能量守恒定律

现代物理学知道许多类型的能量与各种物质体或粒子的运动或不同的相互排列有关，例如，任何运动的物体都具有与其速度的平方成正比的动能。如果身体的速度增加或减少，这种能量会发生变化。高出地面的物体具有随物体高度的三个变化而变化的重力势能。

彼此相距一定距离的静止电荷具有静电势能，根据库仑定律，电荷要么吸引（如果它们具有不同的符号），要么以与平方成反比的力排斥他们之间的距离。

分子、原子和粒子及其成分——电子、质子、中子等都拥有动能和势能。以机械功的形式，在电流的流动中，在热的传递中，在物体内部状态的变化中，在电磁波的传播中，等等。

100 多年前，确立了物理学的基本定律，根据该定律，能量不会消失或无中生有。她只能从一种类型变成另一种类型……这个定律叫做能量守恒定律。

在 A. 爱因斯坦的作品中，这条定律得到了显着发展。爱因斯坦建立了能量和质量的互换性，从而扩展了能量守恒定律的解释，现在通常称为能量和质量守恒定律。

根据爱因斯坦的理论，物体能量 dE 的任何变化都与其质量 dm 的变化有关，公式为 dE =dmc2，其中 c 是真空中的光速，等于 3 x 108 Miss。

特别地，从这个公式可以得出，如果作为某个过程的结果，参与该过程的所有物体的质量减少 1 g，则能量等于 9×1013 J，相当于 3000 吨标准燃料。

这些比率在核转化分析中至关重要。在大多数宏观过程中，质量的变化可以忽略不计，只谈能量守恒定律。

让我们通过一些具体的例子来追溯能量的转换。考虑在车床上生产任何零件所需的整个能量转换链（图 1）。设初始能量 1，我们取 100%，是一定量的化石燃料完全燃烧得到的。因此，对于我们的示例，100% 的初始能量包含在高温（约 2000 K）的燃料燃烧产物中。

发电厂锅炉中的燃烧产物在冷却时以热的形式将其内能释放给水和水蒸气。然而，出于技术和经济原因，燃烧产物不能冷却到环境温度。它们以大约 400 K 的温度通过管子喷射到大气中，并带走一些原始能量。因此，只有 95% 的初始能量会转化为水蒸气的内能。

产生的水蒸气将进入汽轮机，其内能最初部分转化为蒸汽串的动能，然后以机械能的形式传递给汽轮机转子。

只有一部分蒸汽能可以转化为机械能。当蒸汽在冷凝器中冷凝时，其余部分被提供给冷却水。在我们的示例中，我们假设传递到涡轮转子的能量约为 38%，这大致对应于现代发电厂的情况。

由于所谓的将机械能转换为电能时发电机转子和定子绕组中的焦耳损失将损失大约 2% 的能量。因此，大约 36% 的初始能量将进入电网。

电动机只会将提供给它的电能的一部分转换成机械能来旋转车床。在我们的示例中，大约 9% 的能量以电机绕组中的焦耳热和轴承中的摩擦热的形式释放到周围大气中。

这样，只有27%的初始能量会被传递到机器的工作机构。但能源事故也不止于此。事实证明，零件加工过程中的大部分能量都花在摩擦上，并以热量的形式通过冷却零件的液体带走。从理论上讲，仅初始能量的很小一部分（在我们的示例中，假设为 2%）就足以获得原始零件的所需部分。

米。 1. 工件在车床上加工过程中的能量转换图：1——废气带来的能量损失，2——燃烧产物的内能，3——工作流体——水蒸气的内能，4——冷却释放的热量涡轮冷凝器中的水，5 — 涡轮发电机转子的机械能，6 — 发电机中的损耗，7 — 机器电力驱动中的浪费，8 — 机器旋转的机械能，9 — 摩擦功, 转化为热量, 与液体分离, 冷却部分, 10 — 加工后增加零件和芯片的内能 ...

如果被认为相当典型，至少可以从正在考虑的示例中得出三个非常有用的结论。

首先，在能量转换的每一步，都会损失一些能量……这种说法不应被理解为违反能量守恒定律。它由于执行相应转换的有用效果而丢失。转换后的能量总量保持不变。

如果能量转换和传递的过程发生在某个机器或设备中，那么这个设备的效率通常用效率（efficiency）来表征。这种设备的示意图如图所示。 2.

米。 2. 确定能量转换装置效率的方案。

使用图中所示的符号，效率可以定义为 Efficiency = Epol/Epod

很明显，在这种情况下，根据能量守恒定律，必须有 Epod = Epol + Epot

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

回到图1所示的例子。 1、可以说锅炉的效率为95%，蒸汽的内能转化为机械功的效率为40%，发电机的效率为95%，效率为—电驱动机——75%，实际加工工件的效率约为7%。

过去，当人们还不知道能量转换的规律时，人们的梦想是制造出一种所谓的永动机——一种不需要消耗能量就能做有用功的装置。这种假设的发动机，其存在将违反能量守恒定律，今天被称为第一类永动机，而不是第二类永动机。今天，当然，没有人接受认真地创造第一类永动机的可能性。

其次，所有能量损失最终都会转化为热量，然后释放到大气中或从天然水库中释放到水中。

第三，人们最终只使用了为获得相关有益效果而消耗的初级能量的一小部分。

在查看能源运输成本时，这一点尤为明显。在不考虑摩擦力的理想力学中，在水平面上移动负载不需要能量。

在实际情况下，车辆消耗的所有能量都用于克服摩擦力和空气阻力，也就是说，最终，运输过程中消耗的能量全部转化为热量。在这方面，以下数字很有趣，描述了使用不同类型的运输工具在 1 公里的距离内移动 1 吨货物的工作：飞机 — 7.6 kWh / (t-km)，汽车 — 0.51 kWh / ( t- km) , train-0.12 kWh / (t-km).

因此，空运可以达到同样的有益效果，但能源消耗是铁路运输的 60 倍。当然，高能耗可以显着节省时间，但即使速度相同（汽车和火车），能源成本也相差 4 倍。

这个例子表明，人们经常在能源效率方面做出权衡，以实现其他目标，例如舒适度、速度等。通常，我们对过程本身的能源效率没什么兴趣——一般的技术和过程效率的经济评估很重要……但是随着初级能源成分价格的上涨，技术和经济评估中的能源成分变得越来越重要。