Преобразование энергии: определение, виды и процесс передачи

Обеспечение нужд человечества достаточным количеством энергии – одна из ключевых задач, которые стоят перед современной наукой. В связи с повышением энергозатратности процессов, направленных на поддержание базовых условий существования общества, возникают острые проблемы не только генерации больших объемов энергии, но и сбалансированной организации систем ее распределения. И тема преобразования энергии имеет ключевое значение в данном контексте. От этого процесса зависит коэффициент выработки полезного энергетического потенциала, а также уровень затрат на обслуживание технологических операций в рамках используемой инфраструктуры.

Общие сведения о технологии преобразования

Вам будет интересно:Жаркий — это… Толкование и синонимы

Необходимость использования разных видов энергии связана с различиями в процессах, для которых требуется питающий ресурс. Тепло требуется для отопления, механическая энергия – для силовой поддержки движения механизмов, а свет – для освещения. Электричество можно назвать универсальным источником энергии и с точки зрения ее преобразования, и в плане возможностей применения в разных сферах. В качестве исходной энергии обычно используются природные явления, а также искусственно организованные процессы, способствующие генерации того же тепла или механического усилия. В каждом случае требуется определенный вид оборудования или сложного технологического сооружения, в принципе позволяющего обеспечивать преобразование энергии в нужную для конечного или промежуточного потребления форму. Причем среди задач преобразователя выделяется не только трансформация как перевод энергии из одного вида в другой. Зачастую данный процесс служит и для изменения некоторых параметров энергии без ее трансформации.

Вам будет интересно:Павел Павлович Демидов: благотворительность, семья и карьера

Преобразование как таковое может быть одноступенчатым или многоступенчатым. Кроме того, например, работа солнечных генераторов на фотокристаллических элементах обычно рассматривается как трансформация энергии света в электричество. Но вместе с этим возможно и преобразование тепловой энергии, которую Солнце отдает грунту в результате нагрева. Геотермальные модули размещаются на определенной глубине в земле и посредством специальных проводников наполняют энергетическим запасам аккумуляторы. В простой схеме преобразования геотермальная система обеспечивает накопление энергии тепла, которая отдается отопительному оборудованию в чистом виде с базовой подготовкой. В сложной структуре задействуется тепловой насос в единой группе с конденсаторами тепла и компрессорами, которые обеспечивают преобразование тепла и электроэнергию.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия тела также зависит от массы объекта.

Потенциальная энергия является другим основным типом энергии и связана с положением или состоянием объекта по отношению к другому.

Потенциальная энергия увеличивается, когда притягиваемые тела отделяются или когда отбрасываемые или отталкиваемые тела объединяются. Область, в которой объекты притягиваются или отталкиваются, называется силовым полем. Примерами силовых полей могут быть, например, гравитационное силовое поле Земли или магнитное силовое поле.

Потенциальная и кинетическая энергия

Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а также может быть найдена в других видах энергии, таких как потенциальная гравитационная энергия или упругая потенциальная энергия.

Гравитационная потенциальная энергия

В тот момент, когда спортсмен достигает высшей точки, он обладает большей потенциальной энергией.

Когда потенциальная энергия связана с гравитационной силой, она называется потенциальной гравитационной энергией. Гравитационное силовое поле вокруг нашей планеты притягивает объекты к ее центру. Когда мы поднимаем объекты, отделяя их от Земли, мы увеличиваем их гравитационную потенциальную энергию.

Существует потенциальная гравитационная энергия между Солнцем и планетами, а также между Луной и Землей. Фактически, приливы являются результатом притяжения, которое Луна создает на земных водоемах.

Упругая потенциальная энергия

Через GIPHY

Когда мы растягиваем пружину, энергия, чтобы вернуться к своей первоначальной форме, сохраняется как потенциальная энергия.

Другой формой потенциальной энергии является энергия, которую содержит пружина, когда мы растягиваем или сжимаем её. Эта энергия называется упругой потенциальной энергией: это энергия материалов, когда они растягиваются или скручиваются. Когда мы сжимаем пружину, мы увеличиваем ее потенциальную энергию.

Эластичная потенциальная энергия — это то, что движет в пружине. Также в прыжках с шестом в легкой атлетике у нас есть пример того, как упругая потенциальная энергия превращается в гравитационную потенциальную энергию.

Виды преобразования электрической энергии

Вам будет интересно:Матрицы: метод Гаусса. Вычисление матрицы методом Гаусса: примеры

Существуют разные технологические методы извлечения первичной энергии из естественных природных явлений. Но еще больше возможностей для изменения свойств и форм энергии дают аккумулированные энергоресурсы, поскольку они хранятся в удобном для трансформации виде. К наиболее распространенным формам преобразования энергии можно отнести операции излучения, нагрева, механического и химического воздействия. В наиболее сложных системах применяются процессы молекулярного распада и многоуровневые химические реакции, в которых объединяется несколько этапов преобразования.

Выбор конкретного способа трансформации будет зависеть от условий организации процесса, вида изначальной и конечной энергии. Среди самых распространенных видов энергии, которые в принципе участвуют в процессах преобразования можно выделить лучистую, механическую, тепловую, электрическую и химическую энергию. Как минимум, данные ресурсы успешно эксплуатируются в промышленности и бытовом хозяйстве. Отдельного внимания заслуживают косвенные процессы преобразования энергии, которые являются производными той или иной технологической операции. К примеру, в рамках металлургического производства требуется выполнение операций нагрева и охлаждения, в результате которых вырабатывается пар и тепло как производные, но не целевые ресурсы. В сущности, это отходные продукты переработки, которые также находят применение, подвергаются трансформации или использованию в рамках этого же предприятия.

Солнечная энергия

Солнце — самый важный источник энергии для жизни на Земле.

