Алтернативни източници на енергия: видове и приложения. Енергия и нейните видове

Енергия(от гръцки енергея – действие, дейност) е обща мярка (количествена оценка) на различни форми на движение на материята, разглеждани във физиката.

Според концепциите на физическата наука, енергията е способността на тялото или обекта да извършва работа. За количествена характеристика на качествено различни форми на движение и съответните им взаимодействия се въвеждат различни видове енергия. В ежедневието си човек най-често се сблъсква със следните видове енергия: механична, електрическа, електромагнитна, топлинна, химическа, ядрена и др.

Кинетична енергия- мярка за механично движение, равна за твърдо тяло на половината от произведението на масата на тялото и квадрата на неговата скорост. Тя включва механичната енергия на движението на частица или тяло, топлинна енергия, ядрена енергия и др.

Ако енергията е резултат от промяна в относителното положение на частиците на системата и тяхното положение по отношение на други тела, тогава тя се нарича потенциал.Тя включва енергията на масите, привлечени от закона за всемирното привличане, химическата енергия, енергията на позицията на хомогенни частици, например енергията на еластично деформирано тяло и др. .

Механична енергия -енергия на механичното движение и взаимодействие на телата или техните части. Механичната енергия на система от тела е равна на сумата от кинетичната и потенциалната енергия на тази система. Проявява се във взаимодействие, движение на отделни тела или частици.

Тя включва енергията на транслационното движение или въртене на тялото, енергията на деформация при огъване, разтягане, компресия на еластични тела (пружини). Тази енергия намира най-широко приложение в различни машини – транспортни и технологични.

Термална енергия -енергията на хаотичното транслационно и ротационно движение на молекулите на материята. За твърдо тяло това е енергията на вибрациите на атомите в молекулите, разположени във възлите на кристалната решетка.

Топлинната енергия възниква само в резултат на трансформацията на други видове енергия, например, когато се изгарят различни видове горива, тяхната химическа енергия се превръща в топлинна енергия. Използва се за нагряване, извършване на множество технологични процеси (нагряване, топене, сушене, изпарение, дестилация и др.).

Електрическа енергия -енергията на заредени частици или тела (електрони, йони), движещи се по организиран начин по затворена електрическа верига.

Електрическата енергия се използва за производство на механична енергия, топлинна енергия или друга необходима енергия.

Химична енергия -това е енергията, "съхранена" в атомите на веществата, която се освобождава или абсорбира по време на химичните реакции между веществата.

Химическата енергия се освобождава като топлинна енергия по време на екзотермични реакции (като изгаряне на гориво) или се преобразува в електрическа енергия в галванични клетки и батерии.

Ядрената енергия -вътрешната енергия на атомното ядро, свързана с движението и взаимодействието на нуклоните, образуващи ядрото. Той се отделя в резултат на верижна ядрена реакция на делене на тежки ядра (ядрена реакция) или по време на синтеза на леки ядра (термоядрена реакция). В атомната енергетика досега се използва само първият метод, т.к използването на втория е свързано с все още нерешения проблем за осъществяване на контролирана термоядрена реакция.

Гравитационна енергия -енергията на взаимодействие (привличане) между всякакви две тела и се определя от техните маси. Особено забележимо е в открития космос. В земни условия това е например енергията, която едно тяло „складира“, когато се издигне на определена височина над повърхността на Земята.

Целта на тази статия е да разкрие същността на понятието "механична енергия". Физиката широко използва тази концепция както практически, така и теоретично.

Работа и енергия

Механичната работа може да се определи, ако са известни силата, действаща върху тялото, и преместването на тялото. Има и друг начин за изчисляване на механичната работа. Помислете за пример:

Фигурата показва тяло, което може да бъде в различни механични състояния (I и II). Процесът на преминаване на тялото от състояние I в състояние II се характеризира с механична работа, т.е. при преминаване от състояние I в състояние II тялото може да извършва работа. Когато се извършва работа, механичното състояние на тялото се променя, като механичното състояние може да се характеризира с едно физическо количество - енергия.

Енергията е скаларна физическа величина на всички форми на движение на материята и варианти на тяхното взаимодействие.

