ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ
Институт управления в энергетике
Дисциплина
Концепции современного естествознания
Энергетическиевеличины, характеризующие природные и технические процессы
(реферат)
1-й курс, группа МТЭБ
Студент Миридонов П.А.
Руководитель Ергопуло Е.В.
2005/06 учебный год.
Содержание
1. Введение.
2. Величины механической энергии.
3. Величины гидравлической энергии.
4. Величины тепловой энергии.
5. Величины химической энергии.
6. Величины атомной энергии.
7. Величины электрической энергии.
8. Другие энергетические величины.
9. Заключение.
Списокиспользуемой литературы.
1. Введение.
Среди многочисленных величин,характеризующих состояние тел, физические, химические, биологические итехнические процессы, особое место занимает энергия. Энергия есть универсальнаямера движения и взаимодействия всех видов материи и служит основным источникомжизни и благосостояния общества.
Энергия бывает механической, гидравлической,тепловой, химической, атомной, электрической. Энергия может характеризоватьпроцессы, происходящие в микро и макро мирах. Она возбуждает на Землеграндиозные по масштабам процессы: миграцию и круговорот вещества, морскиетечения, землетрясения, извержения вулканов, наводнения, ураганы и другиеявления.
Вся история развития цивилизации –это история изобретения и создания технических сооружения и машин для овладенияэнергией. Без энергии не возможно приготовление пищи, существование животных ичеловека, промышленности, сельского хозяйства, торговли, транспорта, науки,одном словом: всего, что нас окружает на данный момент. Источником энергииявляются движущиеся и взаимодействующие тела, перемещающиеся жидкости и газы,электрические и другие заряды, молекулы, ядра атомов, электромагнитные,электрические и магнитные поля.
Природные и технические процессыхарактеризуют энергетические величины. Этих величин много, каждая из ниххарактеризует определённые явления, происходящие в той или иной сфере.
2. Величины механической энергии.
Механическая энергия обусловленапростейшей механической формой движения тел, заключающейся в изменении ихвзаимного расположения в пространстве и времени.
Механическая энергия состоит изкинетической и потенциальной энергии. Кинетическаяэнергия связана с движением тел, а потенциальнаяэнергия – с их взаимодействием.
Свяжем с телом величину , зависящую отскорости движения тела и назовём её кинетическойэнергией. Будем считать, что кинетическая энергия в покое равна нулю, а придействии на тело силы увеличивается на величину
Произведя математические операции,выводится формула:
где m– масса,служащая мерой инертности тела в поступательном движении, w– линейная скорость.
Во вращательном движении роль массывыполняет момент инерции тела I, а роль линейной скорости – угловаяскорость =
Если тело одновременно участвует впоступательном и вращательном движениях (например, колесо движущегосяавтомобиля), то его энергия равна
В отличие от работы кинетическаяэнергия является функцией состояния, так как определяется скоростью движения,характеризующей механическое состояние тела. Кинетическую энергию можно считатьисточником работы, а работу – мерой энергетического воздействия.
Работа в большинстве случаев можетсовершаться за счёт взаимодействия тел. Будем считать, что работа за счяётпритяжения тел к Земле приводит к уменьшению потенциальной энергии на величинусовершённой работы
где (
Так энергия оценивает работу,которая может быть совершена, она называется потенциальной (возможной).
где h– высотатела, P=mg — сила притяжения тела к земле, g– ускорение свободного падения. Потенциальная энергия зависитот взаимного расположения тел (например, о высоты), определяющего его механическое состояние, она относится кфункциям состояния.
Сумма кинетической и потенциальнойэнергии называется полной механическойэнергией. Механическая энергия постоянна:
В этом заключается закон сохранениямеханической энергии, открытого в 1686 году учёным Г. Лейбницем в виде законасохранения «живых сил».
Кинетическая и потенциальная энергияизмеряется в джоулях. 1Дж = 1 Нм.
Энергию движущегося тела можнопредставить и так:
где — энергия покоящегося тела, p=mV– импульс тела, с – скорость света.
3. Величины гидравлической энергии.
Энергия движения жидкостей относитсяк механической и называется гидравлической энергией. Распространённаядвижущаяся жидкость вода широко используется при производстве электрическойэнергии на гидроэлектрических станциях и в различных теплообменных процессах –передаче тепловой энергии тепловым сетям, конденсации пара, охлаждениивращающихся частей турбин, генераторов, компрессоров, насосов и в производствепара на атомных электростанциях.
