에너지 보존 법칙

현대 물리학은 다양한 종류의 물체 또는 입자의 움직임 또는 서로 다른 상호 배열과 관련된 많은 유형의 에너지를 알고 있습니다. 예를 들어 모든 움직이는 물체는 속도의 제곱에 비례하는 운동 에너지를 가집니다. 이 에너지는 신체의 속도가 증가하거나 감소하면 변할 수 있습니다. 지면 위로 들어 올려진 물체는 물체 높이의 세 가지 변화에 따라 달라지는 중력 위치 에너지를 가집니다.

서로 약간의 거리에 있는 고정 전하는 쿨롱의 법칙에 따라 전하가 끌어당기거나(부호가 다른 경우) 제곱에 반비례하는 힘으로 밀어낸다는 사실에 따라 정전기적 위치 에너지를 갖습니다. 그들 사이의 거리.

운동 및 위치 에너지는 분자, 원자 및 입자, 전자, 양성자, 중성자 등의 구성 요소가 소유합니다. 기계적 작업의 형태, 전류의 흐름, 열의 전달, 신체의 내부 상태 변화, 전자파의 전파 등

100여 년 전에 에너지가 무에서 사라지거나 생성될 수 없다는 기본 물리학 법칙이 확립되었습니다. 그녀는 한 유형에서 다른 유형으로만 변경할 수 있습니다… 이 법칙을 에너지 보존 법칙이라고 합니다.

A. Einstein의 작업에서 이 법칙은 크게 발전했습니다. 아인슈타인은 에너지와 질량의 상호교환성을 확립함으로써 에너지 보존 법칙의 해석을 확장시켰고, 이는 현재 일반적으로 에너지와 질량 보존의 법칙이라고 합니다.

아인슈타인의 이론에 따르면 신체 에너지 dE의 모든 변화는 공식 dE =dmc2에 의한 질량 dm의 변화와 관련이 있습니다. 여기서 c는 3 x 108 Miss와 같은 진공에서의 빛의 속도입니다.

이 공식에서 특히 어떤 과정의 결과로 과정에 관련된 모든 신체의 질량이 1g 감소하면 에너지는 9×1013 J와 같으며 이는 3000 톤의 표준 연료.

이러한 비율은 핵 변형 분석에서 가장 중요합니다. 대부분의 거시적 과정에서 질량의 변화는 무시할 수 있으며 에너지 보존 법칙만 말할 수 있습니다.

몇 가지 구체적인 예에서 에너지의 변환을 추적해 봅시다. 선반에서 부품을 생산하는 데 필요한 전체 에너지 변환 체인을 고려하십시오(그림 1). 일정량의 화석 연료의 완전 연소로 인해 우리가 100%로 취하는 초기 에너지 1을 얻습니다. 따라서 이 예에서는 초기 에너지의 100%가 높은(약 2000K) 온도에 있는 연료 연소 생성물에 포함됩니다.

발전소 보일러의 연소 생성물은 냉각되면 물과 수증기에 대한 열의 형태로 내부 에너지를 포기합니다. 그러나 기술 및 경제적인 이유로 연소 생성물을 주변 온도로 냉각할 수 없습니다. 그들은 원래 에너지의 일부를 가지고 약 400K의 온도에서 튜브를 통해 대기로 방출됩니다. 따라서 초기 에너지의 95%만이 수증기의 내부 에너지로 전달됩니다.

생성된 수증기는 증기 터빈으로 들어가 내부 에너지가 처음에 부분적으로 증기 스트링의 운동 에너지로 변환된 다음 기계적 에너지로 터빈 로터에 전달됩니다.

증기 에너지의 일부만 기계 에너지로 변환할 수 있습니다. 나머지는 응축기에서 증기가 응축될 때 냉각수로 공급됩니다. 이 예에서는 터빈 로터로 전달되는 에너지가 약 38%라고 가정했는데, 이는 대략 현대 발전소의 상황에 해당합니다.

소위로 인해 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환할 때 발전기의 회전자 및 고정자 권선의 주울 손실은 에너지의 약 2%를 잃습니다. 결과적으로 초기 에너지의 약 36%가 그리드로 들어갑니다.

전기 모터는 공급된 전기 에너지의 일부만 기계 에너지로 변환하여 선반을 회전시킵니다. 이 예에서 모터 권선의 줄 열과 베어링의 마찰열 형태로 에너지의 약 9%가 주변 대기로 방출됩니다.

따라서 초기 에너지의 27%만이 기계의 작동 기관에 전달됩니다. 그러나 에너지 사고는 거기서 끝나지 않습니다. 부품을 가공하는 동안 대부분의 에너지는 마찰에 사용되며 열의 형태로 부품을 냉각시키는 액체와 함께 제거됩니다. 이론적으로 초기 에너지의 아주 작은 부분(이 예에서는 2%로 가정)만 원래 부품의 원하는 부분을 얻는 데 충분합니다.