Какво е механична енергия

Механичната енергия е скаларна физична величина, която определя способността на тялото да извършва работа.

A = ∆E

Тъй като енергията е характеристика на състоянието на системата в определен момент от времето, работата е характеристика на процеса на промяна на състоянието на системата.

Енергията и работата имат едни и същи мерни единици: [A] \u003d [E] \u003d 1 J.

Видове механична енергия

Механичната свободна енергия се разделя на два вида: кинетична и потенциална.

Кинетична енергия- е механичната енергия на тялото, която се определя от скоростта на неговото движение.

E k \u003d 1/2mv 2

Кинетичната енергия е присъща на движещите се тела. Когато спрат, те извършват механична работа.

В различни отправни системи скоростите на едно и също тяло в произволен момент от време могат да бъдат различни. Следователно кинетичната енергия е относителна величина, тя се определя от избора на отправна система.

Ако сила (или няколко сили едновременно) действа върху тялото по време на движение, кинетичната енергия на тялото се променя: тялото се ускорява или спира. В този случай работата на силата или работата на резултата от всички сили, които са приложени към тялото, ще бъде равна на разликата в кинетичните енергии:

A = E k1 - E k 2 = ∆E k

На това твърдение и формула е дадено името - теорема за кинетичната енергия.

Потенциална енергиянаречена енергия, дължаща се на взаимодействието между телата.

Когато тялото падне мот високо чсилата на привличането върши работата. Тъй като работата и промяната на енергията са свързани с уравнение, може да се напише формула за потенциалната енергия на тяло в гравитационното поле:

Ep = mgh

За разлика от кинетичната енергия E kпотенциал епможе да бъде отрицателен, когато ч<0 (например тяло, лежащо на дъното на кладенец).

Друг вид механична потенциална енергия е енергията на деформация. Компресиран в далечината хпружина с твърдост кима потенциална енергия (енергия на деформация):

E p = 1/2 kx 2

Енергията на деформация е намерила широко приложение в практиката (играчки), в техниката - автомати, релета и др.

E = Ep + Ek

пълна механична енергиятела се нарича сбор от енергии: кинетична и потенциална.

Закон за запазване на механичната енергия

Някои от най-точните експерименти, проведени в средата на 19 век от английския физик Джаул и немския физик Майер, показват, че количеството енергия в затворени системи остава непроменено. Преминава само от едно тяло в друго. Тези проучвания помогнаха да се открие закон за запазване на енергията:

Общата механична енергия на изолирана система от тела остава постоянна при всяко взаимодействие на телата едно с друго.

За разлика от импулса, който няма еквивалентна форма, енергията има много форми: механична, топлинна, енергия на молекулярно движение, електрическа енергия със силите на взаимодействие на зарядите и др. Една форма на енергия може да се преобразува в друга, например кинетичната енергия се преобразува в топлинна енергия по време на спиране на автомобил. Ако няма сили на триене и не се генерира топлина, тогава общата механична енергия не се губи, а остава постоянна в процеса на движение или взаимодействие на телата:

E = Ep + Ek = const

Когато действа силата на триене между телата, тогава има намаляване на механичната енергия, но в този случай тя не се губи безследно, а преминава в термична (вътрешна). Ако външна сила извършва работа върху затворена система, тогава има увеличение на механичната енергия с количеството работа, извършена от тази сила. Ако една затворена система извършва работа върху външни тела, тогава има намаляване на механичната енергия на системата с количеството работа, извършена от нея.
Всеки вид енергия може да бъде напълно трансформиран във всеки друг вид енергия.

Енергията е способността да се извършва работа: движение, преместване на предмети, производство на топлина, звук или електричество.

Какво е енергия?

Енергията е скрита навсякъде – в слънчевите лъчи под формата на топлинна и светлинна енергия, в играча под формата на звукова енергия и дори в парче въглен под формата на натрупана химическа енергия. Ние получаваме енергия от храната, а двигателят на автомобила я извлича от гориво - бензин или газ. И в двата случая това е химическа енергия. Има и други форми на енергия: топлинна, светлинна, звукова, електрическа, ядрена. Енергията е нещо невидимо и неосезаемо, но способно да се натрупва и да преминава от една форма в друга. Тя никога не изчезва.

