Ley de la conservación de la energía

La física moderna conoce muchos tipos de energía asociados con el movimiento o diferentes arreglos mutuos de una amplia variedad de cuerpos materiales o partículas, por ejemplo, cualquier cuerpo en movimiento tiene energía cinética proporcional al cuadrado de su velocidad. Esta energía puede cambiar si la velocidad del cuerpo aumenta o disminuye. Un cuerpo elevado sobre el suelo tiene una energía potencial gravitacional que varía tres cambios en la altura del cuerpo.

Las cargas eléctricas estacionarias que se encuentran a cierta distancia entre sí tienen una energía potencial electrostática de acuerdo con el hecho de que, según la ley de Coulomb, las cargas se atraen (si son de diferente signo) o se repelen con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.

La energía cinética y potencial la poseen las moléculas, átomos y partículas, sus constituyentes: electrones, protones, neutrones, etc. en forma de trabajo mecánico, en el flujo de corriente eléctrica, en la transferencia de calor, en el cambio del estado interno de los cuerpos, en la propagación de ondas electromagnéticas, etc.

Hace más de 100 años se estableció una ley fundamental de la física, según la cual la energía no puede desaparecer ni surgir de la nada. Ella solo puede cambiar de un tipo a otro... Esta ley se llama ley de conservación de la energía.

En los trabajos de A. Einstein, esta ley se desarrolla significativamente. Einstein estableció la intercambiabilidad de la energía y la masa y, por lo tanto, amplió la interpretación de la ley de conservación de la energía, que ahora se establece comúnmente como la ley de conservación de la energía y la masa.

De acuerdo con la teoría de Einstein, cualquier cambio en la energía del cuerpo dE está relacionado con un cambio en su masa dm por la fórmula dE = dmc2, donde c es la velocidad de la luz en el vacío igual a 3 x 108 Miss.

De esta fórmula, en particular, se sigue que si, como resultado de algún proceso, la masa de todos los cuerpos involucrados en el proceso disminuye en 1 g, entonces la energía es igual a 9 × 1013 J, lo que equivale a 3000 toneladas de combustible estándar.

Estas relaciones son de primordial importancia en el análisis de las transformaciones nucleares. En la mayoría de los procesos macroscópicos, el cambio de masa se puede despreciar y solo se puede hablar de la ley de conservación de la energía.

Rastreemos las transformaciones de la energía en algún ejemplo concreto. Considere toda la cadena de conversiones de energía necesarias para producir cualquier pieza en un torno (Fig. 1). Sea la energía inicial 1, cuya cantidad tomamos como 100%, se obtiene debido a la combustión completa de una cierta cantidad de combustible fósil. Por lo tanto, para nuestro ejemplo, el 100 % de la energía inicial está contenida en los productos de la combustión del combustible, que se encuentran a una temperatura alta (alrededor de 2000 K).

Los productos de combustión en la caldera de la central eléctrica, cuando se enfrían, ceden su energía interna en forma de calor al agua y al vapor de agua. Sin embargo, por razones técnicas y económicas, los productos de la combustión no pueden enfriarse a temperatura ambiente. Son expulsados ​​a través del tubo a la atmósfera a una temperatura de unos 400 K, llevándose consigo parte de la energía original. Por lo tanto, solo el 95% de la energía inicial se transferirá a la energía interna del vapor de agua.

El vapor de agua resultante ingresará a la turbina de vapor, donde su energía interna se convierte inicialmente parcialmente en energía cinética de las cadenas de vapor, que luego se transmitirá como energía mecánica al rotor de la turbina.

Solo una parte de la energía del vapor se puede convertir en energía mecánica. El resto se entrega al agua de enfriamiento cuando el vapor se condensa en el condensador. En nuestro ejemplo, asumimos que la energía transferida al rotor de la turbina sería de alrededor del 38 %, lo que corresponde aproximadamente al estado de las cosas en las centrales eléctricas modernas.

Al convertir energía mecánica en energía eléctrica debido a la llamada Las pérdidas de julios en los devanados del rotor y del estator del generador perderán alrededor del 2% de la energía. Como resultado, alrededor del 36% de la energía inicial irá a la red.

Un motor eléctrico convertirá solo una parte de la energía eléctrica que se le suministra en energía mecánica para hacer girar el torno. En nuestro ejemplo, alrededor del 9% de la energía en forma de calor Joule en los devanados del motor y calor por fricción en sus cojinetes se liberará a la atmósfera circundante.

Por lo tanto, solo el 27% de la energía inicial se entregará a los órganos de trabajo de la máquina. Pero los percances energéticos tampoco terminan ahí. Resulta que la mayor parte de la energía durante el mecanizado de una pieza se gasta en fricción y en forma de calor se elimina con el líquido que enfría la pieza. Teóricamente, solo una fracción muy pequeña (en nuestro ejemplo, se supone un 2%) de la energía inicial sería suficiente para obtener la parte deseada de la pieza original.

