Энергия. Виды энергии и их особенности
Что является понятием «энергия», которое мы так часто используем? «Энергия» (греч. ενεργι α - действие, деятельность) - общая количественная мера различных форм движения материи. По большому счету понятие энергии, идея энергии искусственные и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия - это плод человеческой мысли, ее «изобретение», построен так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и одновременно говорить о постоянстве, сохранение чего-то, что было названо энергией. Для этой физической величины долгое время употреблялся термин «живая сила», введенный И. Ньютоном. Впервые в истории в понятие «живая сила» смысл «энергия» не произнося еще этого слова, вкладывает Роберт Майер в статье «Замечания о силах неживой природы», опубликованной в 1842 году. Специальный термин «энергия» был введен в 1807 английским физиком Томасом Юнгом и обозначал величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела. В науку термин «энергия» в современном его понимании ввел Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1860 году.
Энергия проявляется в различных формах движения материи, заполняющей все мировое пространство. Свойством, присущей всем видам энергии и объединяющей их, является способность каждого вида энергии переходить при определенных условиях в любой другой ее вид в строго определенном количественном соотношении. Само название этого свойства - «закон сохранения и превращения энергии» - была введена в научный оборот Ф. Энгельсом, что позволило все виды энергии измерять в одних единицах. За такую единицу было принято джоуль (1 Дж = 1 H · м = 1 кг · м 2 / с 2 ). В то же время для измерения количества теплоты используют «старую» единицу - 1 кал (калория), для измерения механической энергии - величину 1 кГм = 9,8 Дж, электрической энергии - 1 кВт · ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт · с.
Почти все виды энергии, рассматриваются в технической термодинамике, за исключением тепловой, представляют собой энергию направленного движения. Так, механическая энергия проявляется в непосредственно наблюдаемом движении тел, и определенное направление в пространстве (движение газа по трубе, полет снаряда, вращение вала и т.д.). Электрическая энергия проявляется в скрытом движении электронов проводником (электрический ток). Тепловая энергия выражается в молекулярном и внутримолекулярных хаотическом движении, будучи энергией хаотического движения атомов и молекул вещества. Тепловая энергия газов проявляется в колебательном, вращательном и поступательном движении молекул, которые постоянно изменяют свою скорость по величине и направлению. При этом каждая молекула может беспорядочно перемещаться во всем объеме газа. В твердых телах тепловая энергия проявляется в колебаниях молекул и атомов относительно положений, которые определяются кристаллической структурой вещества, в жидкостях - в колебании и перемещении молекул или их комплексов. Итак, коренной отличием тепловой энергии от других видов энергии является то, что она является энергией не направленного, а хаотического движения. В результате этого преобразования тепловой энергии на любой вид энергии направленного движения имеет свои особенности, изучение которых и является одной из главных задач технической термодинамики.
Каждое тело в любом его состоянии может обладать одновременно разными видами энергии, в частности тепловой, механической, электрической, химической, внутриядерными, а также потенциальной энергией различных физических полей (гравитационного, магнитного, электрического). Сумма всех видов энергии, которыми обладает тело, является полной его энергией.
Тепловая, химическая и внутриядерная энергии входят в состав внутренней энергии тела. Все другие виды энергии, связанные с перемещением тела, а также потенциальная энергия внешних физических полей относятся к его внешней энергии. Например, внешней энергией снаряда, летящего в зоне действия сил земного притяжения будет сумма его кинетической Е к и потенциальной энергии гравитационного поля. Если газ или жидкость движутся непрерывным потоком в трубе, то в их внешнюю энергию дополнительно входит энергия загрузки , которую иногда называют энергией давления Е пр .
Внешняя энергия, следовательно, является суммой
Е с = Е к + Σ Е п i + Е пр , ,
где Е п i - потенциальная энергия i -го поля (магнитного, электростатического и т. д.).