механично движение

Един от основните видове енергия е кинетичната – енергията на движението. Тежките обекти, движещи се с висока скорост, носят повече кинетична енергия от леките или бавно движещите се обекти. Например, кинетичната енергия на автомобил е по-малка от тази на камион, движещ се със същата скорост.

Термална енергия

Топлинната енергия не може да съществува без кинетична енергия. Температурата на физическото тяло зависи от скоростта на движение на атомите, от които се състои. Колкото по-бързо се движат атомите, толкова по-горещ ще се нагрее обектът. Следователно топлинната енергия на тялото се счита за кинетичната енергия на неговите атоми.

Енергиен цикъл

Слънцето е основният източник на енергия на Земята. Тя непрекъснато се преобразува в други форми на енергия. Естествените енергийни източници също включват нефт, газ и въглища, които всъщност имат достатъчен запас от слънчева енергия.

Запас за бъдещето

Енергията може да се съхранява. Пружината съхранява енергия, когато е компресирана. Когато бъде освободен, той се изправя, превръщайки потенциалната енергия в кинетична. Камъкът, лежащ върху скала, също има потенциална енергия; когато падне, тя се превръща в кинетична енергия.

Трансформация на енергия

Законът за запазване на енергията гласи, че енергията никога не изчезва, тя просто се трансформира в друга форма. Например, ако едно момче, каращо велосипед, спре и спре, кинетичната му енергия пада до нула. Но тя не изчезва напълно, а преминава в други видове енергия - топлинна и звукова. Триенето на велосипедните гуми върху земята генерира топлина, която загрява както земята, така и колелата. А звуковата енергия се проявява в скърцане на спирачки и гуми.

Работа, енергия и сила

Преносът на енергия е работа. Количеството извършена работа зависи от големината на силата и разстоянието, на което обектът се движи. Например, тежък човек, който вдига щанга, върши много работа. Скоростта, с която се извършва работата, се нарича мощност. Колкото по-бързо щангистът вдига тежестта, толкова по-голяма е неговата сила. Енергията се измерва в джаули (J), а мощността във ватове (W).

Консумация на енергия

Енергията никога не изчезва, но ако не се използва за работа, ще се изразходва. По-голямата част от енергията се губи за производство на топлина.

Например, една електрическа крушка преобразува само една пета А от енергията на електричеството в светлина, а останалата част отива в ненужна топлина. Ниската ефективност на автомобилните двигатели води до факта, че доста гориво се губи.

Енергията на пейнтбола

Когато играете на играта, енергията постоянно променя състоянието си - потенциалът преминава в кинетиката. Движещата се топка се стреми да спре поради триене върху частта на автомата. Неговата енергия се изразходва за преодоляване на силата на триене, но не изчезва, а се превръща в топлина. Когато играчът придаде допълнителна енергия на топката с натискане на греблото, движението на топката се ускорява.

Назовете основните етапи в историята на използването на енергия от човека, посочете тяхното значение.

Каква е връзката между развитието на човешката цивилизация и потреблението на енергия? Обяснете естеството на тяхното изменение във времето и посочете тенденциите.

Какво е енергийна система? Основното му предназначение. Какви системи има в него?

Какво представляват горивните и енергийните ресурси? Как се класифицират?

Какво представляват вторичните енергийни ресурси? Наименувайте ги и посочете как да ги получите.

Каква е енергийната интензивност на първичните енергийни ресурси? За какво е понятието условно гориво?

Какви са основните тенденции в световното потребление на горивни и енергийни ресурси?

Каква е същността на енергийната криза от 70-те години. в Западна Европа и през 90-те години. в страните от ОНД? Какви пътища виждате за преодоляване на енергийната криза в Беларус?

Как може да се обясни интензивното използване на петрола в глобалния енергиен баланс и какви са бъдещите перспективи за използването му?

Обяснете възможностите и перспективите за използване на водорода в енергетиката.

Какво е енергийно ефективна технология? Какви са мотивите за осъществяването им?