Полная механическая энергия текущейжидкости складывается из её кинетической и потенциальной энергий. Кинетическаяэнергия связана с движениемжидкости, потенциальная – с силой притяжения жидкости к Земле и силамидавления, действующими внутри жидкости. Назовём энергию взаимодействия жидкостис Землёй потенциальной энергией положения (z– высота), а энергию сил давления р – потенциальнойэнергией давления
где – длина, S — площадь поверхности, на которую действуют силыдавления, V– объём жидкости.
Учитывая сказанное, полная энергиятекущей жидкости выражается суммой
Разделив уравнение на объём V, массу mи вес жидкости mg, получим энергию, приходящуюся соответственно наединицу объёма, массы и веса
При течении идеальной жидкости этиэнергии сохраняются постоянными для тля каждого сечения трубки тока(трубопровода)
Три последних уравнения получены в 1738 году швейцарским физиком Бернуллии выражают закон сохранения энергии для движущейся идеальной несжимаемойневязкой (с отсутствием внутреннего трения) жидкости.
В природе и технике наблюдаются двавида течения жидкости – ламинарное и турбулентное. Ламинарное течение естьтечение медленное с отсутствием перемешивания жидкости. Турбулентное течение –это быстрое течение с интенсивным перемешиванием жидкости и образованиемвихрей.
4. Величины тепловой энергии.
Передача и преобразование теплоты вразличные виды энергии распространены в природе и в практической деятельностичеловека. Теплота является проявлением внутреннего беспорядочного(хаотического) движения частиц тела (системы) и, так же, как и работа,представляет собой форму передачи (изменения) энергии. Количество теплоты илитеплота равна внутренней кинетической энергии хаотического движениямикрочастиц, передаваемой от одного тела к другому в процессе теплообмена.
Температура являетсямерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул тела ихарактеризует степень его нагретости. Существует несколько температурных шкал –Кельвина (Т К), Цельсия (
По шкале Кельвина единицей температуры является кельвин (К), равный 1/273,16 части температуры тройной точки воды273,16 К, в которой вода одновременно существует в виде трёх фаз: твёрдого тела(льда), жидкости и газа. Начальной температурой является абсолютный нуль 0 К –температура, при которой прекращаются поступательное и вращательное движениемолекул и они находятся в состоянии «нулевых колебаний».
В рамках молекулярно-кинетической теории абсолютная температура Т связана со средней кинетической энергиейчастиц идеального газа
где Дж/К – постоянная Больцмана,R– универсальная газовая постоянная, моль — число Авогадро.
Чем выше температура тела, тем оногорячее и больше средняя энергия теплового движения частиц тела.
Теплоту Q, получаемую телом в процессе еготеплообмена с окружающей средой, принятии представлять в идах
,
,
,
где , , — удельная,молярная и объёмная теплоёмкости, равные теплоте, необходимой для нагревания наодин градус соответственно единицы массы тела, одного моля и единицы объёматела, — приращениетемпературы тела при его нагревании, q=Q/m– удельное количество теплоты, равноетеплоте, сообщаемой единице массы тела, m/M– число молей, M– молярная масса.
В соответствии с первым законом термодинамики теплота q, сообщаемая системе, расходуется на увеличение еёвнутренней энергии и на совершение системой работы над внешней средой
где u– внутренняя энергия, — приращение внутренней энергии.
5. Величины химической энергии.
Химическая энергия составляет частьвнутренней энергии вещества и обусловлена взаимодействием атомов в молекуле.Так же, как и механическая энергия, химическая энергия является функциейсостояния. Энергия, выделяющаяся при сжигании химического топлива, используетсядля получения теплоты.
Химические реакции могут быть экзотермическими и эндотермическими. Первые идут с выделением энергии, вторые – споглощением. В экзотермических реакциях происходит превращение части энергиивзаимодействия молекул в другие виды энергии: кинетическую энергию их тепловогодвижения или энергию пламени.
Энергетическая эффективностьхимического топлива определяется удельнойтеплотой сгорания – теплоте, выделяемой при сгорании 1 кг топлива.Различают высшую удельную теплоту сгорания без учёта потерь наиспарение влаги, содержащейся в топливе, и низшую (рабочую) удельную теплотусгорания с учётом потерь наиспарение влаги.
6. Величины атомной энергии.
Атомная энергия является частьювнутренней энергии и обусловлена сильным взаимодействием нуклонов в ядре атома.Так же как и молекула, ядро содержит источник теплоты. Атомная энергия являетсяфункцией состояния.