Arroz. 1. Diagrama de las transformaciones de energía durante el procesamiento de una pieza de trabajo en un torno: 1 — pérdida de energía con los gases de escape, 2 — energía interna de los productos de combustión, 3 — energía interna del fluido de trabajo — vapor de agua, 4 — calor liberado por el enfriamiento agua en un condensador de turbina, 5 — energía mecánica del rotor de un generador de turbina, 6 — pérdidas en el generador eléctrico, 7 — desperdicio en el accionamiento eléctrico de la máquina, 8 — energía mecánica de rotación de la máquina, 9 — fricción trabajo, que se convierte en calor, separado del líquido, la parte de enfriamiento, 10: aumenta la energía interna de la parte y las virutas después del procesamiento ...

Se pueden sacar al menos tres conclusiones muy útiles del ejemplo que se está considerando, si se considera que es bastante típico.

Primero, en cada paso de la conversión de energía, parte de ella se pierde... Esta afirmación no debe entenderse como una violación de la ley de conservación de la energía. Se pierde por el efecto útil para el que se realiza la transformación correspondiente. La cantidad total de energía después de la conversión permanece sin cambios.

Si el proceso de conversión y transferencia de energía tiene lugar en una determinada máquina o aparato, entonces la eficiencia de este dispositivo generalmente se caracteriza por la eficiencia (eficiencia)... Un diagrama de dicho dispositivo se muestra en la fig. 2.

Arroz. 2. Esquema para determinar la eficiencia de un dispositivo que convierte energía.

Usando la notación que se muestra en la figura, la eficiencia se puede definir como Eficiencia = Epol/Epod

Es claro que en este caso, basado en la ley de conservación de la energía, debe haber Epod = Epol + Epot

Por lo tanto, la eficiencia también se puede escribir de la siguiente manera: eficiencia = 1 — (Epot / Epol)

Volviendo al ejemplo mostrado en la FIG. 1, podemos decir que la eficiencia de la caldera es del 95 %, la eficiencia de convertir la energía interna del vapor en trabajo mecánico es del 40 %, la eficiencia del generador eléctrico es del 95 %, la eficiencia es: el accionamiento eléctrico de un máquina: 75%, y la eficiencia del procesamiento real de la pieza de trabajo es de aproximadamente 7%.

En el pasado, cuando aún no se conocían las leyes de la transformación de la energía, el sueño de la gente era crear la llamada máquina de movimiento perpetuo, un dispositivo que hiciera un trabajo útil sin gastar energía. Ese motor hipotético, cuya existencia violaría la ley de conservación de la energía, se denomina hoy máquina de movimiento perpetuo de primera clase, en oposición a máquina de movimiento perpetuo de segunda clase. seriamente la posibilidad de crear una máquina de movimiento perpetuo del primer tipo.

En segundo lugar, todas las pérdidas de energía se convierten finalmente en calor, que se libera al aire atmosférico o al agua de los depósitos naturales.

En tercer lugar, las personas terminan usando solo una pequeña fracción de la energía primaria que se gasta para obtener el efecto beneficioso relevante.

Esto es particularmente evidente cuando se analizan los costos de transporte de energía. En la mecánica idealizada, que no considera las fuerzas de fricción, las cargas en movimiento en el plano horizontal no requieren energía.

En condiciones reales, toda la energía consumida por un vehículo se utiliza para vencer las fuerzas de fricción y las fuerzas de resistencia del aire, es decir, en última instancia, toda la energía consumida en el transporte se convierte en calor. En este sentido, son interesantes las siguientes cifras, que caracterizan el trabajo de mover 1 tonelada de carga a una distancia de 1 km con diferentes tipos de transporte: avión — 7,6 kWh / (t-km), automóvil — 0,51 kWh / ( t- km) , tren-0,12 kWh / (t-km).

Por lo tanto, se puede lograr el mismo efecto beneficioso con el transporte aéreo a expensas de un consumo de energía 60 veces mayor que con el ferrocarril. Por supuesto, el alto consumo de energía brinda un ahorro de tiempo significativo, pero incluso a la misma velocidad (automóvil y tren), los costos de energía difieren 4 veces.

Este ejemplo sugiere que las personas a menudo hacen concesiones con la eficiencia energética para lograr otros objetivos, por ejemplo, comodidad, velocidad, etc. Como regla general, la eficiencia energética del proceso en sí es de poco interés para nosotros: los aspectos técnicos y generales generales. las evaluaciones económicas de la eficiencia de los procesos es importante... Pero a medida que aumenta el precio de los componentes de la energía primaria, el componente energético en las evaluaciones técnicas y económicas se vuelve cada vez más importante.