能量守恆定律

現代物理學知道許多類型的能量與各種物質體或粒子的運動或不同的相互排列有關，例如，任何運動的物體都具有與其速度的平方成正比的動能。如果身體的速度增加或減少，這種能量會發生變化。高出地面的物體具有隨物體高度的三個變化而變化的重力勢能。

彼此相距一定距離的靜止電荷具有靜電勢能，根據庫侖定律，電荷要么吸引（如果它們具有不同的符號），要么以與平方成反比的力排斥他們之間的距離。

分子、原子和粒子及其成分——電子、質子、中子等都擁有動能和勢能。以機械功的形式，在電流的流動中，在熱的傳遞中，在物體內部狀態的變化中，在電磁波的傳播中，等等。

100 多年前，確立了物理學的基本定律，根據該定律，能量不會消失或無中生有。她只能從一種類型變成另一種類型……這個定律叫做能量守恆定律。

在 A. 愛因斯坦的作品中，這條定律得到了顯著發展。愛因斯坦建立了能量和質量的互換性，從而擴展了能量守恆定律的解釋，現在通常稱為能量和質量守恆定律。

根據愛因斯坦的理論，物體能量 dE 的任何變化都與其質量 dm 的變化有關，公式為 dE =dmc2，其中 c 是真空中的光速，等於 3 x 108 Miss。

特別地，從這個公式可以得出，如果作為某個過程的結果，參與該過程的所有物體的質量減少 1 g，則能量等於 9×1013 J，相當於 3000 噸標準燃料。

這些比率在核轉化分析中至關重要。在大多數宏觀過程中，質量的變化可以忽略不計，只談能量守恆定律。

讓我們通過一些具體的例子來追溯能量的轉換。考慮在車床上生產任何零件所需的整個能量轉換鏈（圖 1）。設初始能量 1，我們取其為 100%，是由於一定量的化石燃料完全燃燒而得到的。因此，對於我們的示例，100% 的初始能量包含在高溫（約 2000 K）的燃料燃燒產物中。

發電廠鍋爐中的燃燒產物在冷卻時以熱的形式將其內能釋放給水和水蒸氣。然而，出於技術和經濟原因，燃燒產物不能冷卻到環境溫度。它們以大約 400 K 的溫度通過管子噴射到大氣中，並帶走一些原始能量。因此，只有 95% 的初始能量會轉化為水蒸氣的內能。

產生的水蒸氣將進入汽輪機，其內能最初部分轉化為蒸汽串的動能，然後以機械能的形式傳遞給汽輪機轉子。

只有一部分蒸汽能可以轉化為機械能。當蒸汽在冷凝器中冷凝時，其餘部分被提供給冷卻水。在我們的示例中，我們假設傳輸到渦輪轉子的能量約為 38%，這大致對應於現代發電廠的情況。

由於所謂的將機械能轉換為電能時發電機轉子和定子繞組中的焦耳損失將損失大約 2% 的能量。因此，大約 36% 的初始能量將進入電網。

電動機只會將提供給它的電能的一部分轉換成機械能來旋轉車床。在我們的例子中，大約 9% 的能量以電機繞組中的焦耳熱和軸承中的摩擦熱的形式釋放到周圍大氣中。

這樣，只有27%的初始能量會被傳遞到機器的工作機構。但能源事故也不止於此。事實證明，零件加工過程中的大部分能量都花在摩擦上，並以熱量的形式通過冷卻零件的液體帶走。從理論上講，僅初始能量的很小一部分（在我們的示例中，假定為 2%）就足以獲得原始零件的所需部分。

米。 1. 工件在車床上加工過程中的能量轉換圖：1——廢氣帶來的能量損失，2——燃燒產物的內能，3——工作流體——水蒸氣的內能，4——冷卻釋放的熱量渦輪冷凝器中的水，5 — 渦輪發電機轉子的機械能，6 — 發電機中的損耗，7 — 機器電力驅動中的浪費，8 — 機器旋轉的機械能，9 — 摩擦功, 轉化為熱量, 與液體分離, 冷卻部分, 10 — 加工後增加零件和芯片的內能 ...

如果被認為相當典型，至少可以從正在考慮的示例中得出三個非常有用的結論。

首先，在能量轉換的每一步，都會損失一些能量……這種說法不應被理解為違反能量守恆定律。它由於執行相應轉換的有用效果而丟失。轉換後的能量總量保持不變。

如果能量轉換和傳遞的過程發生在某個機器或設備中，那麼這個設備的效率通常用效率（efficiency）來表徵。這種設備的示意圖如圖所示。 2.

米。 2. 確定能量轉換裝置效率的方案。

使用圖中所示的符號，效率可以定義為 Efficiency = Epol/Epod

顯然，在這種情況下，根據能量守恆定律，必須有 Epod = Epol + Epot

因此，效率也可以寫成：efficiency = 1 — (Epot / Epol)

回到圖1所示的例子。 1、可以說鍋爐的效率為95%，蒸汽的內能轉化為機械功的效率為40%，發電機的效率為95%，效率為—電驅動機——75%，實際加工工件的效率約為7%。

過去，當人們還不知道能量轉化的規律時，人們的夢想是創造出一種所謂的永動機——一種不需要消耗能量就能做有用功的裝置。這種假設的發動機，其存在將違反能量守恆定律，今天被稱為第一類永動機，而不是第二類永動機。今天，當然，沒有人接受認真地創造第一類永動機的可能性。

其次，所有能量損失最終都會轉化為熱量，這些熱量會釋放到大氣中或從天然水庫中釋放到水中。

第三，人們最終只使用了為獲得相關有益效果而消耗的初級能量的一小部分。

在查看能源運輸成本時，這一點尤為明顯。在不考慮摩擦力的理想力學中，在水平面上移動負載不需要能量。

在實際情況下，車輛消耗的所有能量都用於克服摩擦力和空氣阻力，也就是說，最終，運輸過程中消耗的能量全部轉化為熱量。在這方面，以下數字很有趣，描述了使用不同類型的運輸工具在 1 公里的距離內移動 1 噸貨物的工作：飛機 — 7.6 kWh / (t-km)，汽車 — 0.51 kWh / ( t- km) , train-0.12 kWh / (t-km).

因此，空運可以達到同樣的有益效果，但能源消耗是鐵路運輸的 60 倍。當然，高能耗可以顯著節省時間，但即使速度相同（汽車和火車），能源成本也相差 4 倍。

這個例子表明，人們經常在能源效率方面做出權衡，以實現其他目標，例如舒適度、速度等。通常，我們對過程本身的能源效率沒什麼興趣——一般的技術和過程效率的經濟評估很重要……但是隨著初級能源成分價格的上漲，技術和經濟評估中的能源成分變得越來越重要。