Lei da conservação da energia

A física moderna conhece muitos tipos de energia associados ao movimento ou diferentes arranjos mútuos de uma ampla variedade de corpos materiais ou partículas, por exemplo, qualquer corpo em movimento possui energia cinética proporcional ao quadrado de sua velocidade. Essa energia pode mudar se a velocidade do corpo aumentar ou diminuir. Um corpo elevado acima do solo tem uma energia potencial gravitacional variando três mudanças na altura do corpo.

Cargas elétricas estacionárias que estão a alguma distância umas das outras têm uma energia potencial eletrostática de acordo com o fato de que, de acordo com a lei de Coulomb, as cargas se atraem (se forem de sinais diferentes) ou se repelem com uma força inversamente proporcional ao quadrado de a distância entre eles.

A energia cinética e potencial é possuída por moléculas, átomos e partículas, seus constituintes - elétrons, prótons, nêutrons, etc. na forma de trabalho mecânico, no fluxo de corrente elétrica, na transferência de calor, na mudança do estado interno dos corpos, na propagação de ondas eletromagnéticas, etc.

Há mais de 100 anos, foi estabelecida uma lei fundamental da física, segundo a qual a energia não pode desaparecer ou surgir do nada. Ela só pode mudar de um tipo para outro…. Esta lei é chamada de lei da conservação da energia.

Nas obras de A. Einstein, essa lei é significativamente desenvolvida. Einstein estabeleceu a permutabilidade de energia e massa e, assim, expandiu a interpretação da lei de conservação de energia, que agora é comumente declarada como a lei de conservação de energia e massa.

De acordo com a teoria de Einstein, qualquer mudança na energia dE do corpo está relacionada a uma mudança em sua massa dm pela fórmula dE =dmc2, onde c é a velocidade da luz no vácuo igual a 3 x 108 Miss.

Dessa fórmula, em particular, segue-se que, se como resultado de algum processo, a massa de todos os corpos envolvidos no processo diminui em 1 g, então a energia igual a 9 × 1013 J, que equivale a 3.000 toneladas de combustível padrão.

Essas razões são de importância primordial na análise de transformações nucleares. Na maioria dos processos macroscópicos, a mudança na massa pode ser desprezada e apenas a lei da conservação da energia pode ser mencionada.

Tracemos as transformações de energia em algum exemplo concreto. Considere toda a cadeia de conversões de energia necessária para produzir qualquer peça em um torno (Fig. 1). Deixe a energia inicial 1, cuja quantidade tomamos como 100%, seja obtida devido à combustão completa de uma certa quantidade de combustível fóssil. Portanto, para o nosso exemplo, 100% da energia inicial está contida nos produtos da combustão do combustível, que estão em alta temperatura (cerca de 2.000 K).

Os produtos da combustão na caldeira da usina, quando resfriados, cedem sua energia interna na forma de calor para água e vapor d'água. Entretanto, por razões técnicas e econômicas, os produtos da combustão não podem ser resfriados à temperatura ambiente. Eles são ejetados através do tubo para a atmosfera a uma temperatura de cerca de 400 K, levando consigo parte da energia original. Portanto, apenas 95% da energia inicial será transferida para a energia interna do vapor d'água.

O vapor d'água resultante entrará na turbina a vapor, onde sua energia interna é inicialmente parcialmente convertida em energia cinética das cadeias de vapor, que será então transmitida como energia mecânica ao rotor da turbina.

Apenas parte da energia do vapor pode ser convertida em energia mecânica. O restante é dado à água de resfriamento quando o vapor é condensado no condensador. Em nosso exemplo, assumimos que a energia transferida para o rotor da turbina seria de cerca de 38%, o que corresponde aproximadamente ao estado de coisas nas usinas modernas.

Ao converter energia mecânica em energia elétrica devido ao chamado As perdas Joule nos enrolamentos do rotor e do estator do gerador perderão cerca de 2% da energia. Como resultado, cerca de 36% da energia inicial irá para a rede.

Um motor elétrico converterá apenas uma parte da energia elétrica fornecida a ele em energia mecânica para girar o torno. Em nosso exemplo, cerca de 9% da energia na forma de calor Joule nos enrolamentos do motor e calor de atrito em seus mancais será liberado para a atmosfera circundante.

Assim, apenas 27% da energia inicial será entregue aos órgãos de trabalho da máquina. Mas os percalços de energia também não param por aí. Acontece que a maior parte da energia durante a usinagem de uma peça é gasta no atrito e na forma de calor é retirada com o líquido que resfria a peça. Teoricamente, apenas uma fração muito pequena (no nosso exemplo, assume-se 2%) da energia inicial seria suficiente para obter a parte desejada da parte original.

Arroz. 1. Diagrama das transformações de energia durante o processamento de uma peça de trabalho em um torno: 1 - perda de energia com gases de exaustão, 2 - energia interna dos produtos de combustão, 3 - energia interna do fluido de trabalho - vapor de água, 4 - calor liberado do resfriamento água em um condensador de turbina, 5 — energia mecânica do rotor de um gerador de turbina, 6 — perdas no gerador elétrico, 7 — desperdício no acionamento elétrico da máquina, 8 — energia mecânica de rotação da máquina, 9 — fricção trabalho, que é convertido em calor, separado do líquido, a parte de resfriamento, 10 - aumentando a energia interna da peça e cavacos após o processamento ...

Pelo menos três conclusões muito úteis podem ser tiradas do exemplo em consideração, se for considerado razoavelmente típico.

Primeiro, a cada etapa da conversão de energia, parte dela é perdida... Esta afirmação não deve ser entendida como uma violação da lei de conservação de energia. É perdido por causa do efeito útil para o qual a transformação correspondente é realizada. A quantidade total de energia após a conversão permanece inalterada.

Se o processo de conversão e transferência de energia ocorre em uma determinada máquina ou aparelho, a eficiência desse dispositivo geralmente é caracterizada pela eficiência (eficiência)... Um diagrama desse dispositivo é mostrado na fig. 2.

Arroz. 2. Esquema para determinar a eficiência de um dispositivo que converte energia.

Usando a notação mostrada na figura, a eficiência pode ser definida como Eficiência = Epol/Epod

É claro que neste caso, com base na lei de conservação de energia, deve haver Epod = Epol + Epot

Portanto, a eficiência também pode ser escrita da seguinte forma: eficiência = 1 — (Epot / Epol)

Voltando ao exemplo mostrado na FIG. 1, podemos dizer que a eficiência da caldeira é de 95%, a eficiência de conversão da energia interna do vapor em trabalho mecânico é de 40%, a eficiência do gerador elétrico é de 95%, a eficiência é - o acionamento elétrico de um máquina — 75%, e a eficiência do processamento real da peça é de cerca de 7%.

No passado, quando as leis da transformação de energia ainda não eram conhecidas, o sonho das pessoas era criar a chamada máquina de movimento perpétuo — um dispositivo que fizesse um trabalho útil sem gastar energia. Tal motor hipotético, cuja existência violaria a lei da conservação de energia, é hoje chamado de máquina de movimento perpétuo de primeiro tipo, em oposição a uma máquina de movimento perpétuo de segundo tipo. seriamente a possibilidade de criar uma máquina de movimento perpétuo de primeira.

Em segundo lugar, todas as perdas de energia são convertidas em calor, que é liberado para o ar atmosférico ou para a água de reservatórios naturais.

Terceiro, as pessoas acabam usando apenas uma pequena fração da energia primária que é gasta para obter o efeito benéfico relevante.

Isso é particularmente evidente quando se olha para os custos de transporte de energia. Na mecânica idealizada, que não considera as forças de atrito, cargas móveis no plano horizontal não requerem energia.

Em condições reais, toda a energia consumida por um veículo é utilizada para vencer as forças de atrito e as forças de resistência do ar, ou seja, em última análise, toda a energia consumida no transporte é convertida em calor. Nesse sentido, são interessantes as seguintes figuras, caracterizando o trabalho de movimentação de 1 tonelada de carga a uma distância de 1 km com diferentes tipos de transporte: avião — 7,6 kWh / (t-km), carro — 0,51 kWh / ( t- km) , trem-0,12 kWh / (t-km).

Assim, o mesmo efeito benéfico pode ser alcançado com o transporte aéreo à custa de um consumo de energia 60 vezes maior do que com o ferroviário. Obviamente, o alto consumo de energia proporciona uma economia significativa de tempo, mas mesmo na mesma velocidade (carro e trem), os custos de energia diferem em 4 vezes.

Este exemplo sugere que as pessoas muitas vezes fazem trade-offs com eficiência energética para atingir outros objetivos, por exemplo, conforto, velocidade, etc. as avaliações econômicas da eficiência dos processos são importantes... Mas, à medida que o preço dos componentes da energia primária aumenta, o componente energético nas avaliações técnicas e econômicas torna-se cada vez mais importante.