Солнечная энергия — это лучистая энергия солнца. Он путешествует в пространстве, пока не достигнет Земли в виде электромагнитных волн. Большая часть солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, — это ультрафиолетовое излучение, видимый свет и инфракрасные лучи.

Солнце состоит из водорода и гелия. В этом случае энергия исходит от процесса ядерного синтеза: ядра водорода объединяются, образуя гелий и лучистую энергию.

Люди научились использовать солнечную энергию. Сегодня энергия солнечного света используется для отопления домов и зданий, увеличения их тепловой энергии. Видимый солнечный свет проходит через стекла окон и поглощается материалами внутри комнаты. Это заставляет материалы нагреваться.

Лучистая энергия Солнца ответственна за существование жизни на Земле. Растения собирают эту энергию для производства пищи, превращая ее в химическую энергию. Солнечная энергия управляет движением воздуха в атмосфере, вызывая ветры.

Преобразование энергии тепла

Один из старейших с точки зрения освоения и самых важных для поддержания жизнедеятельности человека энергетических источников, без которых невозможно представить жизнь современного общества. В большинстве случаев тепло преобразуется в электроэнергию, причем простая схема такой трансформации не требует подключения промежуточных этапов. Однако в тепловых и атомных электростанциях в зависимости от условий их работы может применяться этап подготовки с переводом тепловой в механическую энергию, что требует дополнительных затрат. Сегодня все чаще для преобразования тепловой энергии в электричество используются термоэлектрические генераторы прямого действия.

Вам будет интересно:Закон Максвелла. Распределение Максвелла по скоростям

Сам процесс трансформации происходит в специальном веществе, которое сжигается, выделяет тепло и в дальнейшем выступает источником генерации тока. То есть термоэлектрические установки могут рассматриваться как источники электроэнергии с нулевым циклом, так как их работа запускается еще до появления базовой тепловой энергии. В качестве основного ресурса выступают топливные элементы – как правило, газовые смеси. Они сжигаются, в результате чего происходит нагрев теплораспределительной металлической пластины. В процессе отвода тепла через специальный генераторный модуль с полупроводниковыми материалами происходит преобразование энергии. Электрический ток генерируется радиаторной установкой, подключенной к трансформатору или аккумулятору. В первом варианте энергия сразу поступает к потребителю в готовом виде, а во втором – накапливается и отдается по мере надобности.

Энергия в пище

Все, что вы делаете каждый день, даже сон, требует энергии. Различные виды деятельности требуют разного количества.

Сколько энергии нужно вашему организму каждый день:

Мужчина или женщина, молодые или старые, активные или нет, люди получают ресурсы, в которых они нуждаются каждый день от еды, которую они едят. Эта пища является формой химической потенциальной энергии. Когда еда расходуется в клетках тела во время дыхания, химическая потенциальная энергия выпускается. Различные продукты выделяют разное количество ресурсов.

Ежедневные энергетические потребности женщин и мужчин в(килоджоулей)

Держать себя здоровым без избыточного веса — — — — > сбалансировать потребление с расходом

Некоторые виды пищи обеспечивают больше энергии, чем другие. Жиры дают вдвое больше, чем углеводы. В виду того что жир дает больше чем другие типы еды, можно подумать что еда всегда хороша для нас. ЭТО НЕ ТАК! Организм не может использовать так много еды одновременно. Все что необходимо он использует, а лишнее хранит как жир. Это может привести к ожирению и другим проблемам со здоровьем.

Когда вы активны, организм сжигает много энергии. Когда вы смотрите телевизор или играете на компьютере, организм сжигает гораздо меньше.

Большее количество энергии, которую наши тела получают от пищи, преобразуется в тепловую в результате дыхания. Это использовано для того чтобы держать наши тела на определенной температуре постоянно (37 градусах C). Это важно, если химические реакции, которые происходят в клетках должны работать эффективно.

Чтобы узнать, сколько энергии хранится в пище, вы можете превратить ее в тепло и измерить, что может сделать это тепло.

Генерация тепловой энергии из механической

Также один из самых распространенных способов получения энергии в результате преобразования. Суть его заключается в способности тел отдавать тепловую энергию в процессе совершения работы. В простейшем виде данную схему трансформации энергии демонстрирует пример с трением двух деревянных предметов, в результате чего возникает огонь. Однако для использования данного принципа с ощутимой практической пользой требуются специальные устройства.

В бытовом хозяйстве преобразование механической энергии имеет место в системах отопления и водоснабжения. Это сложные технические конструкции с магнитопроводом и шихтованным сердечником, подключенным к замкнутым электропроводящим контурам. Также внутри рабочей камеры данной конструкции проходят трубы отопления, которые нагреваются под действием совершаемой работы от привода. Недостатком данного решения можно назвать необходимость подключения системы к электросети.

В промышленности используются более мощные преобразователи с жидким теплоносителем. Источник механической работы подключается к замкнутым резервуарам с водой. В процессе движения исполнительных органов (турбин, лопастей или других элементов конструкции) внутри контура создаются условия для вихреобразования. Это происходит в моменты резкого торможения лопастей. Кроме нагрева в данном случае повышается и давление, что облегчает процессы циркуляции воды.

Звуковая энергия

Через GIPHY

Колокол вибрирует от удара и производит звуковые волны, которые распространяются по воздуху.

Звуковая энергия — это механическая энергия частиц, которые вибрируют в форме волн через среду передачи. Средой, через которую проходят звуковые волны, может быть воздух, вода или другие материалы. Все, что вызывает шум, генерирует звуковую энергию.

Звук распространяется в твердых телах быстрее, чем в жидкостях, и быстрее в жидкостях, чем в газах. Поэтому если прислонить ухо к полу, можно слышать, потому что скорость звука на земле в четыре раза выше, чем в воздухе.

Именно благодаря звуковой энергии мы можем слышать. Когда звуковые волны в воздухе проникают в ваши уши, они стимулируют специальные клетки, которые посылают информацию в мозг. Чем больше энергии имеет звуковая волна, тем громче будет звук.