Ядра, так же, как и молекулы, могутвступать в реакции, называемые ядернымиреакциями. Ядерная реакция является случайным процессом. Энергию,выделяющуюся при ядерных реакциях, принято называть атомной энергией. Выделениеэнергии наблюдается в том случае, когда внутренняя энергия реагирующих частиц иядер больше внутренней энергии образующихся ядер и частиц.
Выделяющаяся в реакции энергиярассчитывается из выражения Эйнштейна, которое связывает энергию и массу
где — разность масс исходных и конечныхпродуктов.
Термоядерная реакция – это реакциясинтеза лёгких ядер с целью образования нового ядра. Цепная реакция – этоделение ядер с образованием более лёгких ядер и элементарных частиц. Обереакции сопровождаются выделением тепла. На атомных электростанциях применяютцепные реакции деления тяжёлых ядер урана и плутония.
7. Величины электрической энергии.
Электрическая энергия обусловленазаряженными телами, электрическим током, электрическими и магнитными полями.
Электрическое поле характеризуютнапряжённость и потенциал. Напряжённость – силовая характеристика поля. Этосила, действующая со стороны поля на положительный единичный заряд. Потенциал — энергетическаяхарактеристика поля. Это энергия взаимодействия положительного единичногозаряда с полем.
,
где Q– это электрический заряд.
Магнитное поле характеризуют магнитнаяиндукция Bи магнитная проницаемость H.
Существует такая характеристика, как объёмная плотность энергииэлектрического или магнитного поля, равная потенциальной энергии единицы объёма этих полей.
Активные элементы, включённые вэлектрическую цепь, преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии.Мощность P, характеризующая расходэлектрической энергии и её преобразование в другие виды энергии (тепловую,механическую и др.) в единицу времени, называется активной мощностью.
где I– силатока, U– напряжение, — коэффициент мощности.
Чем выше активная мощность элемента,тем большую работу по преобразованию электроэнергии в другие виды энергии онможет совершить. Мощность измеряется в ваттах (Вт). Один ватт равен работе водин джоуль, совершаемой за одну секунду. 1 Вт = 1 Дж/с.
8. Другие энергетические величины.
Существуетряд прочих энергетических величин, как-то: энергия молекулы или атома, приходящаяся на одну степень свободы Е = 0,5 кТ; энергия связи, равнаяразности между энергией ядра или молекулы и энергией нуклонов или образующих молекулы атомов, находящихся в свободном (несвязанном)состоянии, определяемая работой, совершаемой при расчленении ядра атома на нуклоны или молекулы на атомы (энергия связи меньше нуля,чем больше её абсолютная величина, тем прочнееядро или молекула); удельная энергия связи, равная энергии связи,приходящаяся на один нуклон, моль или килограмм; внутренняя энергия U, равная кинетической и потенциальной энергии нуклонов ядра атома или атомов и молекулвещества; свободная энергия F= U — ТDS(S — энтропия),равная той части внутренней энергии, которую можно превратить вработу при постоянной температуре; связаннаяэнергия Есв = ТDS, обусловленнаямолекулярным хаосом и равная части внутренней энергии, которую нельзяпревратить в работу; удельная теплота сгорания топлива, равная энергии,выделяющейся при сгорании единицы массытоплива; энергия активации, равная энергии, необходимой для разрыва связей вступающих в реакцию веществи образования новых связей и веществ; потенциал, равныйпотенциальной энергии взаимодействия телаединичной массы или единичного положительного электрического зарядасоответственно с гравитационным и электрическимполем; квант энергии hv; полнаяэнергия Е = тс, где с — скорость света ввакууме и другие.
9. Заключение.
Итак, мы рассмотрели наиболее используемые величины,которые характеризуют различные процессы, сопровождающиеся изменением ипревращением энергии.Естественно, что этих величин больше. Ведь на Земле происходит огромноемножество процессов, которые, так или иначе, описываются при помощи различныхпонятий, характеристик. Есть в мире и такие процессы, которые пока ещё неописаны людьми.
Энергетическиевеличины, несомненно, крайне важны для людей. Ведь энергия – это универсальнаямера движения и взаимодействия материи, показывающая и объединяющая всепроцессы в природе и технике, энергия является мерой способности осуществлятьработу, давать, её изменение – путём совершения работы и сообщения или отбора утела теплоты. Одним словом: энергия – жизнь.
Списокиспользуемой литературы.
Е.В.Ургопуло– Энергия. Учебное пособие. / Компас РЭА. – М., 2005.
Е.В.Ургопуло,А.В.Лебедев – Концепции естествознания и экологии: Учебное пособие. – М.: МЭПИ,2006.