ऊर्जा संवर्धन कायदा

आधुनिक भौतिकशास्त्राला गतीशी संबंधित ऊर्जा किंवा विविध प्रकारच्या भौतिक शरीरे किंवा कणांच्या विविध परस्पर व्यवस्थेशी संबंधित ऊर्जा माहित आहे, उदाहरणार्थ, कोणत्याही गतिमान शरीरात गतीज ऊर्जा त्याच्या वेगाच्या वर्गाच्या प्रमाणात असते. शरीराचा वेग वाढला किंवा कमी झाला तर ही ऊर्जा बदलू शकते. जमिनीच्या वर उभ्या असलेल्या शरीरात गुरुत्वाकर्षण शक्ती असते आणि शरीराच्या उंचीमध्ये तीन बदल होतात.

एकमेकांपासून काही अंतरावर असलेल्या स्थिर विद्युत शुल्कांमध्ये इलेक्ट्रोस्टॅटिक संभाव्य ऊर्जा असते या वस्तुस्थितीनुसार, कुलॉम्बच्या नियमानुसार, शुल्क एकतर आकर्षित करतात (जर ते भिन्न चिन्हे असतील तर) किंवा बळाच्या चौकोनाच्या विपरित प्रमाणात बळाने मागे टाकतात. त्यांच्यातील अंतर.

गतीज आणि संभाव्य ऊर्जा हे रेणू, अणू आणि कण, त्यांचे घटक - इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन इ. यांत्रिक कार्याच्या स्वरूपात, विद्युत प्रवाहाच्या प्रवाहात, उष्णतेचे हस्तांतरण, शरीराच्या अंतर्गत स्थितीत बदल, विद्युत चुंबकीय लहरींचा प्रसार इ.

100 पेक्षा जास्त वर्षांपूर्वी, भौतिकशास्त्राचा एक मूलभूत नियम स्थापित केला गेला होता, त्यानुसार ऊर्जा अदृश्य होऊ शकत नाही किंवा शून्यातून उद्भवू शकत नाही. ती फक्त एका प्रकारातून दुसऱ्या प्रकारात बदलू शकते…. या कायद्याला ऊर्जा संवर्धनाचा कायदा म्हणतात.

ए. आइन्स्टाईनच्या कार्यात, हा कायदा लक्षणीयरीत्या विकसित झाला आहे. आइन्स्टाईनने ऊर्जा आणि वस्तुमानाची परस्पर विनिमयक्षमता स्थापित केली आणि त्याद्वारे उर्जेच्या संवर्धनाच्या कायद्याचे स्पष्टीकरण विस्तारित केले, ज्याला आता सामान्यतः ऊर्जा आणि वस्तुमानाच्या संवर्धनाचा कायदा म्हटले जाते.

आइनस्टाईनच्या सिद्धांतानुसार, शरीराच्या ऊर्जेतील dE मध्ये कोणताही बदल dE = dmc2 या सूत्राद्वारे त्याच्या वस्तुमान dm मधील बदलाशी संबंधित आहे, जेथे c हा 3 x 108 Miss च्या व्हॅक्यूममध्ये प्रकाशाचा वेग आहे.

या सूत्रावरून, विशेषतः, असे दिसून येते की, जर एखाद्या प्रक्रियेच्या परिणामी, प्रक्रियेत सामील असलेल्या सर्व शरीरांचे वस्तुमान 1 ग्रॅमने कमी झाले, तर ऊर्जा 9 × 1013 J च्या बरोबरीची आहे, जी 3000 टनांच्या समतुल्य आहे. मानक इंधन.

आण्विक परिवर्तनांच्या विश्लेषणामध्ये हे गुणोत्तर प्राथमिक महत्त्वाचे आहेत. बहुतेक मॅक्रोस्कोपिक प्रक्रियांमध्ये, वस्तुमानातील बदल दुर्लक्षित केले जाऊ शकतात आणि केवळ उर्जेच्या संरक्षणाच्या कायद्याबद्दल बोलले जाऊ शकते.