Тема 2. Видове енергия. Получаване, преобразуване и използване на енергия. Лекция 2. Видове енергия. Получаване, преобразуване и използване на енергия

Основни понятия:

енергия; кинетична и потенциална енергия; видове енергия; енергия; енергийна система; електроенергийна система; консуматори на енергия; традиционна и нетрадиционна енергия; диаграми на натоварване; консумация на енергия на глава от населението; енергоемкост на икономиката; показател за енергийно-икономическото ниво на производството.

Енергия и нейните видове

Енергията е универсалната основа на природните явления, основата на културата и цялата човешка дейност. В същото време поденергия(Гръцки - действие, дейност) се разбира като количествена оценка на различни форми на движение на материята, които могат да се превръщат една в друга.

Според концепциите на физическата наука енергията е способността на тяло или система от тела да извършват работа. Съществуват различни класификации на видове и форми на енергия. Човек в ежедневието си най-често се сблъсква със следните видове енергия: механична, електрическа, електромагнитна, топлинна, химическа, атомна (вътрешноядрена). Последните три вида се отнасят до вътрешната форма на енергия, т.е. поради потенциалната енергия на взаимодействието на частиците, които изграждат тялото, или кинетичната енергия на тяхното произволно движение.

Ако енергията е резултат от промяна в състоянието на движение на материални точки или тела, тогава тя се нарича кинетичен ; тя включва механичната енергия на движението на телата, топлинната енергия, дължаща се на движението на молекулите.

Ако енергията е резултат от промяна в относителното положение на частите на дадена система или нейното положение спрямо други тела, тогава тя се нарича потенциал ; тя включва енергията на масите, привлечени от закона за всемирната гравитация, енергията на позицията на хомогенни частици, например енергията на еластично деформирано тяло и химическата енергия.

Енергията в естествените науки, в зависимост от природата, се разделя на следните видове.

Механична енергия – проявява се във взаимодействие, движение на отделни тела или частици.

Тя включва енергията на движение или въртене на тялото, енергията на деформация при огъване, разтягане, усукване, компресия на еластични тела (пружини). Тази енергия намира най-широко приложение в различни машини – транспортни и технологични.

Термална енергия е енергията на неподреденото (хаотично) движение и взаимодействие на молекулите на веществата.

Топлинната енергия, получена най-често чрез изгаряне на различни видове гориво, се използва широко за отопление, извършване на множество технологични процеси (нагряване, топене, сушене, изпарение, дестилация и др.).

Електрическа енергия – енергията на електроните, движещи се през електрическа верига (електрически ток).

Електрическата енергия се използва за получаване на механична енергия с помощта на електрически двигатели и осъществяване на механични процеси за обработка на материали: раздробяване, смилане, смесване; за провеждане на електрохимични реакции; получаване на топлинна енергия в електронагревателни уреди и пещи; за директна обработка на материали (електроерозионна обработка).

химична енергия – това е енергията, "съхранена" в атомите на веществата, която се освобождава или абсорбира по време на химичните реакции между веществата.

Химическата енергия или се освобождава под формата на топлинна енергия по време на екзотермични реакции (например изгаряне на гориво), или се преобразува в електрическа енергия в галванични клетки и батерии. Тези енергийни източници се характеризират с висока ефективност (до 98%), но ниска мощност.

магнитна енергия - енергията на постоянните магнити, които имат голям запас от енергия, но я "отдават" много неохотно. Електрическият ток обаче създава разширени, силни магнитни полета около себе си, поради което най-често се говори за електромагнитна енергия.

Електрическата и магнитната енергия са тясно свързани помежду си, всяка от тях може да се разглежда като "обратната" страна на другата.

електромагнитна енергия е енергията на електромагнитните вълни, т.е. движещи се електрически и магнитни полета. Тя включва видима светлина, инфрачервена, ултравиолетова, рентгенови лъчи и радиовълни.

Така електромагнитната енергия е енергията на радиацията. Радиацията носи енергия под формата на енергия от електромагнитни вълни. Когато радиацията се абсорбира, нейната енергия се преобразува в други форми, най-често топлина.

Ядрената енергия - енергия, локализирана в ядрата на атомите на така наречените радиоактивни вещества. Той се отделя при деленето на тежки ядра (ядрена реакция) или синтеза на леки ядра (термоядрена реакция).

