверждает, что энергия микрочастиц, привязанных силой взаимодействия с другими микрочастицами в ограниченных областей пространства, может приобретать только определенных дискретных значений.
Так, атомы излучают энергию в виде дискретных порций — световых квантов, или фотонов.
Оператором энергии в квантовой механике является гамильтониан. В стационарных состояниях квантовых систем энергия может иметь только те значения, которые соответствуют собственным значением гамильтониана. Для локализованных состояний энергия может иметь только определенные дискретные.