Loi de conservation de l'énergie

La physique moderne connaît de nombreux types d'énergie associés au mouvement ou à différents arrangements mutuels d'une grande variété de corps matériels ou de particules, par exemple, tout corps en mouvement a une énergie cinétique proportionnelle au carré de sa vitesse. Cette énergie peut changer si la vitesse du corps augmente ou diminue. Un corps élevé au-dessus du sol a une énergie potentielle gravitationnelle variant de trois changements dans la hauteur du corps.

Des charges électriques stationnaires éloignées les unes des autres ont une énergie potentielle électrostatique conforme au fait que, selon la loi de Coulomb, les charges s'attirent (si elles sont de signes différents) ou se repoussent avec une force inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

L'énergie cinétique et potentielle est possédée par les molécules, les atomes et les particules, leurs constituants - électrons, protons, neutrons, etc. sous forme de travail mécanique, dans la circulation du courant électrique, dans le transfert de chaleur, dans le changement de l'état interne des corps, dans la propagation des ondes électromagnétiques, etc.

Il y a plus de 100 ans, une loi fondamentale de la physique a été établie, selon laquelle l'énergie ne peut pas disparaître ou provenir de rien. Elle ne peut que passer d'un type à l'autre…. Cette loi s'appelle la loi de conservation de l'énergie.

Dans les travaux d'A. Einstein, cette loi est considérablement développée. Einstein a établi l'interchangeabilité de l'énergie et de la masse et a ainsi élargi l'interprétation de la loi de conservation de l'énergie, qui est maintenant communément énoncée comme la loi de conservation de l'énergie et de la masse.

Conformément à la théorie d'Einstein, toute variation de l'énergie dE du corps est liée à une variation de sa masse dm par la formule dE =dmc2, où c est la vitesse de la lumière dans le vide égale à 3 x 108 Miss.

De cette formule, en particulier, il s'ensuit que si, à la suite d'un processus, la masse de tous les corps impliqués dans le processus diminue de 1 g, alors l'énergie égale à 9 × 1013 J, ce qui équivaut à 3000 tonnes de carburant standard.

Ces rapports sont de première importance dans l'analyse des transformations nucléaires. Dans la plupart des processus macroscopiques, le changement de masse peut être négligé et seule la loi de conservation de l'énergie peut être évoquée.

Traçons les transformations de l'énergie sur un exemple concret. Considérez l'ensemble de la chaîne de conversions d'énergie nécessaires pour produire une pièce sur un tour (Fig. 1). Soit l'énergie initiale 1, dont nous prenons la quantité comme 100%, est obtenue grâce à la combustion complète d'une certaine quantité de combustible fossile. Ainsi, pour notre exemple, 100% de l'énergie initiale est contenue dans les produits de la combustion du carburant, qui sont à haute température (environ 2000 K).

Les produits de combustion dans la chaudière de la centrale électrique, une fois refroidis, cèdent leur énergie interne sous forme de chaleur à l'eau et à la vapeur d'eau. Cependant, pour des raisons techniques et économiques, les produits de combustion ne peuvent pas être refroidis à température ambiante. Ils sont éjectés à travers le tube dans l'atmosphère à une température d'environ 400 K, emportant avec eux une partie de l'énergie d'origine. Par conséquent, seulement 95% de l'énergie initiale sera transférée à l'énergie interne de la vapeur d'eau.

La vapeur d'eau résultante entrera dans la turbine à vapeur, où son énergie interne est initialement partiellement convertie en énergie cinétique des lignes de vapeur, qui sera ensuite transmise sous forme d'énergie mécanique au rotor de la turbine.

Seule une partie de l'énergie de la vapeur peut être convertie en énergie mécanique. Le reste est donné à l'eau de refroidissement lorsque la vapeur est condensée dans le condenseur. Dans notre exemple, nous avons supposé que l'énergie transférée au rotor de la turbine serait d'environ 38 %, ce qui correspond à peu près à la situation dans les centrales électriques modernes.

Lors de la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique en raison de la soi-disant Les pertes Joule dans les enroulements du rotor et du stator du générateur perdent environ 2% de l'énergie. En conséquence, environ 36 % de l'énergie initiale ira dans le réseau.

Un moteur électrique ne convertira qu'une partie de l'énergie électrique qui lui est fournie en énergie mécanique pour faire tourner le tour. Dans notre exemple, environ 9 % de l'énergie sous forme de chaleur Joule dans les enroulements du moteur et de chaleur de frottement dans ses roulements seront libérées dans l'atmosphère environnante.

Ainsi, seuls 27% de l'énergie initiale seront délivrés aux organes de travail de la machine. Mais les mésaventures énergétiques ne s'arrêtent pas là non plus. Il s'avère que la majeure partie de l'énergie lors de l'usinage d'une pièce est dépensée en frottement et sous forme de chaleur est évacuée avec le liquide qui refroidit la pièce. Théoriquement, seule une très petite fraction (dans notre exemple, 2% est supposé) de l'énergie initiale serait suffisante pour obtenir la partie souhaitée de la pièce d'origine.

Riz. 1. Diagramme des transformations d'énergie lors du traitement d'une pièce sur un tour: 1 - perte d'énergie avec les gaz d'échappement, 2 - énergie interne des produits de combustion, 3 - énergie interne du fluide de travail - vapeur d'eau, 4 - chaleur dégagée par le refroidissement eau dans un condenseur de turbine, 5 — énergie mécanique du rotor d'un turbogénérateur, 6 — pertes dans le générateur électrique, 7 — déchets dans l'entraînement électrique de la machine, 8 — énergie mécanique de rotation de la machine, 9 — frottement travail, qui est converti en chaleur, séparé du liquide, la partie de refroidissement, 10 - augmentant l'énergie interne de la pièce et des copeaux après traitement ...

Au moins trois conclusions très utiles peuvent être tirées de l'exemple considéré, s'il est considéré comme assez typique.

Premièrement, à chaque étape de la conversion d'énergie, une partie de celle-ci est perdue... Cette affirmation ne doit pas être comprise comme une violation de la loi de conservation de l'énergie. Il est perdu à cause de l'effet utile pour lequel la transformation correspondante est effectuée. La quantité totale d'énergie après la conversion reste inchangée.

Si le processus de conversion et de transfert d'énergie a lieu dans une certaine machine ou appareil, l'efficacité de cet appareil est généralement caractérisée par efficacité (efficacité)... Un schéma d'un tel appareil est illustré à la fig. 2.

Riz. 2. Schéma pour déterminer l'efficacité d'un appareil qui convertit l'énergie.

En utilisant la notation indiquée sur la figure, l'efficacité peut être définie comme Efficacité = Epol/Epod

Il est clair que dans ce cas, d'après la loi de conservation de l'énergie, il doit y avoir Epod = Epol + Epot

Par conséquent, l'efficacité peut également s'écrire comme suit : efficacité = 1 — (Epot / Epol)

En revenant à l'exemple représenté sur la Fig. 1, on peut dire que l'efficacité de la chaudière est de 95%, l'efficacité de la conversion de l'énergie interne de la vapeur en travail mécanique est de 40%, l'efficacité du générateur électrique est de 95%, l'efficacité est - l'entraînement électrique d'un machine - 75%, et l'efficacité du traitement réel de la pièce est d'environ 7%.

Dans le passé, lorsque les lois de la transformation de l'énergie n'étaient pas encore connues, le rêve des gens était de créer une soi-disant machine à mouvement perpétuel - un appareil qui ferait un travail utile sans dépenser d'énergie. Un tel moteur hypothétique, dont l'existence violerait la loi de conservation de l'énergie, est aujourd'hui appelé une machine à mouvement perpétuel du premier type, par opposition à une machine à mouvement perpétuel du second type. sérieusement la possibilité de créer une machine à mouvement perpétuel du premier type.

Deuxièmement, toutes les pertes d'énergie sont finalement converties en chaleur, qui est rejetée soit dans l'air atmosphérique, soit dans l'eau des réservoirs naturels.

Troisièmement, les gens finissent par n'utiliser qu'une petite fraction de l'énergie primaire dépensée pour obtenir l'effet bénéfique correspondant.

Cela est particulièrement évident lorsqu'on examine les coûts de transport de l'énergie. Dans la mécanique idéalisée, qui ne tient pas compte des forces de frottement, le déplacement de charges dans le plan horizontal ne nécessite aucune énergie.

En conditions réelles, toute l'énergie consommée par un véhicule est utilisée pour vaincre les forces de frottement et les forces de résistance de l'air, c'est-à-dire qu'en définitive, toute l'énergie consommée dans le transport est convertie en chaleur. À cet égard, les chiffres suivants sont intéressants, caractérisant le travail de déplacement de 1 tonne de fret à une distance de 1 km avec différents types de transport: avion - 7,6 kWh / (t-km), voiture - 0,51 kWh / ( t- km) , train-0,12 kWh / (t-km).

Ainsi, le même effet bénéfique peut être obtenu avec le transport aérien au prix d'une consommation d'énergie 60 fois supérieure à celle du rail. Bien sûr, une forte consommation d'énergie permet un gain de temps non négligeable, mais même à vitesse égale (voiture et train), les coûts énergétiques diffèrent de 4 fois.

Cet exemple suggère que les gens font souvent des compromis avec l'efficacité énergétique pour atteindre d'autres objectifs, par exemple le confort, la vitesse, etc. En règle générale, l'efficacité énergétique du processus lui-même nous intéresse peu — les aspects techniques et les évaluations économiques de l'efficacité des procédés sont importantes... Mais à mesure que le prix des composants énergétiques primaires augmente, la composante énergétique dans les évaluations techniques et économiques devient de plus en plus importante.