Державний професійно-технічний
навчальний заклад
«Краматорський центр професійно-технічної освіти»

м.Краматорськ


Меню сайту

Календар свят. Мова, граматика, спілкування
Оцініть наш центр
Всего ответов: 980

Тема 1.: «Энергия и энергоэффективность в мире труда и профессии».

Блок 1. «Энергоэффективность начинается с каждого»

Тема урока № 1.: «Услуги с помощью энергии, виды энергии, энергоэффективность»

ЭНЕРГИЯ В МИРЕ ТРУДА И ПРОФЕССИИ – ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА. (ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЭПОХИ. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА.)

В начальный и очень длительный период развития общества человек сам выполнял энергетические функции в процессе производства, являясь единственным двигателем инструментов, орудий и простейших технологических и транспортных машин.

Позднее в тех случаях, когда это представлялось осуществимым по характеру производственного процесса и было экономически целесообразно, функции двигателя были возложены на животных.

Таким образом, начальный период развития энергетики характеризуется исключительным использованием, так называемой мускульной силы или, точнее, биологической энергии человека и животных. Это - первая ступень развития энергетики - период биологический энергетики, или биоэнергетики (мускульной энергетики). Этот период продолжался примерно до VIII-X веков.

Следующей, второй, ступенью в развитии энергетики  явилось применение энергии неживой природы. Первыми источниками этой энергии, привлеченными к энергоснабжению производственных процессов, были водные, а несколько позднее - воздушные потоки, приводившие в действие водяные и ветровые колеса.

 
   

Эти два вида энергоснабжения - ветро- и гидроэнергетика - характеризуют один и тот же исторический период развития способа производства.

 
   

Они не только совпадают по времени преимущественно, но и однородны по своей физической сущности, представляя собой непосредственное использование имеющихся в природе источников механической энергии .для приведения в движение исполнительных машин. Поэтому при выделении качественно отличной ступени развития энергетики целесообразно объединить родственные по времени, характеру и физическому - содержанию гидро- и ветроэнергетику, обозначив их термином механическая энергетика. Этот период продолжался до XVIII века.

Следующая, третья, ступень развития энергетики началась с использования теплоты как источника механической, работы. Теплоэнергетика возникла в начале XVIII в. в частной форме водоподъемник двигателей и стала быстро развиваться с конца XVIII в. в связи с внедрением в промышленность и транспорт универсального парового двигателя.

 
   

В конце XIX в. теплоэнергетика, являющаяся и в настоящее время количественно преобладающей, получила, равно как и гидроэнергетика, значительный стимул к ускоренному развитию благодаря производству электрической энергии. Электрическая энергия не берется непосредственно из природы, а вырабатывается на тепловых, гидравлических и других электростанциях. Поэтому электроэнергетика как вторичная энергетика, привлекаемая благодаря своей транспортабельности и трансформируемое в другие виды энергии, не явилась самостоятельной, независимой формой энергетики. Она не заменила первичные теплоэнергетику и гидроэнергетику, а наоборот, стимулировала их дальнейшее, весьма ускоренное развитие, знаменуя вместе с ними следующий, четвертый, период развития комплексной энергетики.

Новым этапом в развитии энергетики явилась возникшая в середине XX в. атомная энергетика, источником которой может служить искусственно вызываемый распад тяжелых или соединение легких ядер атомов.

 
   

Последовательные качественные ступени развития энергетики могут быть представлены следующим кратким перечнем:

1. Биоэнергетика (мускульная энергетика) - использование в качестве источника механической работы биологической энергии человека и животных.

     2. Механическая энергетики - использование механической энергии потоков воды и воздуха.

3. Теплоэнергетика - использование в качестве источника механической работы теплоты, выделяющейся при сжигании топлива.

4 Современная комплексная энергетика - преимущественное использование в качестве первичной энергии тепловой и гидравлической, а в качестве вторичной - электрической энергии.

     5. Атомная энергетика - использование энергии ядерных реакций.

Для перечисленных ступеней развития энергетики характерен некоторый количественный показатель, свойственный каждому из отдельных форм энергии. Таким показателем является удельная весовая энергоемкость носителя энергии, выражаемая отношением количества механической работы в килограммометрах (кГ • м) к единице веса энергоносителя, т. е. в  кГ • м/кг. Для живых двигателей подобный показатель неприменим вследствие особых форм восполняемости живого энергоносителя за счет биологической энергии. Тем не менее в отдельных случаях в косвенной форме энергоемкость живых двигателей может быть успешно привлечена для оценки исторических ступеней развития энергетики.