आपण काही ठोस उदाहरणावर ऊर्जेतील परिवर्तनांचा मागोवा घेऊ. लेथवर कोणताही भाग तयार करण्यासाठी आवश्यक ऊर्जा रूपांतरणांच्या संपूर्ण साखळीचा विचार करा (चित्र 1). सुरुवातीची ऊर्जा 1 द्या, ज्याची मात्रा आपण 100% म्हणून घेतो, जी जीवाश्म इंधनाच्या विशिष्ट प्रमाणात पूर्ण ज्वलनामुळे प्राप्त होते. म्हणून, आमच्या उदाहरणासाठी, 100% प्रारंभिक उर्जा इंधनाच्या ज्वलनाच्या उत्पादनांमध्ये असते, जे उच्च (सुमारे 2000 के) तापमानात असते.

पॉवर प्लांटच्या बॉयलरमधील ज्वलनाची उत्पादने, थंड झाल्यावर, उष्णता आणि पाण्याची वाफ यांच्या रूपात त्यांची अंतर्गत ऊर्जा सोडतात. तथापि, तांत्रिक आणि आर्थिक कारणांमुळे, ज्वलन उत्पादने सभोवतालच्या तापमानाला थंड करता येत नाहीत. ते 400 K तापमानाला नळीद्वारे वातावरणात बाहेर काढले जातात, त्यांच्याबरोबर काही मूळ ऊर्जा घेऊन जातात. म्हणून, प्रारंभिक उर्जेपैकी फक्त 95% जल वाफेच्या अंतर्गत उर्जेमध्ये हस्तांतरित केली जाईल.

परिणामी पाण्याची वाफ स्टीम टर्बाइनमध्ये प्रवेश करेल, जिथे तिची अंतर्गत उर्जा सुरुवातीला आंशिकपणे स्टीम स्ट्रिंगच्या गतीज उर्जेमध्ये रूपांतरित केली जाईल, जी नंतर टर्बाइन रोटरमध्ये यांत्रिक ऊर्जा म्हणून प्रसारित केली जाईल.

वाफेच्या ऊर्जेचा फक्त काही भाग यांत्रिक उर्जेमध्ये रूपांतरित केला जाऊ शकतो. जेव्हा कंडेन्सरमध्ये वाफेचे घनरूप होते तेव्हा उर्वरित थंड पाण्याला दिले जाते. आमच्या उदाहरणात, आम्ही असे गृहीत धरले की टर्बाइन रोटरमध्ये हस्तांतरित केलेली ऊर्जा सुमारे 38% असेल, जी आधुनिक उर्जा संयंत्रांच्या स्थितीशी साधारणपणे जुळते.

तथाकथित मुळे यांत्रिक ऊर्जा विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतरित करताना जनरेटरच्या रोटर आणि स्टेटर विंडिंग्समधील जूलचे नुकसान सुमारे 2% ऊर्जा गमावेल. परिणामी, प्रारंभिक उर्जेपैकी सुमारे 36% ग्रीडमध्ये जाईल.

लेथ फिरवण्यासाठी इलेक्ट्रिक मोटर तिला पुरवलेल्या विद्युत उर्जेचा फक्त एक भाग यांत्रिक उर्जेमध्ये रूपांतरित करेल. आमच्या उदाहरणात, मोटर विंडिंग्समधील जौल उष्णतेच्या रूपात सुमारे 9% ऊर्जा आणि त्याच्या बियरिंग्जमधील घर्षण उष्णता आसपासच्या वातावरणात सोडली जाईल.

