Какие формы передачи энергии вам известны расскажите о них кратко
Обновлено: 07.07.2024
Любая энергия передается в виде двух форм: теплоты и работы.
Если энергия передается на молекулярном уровне, то есть в ее передаче участвуют мельчайшие частицы вещества, то это будет передача энергии в форме теплоты.
Количество энергии, передаваемое при тепловом взаимодействии тел, называется количеством тепла.
Если при передаче энергии наблюдается перемещение рабочего тела, то это передача энергии в форме работы. Полная работа обозначается L и измеряется в системе СИ в .
Удельная работа – есть полная работа отнесенная к массе вещества:
Теплота и работа имеют знак:
Работа, совершаемая системой под действием внешних сил при увеличении объема (dV>0) является положительной (работа расширения).
Работа, совершаемая внешними силами над системой при уменьшении объема (dV 0 работу совершает сам газ, при l
Передачу тепловой энергии называют теплопередачей. Есть три способа (рис. 1) передачи тепловой энергии:
- теплопроводность,
- конвекция,
- излучение.
С помощью теплопередачи можно изменять внутреннюю энергию тел.
Что такое теплопроводность
Теплопроводность — это передача (внутренней) тепловой энергии от одной части тела к другой его части.
Примечание: С помощью теплопроводности можно передавать тепловую энергию от одного тела к другому, если плотно прижать тела друг к другу.
При теплопроводности передается только энергия, а вещество не переносится.
Теплопроводности различных веществ отличаются. Металлы в твердом и жидком состоянии очень хорошо проводят тепло, то есть, обладают высокой теплопроводностью.
Примечание: Медь и серебро – это металлы с очень высокой теплопроводностью.
Но у остальных жидкостей теплопроводность меньше, чему твердых тел.
А у газов, например, у воздуха, теплопроводность очень мала. Поэтому пористые тела, содержащие большое количество газа, хорошо изолируют тепло.
Дом, построенный из пенобетона может иметь более тонкие стены, чем кирпичный дом.
В твердых телах тепло передается только с помощью теплопроводности.
Что такое конвекция и как она происходит
В жидкостях и газах тепло передается только с помощью конвекции. Конвекцио (лат.) – перенос.
Слои жидкости, или газа, имеющие различную температуру, могут самостоятельно перемешиваться. Этот процесс называется конвекцией.
Примечание: Конвекция — это самостоятельное перемешивание слоев жидкости, или газа, имеющих различную температуру.
Располагая руку в нескольких сантиметрах над горящей свечой, из-за конвекции мы можем ощущать тепло.
Как происходит конвекция: Более горячие слои жидкости, или газа, имеют маленькую плотность, поэтому поднимаются вверх, а их место занимают более холодные слои.
Примечание: Чтобы конвекция происходила хорошо, нужно нагревать жидкости и газы снизу.
— в чайнике нагревается вся вода, а не только находящаяся в нижней части чайника;
— воздух в помещении от пола до потолка прогревается батареями отопления, расположенными в нижней части помещения;
— дуют ветры, днем – с моря (дневной бриз), а по ночам – с суши на море (ночной бриз).
Что такое излучение
Излучение – это перенос тепловой энергии без помощи вещества. Поэтому в вакууме тепловая энергия переносится излучением.
Вакуум – это отсутствие молекул вещества в пространстве (глубокий вакуум в космосе), или, наличие небольшого количества молекул газа.
Например, в современных лабораториях можно из-под колокола откачать воздух до состояния, когда в одном кубометре пространства под колоколом будет содержаться всего несколько молекул воздуха.
Все тела могут излучать энергию. Сильно нагретые тела излучают больше энергии, чем более холодные.
Солнце – это большой раскаленный газовый шар, то есть, звезда. Солнце излучает тепло, это тепло через вакуум с помощью излучения переносится на Землю и нагревает ее поверхность и все тела, находящиеся на ней.
Известно, что черные предметы на солнце нагреваются очень быстро, а белые, почти не нагреваются.
По причине излучения более темные тела охлаждаются быстрее, чем белые.
В наши дни широкое распространение получили бытовые инфракрасные обогреватели. Эти обогреватели нагревают окружающие предметы с помощью теплового (инфракрасного) излучения.
Примечание: Теплопроводность и конвекция происходят в веществе. А излучение может переносить тепловую энергию без помощи вещества.
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.
Виды преобразования электрической энергии
Вам будет интересно:Матрицы: метод Гаусса. Вычисление матрицы методом Гаусса: примеры
Канал ДНЕВНИК ПРОГРАММИСТА
Жизнь программиста и интересные обзоры всего. Подпишись, чтобы не пропустить новые видео.