Внутренняя энергия тела U может быть представлена такой, якобы состоит из двух частей: внутренней тепловой энергии U Т и U 0 - внутренней нулевой энергии тела, условно охлажденного до абсолютного нуля температуры:
U = U 0 + U Т .
Внутренней тепловой энергией является та часть полной внутренней энергии тела, которая связана с тепловым хаотическим движением молекул и атомов и может быть выражена через температуру тела и другие его параметры. Поскольку температура реального тела только частично отражает его внутреннюю тепловую энергию, изменение последней может иметь место и при постоянной температуре тела. Примерами этого являются процессы испарения, плавления, сублимации, в которых происходит фазовое превращение и изменяется степень хаотичности молекулярного движения. Таким образом, полная энергия тела в общем случае может быть представлена в виде суммы внутренней нулевой U 0 , внутренней тепловой U Т , внешней кинетической Е к энергий, совокупных внешних потенциальных? Е п i энергий и энергии загрузкиЕ пр :
Е = U 0 + U Т + Е к + Σ Е п i + Е пр .
Каждая из этих составляющих полной энергии может при определенных условиях превращаться друг в друга. Например, в химических реакциях имеет место взаимное превращение U 0 в U Т . Если реакция экзотермическая, то часть нулевой энергии превращается в тепловую. Нулевая энергия полученных веществ оказывается меньше, чем выходных, - происходит «выделение тепла». В эндотермических реакциях наблюдается обратное явление: нулевая энергия увеличивается за счет уменьшения тепловой энергии - происходит «поглощение тепла». В процессах, не связанных с изменением химического состава вещества, нулевая энергия не изменяется и остается постоянной. В этих условиях меняется только внутренняя тепловая энергия. Это позволяет в различных расчетных уравнениях учитывать изменение только внутренней тепловой энергии, которую в дальнейшем будем называть просто внутренней энергией U .
Если однородное тело массой m имеет внутреннюю энергию U , то внутренняя энергия 1 кг этого тела
u = U / m.
Величину u называют удельным внутреннего ной энергией и измеряют в Дж / кг.
Внешняя кинетическая энергия (Дж) является энергией поступательного движения тела как целого и выражается формулой
E к = mw 2 / 2,
где m - масса тела, кг w - скорость движения, м / с.
Внешняя потенциальная энергия как энергия направленного действия статических полей может быть выражена через возможные работы каждого поля от заданного положения в каких-то нулевых. Так, потенциальная энергия гравитационного поля выражается как произведение силы тяжести mg этого тела на его высоту H над каким-либо нулем отсчета:
E = mgH.
Здесь высота H является соответствующей координатой. Энергия проталкивания Е пр является дополнительной энергией вещества, возникающее в системе за счет воздействия на нее других частей системы, которые стремятся вытолкнуть это вещество с занимаемой сосуда. Так, при перетекании газа (или пара) трубой или каким-либо каналом в условиях сплошного потока каждый килограмм этого газа, кроме внутренней и внешней кинетической и потенциальных энергий, обладает еще дополнительной, переношуваною на себе энергией загрузки:
E пр. = P Y представляет ,
где p - удельное давление; υ - удельный объем (объем 1 кг вещества).
Для газов, паров и жидкостей, находящихся в потоке, величина P Y представляет (или pV для m кг вещества) определяет неотъемлемую часть их энергии. Поэтому для веществ, находящихся в сплошном потоке, определяющим параметром будет уже не внутренняя энергия U , а сумма U + pV = I , называемая энтальпией . Для 1 кг вещества
i = u + P Y представляет ,
где i - в Дж / кг.
Такой же энергией i обладает и 1 кг газа, находящегося в цилиндре, при вытеснении его поршнем.
Полная энергия данной системы, состоящей из 1 кг газа и действующей на него поршня, равна сумме внутренней энергии u газа и энергии P Y представляет его выталкивания, т.е. будет равна его энтальпии. На этом основании энтальпию часто называют энергией расширенной системы.