Так, например, если для современного океанского судна водоизмещением 80 000 т привлечь в качестве двигателя людей, как это делалось в античном мире, то для необходимой мощности 70 000 л. с. потребуется свыше 2 млн. гребцов (при трехсменной работе), вес которых без багажа и запасов продовольствия в несколько раз превысит вес самого судна. Что касается энергоносителей неживой природы, то здесь показатель удельной энергоемкости выражается достаточно точными цифрами и позволяет не только объяснить исторические факты, но и сделать прогнозы на будущее.

Носитель гидроэнергии - вода - располагает запасом энергии в зависимости от возможной высоты падения. Так, 1 кг воды может располагать работой в 1, 10, 100, 1000 кГ • м в зависимости от высоты падения в 1, 10, 100, 1 000 м. Еще меньшей энергоемкостью обладает носитель ветровой энергии - воздух, энергоемкость которого к тому же постоянно и бессистемно изменяется в зависимости от скорости ветра.

Носитель тепловой энергии - топливо - обладает весьма высокой энергоемкостью. Удельная теплотворная способность топлива колеблется в пределах 2 000 — 11000 ккал/кг. Так как 1 ккал эквивалентна 427 кГ • м работы, то удельная энергоемкость 1 кг топлива будет лежать в пределах 854000 - 4 697 000 кГ • м/кг, или в среднем равна 2 775 500 кГ• м/кг (для сопоставления без значительной погрешности можно принять округленное значение 3 млн. кГ • м/кг). Даже если учесть, что к. п. д. тепловых установок в среднем примерно в 3 раза ниже, чем к.п.д. гидравлических, высокая энергоемкость горючего дает выход практически реализуемой энергии, в десятки тысяч раз больший, чем энергоемкость воды.

Энергоемкость электрической энергии является понятием несколько условным, поскольку эта энергия вторичная, преобразуемая из других видов энергии. Во всех случаях получения электроэнергии ее количество, относимое к весу генерирующего устройства (паротурбогенератор, дизельгенератор, гидрогенератор, гальваническая или аккумуляторная батарея), незначительно. Поэтому с позиций удельной энергоемкости электрическая энергия не играет такой роли, как тепловая, являющаяся в настоящее время в силу высокой энергоемкости топлива монопольной для водного и воздушного транспорта и преобладающей для наземного.

Использование ядерной энергетики с позиций удельной энергоемкости, безусловно, знаменует громадный скачок к новой качественной ступени развития энергетики.

Исчисленная удельная энергоемкость ядерного горючего выражается в среднем в 8,5 • 1012 кГ•м/кг по ядрам тяжелых изотопов и 64 • 1012 кГ•м/кг по термоядерным реакциям, что в миллионы раз превышает среднюю энергоемкость обычного горючего. Даже если принять возможным использование только 10% располагаемой энергии ядерного горючего, энергоемкость носителей ядерной энергии более чем в миллион раз превосходит энергоемкость обычных энергетических топлив.

Итак, в развитии энергетики должны быть отмечены  следующие ступени, характеризующие резкое отличие применяемых форм энергии по весовой энергоемкости, оказывающей громадное влияние на развитие техники:

1.         Использование первичной механической   (гидравлической и - в меньшей степени - ветровой) энергии «с удельной энергоемкостью порядка 10 - 1000 кГ•м/кг.

2.         Использование первичной тепловой энергии со средней энергоемкостью 3 • 106 кГ•м/кг

3.         Использование первичной ядерной энергии с энергоемкостью 8,5 •1012 - 64 •1012 кГ • м/кг.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ЭНЕРГИЯ». ВИДЫ ЭНЕРГИИ.
ФИЗИЧЕСКИЕ ФОРМЫ ЭНЕРГИИ

Определение понятия «энергия».

Энергия - не только одно из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий; помимо своего основного физического (а в более широком смысле - естественнонаучного) содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.

В одних случаях под энергией понимают одну из характеристик механического движения, в других - универсальную величину, способную связать все разделы физики в рамках единого закона сохранения энергии, в третьих - некую мистическую силу, ответственную за все непонятные и необъяснимые явления. Наиболее употребительные понятия - кинетическая энергия и потенциальная энергия, внутренняя энергия, энергия массы и другие.

В историческом плане, примерно начиная с 1807 г., понятие «энергия» стало постепенно выделяться из многозначного понятия «сила». Особенно активно это понятие стало звучать в тот период, когда «движущая сила огня» начала использоваться в паровых машинах, где тепло от сжигаемого угля превращалось в механическую работу поршня, который перемещался под давлением пара. Несколько ранее интенсивность движения тел оценивали «живой силой» - произведением массы тела m на квадрат скорости v его движения mv2. В 1829 г. француз Г. Кориолис уточняет выражение живой силы, поделив его пополам - mv2/2. Несколько позднее энергию движущей силы стали называть кинетической, а энергию системы, приведенной в «напряженное» состояние - камень поднят над землей и т. п., − потенциальной. К середине ХIХ века получил обоснование закон сохранения количества энергии при взаимопревращении ее видов в изолированных системах – первый закон природы, который точнее можно определить так: нельзя получить что-либо, не оплачивая это. В этот же период в полной мере осознается выдающаяся роль энергии в жизни и развитии человеческого общества, за что присваивают ей романтический титул «царицы мира». Естественно, в этот период появились и научные определения энергии. Приведем здесь только одно из многочисленных определений, которое принадлежит Ф. Энгельсу: «энергия - это общая скалярная (не зависящая от направления, не векторная.) мера различных форм движения материи».

Из сказанного выше можно сделать такие выводы:

Энергия – это абстрактное понятие, введенное физиками для того, чтобы описывать едиными терминами различные явления, связанные с теплотой и работой.

Энергия (греч. – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи.

Из данного определения вытекает:

1) энергия – это нечто, что проявляется лишь при изменении состояния (положения) различных объектов окружающего нас мира;

2) энергия – это нечто, способное переходить из одной формы в другую

3) энергия характеризуется способностью производить полезную для человека работу;

4) энергия – это нечто, что можно объективно определить, количественно измерить.

Виды энергии. Физические формы энергии.

В настоящее время имеется научно обоснованная классификация видов энергии. Их много – около 20. Приведем только те виды энергии, которые к настоящему времени наиболее часто используются как в повседневной жизни, так и в научных исследованиях.

Механическая энергия — проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.

К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах - транспортных и технологических.

Тепловая энергия - энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Самым первым источником энергии, который человек поставил себе на службу, были обыкновенные дрова для пещерного костра. При горении происходят химические реакции окисления. Самой распространенной и широко используемой, с древних времен и до наших дней, является реакция окисления углерода:

Углерод в ходящий в состав любого органического топлива (уголь, дерево, нефть, газ), взаимодействуя с кислородом атмосферы, образует углекислый газ и выделяется тепловая энергия.

Что же представляет собой эта энергия с точки зрения физики? Каждое физическое тело состоит из атомов или молекул, в жидкостях и газах они хаотично движутся, чем выше скорость движения, тем большей тепловой энергией обладает тело. В твердом теле подвижность молекул или атомов значительно ниже, чем в жидкости, а тем более в газе, молекулы твердого тела только колеблются относительно некоторого среднего положения, чем сильнее эти колебания тем большей тепловой энергией обладает тело. Нагревая тело (сообщая ему тепловую энергию), мы как бы раскачиваем его молекулы и атомы, при достаточно сильном "раскачивании" можно выбить молекулы со своего места и заставить хаотично двигаться. Этот процесс плавления наблюдал каждый, нагревая в руке кусочек льда. Продолжая нагрев мы как бы разгоняем движущиеся молекулы, при достаточном разгоне молекула может выйти за переделы тела. Чем больше нагрев, тем больше молекул могут покинуть тело, в конце концов, передав телу достаточное количество тепловой энергии можно превратить его в газ. Такой процесс испарения протекает кипящем чайнике.

Электрическая энергия - движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрон является мельчайшей электрически заряженной частицей, которая в ходит в состав любого атома. Для нейтрального атома суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, а заряд всего атома равен нулю. Если удалить несколько электронов, то сумма зарядов электронов и ядра станет больше нуля. Если добавить лишних то атом приобретет отрицательный заряд. Из физики известно что два противоположно заряженных тела притягиваются. Если на одном теле сосредоточить положительный заряд (удалить с атомов электроны) а на другом отрицательный (добавить электроны), то между ними возникнут силы притяжения, но на больших расстояниях эти силы очень малы. Соединив эти два тела проводником (например металлической проволокой в которой электроны очень подвижны) мы вызовем движение электронов от отрицательно заряженного тела к положительно заряженному телу.

Движущиеся электроны могут совершить работу (например накалить нить электролампы) следовательно заряженные тела обладают энергией. В источнике электрической энергии происходит разделение положительных и отрицательных зарядов замыкая электрическую цепь мы, как бы позволяем разделенным зарядам соединится но при этом заставляем их выполнить необходимую нам работу.

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэррозионная обработка).

Химическая энергия - это энергия, "запасенная" в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. В автомобильном аккумуляторе при работе происходит выделение электрической энергии, при зарядке происходит поглощение электрической энергии. Гальванические элементы являются источником энергии который характеризуется высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Магнитная энергия - энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но "отдающих" ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

                      Магнитное поле                                                   Магнитное поле соленоида

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как "оборотную" сторону другой.