Карты морского дна выполнены с использованием звуковой системы. Гидролокатор посылает звуковые волны и рассчитывает пройденное расстояние, используя скорость звука в воде.

В медицине ультразвук используется для удаления камней в почках. Эхокардиограмма является еще одной технологией, которая использует звуковые волны, чтобы увидеть плод у беременных женщин.

Преобразование электромеханической энергии

Большинство современных технических агрегатов работает на принципах электромеханики. Синхронные и асинхронные электрические машины и генераторы используются в транспорте, станочном оборудовании, промышленных инженерных узлах и прочих силовых установках разного назначения. То есть электромеханические виды преобразования энергии применимы и к генераторному, и к двигательному режимам работы в зависимости от текущих требований приводной системы.

В обобщенном виде любую электрическую машину можно рассматривать как систему взаимно перемещающихся магнитно-связанных электрических цепей. К подобным явлениям также относят гистерезис, насыщение, высшие гармоники и магнитные потери. Но в классическом представлении относить их к аналогам электрических машин можно лишь в случае, если речь идет о динамических режимах, когда система работает в рамках энергетической инфраструктуры.

В основе системы электромеханического преобразования энергии лежит принцип двух реакций с двухфазными и трехфазными компонентами, а также метод вращающихся магнитных полей. Ротор и статор двигателей выполняют механическую работу под действием магнитного поля. В зависимости от направления движения заряженных частиц устанавливается режим работы – в качестве мотора или генератора.

Энергия в повседневной жизни

Все вокруг нас зависит от энергии. Автомобили зависят от хранившейся в используемом ими топливе. Используется в домах, офисах и индустрии для того чтобы заставить работать все виды машин. Она используется для освещения и нагревания наших домов, для того чтобы варить и хранить нашу еду.

Очевидно, трудно сказать, что такое энергия, но она важна для нас. Легче сказать, на что способна.

Энергия — это способность выполнять работу.

Все, что работает, должно иметь запас энергии. Мотоцикл не будет продолжать работать, если он не снабжен бензином. Бензин обеспечивает ресурсами, которые двигатель использует для работы.

Когда человек нажимает педали велосипеда, сила приходит от мышц в вашем теле. Ваши мышцы получают энергию от пищи, которую вы едите. Если необходимо больше чем есть у человека, то экстренная энергия хранится в теле как жир. С другой стороны, неадекватная энергетическая диета приведет к худому и действительно нездоровому организму!

Все, что мы делаем, требует энергии даже для сна! В таблице ниже показано количество необходимое для различных видов деятельности.

Энергия, вовлеченная в повседневную деятельность:

Генерация электричества из химической энергии

Совокупный химический источник энергии относится к традиционным, однако методы его преобразования не так распространены в силу экологических ограничений. Сама по себе химическая энергия в чистом виде практически не используется – по крайней мере, в виде концентрированных реакций. В то же время естественные химические процессы окружают человека повсюду в виде высоко- или низкоэнергетических связок, которые проявляются, например, при горении с выделением тепла. Тем не менее, преобразование химической энергии целенаправленно организуется в некоторых отраслях промышленности. Обычно создаются условия для высокотехнологичного горения в плазменных генераторах или газовых турбинах. Типичным реактивом данных процессов является топливный элемент, который и способствует получению электрической энергии. С точки зрения КПД подобные преобразования не так выгодны по сравнению с альтернативными способами генерации электроэнергии, так как часть полезного тепла рассеивается даже в современных плазменных установках.

Магнитная энергия

Магниты используются для захвата магнитных материалов, таких как гайки и болты.

Способность объекта выполнять работу из-за его положения в магнитном поле является потенциальной энергией магнитного поля. Магниты имеют магнитное поле и две области, называемые магнитными полюсами. Равные полюса отбрасываются, а разные полюса притягиваются. Наиболее используемые магнитные материалы — это железо и его сплавы.

Например, железный винт, который приближается к магниту, но не касается его, обладает потенциальной магнитной энергией. Объекты движутся в направлении, которое уменьшает их потенциальную магнитную энергию.

Микрофоны, например, хорошо работают благодаря магнитной энергии. Операция заключается в следующем: микрофон имеет мембрану, которая вибрирует со звуком. Эта вибрация передается на кабель, обмотанный вокруг магнита, который посылает электрический сигнал на усилитель, делая звук громче. В этом случае мы имеем преобразование звуковой энергии в магнитную энергию, затем электрическую энергию и затем звуковую энергию.

Железные дороги с электромагнитной подвеской — еще один пример того, как мы можем использовать магнитную энергию для выполнения работы. Железная дорога движется через магнитное поле, которое движется вдоль ферромагнитного пути.

Преобразование энергии солнечного излучения

Как способ преобразования энергии процесс обработки солнечного света уже в скором будущем может стать самым востребованным в энергетике. Связано это с тем, что даже в наши дни каждый домовладелец теоретически может приобрести оборудование для преобразования солнечной энергии в энергию электрическую. Ключевой особенностью данного процесса является бесплатность аккумулируемого солнечного света. Другое дело, что это не делает процесс полностью лишенным расходов. Во-первых, затраты потребуются на техническое обслуживание солнечных аккумуляторов. Во-вторых, и сами генераторы такого типа стоят недешево, поэтому первичное вложение в организацию собственной мини-энергостанции пока могут себе позволить немногие.

Вам будет интересно:Степан Павлович Супрун (советский летчик-испытатель, военный летчик-истребитель): биография, история гибели, награды, память

Что же представляет собой солнечный генератор энергии? Это комплект фотоэлектрических панелей, выполняющих преобразование энергии солнечных лучей в электричество. Сам принцип этого процесса во многом схож с работой транзистора. В качестве основного материала для изготовления фотоэлементов используется кремний в разных вариантах. Например, устройство для преобразования энергии Солнца может быть поли- и монокристаллическим. Второй вариант предпочтительнее по рабочим характеристикам, но стоит дороже. В обоих случаях происходит освещение фотоэлемента, при котором активизируются электроды и в процессе их движения вырабатывается электродинамическая сила.