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.
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.
Суть конвекции
Для объяснения конвекции можно использовать закон Архимеда, а также твердых тел и жидкостей. По мере повышения температуры происходит увеличение объема жидкости, уменьшение плотности. Под воздействием силы Архимеда вверх стремится более легкая (нагретая) жидкость, а холодные (плотные) слои попадают вниз, постепенно прогреваются.
В случае прогрева жидкости сверху теплая жидкость остается в исходном положении, поэтому не наблюдается конвекции. Именно так происходит круговорот жидкости, который сопровождается переносом энергии от прогретых участков к холодным местам. В газах конвекция происходит по аналогичному механизму.
С термодинамической точки зрения конвекцию рассматривают как вариант передачи тепла, при котором перенос внутренней энергии идет отдельными потоками веществ, нагретых неравномерно. Подобное явление встречается в природе и в быту. К примеру, отопительные радиаторы устанавливают на минимальной высоте от пола, вблизи подоконника.
Холодный воздух прогревается батареей, затем постепенно поднимается вверх, где он смешивается с холодными воздушными массами, опускаемыми от окна. Конвекция приводит к установлению в помещении равномерной температуры.
Среди распространенных примеров атмосферной конвекции приведем ветры: муссоны, бризы. Воздух, который нагревается над одними фрагментами Земли, охлаждается над другими, в результате чего происходит его циркуляция, осуществляется перенос влаги и энергии.
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.
Разновидности теплообмена
Как подразделяется теплопередача? Теплопроводность, конвекция, излучение — три способа передачи энергии, существующие в природе.
Механизмы теплообмена при нагревании
Мы излучаем тепло в сторону стен, потолка и обогревателя. На этот раз только в двух словах. В случае отопления с радиатором мы имеем дело с конвекцией и излучением. Большая часть передачи на пути конвекции. Радиатор имеет всю поверхность пола, поэтому здесь доля излучения намного больше. Конечно, конвекция также имеет место. Но и руководство, потому что на полу мы стоим, будь босиком или в носках или туфлях. Наши ботинки проводят тепло через подошвы и нагревают наши ноги.
С принудительной конвекцией мы имеем дело в случае систем центрального отопления с распределением горячего воздуха, приводимого в действие воздуходувкой, а также в случае кондиционеров с функцией нагрева.
Передача энергии от одной ТС к другой, в зависимости от свойств системы, может происходить раз-личными способами. Для закрытых ТС возможен энергообмен лишь в двух формах: в форме теплоты и в форме работы.
Теплота процесса(теплота Q) – энергия, пере-даваемая одним телом другому при их взаимодействии, зависящая только от температуры этих тел и не связанная с переносом вещест-ва от одного тела к другому.
В случае, когда теплота переда-ется к системе, ее принято считать положительной “ +”. Если же теплота отво-дится от системы используют знак “ - “.
Между теплотой Q(Дж), удельной теп-лотой q(Дж/кг) и массой однородной сис-темы m (кг), которая участвует в про-цессе энергообмена, существует следующая взаимосвязь
Передача энергии в форме работы всегда связана с перемеще-нием ТС или отдельных ее частей (макротел) как целого. Работа процесса – энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, не завися-щая от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому.
В случае, когда работа переда-ется к системе, ее принято считать отрицательной и использовать со знаком “ - ”. Если же работа отво-дится от системы, ее считают поло-жительной и используют со знаком “ + “.
Между работой L, удельной ра-ботой l (Дж/кг) и массой однородной сис-темы m (кг), которая участвует в про-цессе энергообмена, взаимосвязь аналогична
Уравнение баланса имеет вид :
Баланс энергии составляется за промежуток времени работы си-мы(За цикл, сутки, месяц, год). Выбор отрезка времени в составлении баланса является важной и сложной задачей. Он составляется за определенный период в относительной или абсолютной форме. Как правило в абсолютной размерность прихода и расхода ГДж и обычно располагается по весу(год, сутки, час) от более к менее значимому. В относительной форме баланс составляется в процентах, для этого делиться на приход и расход. В отдельных случаях баланс составляется на единицу продукции из баланса энергии устанавливают абсолют и относит энергетические характеристики. Сравнивать два предприятия выпускающих одну и туже продукцию по расходам энергии не верно.
1 закона термодинамики в различных изопроцессах:
1) Изохорный (V=const)
- количество теплоты переданное системе идет на изменение внутр энергии
2) Изотермический (T=const)
- количество теплоты переданное системе идет на совершение работы.