अशा प्रकारे, सुरुवातीच्या उर्जेपैकी केवळ 27% मशीनच्या कार्यरत अवयवांना वितरित केले जाईल. पण ऊर्जा अपघात तिथेच संपत नाहीत. असे दिसून आले की एखाद्या भागाच्या मशीनिंग दरम्यान बहुतेक ऊर्जा घर्षणावर खर्च केली जाते आणि उष्णतेच्या स्वरूपात भाग थंड करणार्या द्रवाने काढून टाकली जाते. सैद्धांतिकदृष्ट्या, मूळ भागाचा इच्छित भाग मिळविण्यासाठी प्रारंभिक ऊर्जेचा फक्त एक अतिशय लहान अंश (आमच्या उदाहरणात, 2% गृहीत धरला जातो) पुरेसा असेल.

तांदूळ. 1. लेथवर वर्कपीसच्या प्रक्रियेदरम्यान ऊर्जा परिवर्तनाचे आकृती: 1 — एक्झॉस्ट वायूंसह ऊर्जा कमी होणे, 2 — ज्वलन उत्पादनांची अंतर्गत ऊर्जा, 3 — कार्यरत द्रवपदार्थाची अंतर्गत ऊर्जा — पाण्याची वाफ, 4 — शीतकरणातून बाहेर पडणारी उष्णता टर्बाइन कंडेन्सरमधील पाणी, 5 — टर्बाइन जनरेटरच्या रोटरची यांत्रिक ऊर्जा, 6 — इलेक्ट्रिक जनरेटरमधील तोटा, 7 — मशीनच्या इलेक्ट्रिकल ड्राइव्हमधील कचरा, 8 — यंत्राच्या रोटेशनची यांत्रिक ऊर्जा, 9 — घर्षण कार्य, जे उष्णतेमध्ये रूपांतरित होते, द्रव पासून वेगळे केले जाते, थंड भाग, 10 - प्रक्रिया केल्यानंतर भाग आणि चिप्सची अंतर्गत ऊर्जा वाढवते ...

विचाराधीन उदाहरणावरून कमीत कमी तीन अतिशय उपयुक्त निष्कर्ष काढता येतील, जर ते अगदी सामान्य मानले तर.

प्रथम, ऊर्जा रूपांतरणाच्या प्रत्येक टप्प्यावर त्यातील काही नष्ट होते... हे विधान ऊर्जेच्या संवर्धनाच्या कायद्याचे उल्लंघन आहे असे समजू नये. उपयुक्त परिणामामुळे ते हरवले जाते ज्यासाठी संबंधित परिवर्तन केले जाते. रूपांतरणानंतर उर्जेची एकूण रक्कम अपरिवर्तित राहते.

उर्जेचे रूपांतरण आणि हस्तांतरणाची प्रक्रिया एखाद्या विशिष्ट मशीन किंवा उपकरणामध्ये होत असल्यास, या उपकरणाची कार्यक्षमता सामान्यत: कार्यक्षमता (कार्यक्षमता) द्वारे दर्शविली जाते... अशा उपकरणाचा आकृती अंजीर मध्ये दर्शविला आहे. 2.

तांदूळ. 2. ऊर्जेचे रूपांतर करणाऱ्या यंत्राची कार्यक्षमता निश्चित करण्यासाठी योजना.

आकृतीमध्ये दर्शविलेल्या नोटेशनचा वापर करून, कार्यक्षमता कार्यक्षमता = Epol/Epod म्हणून परिभाषित केली जाऊ शकते

हे स्पष्ट आहे की या प्रकरणात, उर्जेच्या संवर्धनाच्या कायद्यावर आधारित, Epod = Epol + Epot असणे आवश्यक आहे.

म्हणून, कार्यक्षमता खालीलप्रमाणे देखील लिहिली जाऊ शकते: कार्यक्षमता = 1 — (Epot / Epol)

अंजीर मध्ये दर्शविलेल्या उदाहरणाकडे परत येत आहे. 1, आपण असे म्हणू शकतो की बॉयलरची कार्यक्षमता 95% आहे, वाफेच्या अंतर्गत ऊर्जेचे यांत्रिक कार्यामध्ये रूपांतर करण्याची कार्यक्षमता 40% आहे, विद्युत जनरेटरची कार्यक्षमता 95% आहे, कार्यक्षमता आहे — एक इलेक्ट्रिक ड्राइव्ह मशीन - 75%, आणि वर्कपीसच्या वास्तविक प्रक्रियेची कार्यक्षमता सुमारे 7% आहे.