Лучистая энергия

Свет — это лучистая энергия, которая распространяется волнами.

Энергия в форме света или тепла — это лучистая энергия, более известная как излучение. Излучение — это электромагнитные волны, которым не нужны средства для перемещения подобно звуковым волнам, чтобы они могли перемещаться в космическом пространстве. Источником электромагнитных волн являются электроны, которые вибрируют, создавая электрическое поле и магнитное поле.

Различные типы лучистой энергии или излучения (потоки) упорядочены по уровням энергии в электромагнитном спектре. Они путешествуют в космосе со скоростью 300 миллионов метров в секунду, то есть со скоростью света.

Рентгеновские и гамма-лучи — это невидимые излучения с большим количеством энергии. Оба имеют важные применения в медицине. Рентген используется для диагностики переломов костей, в то время как гамма-излучение используется для диагностики неврологических заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, или при заболеваниях сердца.

Ультрафиолетовые (УФ) лучи представляют собой тип невидимого излучения, создаваемого Солнцем и некоторых специальных ламп. Эти лучи отвечают за загар, который мы приобретаем, когда подвергаем себя воздействию солнца. Однако чрезмерное воздействие ультрафиолетовых лучей может вызвать ожоги и рак кожи. Вот почему вы должны защищать свое тело, когда вы долго на солнце, особенно кожу (чтобы защититься от рака кожи) и глаза.

Видимый свет излучения — это то, что человеческий глаз может воспринимать. Обычно мы видим белый свет, который является не более чем смесью огней разных цветов. Свет находится в энергетических пакетах, называемых фотонами, которые не имеют массу.

Инфракрасное излучение, микроволна и радиоволны менее энергичное излучение электромагнитного спектра. Радиоволны и микроволны — это волны, используемые в коммуникациях для передачи звука и изображений.

Преобразование паровой энергии

Паровые турбины могут применяться в промышленности как способ трансформации энергии в приемлемую форму, так и в качестве самостоятельного генератора электричества или тепла из специально направляемых потоков условного газа. Далеко не одни турбинные машины используются как устройства преобразования электрической энергии в составе с паровыми генераторами, но их конструкция оптимально подходит для организации этого процесса с высоким КПД. Простейшее техническое решение – турбина с лопатками, к которой подключаются сопла с подаваемым паром. По мере движения лопастей происходит вращение электромагнитной установки внутри аппарата, выполняется механическая работа и вырабатывается ток.

Некоторые конструкции турбин имеют специальные расширения в виде ступеней, где происходит превращение механической энергии пара в кинетическую. Данная особенность устройства обуславливается не столько интересами повышения производительности преобразования энергии генератора или необходимостью выработки именно кинетического потенциала, сколько обеспечением возможности гибкой регуляции работы турбины. Расширение в турбине обеспечивает функцию управления, что дает возможность эффективной и безопасной регуляции объемов генерируемой энергии. К слову, рабочая область расширения, которая включается в процесс преобразования, называется активной ступенью давления.

Описание конвекции

Конвекция является ещё одним способом передачи теплоты. Её сущность заключается в переносе внутренней энергии слоями жидких или газообразных веществ.

Поскольку конвекция происходит только при перемещении веществ, осуществляться такой процесс может лишь в жидкостях и газах. Известно, что физические тела в этих двух состояниях плохо проводят тепло, но благодаря концекции их всё же можно нагреть. Эффективное применение этого процесса можно наблюдать в холодное время года, когда в помещениях, оборудованных батареями парового отопления, воздух согревается. Этот тип теплопередачи можно наблюдать при проведении простого опыта:

1. На дно наполненной водой колбы аккуратно опускают кристалл марганцовокислого калия.
2. Ёмкость нагревают в том месте, где лежит соль марганцовой кислоты.
3. Через некоторое время со дна начинают подниматься окрашенные струи воды.
4. Поднявшись в верхние слои, струи опускаются.

Нижний слой жидкости при нагреве расширяется, что приводит к увеличению её объёма и уменьшению плотности. Под воздействием архимедовой силы нагретая часть вещества перемещается выше. На освободившееся место опускается холодная жидкость, которая по мере нагревания поднимается. В этом случае внутренняя энергия передаётся движущимися вверх потоками воды.

Подобным образом происходит передача теплоты и в газах. Так, если бумажную вертушку размещают над источником тепла, то она начинает вращаться. Лопасти объекта приходят в движение потому, что наименее плотные слои нагретого воздуха поднимаются из-за воздействия на них выталкивающей силы, в то же время холодные слои опускаются, занимая место тёплых. Это передвижение воздуха заставляет вертушку вращаться.

Способы передачи энергии

Способы трансформации энергии невозможно рассматривать без понятия ее передачи. На сегодняшний день выделяется четыре способа взаимодействия тел, при которых происходит передача энергии, – электрический, гравитационный, ядерный и слабый. Передачу в данном контексте можно рассматривать и как способ обмена, поэтому принципиально разделяют совершение работы при передаче энергии и функцию теплообмена. Какие преобразования энергии предусматривают совершение работы? Типичным примером является механическое усилие, при котором в пространстве происходит перемещение макроскопических тел или отдельных частиц тел. Помимо механической силы также выделяют магнитную и электрическую работу. Ключевым объединяющим свойством практически для всех типов работ является способность к полному количественному преобразованию между собой. То есть электричество трансформируется в механическую энергию, механическая работа в магнитный потенциал и т.д. Теплообмен также является распространенным способом передачи энергии. Он может быть ненаправленным или хаотическим, но в любом случае происходит движение микроскопических частиц. Количество активизированных частиц будет определять объем тепла – полезную теплоту.