3) Адиабатный (Q=0)
- газ совершает положительную работу,внутр энергия газа уменьшается, газ охлаждается
4) Изобарный (P=const)
количество теплоты переданное системе идет на изменеие внутренней энергии и на совершение работы
Второй закон термодинамики. Формулировки и их соотношение друг с другом. Значение понятия обратимости. Внешняя и внутренняя необратимость. Энтропия. Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах. Аналитическое выражение 2-го закона термодинамики. Единое уравнение (тождество) термодинамики для закрытых систем
Второй закон термодинамики.
Второй закон как и первый является обобщенным опытными данными и никак не доказывается. Он относится к системе, находящейся в состоянии равновесия, к процессу перехода системы из одного состояния равновесия в другое. Он рассматривает направленность протекания естественных процессов, говорит о том, что различные виды энергии неравноценны.
Все процессы в природе протекают в направлении исчезновения движущей силы(градиент температур, давлений, концентраций). На изложенных фактах и основывается одна из формулировок закона: теплота не может переходить от менее к более нагретому телу. Вывод из 2-го закона: он устанавливает неравноценность теплоты и работы, и если при преобразовании работы в теплоту можно ограничиться изменением состояния одного теплоприемника, то при преобразовании теплоты в работу необходимо компенсация.
Другая формулировка закона: Невозможен вечный двигатель 2-го рода, то есть нельзя создать машину, единственным результатом функционирования которой будет охлаждение теплового резервуара.
Понятие обратимости занимает центральное место:
1) оно является водоразделом между феноменологической термодинамикой и статической физикой;
2) понятие обратимости позволяет получить точку отсчёта для оценки термодинамического совершенства протекания процесса.
Обратимый процесс – термодинамический процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (ОС) могут возвратиться в начальное состояние без того, чтобы в системе и ОС возникали какие-либо остаточные изменения.
Необратимый процесс – термодинамический процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (ОС) не могут возвратиться в начальное состояние без возникновения остаточных изменений в системе или ОС.
Существует множество внутренних и внешних факторов, которые создают необратимость процессов.
Внутреннюю необратимость вызывает внутреннее трение молекул жидкости в результате молекулярных сил и турбулентности.
Внешняя необратимость следует из внешних факторов системы. Одна из самых частых причин внешней необратимости — механическое трение. Трение присутствует во всех процессах, где поверхность тела или вещества трется о другую поверхность. Другая причина внешней необратимости — процесс теплопередачи. По своей природе теплопередача происходит только в одном направлении: от более теплой области к более холодной. Следовательно, процесс невозможно полностью обратить, так как теплота не передается от более холодных областей более теплым без применения работы.
Энтропия – функция состояния термодинамической системы, определяемая тем, что ее дифференциал (dS) при элементарном равновесном (обратимом) процессе, происходящем в этой системе, равен отношению бесконечно малого количества теплоты (dQ), сообщенной системе, к термодинамической температуре (T) системы.
Введение энтропии дает нам ещё одно уравнение для расчета теплоты процесса, использование которого более удобно известного уравнения через теплоемкость. Площадь под графиком процесса в Т(S) – диаграмме в масштабе изображает теплоту процесса.
Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах.
Изменение энтропии в обратимом процессе хорошо показывает цикл Карно. Он состоит из 4х процессов: 1) отвод работы от рабочего тела (уменьшение внутренней энергии тела и уменьшение температуры тела); 2) изотермический отвод теплоты; 3) подвод к рабочему телу энергии в форме работы; 4) изотермический подвод теплоты. При изотермических подводе и отводе теплоты количество подведенной и отведенной энергии можно вычислить с помощью изменения энтропии.
Для обратимого процесса изменение энтропии определяется как
Изменение энтропии в необратимом процессе. Воспользуемся условием ( ), из этого условия получаем, что
Сумма приведенных теплот для необратимого цикла меньше нуля, где приведенная теплота – это отношение теплоты изотермического процесса к температуре процесса.
Перейдя к производному циклу и разбив его сеткой адиабат и изотерм на бесконечное число циклов Карно, просуммировав по всем циклам получаем, что . Отсюда можем получить как изменяется энтропия в необратимых процессах.
Но для обратимого процесса мы знаем, что .
Так как изменение энтропии как термодинамического потенциала не зависит от пути процесса, то очевидно, что . В необратимых процессах изменение энтропии ds на любом элементарном участке всегда больше отношения на этом же участке.
Аналитическое выражение 2-го закона термодинамики. Единое уравнение (тождество) термодинамики для закрытых систем.
Для изолированной системы dq=0, и тогда для изолированной системы получаем .
1) через внутреннюю энергию:
,
2) через энтальпию:
3) через энергию Геймгольца: .
4) через энергию Гибса: .
Читайте также: