Энергия и ее превращение в различные формы

В процессах преобразования энергии, определяющих действие технических систем, может участвовать энергия различных видов[12]. Известно, что, несмотря на их общность, определяемую первым законом термодинамики, существуют и определенные ограничения на превращение одних видов энергии в другие. Рассмотрим этот факт на конкретном примере.

Ранее обсуждался обратимый[13] прямой цикл Карно, как частный случай кругового процесса теплового двигателя. В этом цикле энергия Qu подво­димая от нагревателя к рабочему телу в форме теплоты, преобразуется в полезную (результирующую) работу W^ лишь частично. Другая же часть энергии Q2 в тепловой форме отводится к некоторому теплоприемнику, в качестве которого можно рассматривать окружающую среду. Это обуслов­лено тем, что окружающая среда обладает самой низкой температурой в естественных условиях. Чтобы понизить температуру любого тела до зна­чения меньше чем температура окружающей среды, необходимо затратить энергию в механической форме (это обсуждалось при изучении холодиль­ных машин). Естественно, что окружающую среду можно использовать в качестве естественного холодильника с наименьшей температурой.

КПД идеального цикла (тепловой машины) Карно определяется по формуле (8.50). В качестве рабочего тела используется идеальный газ, хотя выражение (8.50) справедливо и при использовании в качестве рабочего тела в тепловой машине Карно любого другого вещества.

Если в качестве холодильника (приемника тепловой энергии) использо­вать окружающую среду, выражение (8.50) можно записать в виде

VK = ——————————— ™—— = 1 — 7р— • (8.116)

J — max — L max

Из этой формулы видно, что термический КПД цикла Карно никогда не может достигнуть значения, равного единицы (вся подведенная к рабочему телу энергия никогда не может быть превращена из тепловой формы в механическую форму). Этот вывод основан на том, что температура рабочего тела в процессе подвода энергии Q\ в тепловой форме не может быть бесконечно большой (7\ < оо), а при отводе энергии Q2 не может быть ниже температуры окружающей среды (Т2 > 0).

Известно, что в цикле Карно соотношение между полученной полезной работой Wpea и подведенной к рабочему телу энергией Q i в тепловой форме (термический КПД) наибольшее по сравнению с любыми другими прямыми циклами, совершающимися в тех же температурных границах (Tmin…Tmax). Следовательно, в других обратимых прямых циклах в ра­боту будет превращаться еще меньшая часть сообщенной рабочему телу энергии в форме теплоты.

В обычном (разомкнутом) процессе можно всю энергию, подводимую к рабочему телу в тепловой форме, преобразовать в механическую форму. Например, можно нагревать газ так, что он будет расширяться изотермиче­ски (Т = Idem). Изотермический процесс можно осуществить и в обратном направлении. Сжимая изотермически газ в цилиндре с подвижным порш­нем, можно всю подводимую в механической форме энергию преобразовать в тепловую форму и отвести ее в окружающую среду.

Так, механическая (кинетическая) энергия движущегося автомобиля при торможении полностью превращается в тепловую форму, которая затем рассеивается в окружающем пространстве.

В циклических (замкнутых процессах) преобразовать полностью энер­гию из тепловой формы в механическую форму (и наоборот) невозможно. В этом и состоит суть асимметрии между замкнутыми (циклическими) и разомкнутыми процессами.

Изучая процессы передачи и преобразования энергии, условно разделя­ют ее на ряд видов (форм):

• тепловую (внутреннюю);

• механическую;

• электрическую;

• химическую;

• ядерную.

Часть из них нами уже изучалась. В электрическом аккумуляторе при разряде происходит преобразование химической энергии электролита в электрическую энергию, которая передается в окружающую среду. В дальнейшем с помощью электродвигателя электроэнергия преобразуется в механическую форму. При заряде аккумулятора энергия из электрической формы преобразуется в химическую форму. В генераторе энергия из механической формы преобразуется в электрическую форму.

Таким образом, в естественных условиях обитания человек использует много технических средств, в которых происходит передача и преобразо­вание одних видов энергии в другие. Количество энергии в одной фюрме может уменьшаться, а в другой форме — увеличиваться, но суммарное количество энергии сохраняется. На этот факт указывает первый закон термодинамики, являющийся всеобщим законом природы.

Можно сказать, что в природе процессы преобразования энергии про­исходят по «замкнутому кругу» (циклически). Если суммарная энергия системы не изменяется, то в процессах преобразования энергии она воз­вращается в исходное состояние.

Природа распорядилась так, что фундаментальными являются процес­сы преобразования энергии из тепловой формы в механическую форму и обратно. Без этих процессов невозможно поддержание энергетического баланса в природе.