Механическая энергия

Механическая энергия — это сумма энергии положения и движения.

Механическая энергия тела охватывает движение и положение объекта, то есть это сумма кинетической и потенциальной энергии этого объекта.

Когда мы качаемся, мы превращаем кинетическую энергию в потенциал и наоборот, поэтому мы можем двигаться быстрее и выше.

Например, ребенок на скейтборде на предыдущем изображении обладает кинетической энергией, которая позволяет ему закрепиться на стене, набирая потенциальную энергию. Когда оно начинает падать, потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию и набирает скорость.

Конвекция

Отвечая на вопрос о том, что такое теплопередача, рассмотрим процесс переноса тепла в жидкостях либо в газах путем самопроизвольного либо вынужденного перемешивания. В случае принудительной конвекции перемещение вещества вызвано воздействием внешних сил: лопастей вентилятора, насоса. Применяется подобный вариант в тех ситуациях, когда естественная конвекция не является эффективной.

Естественный процесс наблюдается в тех случаях, когда при неравномерном нагревании происходит нагревание нижних слоев вещества. Уменьшается их плотность, они поднимаются вверх. Верхние слои, напротив, охлаждаются, тяжелеют, опускаются вниз. Далее процесс неоднократно повторяется, а при перемешивании наблюдается самоорганизация в структуру вихрей, из конвекционных ячеек формируется правильная решетка.

Благодаря естественной конвекции образуются облака, выпадают атмосферные осадки, осуществляется движение тектонических плит. Именно путем конвекции на Солнце формируются гранулы.

Правильное использование теплопередачи гарантирует минимальную потерю тепла, максимальное потребление.

Теплоёмкость

Различные вещества обладают разной способностью накапливать тепло; это зависит от их молекулярной структуры и плотности. Количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус (1 °С или 1 К), называется его удельной теплоемкостью. Теплоемкость измеряется в Дж/(кг•К).

Обычно различают теплоемкость при постоянном объёме (CV) и теплоемкость при постоянном давлении (СP), если в процессе нагревания поддерживаются постоянными соответственно объём тела или давление. Например, чтобы нагреть на 1 К один грамм воздуха в воздушном шаре, требуется больше теплоты, чем для такого же его нагрева в герметичном сосуде с жесткими стенками, поскольку часть энергии, сообщаемой воздушному шару, расходуется на расширение воздуха, а не на его нагревание. При нагревании при постоянном давлении часть теплоты идёт на производство работы расширения тела, а часть — на увеличение его внутренней энергии, тогда как при нагревании при постоянном объёме вся теплота расходуется на увеличение внутренней энергии; в связи с этим СР всегда больше, чем CV. У жидкостей и твёрдых тел разница между СР и CV сравнительно мала.

Следим за молекулами идеального газа

Некоторые свойства молекул идеального газа можно изучать, как если бы эти молекулы мчались, как автомобили вокруг вас. Например, среднюю кинетическую энергию для каждой молекулы можно вычислить с помощью очень простой формулы:

где ​\( k \)​ — постоянная Больцмана, равная 1,38·10-23 Дж/К, а ​\( T \)​ — температура. А так как можно получить массу каждой молекулы, если знать, для какого газа ведется расчет (см. выше), то можно вычислить скорости молекул при различных температурах.

Вычисляем скорость молекул воздуха

Представьте, что в один прекрасный весенний день вы находитесь с друзьями на пикнике. У вас прекрасное угощение: картофельный салат, бутерброды и напитки. Но спустя некоторое время вы вспоминаете о физике, заваливаетесь на спину и начинаете смотреть в небо. Физика на пикнике, что может быть скучнее? Вот уж нет. Физика присутствует всюду: в любом месте и в любое время, даже если прямые признаки ее присутствия совсем не очевидны.

Даже если снующие вокруг молекулы воздуха не видны, с помощью законов физики вы легко сможете вычислить их среднюю скорость. Все, что вам нужно, — это калькулятор и термометр. Допустим, что измеренная температура воздуха оказалась примерно равной 28°С, или 301 К (о том, как преобразовывать друг в друга градусы Цельсия и Кельвина, можно узнать в главе 13). Как известно, среднюю кинетическую энергию молекул, находящихся в воздухе, можно вычислять с помощью формулы:

Остается подставить в нее численные значения:

Итак, “среднестатистическая” молекула обладает кинетической энергией, равной 6,23·10-21 Дж. Однако молекулы очень малы — так какие же скорости будут соответствовать этому значению? Как можно узнать в главе 8:

где ​\( m \)​ и ​\( v \)​ — это, соответственно, масса и скорость, тогда:

Воздух в основном состоит из молекул азота N2 (около 78%) и молекул кислорода O2 (около 21%). Без большой утраты точности предположим, что воздух в основном состоит из молекул азота. Молекула азота имеет массу, примерно равную 4,65·10-26 кг (которую вы можете вычислить сами, зная молекулярную массу азота и затем поделив ее на число ​\( N_А \)​). Подставив в последнюю формулу числа, получим:

Ух! Только себе представьте себе, что такое громадное количество “малышей” каждую секунду врезается в вас со скоростью 1861 км/ч! Хорошо, что молекулы такие маленькие. Представьте, если бы каждая молекула воздуха весила примерно килограмм.