쌀. 1. 선반에서 공작물 가공 중 에너지 변환 다이어그램: 1 — 배기 가스로 인한 에너지 손실, 2 — 연소 생성물의 내부 에너지, 3 — 작동 유체의 내부 에너지 — 수증기, 4 — 냉각에서 방출되는 열 터빈 응축기의 물, 5 — 터빈 발전기 로터의 기계적 에너지, 6 — 발전기 손실, 7 — 기계의 전기 드라이브에서의 낭비, 8 — 기계 회전의 기계적 에너지, 9 — 마찰 열로 변환되는 작업, 액체에서 분리, 냉각 부품, 10 — 가공 후 부품 및 칩의 내부 에너지 증가 ...

상당히 일반적인 것으로 간주되는 경우 고려 중인 예에서 최소한 세 가지 매우 유용한 결론을 도출할 수 있습니다.

첫째, 에너지 변환의 각 단계에서 일부는 손실됩니다... 이 진술은 에너지 보존 법칙을 위반하는 것으로 이해되어서는 안 됩니다. 해당 변환이 수행되는 유용한 효과 때문에 손실됩니다. 변환 후 총 에너지량은 변경되지 않습니다.

에너지 변환 및 전송 프로세스가 특정 기계 또는 장치에서 발생하는 경우이 장치의 효율성은 일반적으로 효율성이 특징입니다. (효율)... 이러한 장치의 다이어그램이 그림에 나와 있습니다. 2.

쌀. 2. 에너지를 변환하는 장치의 효율을 결정하는 방식.

그림에 표시된 표기법을 사용하여 효율성은 Efficiency = Epol/Epod로 정의할 수 있습니다.

이 경우 에너지 보존 법칙에 따라 Epod = Epol + Epot이 있어야 함은 분명합니다.

따라서 효율은 다음과 같이 쓸 수도 있습니다. 효율 = 1 — (Epot / Epol)

도 10에 도시된 예로 되돌아간다. 1, 보일러의 효율은 95%, 증기의 내부 에너지를 기계 작업으로 변환하는 효율은 40%, 발전기의 효율은 95%, 효율은 — a의 전기 구동이라고 말할 수 있습니다. 기계 — 75%, 공작물의 실제 처리 효율은 약 7%입니다.

에너지 변환의 법칙이 아직 알려지지 않았던 과거에 사람들의 꿈은 에너지를 소비하지 않고도 유용한 일을 할 수 있는 소위 영구 운동 기계를 만드는 것이었습니다. 에너지 보존 법칙을 위반하는 그러한 가상의 엔진은 오늘날 제2종 영구 운동 기계와 달리 제1종 영구 운동 기계라고 불립니다. 진지하게 첫 번째 종류의 영구 운동 기계를 만들 가능성.

둘째, 모든 에너지 손실은 궁극적으로 열로 변환되어 대기 또는 자연 저수지에서 물로 방출됩니다.

셋째, 사람들은 관련 유익한 효과를 얻기 위해 소비되는 1차 에너지의 극히 일부만을 사용하게 됩니다.

이것은 에너지 운송 비용을 볼 때 특히 분명합니다. 마찰력을 고려하지 않는 이상적인 역학에서는 수평면에서 움직이는 하중에 에너지가 필요하지 않습니다.

실제 상황에서 차량이 소비하는 모든 에너지는 마찰력과 공기 저항력을 극복하는 데 사용됩니다. 즉, 궁극적으로 운송 중에 소비되는 모든 에너지는 열로 변환됩니다. 이와 관련하여 다양한 운송 유형으로 1km 거리에서 1톤의 화물을 이동하는 작업을 특징으로 하는 다음 수치는 흥미롭습니다. 비행기 — 7.6kWh / (t-km), 자동차 — 0.51kWh / ( t- km) , 기차-0.12kWh / (t-km).

따라서 철도보다 60배 더 많은 에너지를 소비하면서 항공 운송에서도 동일한 유익한 효과를 얻을 수 있습니다. 물론 에너지 소비가 높으면 상당한 시간을 절약할 수 있지만 같은 속도(자동차와 기차)에서도 에너지 비용은 4배 차이가 납니다.

이 예는 사람들이 예를 들어 편안함, 속도 등과 같은 다른 목표를 달성하기 위해 종종 에너지 효율성과 절충점을 만든다는 것을 시사합니다. 일반적으로 프로세스 자체의 에너지 효율성은 일반적인 기술 및 공정의 효율성에 대한 경제적 평가가 중요합니다... 그러나 1차 에너지 구성요소의 가격이 상승함에 따라 기술 및 경제적 평가에서 에너지 구성요소가 점점 더 중요해지고 있습니다.