Например, круговорот воды в природе невозможен без тепловой энер­гии, поступающей от Солнца. За счет солнечной энергии происходит движение воздушных масс (энергия преобразуется из тепловой формы в механическую). Таким образом, в природе происходят процессы преобра­зования энергии в различных направлениях.

В связи с этим возникает вопрос: «Все ли виды энергии эквивалентны по степени преобразования в ходе циклического процесса?» Оказалось, что в ходе циклического процесса один вид энергии можно полностью преобразо­вать в другой вид. С другими видами энергии этого сделать нельзя. Отсюда возникает следующий вопрос: «Какова степень преобразования энергии из одного вида в другой?»

Например, в идеальном генераторе можно полностью преобразовать энергию из механической формы в электрическую, а в тепловой машине Карно (какой бы идеальной она не была) нельзя полностью преобразовать энергию из тепловой формы в механическую форму.

Механическую энергию также условно разделяют на две формы — кинетическую и потенциальную. Из курса физики известно, что кине­тическую энергию в идеальном случае можно полностью преобразовать в потенциальную энергию и наоборот. В принципе можно считать, что механическую энергию можно полностью преобразовать в механическую энергию, хотя, строго говоря, это нельзя считать преобразованием.

Электрическая и механическая энергии также в принципе полностью взаимно преобразуемы, например, с помощью обратимо работающего элек­трического генератора (механическая энергия преобразуется в электриче­скую) и обратимо работающего электродвигателя (электрическая энергия преобразуется в механическую).

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что с точки зрения превращаемости одних видов энергии в другие все виды энергии могут быть разделены на две группы.

К первой относятся формы энергии, полностью превращаемые в любые другие формы энергии. Ко второй — те, которые не могут быть полностью преобразованы в любую другую форму энергии; возможности их превра­щения определяются как параметрами этой энергии или рабочего тела, так и параметрами окружающей среды.

В табл. 8.1. показаны возможные преобразования одних видов энергии в другие. Белые квадраты означают возможность полного преобразования форм энергии, черные — только неполного.

При сравнении видов энергии с позиции их превращения следует об­ратить внимание на одно важное обстоятельство — влияние параметров окружающей среды на энергетические преобразования. Все виды энергии, относящиеся к первой группе, при взаимных преобразованиях остаются полностью превращаемыми совершенно независимо от параметров состо­яния окружающей среды. Однако, как только участие в преобразованиях принимает любой вид энергии второй группы — дело меняется в принципе, и не только потому, что возможности преобразования ограничены. Сами границы, условия преобразования энергии становятся зависимыми не толь­ко от ее параметров, но и параметров окружающей среды. Чем меньше раз­ность параметров рабочего тела и окружающей среды, тем меньшая часть энергии может быть преобразована. В пределе при равенстве параметров

Таблица 8.1 Возможности взаимного преобразования различных видов энергии Вид энергии № П/п 1 2 3 4 6 7 Механическая энергия 1 □ □ □ □ □ □ Электрическая энергия 2 □ □ □ □ □ □ Внутренняя энергия Молекулярная 3 ■ ■ □ ■ □ ■ Химическая 4 ■ ■ □ ■ □ ■ Ядерная 5 □ □ □ □ □ □ Энергия в переходе Теплота 6 ■ ■ □ ■ ■ ■ Работа 7 □ □ □ □ □ □

Рабочего тела и окружающей среды техническая ценность энергии любого вида, относящегося ко второй группе, становится равной нулю.

Все сказанное выше показывает, что непосредственное суммирование и сопоставление качественно различных видов энергии второй группы недопустимо (естественно, за исключением тех случаев, когда речь идет об энергетических балансах, где имеет значение только количество энергии), так как они не обладают в полной мере свойством аддитивности. Между тем, обсуждаемый факт, заключающийся в том, что не всякая энергия и не при всяких условиях может быть полностью пригодна для технического использования, необходимо учитывать при решении инженерных задач в области энергетических превращений.

Для того, чтобы сделать сопоставимыми самые различные формы энер­гии, нужна некоторая единая мера, позволяющая количественно оценить и измерить энергию с учетом ее качественных характеристик.

Такая мера технической ценности энергии любого вида была названа Эксергией. Ее использование позволяет, в конечном счете, свести оценку любого вида энергии второй группы с различной степенью превращаемо­сти к определенному количеству энергии полностью превращаемой, т. е. относящейся к первой группе. Тем самым создается возможность сопостав­ления, приведения к единой мере всех без исключения видов энергии.