Вычисляем внутреннюю энергию идеального газа

Атомы и молекулы обладают очень малой массой, но их в газах очень много, а поскольку все они обладают кинетической энергией, то можно определить их общую кинетическую энергию или ту часть внутренней энергии газа, которая состоит из энергии движения его молекул. Итак, какой кинетической энергией обладает известное количество газа? Каждая молекула обладает средней кинетической энергией:

Чтобы получить общую кинетическую энергию, надо среднюю кинетическую энергию умножить на количество имеющихся молекул, равное \( nN_А \), где ​\( n \)​ — это количество молей:

Здесь \( N_Аk \) равняется \( R \), т.е. универсальной газовой постоянной (см. ранее в этой главе), поэтому прежняя формула принимает вид:

Итак, 600 молей гелия при температуре 27°С обладают следующей внутренней энергией, которая связана с тепловым движением молекул:

Это чуть больше половины килокалории! Такого рода единицу измерения условной энергетической ценности продуктов питания (ккал) можно найти на их упаковках.

Глава 15. Тепловая энергия и работа: начала термодинамики →

← Глава 13. Неожиданное объяснение теплоты с помощью термодинамики

Глава 14. Передаем тепловую энергию в твердых телах и газах

3 (60%) 3 votes

Выводим закон идеального газа

Описание поведения газообразных состояний так, как того требует физика, начинается тогда, когда мы перейдем на уровень атомов и молекул. Как используется понятие “моль” для описания физических процессов при нагревании газов? Оказывается, что поведение разных газов можно связать друг с другом с помощью таких уже известных нам физических понятий, как моли, температура, давление и объем. Эта связь не совсем точна для реальных газов в природе, но очень хорошо описывает поведение идеальных газов. (Идеальный газ — это газ, в котором взаимодействие молекул сводится к парным столкновениям, причем время межмолекулярного столкновения много меньше среднего времени между столкновениями. — Примеч. ред.) Однако некоторые реальные газы, например гелий, с очень хорошей точностью описываются как идеальные, и именно они образуют надежный экспериментальный “оплот” термодинамики.

Экспериментально доказано, что если нагревать газ, сохраняя его объем неизменным, то, как показано на рис. 14.5, давление газа будет расти линейно. Другими словами, при постоянном объеме:

где ​\( T \)​ — температура, измеренная в кельвинах, а ​\( P \)​ — давление.

Если менять объем, то можно заметить, что давление будет ему обратно пропорционально, т.е. при увеличении объема газа в два раза, давление этого газа в два раза уменьшится:

С другой стороны, когда объем и температура идеального газа постоянны, то давление пропорционально количеству имеющихся молей газа — при увеличении количества газа в два раза, давление удваивается. Если количество молей равно ​\( n \)​, то:

Вставив в формулу постоянную ​\( R \)​ (так называемую универсальную газовую постоянную, значение которой равно 8,31 Дж/(моль·К), получим закон идеального газа, связывающий друг с другом давление, объем, количество молей и температуру:

Поистине идеальными считаются газы, для которых выполняется данный закон идеального газа. С помощью этого закона можно предсказывать давление идеального газа, если знать его количество, температуру и занимаемый им объем.

Закон идеального газа можно выразить несколько по-другому, если использовать число Авогадро ​\( N_А \)​ (см. предыдущий раздел) и общее количество молекул \( N \):

Отношение \( R/N_А \) также называется постоянной Больцмана ​\( k \)​ и равно 1,38·10-23 Дж/К. С использованием этой константы закон идеального газа принимает такой вид:

Давление: пример использования закона идеального газа

Допустим, что имеется резервуар объемом 1 м3, заполненный 600 молями гелия (очень близкого к идеальному газу) при комнатной температуре в 27°С. Каким будет давление газа? Используя следующую форму уравнения идеального газа:

получим следующую формулу, в которую подставим численные значения:

Давление во все стенки сосуда равно 1,50·106 Н/м2. Обратите внимание на используемую единицу измерения давления, Н/м2. Эта единица измерения используется настолько широко, что имеет в системе СИ собственное название — паскаль, или Па. Атмосферное давление равно 1,013·105 Па. Кроме того, давление в одну атмосферу иногда указывают в единицах торр и 1 атмосфера = 760 торр. А в нашем примере давление равно 1,50·106 Па, или примерно 15 атмосфер.

Иногда приходится сталкиваться со специальным набором условий, применяемым к газам, которые называются нормальными условиями (или н.у.). Они соответствуют следующим физическим условиям: давление равно 1 атмосфере, т.е. 1,013·105 Па, а температура равна 0°С. С помощью закона идеального газа можно подсчитать, что в нормальных условиях 1 моль идеального газа занимает объем 2,24136·10-2 м3, или около 22,4 литра (1 литр равен 1·10-3 м3).

Закон Бойля-Мариотта и закон Шарля: альтернативные формулировки закона идеального газа

Закон идеального газа часто формулируют по-разному. Например, можно выразить отношение между давлением и объемом идеального газа до и после того, как одна из этих величин изменится при постоянной температуре:

Из этой формулы, выражающей закон Бойля-Мариотта, следует, что при прочих неизменных условиях произведение ​\( PV \)​ будет сохраняться.

Далее, если давление постоянно, то можно сказать, что:

Из этой формулы, выражающей закон Шарля, следует, что для идеального газа при прочих неизменных условиях будет сохраняться отношение ​\( V/T \)​.

Аналогично, если объем постоянен, то можно сказать, что:

Из этой формулы, выражающей закон Гей-Люссака, следует, что для идеального газа при прочих неизменных условиях будет сохраняться отношение ​\( P/T \)​.

Измерение давления воды и воздуха

Попробуем применить наши знания о давлении в повседневной жизни. Ну, давление под слоем жидкости, например воды, можно определить с помощью простой формулы:

P = pgh.

Здесь p — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения под действием силы тяжести (9,8 м/с2), h — глубина, для которой вычисляется давление. Для воды p равна 1000 кг/м2, так что получается:

P = (10000,0)(9,8)h = 9800h.

С каждым метром глубины, на которую вы уходите под воду, давление увеличивается примерно на 9800 Па, или примерно на 1/10 атмосферы (о том, как преобразовывать друг в друга атмосферы и паскали, описывалось выше).