पूर्वी, जेव्हा ऊर्जा परिवर्तनाचे नियम अद्याप ज्ञात नव्हते, तेव्हा लोकांचे स्वप्न एक तथाकथित शाश्वत गती यंत्र तयार करण्याचे होते - एक उपकरण जे ऊर्जा खर्च न करता उपयुक्त कार्य करेल. असे काल्पनिक इंजिन, ज्याचे अस्तित्व उर्जेच्या संवर्धनाच्या कायद्याचे उल्लंघन करेल, त्याला आज पहिल्या प्रकारचे शाश्वत मोशन मशीन म्हटले जाते, दुसर्‍या प्रकारच्या शाश्वत मोशन मशीनच्या विरूद्ध. आज, अर्थातच, कोणीही घेत नाही. गंभीरपणे पहिल्या प्रकारचे शाश्वत मोशन मशीन तयार करण्याची शक्यता.

दुसरे, सर्व ऊर्जेचे नुकसान शेवटी उष्णतेमध्ये रूपांतरित होते, जे एकतर वातावरणातील हवेत किंवा नैसर्गिक जलाशयातून पाण्यात सोडले जाते.

तिसरे, लोक प्राथमिक उर्जेचा फक्त एक छोटासा भाग वापरतात जी संबंधित फायदेशीर परिणाम प्राप्त करण्यासाठी खर्च केली जाते.

ऊर्जा वाहतूक खर्च पाहता हे विशेषतः स्पष्ट होते. आदर्श मेकॅनिक्समध्ये, जे घर्षण शक्तींचा विचार करत नाहीत, क्षैतिज समतल भार हलवण्यास उर्जेची आवश्यकता नसते.

वास्तविक परिस्थितीत, वाहनाद्वारे वापरण्यात येणारी सर्व ऊर्जा घर्षण शक्ती आणि वायु प्रतिरोधक शक्तींवर मात करण्यासाठी वापरली जाते, म्हणजेच, शेवटी, वाहतुकीमध्ये वापरली जाणारी सर्व ऊर्जा उष्णतेमध्ये रूपांतरित केली जाते. या संदर्भात, खालील आकडे मनोरंजक आहेत, विविध प्रकारच्या वाहतुकीसह 1 किमी अंतरावर 1 टन माल हलवण्याचे काम दर्शवते: विमान — 7.6 kWh / (t-km), कार — 0.51 kWh / ( t- किमी), ट्रेन-0.12 kWh / (t-km).

अशा प्रकारे, रेल्वेच्या तुलनेत 60 पट जास्त ऊर्जा वापराच्या खर्चावर हवाई वाहतुकीसह समान फायदेशीर प्रभाव प्राप्त केला जाऊ शकतो. अर्थात, उच्च ऊर्जेच्या वापरामुळे वेळेची लक्षणीय बचत होते, परंतु त्याच वेगाने (कार आणि ट्रेन) उर्जेची किंमत 4 पटीने भिन्न असते.

हे उदाहरण सूचित करते की लोक इतर उद्दिष्टे साध्य करण्यासाठी उर्जा कार्यक्षमतेसह व्यवहार करतात, उदाहरणार्थ आराम, गती इ. प्रक्रियांच्या कार्यक्षमतेचे आर्थिक मूल्यमापन महत्त्वाचे आहे... परंतु प्राथमिक ऊर्जा घटकांची किंमत जसजशी वाढते तसतसे तांत्रिक आणि आर्थिक मूल्यमापनातील ऊर्जा घटक अधिकाधिक महत्त्वाचे होत जातात.