Съществува и старо наименование за този вид енергия – атомна енергия, но това наименование не отразява точно същността на явленията, които водят до отделянето на колосални количества енергия, най-често под формата на топлинна и механична.

Гравитационна енергия - енергия, дължаща се на взаимодействието (гравитацията) на масивни тела, особено забележима е в космическото пространство. В земни условия това е например енергията, „натрупана“ от издигнато на определена височина над земната повърхност тяло – енергията на гравитацията.

По този начин, в зависимост от нивото на проявление може да се отдели енергията на макросвета - гравитационна, енергията на взаимодействие на телата - механична, енергията на молекулярнатавзаимодействия – топлинна, атомно взаимодействие енергия – химична, радиационна енергия – електромагнnuyu, енергията, съдържаща се в ядрата на атомите - ядрена.

Съвременната наука не изключва съществуването на други видове енергия, които все още не са фиксирани, но не нарушават единната естествена научна картина на света и концепцията за енергия.

Международната система от единици (SI) използва 1 джаул (J) като единица за измерване на енергия. 1 J е еквивалентен на 1 нютон метър (Nm). Ако изчисленията са свързани с топлина, биологична и много други видове енергия, тогава като единица за енергия се използва извънсистемна единица - калория (cal) или килокалория (kcal), 1cal = 4,18 J. За измерване на електрическа енергия , използва се единица като ват час (Wh, kWh, MWh), 1 Wh=3,6 MJ. За измерване на механична енергия се използва стойността на 1 kg m = 9,8 J.

Енергия директно извлечена от природата(енергия на гориво, вода, вятър, топлинна енергия на Земята, ядрена), и която може да се преобразува в електрическа, топлинна, механична, химическа се нарича първичен. В съответствие с класификацията на енергийните ресурси на базата на изчерпаемост може да се класифицира и първичната енергия. На фиг. 2.1 показва схемата за първична енергийна класификация.

Ориз.2.1. Първична енергийна класификация

При класифицирането на първичната енергия излъчват традиционен и нетрадиционен видове енергия. Традиционните видове енергия включват тези видове енергия, които са широко използвани от човека в продължение на много години. Нетрадиционните видове енергия включват тези видове, които са започнали да се използват сравнително наскоро.

Традиционните видове първична енергия включват: органично гориво (въглища, нефт и др.), речна хидроенергия и ядрено гориво (уран, торий и др.).

Енергията, получена от човек, след преобразуване на първична енергия в специални инсталации - станции, наречен вторичен (електрическа енергия, пара, топла вода и др.).

Предимства на електрическата енергия.Електрическата енергия е най-удобният вид енергия и с право може да се счита за основа на съвременната цивилизация. Преобладаващата част от техническите средства за механизация и автоматизация на производствените процеси (оборудване, компютърни устройства), замяната на човешкия труд с машинен труд в ежедневието имат електрическа основа.

Малко повече от половината от цялата консумирана енергия се използва като топлина за технически нужди, отопление, готвене, а останалата част - под формата на механична, предимно в транспортни инсталации, и електрическа енергия. Освен това делът на електрическата енергия нараства всяка година (фиг. 2.2).

Електрическа енергия - по-гъвкава форма на енергия. Намира широко приложение в бита и във всички сектори на националната икономика. Има повече от четиристотин вида електрически домакински уреди: хладилници, перални, климатици, вентилатори, телевизори, магнетофони, осветителни устройства и др. Невъзможно е да си представим индустрията без електрическа енергия. В селското стопанство използването на електроенергия непрекъснато се разширява: хранене и поене на животни, грижи за тях, отопление и вентилация, инкубатори, нагреватели, сушилни и др.

Електрификация - основата на техническия прогрес на всеки отрасъл на националната икономика. Тя ви позволява да замените енергийните ресурси, които са неудобни за използване, с универсален вид енергия - електрическа енергия, която може да се предава на всяко разстояние, да се преобразува в други видове енергия, например механична или топлинна, и да се разделя между потребителите. Електричество - много удобна и икономична форма на енергия.