Эта формула правильна, пока плотность жидкости не меняется, т.е. для воздуха предсказать такое давление трудно, ведь плотность воздуха, как известно, меняется вплоть до безвоздушного пространства открытого космоса. Часто встречаются задачи по физике, в которых спрашивается, насколько поменяется давление воздуха, если подняться на ту или иную высоту. Другими словами, в этих задачах предлагается найти разность давлений для данной разности высот, на которых p постоянна.

Разбираемся с числом Авогадро

В этой главе в основном говорится о действии тепловой энергии на твердые тела и жидкости (например, в сосудах с жидким металлом), но много нового здесь можно узнать о процессах нагрева газов. Сначала разберемся, с каким количеством молекул приходится иметь дело. Для этого нам потребуется не слишком много знаний по физике. Представьте, что некто нашел большой алмаз и принес его вам для оценки.

“Сколько атомов в моем алмазе?”

“Это зависит от того, сколько в нем молей,” — отвечаете вы.

Человек, обидевшись, говорит: “Попрошу не выражаться!”

Моль — это количество атомов в 12 г углерода изотопа 12. Углерод изотопа 12 (обозначается как 12С, а также называется углеродом-12, или просто углеродом 12) — это наиболее распространенный вариант углерода, хотя в некоторых атомах углерода имеется чуть больше нейтронов (в углероде-13 уж точно), поэтому их в среднем получается где-то 12,011. Перед тем как узнать, сколько у вас атомов, выясните, сколько молей вещества находится в вашем распоряжении, а при работе с газами часто требуется знать количество атомов.

В результате измерений было найдено, что количество атомов в моле (так называемое число Авогадро, ​\( N_А \)​) равно 6,022·1023. Итак, теперь вы знаете, сколько атомов находится в 12 г углерода-12. Будет ли то же количество атомов, скажем, в 12 г серы? Ни в коем случае. Каждый атом серы по весу отличается от каждого атома углерода, так что даже в одинаковом количестве граммов каждого из этих веществ будет разное количество атомов.

Насколько масса серы больше массы углерода-12? Изучив таблицу Менделеева, висящую на стене физической лаборатории, вы узнаете, что атомная масса серы равна 32,06 (обычно это число, расположенное правее и ниже символа элемента, например, для серы таким символом является S). Но чего именно 32,06? Имеются в виду 32,06 атомных единиц массы (или а.е.м.), каждая из которых равна 1/12 массы атома углерода-12. Тогда если масса моля углерода-12 равна 12 г и масса среднего атома серы больше массы атома углерода-12 в таком соотношении:

то моль атомов серы должен обладать такой массой:

Как удобно! Знание того, что моль элемента имеет ту же массу в граммах, что и атомная масса этого элемента в атомных единицах массы, еще пригодится в ваших вычислениях. Атомную массу любого элемента в атомных единицах массы можно узнать из любой таблицы Менделеева. Например, масса моля кремния равна 28,09 г, моля натрия равна 22,99 г и т.д. И в каждом из этих молей содержится 6,022·1023 атомов.

Теперь вы сможете определить количество атомов в алмазе, который является одним из твердых состояний углерода (с атомной массой, равной 12,01 а.е.м.). 12,01 г алмаза составляют 1 моль, поэтому для вычисления количества атомов в алмазе нужно определить количество молей в алмазе и умножить эту величину атомов в моле, т.е. на 6,022·1023 атомов.

Далеко не все тела состоят из атомов одного вида. Большинство материалов является составными, например, вода, в которой на каждый атом кислорода приходится два атома водорода (Н2O). В подобных случаях вместо атомной единицы массы следует использовать молекулярную массу, которая также основана на атомных единицах массы. Например, молекулярная масса воды равна 18,0153 а.е.м., так что масса одного моля молекул воды равна 18,0153 г.

Испускаем и поглощаем свет: тепловое излучение

Как быстро отогреться после прихода домой поздней осенью в мокрую и дождливую погоду? В определенной степени без участия физики здесь не обойтись. Конечно же, сразу же хочется принять теплую ванну! Обогреться можно не только теплой водой, но даже с помощью висящей в ванной лампы накаливания (рис. 14.4). Действительно, лампа накаливания испускает тепловую энергию и не дает вам мерзнуть.

Тепловое излучение — это свет, который может передавать тепловую энергию. Тепловую энергию, передаваемую с помощью излучения, мы получаем ежедневно в виде дневного света. Действительно, Солнце — это громадный тепловой реактор, расположенный от нас на расстоянии в 150 млн. км, и тепловая энергия, идущая от него через космический вакуум, попадает на Землю, не пользуясь теплопроводностью или конвекцией (см. два предыдущих раздела этой главы). На Земле солнечная энергия оказывается благодаря излучению, в чем можно убедиться самостоятельно, просто постояв в ясный день на улице и подставив лицо солнечным лучам. Впрочем, имеется еще один способ получить ощутимые признаки излучения, а именно заполучить солнечный ожог, с которым потом придется иметь дело.

Тепловое излучение: не видим, но ощущаем

Любое физическое тело вокруг вас является источником постоянного теплового излучения, если только оно не имеет температуру абсолютного нуля, что маловероятно, так как физически очень трудно достичь этой температуры. Например, порция мороженого тоже испускает тепловое излучение. Дело в том, что тепловое излучение — это не что иное, как электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение возникает благодаря ускорению и замедлению электрических зарядов. На молекулярном уровне именно это и происходит при нагревании физических тел: атомы движутся с ускорением и довольно сильно взаимодействуют друг с другом.

Даже наши тела постоянно излучают энергию, только это электромагнитное излучение обычно не видно, так как находится в инфракрасной части спектра. Впрочем, этот свет виден в инфракрасные приборы, которые часто упоминаются как “приборы ночного видения”. Мы излучаем тепловую энергию постоянно по всем направлениям, а все предметы вокруг нас также постоянно излучают тепловую энергию по всем направлениям. Если у вас и окружающей вас среды одинаковая температура, то и вы, и эта среда излучаете энергию по направлению к друг другу с одинаковой интенсивностью.