Электромагнитная энергия - это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия - это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия - энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

Бытует и старое название данного вида энергии - атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.

Гравитационная энергия - энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, "запасенная" телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли - энергия силы тяжести.

Необходимо отметить, что в естественнонаучной литературе тепловую, химическую и ядерную энергии иногда объединяют понятием внутренней энергии, т.е. заключенной внутри вещества.

Часто в особый вид энергии выделяют биологическую. Биологические процессы - это особая группа физико-химических процессов, но в которых участвуют те же виды энергии, что и в других.

            Из всех известных видов энергии, а также и перечисленных выше в практике непосредственно используются всего четыре вида: тепловая, (около 70 – 75 %), механическая (около 20 – 22 %), электрическая – около 3 – 5 %, электромагнитная – световая (менее 1 %). Причем широко вырабатываемая, подводимая по проводам в дома, к станкам электрическая энергия выполняет в основном роль переносчика энергии.

            Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира - гравитационную, энергию взаимодействия тел - механическую, энергию молекулярных взаимодействий - тепловую, энергию атомных взаимодействий - химическую, энергию излучения - электромагнитную, энергию, заключенную в ядрах атомов - ядерную.

            Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ. ЭНЕРГИЯ, РАБОТА И МОЩНОСТЬ.

Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джоуль). В то же время для измерения количества теплоты используют "старую" единицу - 1 кал (калория) = 4,18 Дж, для измерения механической энергии используют величину 1 кг∙м = 9,8 Дж, электрической энергии - 1 кВт∙ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт∙с.

            Энергию можно рассматривать, как меру способности выполнять работу. Поэтому единицы измерения энергии и работы одни и те же. Наиболее часто используются следующие единицы:

  • в системе СИ - джоуль (Дж). 1 Дж - это работа силы в 1 Н (ньютон) при перемещении точки ее приложения на 1 м, то есть 1 Дж = 1 Н·м;
  • калория (кал), 1 кал=4,1868 Дж;
  • ватт-секунда (Вт·с) - работа, которая производится в течение 1 с при мощности в 1 Вт, 1Вт·с=1Вт·1с=1Дж;
  • киловатт-час (кВт·ч), 1 кВт·ч = 1000 Вт·3600 с = 3600000 Вт·с = 3600000 Дж.

Тут уместно будет напомнить, что ватт (Вт) - это единица мощности. Мощность равна отношению совершенной работы к промежутку времени, в течение которого она совершалась. Таким образом, 1 Вт=1 Дж/1 с.

Также необходимо упомянуть и такое важное понятие, как условное топливо. Это понятие введено для сопоставления различных видов топлива. Использование условного топлива особенно удобно для сопоставления экономичности различных теплоэнергетических установок. Исторически в СССР, а ныне в странах СНГ, единицей измерения является тонна условного топлива (т.у.т.), равная по своей энергетической ценности тонне угля. За рубежом в качестве эквивалента используется тонна нефти. Энергетическая ценность 1 тонны условного топлива составляет:

 1 топливный тонно-эквивалент по нефти (тнэ) = 41,8 ГДж

 1 топливный тонно-эквивалент по углю (туэ) = 0,7 тнэ = 29,3 ГДж (малозольный сухой уголь)

Для сравнения укажем, что бурые угли имеют теплоту сгорания менее 24 МДж/кг, а антрациты и каменные угли - 23-27 МДж/кг. Соотношение между условным топливом и натуральным выражается формулой:

 
 

Рут = РнQ/7000

 

 

 

где РУТ - масса эквивалентного количества условного топлива, кг;

      РН  - масса натурального топлива, кг (твердое и жидкое топливо) или м3 - газообразного;

Q - теплота сгорания данного натурального топлива, ккал/кг или ккал/м3.

Отношение Q/7000 называется калорийным коэффициентом, и его принимают для:

- нефти - 1,43;

- природного газа -1,15;

- торфа - 0,34 - 0,41 (в зависимости от влажности);

- торфобрикетов - 0,45 - 0,6 (в зависимости от влажности);

- дизтоплива - 1,45;

- мазута - 1,37.

Теплотворная способность различных видов топлива, ккал/кг, составляет примерно:

нефть                                 -10 000;

природный газ                   -  8 000 (ккал/ м3);

каменный уголь                -   7 000;

дрова влажностью 10 %  -   3 900;

                                 40%  -    2 400;

торф влажности     10%  -    4 100;

                                 40%  -    2 500.

 

 

Вхід на сайт
E-mail:
Пароль:



Останні новини

MON  napnu   ptoinua pedpressa


Яндекс.Метрика