Ориз. 2.2. Динамика на потреблението на електрическа енергия

Електрическата енергия има такива свойства, които я правят незаменима при механизацията и автоматизацията на производството и в ежедневието на човека:

1. Електрическата енергия е универсална, може да се използва за различни цели. По-специално, много лесно е да го превърнете в топлина. Това се прави например в електрически източници на светлина (крушки с нажежаема жичка), в технологични пещи, използвани в металургията, в различни нагревателни и нагревателни устройства. Преобразуването на електрическата енергия в механична се използва в задвижванията на електродвигателите.

2. При консумация на електрическа енергия, тя може да бъде безкрайно смачкана. По този начин мощността на електрическите машини, в зависимост от тяхното предназначение, е различна: от части от вата в микромоторите, използвани в много отрасли на техниката и в домакинските продукти, до огромни стойности, надвишаващи милион киловата в генераторите на електроцентрали.

3. В процеса на производство и пренос на електрическа енергия е възможно да се концентрира нейната мощност, да се увеличи напрежението и да се пренесе по проводници както на къси, така и на дълги разстояния, всяко количество електрическа енергия от електроцентралата, където се генерира, до всички нейни потребители .

Във връзка с развитието на производствените технологии и значителното влошаване на екологичната ситуация в много региони на света човечеството е изправено пред проблема с намирането на нови източници на енергия. От една страна, количеството произведена енергия трябва да е достатъчно за развитието на производството, науката и битовия сектор, от друга страна, производството на енергия не трябва да влияе неблагоприятно на околната среда.

Тази постановка на въпроса доведе до търсенето на така наречените алтернативни енергийни източници - източници, които отговарят на горните изисквания. Благодарение на усилията на световната наука са открити много такива източници, в момента повечето от тях вече се използват повече или по-малко широко. Ето кратък преглед на тях:

слънчева енергия

Слънчевите електроцентрали се използват активно в повече от 80 страни, те преобразуват слънчевата енергия в електрическа. Има различни начини за такова преобразуване и съответно различни видове слънчеви електроцентрали. Най-често срещаните станции, които използват фотоелектрически преобразуватели (фотоклетки), комбинирани в слънчеви панели. Повечето от най-големите фотоволтаични инсталации в света се намират в САЩ.

Вятърна енергия

Вятърните електроцентрали (вятърни паркове) се използват широко в САЩ, Китай, Индия, както и в някои западноевропейски страни (например в Дания, където 25% от цялата електроенергия се произвежда по този начин). Вятърната енергия е много обещаващ източник на алтернативна енергия; в момента много страни значително разширяват използването на електроцентрали от този тип.

биогориво

Основните предимства на този енергиен източник пред другите видове гориво са неговата екологичност и възобновяемост. Не всички видове биогорива се класифицират като алтернативни източници на енергия: традиционните дърва за огрев също са биогориво, но не са алтернативен източник на енергия. Алтернативните биогорива могат да бъдат твърди (торф, дървообработващи и селскостопански отпадъци), течни (биодизел и биомасут, както и метанол, етанол, бутанол) и газообразни (водород, метан, биогаз).

Енергия на приливите и вълните

За разлика от традиционната хидроенергия, която използва енергията на воден поток, алтернативната хидроенергия все още не е широко разпространена. Основните недостатъци на приливните електроцентрали са високата цена на тяхното изграждане и ежедневните промени в мощността, за които е препоръчително да се използват електроцентрали от този тип само като част от енергийни системи, които използват и други енергийни източници. Основните предимства са високата екологичност и ниската цена на производството на енергия.

Топлинна енергия на Земята

За разработването на този източник на енергия се използват геотермални електроцентрали, които използват енергията на високотемпературни подземни води, както и вулкани. В момента хидротермалната енергия е по-разпространена, използвайки енергията на горещи подземни източници. Петротермалната енергия, основана на използването на "сухата" топлина на земните недра, в момента е слабо развита; Основният проблем е ниската рентабилност на този метод за производство на енергия.

атмосферно електричество

(Светкавиците на повърхността на Земята се случват почти едновременно на различни места на планетата.)

Гръмотевичната буря, основана на улавянето и натрупването на енергия от мълнии, е все още в начален стадий. Основните проблеми на гръмотевичната енергия са подвижността на фронтовете на гръмотевичните бури, както и скоростта на атмосферните електрически разряди (мълнии), което затруднява акумулирането на тяхната енергия.