Когда окружающая среда излучает недостаточно много тепловой энергии по направлению к вам, то возникает ощущение холода. Вот почему космос считается таким “холодным”. А ведь в нем нет ничего холодного на ощупь, и тепловая энергия в космосе не теряется из-за теплопроводности или конвекции. Единственное, что происходит, — это космическая среда слабо излучает по направлению к вам, а вы, благодаря собственному излучению, будете постоянно терять тепловую энергию и очень быстро начнете мерзнуть.

Когда тело нагрето примерно до 1000 К, оно начинает сиять красным светом (возможно, это и объясняет, почему вы, даже излучая, не сияете красным светом из видимой части спектра). А когда тело становится горячее, его излучение смещается через оранжевую, желтую и другие части спектра по направлению к его белой части, которая достигается где-то при 1700 К.

Нагреватели с накаляемой докрасна спиралью передают тепловую энергию с помощью теплового излучения. Что касается конвекции, то она происходит тогда, когда воздух нагревается, поднимается вверх и распространяется по комнате (а передача тепловой энергии с помощью теплопроводности — тогда, когда вы по ошибке прикоснетесь к горячей части нагревателя, что вряд ли можно назвать удачным примером теплопередачи). Впрочем, от нагревателя со спиралью накаливания передача тепловой энергии происходит в основном через излучение. В настоящее время во многих домах имеются нагревательные провода, вмонтированные в стены, потолки или полы и называемые нагревателями лучистого отопления. Этих нагревателей по замыслу архитектора не видно, но если стать лицом к одному из них, сразу почувствуется тепло, вызванное тепловым излучением.

Люди интуитивно понимают, что такое излучение и поглощение тепловой энергии в окружающей среде. Например, всем известно, что в жаркий день лучше не одевать черную тенниску, так как в ней будет жарко. Почему? По сравнению с белой тенниской она поглощает больше, а отражает меньше света, полученного из окружающей среды. Следовательно, в белой тенниске будет прохладнее и именно потому, что она отражает в окружающую среду больше теплового излучения. В какую машину вы предпочтете сесть в жаркий день: в обитую черной или белой кожей?

Излучение и “черные тела”

Некоторые тела поглощают падающий на них свет в большей степени, чем все остальные. Тела, которые поглощают все падающее на них тепловое излучение, имеют отдельное название — “черные тела”. “Черное тело” поглощает 100% падающего на него теплового излучения, и если оно находится в равновесии с окружающей его средой, то столько же теплового излучения оно испускает в эту среду.

Большинство физических тел находится между зеркалами и “черными телами”, которые, соответственно, отражают или поглощают весь падающий на них свет. Обычные тела “с серединки на половинку”, относящиеся к этому большинству, поглощают часть падающего на них света и затем снова испускают его в окружающую среду. Блестящие тела являются такими потому, что отражают большинство падающего на них света. Темные тела выглядят такими потому, что отражают мало падающего на них света.

Можно немало узнать о физике “черных тел”, если начать с вопроса: сколько тепловой энергии испускает “черное тело” при заданной температуре? Количество испускаемой тепловой энергии пропорционально времени испускания: например, за в два раза больший промежуток времени тепловой энергии испускается в два раза больше. Так что можно написать следующую формулу, где ​\( t \)​ — это время:

Нетрудно сообразить, что количество теплового излучения пропорционально общей площади, с которой происходит излучение. Поэтому можно написать еще одну формулу, где ​\( A \)​ — это площадь, с которой происходит излучение:

Где-то в формуле должна быть температура ​\( T \)​: чем тело теплее, тем больше оно излучает тепловой энергии. В ходе экспериментов выяснилось, что количество излучаемой тепловой энергии пропорционально температуре в четвертой степени, ​\( T^4 \)​. Таким образом, получается, что:

Чтобы придать формуле законченный вид, в нее надо вставить постоянную, которую находят экспериментально. Тепловую энергию, испускаемую “черным телом”, вычисляют, используя входящую в ее формулу постоянную Стефана-Больцмана ​\( \sigma \)​.

Значение \( \sigma \) равно 5,67·10-8 Дж(с·м2·К4). Впрочем, обратите внимание, что эта постоянная подходит только для “черных тел”, которые являются идеальными излучателями. Но большинство тел идеальными излучателями не является, поэтому в большинстве случаев приходится вставлять еще и другую постоянную — ту, которая зависит от используемого вещества. Эта постоянная называется излучательной (эмиссионной) способностью — ​\( e \)​. Таким образом, искомая формула, или закон излучения Стефана-Больцмана, принимает такой вид:

где ​\( e \)​ — излучательная (эмиссионная) способность тела, \( \sigma \) — постоянная Стефана-Больцмана (5,67·10-8 Дж(с·м2·К4)), \( A \) — излучающая площадь, \( t \) — время, а \( T \) — температура в кельвинах.

Допустим, что у некоего человека излучательная способность примерно равна 0,8. Сколько тепловой энергии излучает он каждую секунду при условии, что температура его тела равна 37°С? Во-первых, надо вычислить, чему равна площадь, с которой происходит тепловое излучение. Математически приняв этого человека за цилиндр высотой 1,6 м и радиусом 0,1 м, вы получите общую площадь поверхности как:

где ​\( r \)​ и ​\( h \)​ — это, соответственно, радиус и высота. Чтобы найти общую тепловую энергию, излучаемую этим человеком, вставьте числа в формулу закона излучения Стефана-Больцмана:

Итак, получается 449 Дж/сек, или 449 Вт. Это значение может показаться высоким, так как температура кожи не так высока, как температура внутренней части тела, но здесь мы имеем дело с приблизительными величинами.