Кіріспе
Энергияны өзгерту процесі – энергияны бір түрден екінші түрге айналдыру процесі, бұл энергия түрлендіру деп те аталады. Физикада энергия – жұмыс істеу немесе қозғалыс (мысалы, затты көтеру) мүмкіндігін беретін немесе жылу тудыратын шама. Энергияның сақталу заңына сәйкес, энергияны түрлендіруден өзге, оны бір жерден екінші жерге немесе бір объектіден екіншісіне беруге болады, бірақ оны жасауға немесе жоюға болмайды. Энергияның көптеген түрлерін табиғи процестерде немесе қоғамға қызмет ету үшін пайдалануға болады, мысалы, жылу беру, салқындату, жарықтандыру немесе машиналарды іске қосу үшін механикалық жұмыс атқару. Мысалы, үйді жылыту үшін пеш отын жағады, оның химиялық потенциалдық энергиясы жылу энергиясына айналады, содан кейін үйдің ауасына беріліп, температурасын көтереді.
Energy transformation, also known as energy conversion, is the process of changing energy from one form to another. In physics, energy is a quantity that provides the capacity to perform work or moving (e. g. lifting an object) or provides heat. In addition to being converted, according to the law of conservation of energy, energy is transferable to a different location or object, but it cannot be created or destroyed. The energy in many of its forms may be used in natural processes, or to provide some service to society such as heating, refrigeration, lighting or performing mechanical work to operate machines. For example, to heat a home, the furnace burns fuel, whose chemical potential energy is converted into thermal energy, which is then transferred to the home's air to raise its temperature.
Жылу энергиясын түрлендірудің шектеулері
Басқа энергия түрлерінен жылу энергиясына түрлендіру 100% тиімділікпен жүзеге асырылуы мүмкін. Энергияның жылулық емес түрлерінің арасындағы түрлендіру өте жоғары тиімділікпен болуы мүмкін, бірақ әрқашан термиялық ығысу және ұқсас процестерге байланысты энергияның бір бөлігі ыдырайды. Кейде тиімділік 100% -ға жақын болады, мысалы, объект вакуумда түскен кезде потенциалдық энергия кинетикалық энергияға айналғанда. Бұл кері жағдайға да қатысты; мысалы, басқа дененің айналасындағы эллипстік орбитадағы объект өзінің кинетикалық энергиясын (жылдамдығын) өзінің негізгі денесінен алыстаған кезде гравитациялық потенциалдық энергияға (басқа объектке дейінгі қашықтыққа) айналдырады. Ең алыс нүктеге жеткенде, ол процесті кері қайтарады, жылдамдықты арттырады және потенциалдық энергияны кинетикалыққа айналдырады. Ғарыш – бұл үндеусіз кеңістік болғандықтан, бұл процесс 100% тиімділікке жақын. Жылу энергиясы ерекше, өйткені оны көбінесе энергияның басқа түрлеріне айналдыруға болмайды. Жұмыс істеу үшін тек жылу энергиясының тығыздығының (температураның) айырмашылығы ғана пайдаланылуы мүмкін, ал бұл түрлендірудің тиімділігі 100% -дан кем болады. Себебі жылу энергиясы энергияның ерекше ретсіз түрін білдіреді; ол жүйені құрайтын микроскопиялық бөлшектердің жиынтығының көптеген қол жетімді күйлері арасында кездейсоқ таратылады (бұл бөлшектердің әрқайсысының орны мен импульсінің комбинациялары фазалық кеңістікті құрайды). Бұл бұзылыстың немесе кездейсоқтықтың өлшемі – энтропия, ал оның ерекшелігі – оқшауланған жүйенің энтропиясы ешқашан төмендемейді. Жоғары энтропиялы жүйені (мысалы, белгілі бір жылу энергиясы бар ыстық затты) алып, оны төмен энтропиялы күйге (мысалы, төмен температуралы затты, сәйкесінше төмен энергиямен) айналдыруға болмайды, осы энтропия басқа жерге (мысалы, қоршаған ауаға) кетпейінше. Басқаша айтқанда, энергияны басқа жерге таратпай, энергияны шоғырландырудың жолы жоқ. Берілген температурада тепе-теңдіктегі жылу энергиясы барлық ықтимал күйлер арасындағы энергияның ең жоғары таралуын білдіреді, өйткені ол "пайдалы" түрге, яғни температураға әсер етуден басқа да нәрсе жасай алатын түрге толығымен түрленбейді. Термодинамиканың екінші заңы бойынша, жабық жүйенің энтропиясы ешқашан төмендей алмайды. Осы себепті жүйедегі жылу энергиясы 100% -ға жуық тиімділікпен энергияның басқа түрлеріне айналуы мүмкін, егер ғаламның энтропиясы басқа жолдармен ұлғайтылса ғана, жылу энергиясының жоғалуымен және оның энтропиялық құрамының жоғалуымен байланысты энтропияның төмендеуін өтеуге болады. Әйтпесе, жылу энергиясының тек бір бөлігі ғана энергияның басқа түрлеріне (және осылайша пайдалы жұмысқа) айналуы мүмкін. Бұл жылудың қалған бөлігін төмен температурадағы жылу резервуарына беру үшін сақтау керектігіне байланысты. Бұл процесте энтропияның өсуі қалған жылудың басқа энергия түрлеріне айналуына байланысты энтропияның төмендеуінен үлкен. Энергияны тиімді өңдеу үшін жылулық түрлендіруден аулақ болу керек. Мысалы, ядроның кинетикалық энергиясы алдымен жылу энергиясына, содан кейін электр энергиясына айналатын ядролық реакторлардың тиімділігі шамамен 35% құрайды. Кинетикалық энергияны электр энергиясына тікелей түрлендіру арқылы, аралық жылу энергиясын түрлендіруді жою арқылы энергияны түрлендіру процесінің тиімділігін айтарлықтай жақсартуға болады.
Энергияны трансформациялау тарихы
Әлемдегі энергияның уақыт өте келе өзгеруі, әдетте, Ұлы жарылыстан бері қол жетімді болған түрлі энергия түрлерімен сипатталады, олар кейіннен қозғалыс немесе сәулелену энергиясы сияқты белсенді түрлерге айналдырылады (яғни "босатылады"), бұл процесті іске қосатын механизм арқылы жүзеге асырылады.
Гравитациялық потенциалдан энергияның босауы
Энергияның тікелей түрленуі Үлкен жарылыста пайда болған сутегі планеталар сияқты құрылымдарға жиналғанда болады, осы кезде гравитациялық потенциалдың бір бөлігі тікелей жылуға айналады. Мысалы, Юпитер, Сатурн және Нептун сияқты планеталарда, планеталардың үлкен газ атмосферасының үздірсіз құлауынан пайда болатын осындай жылу, планеталардың ауа райы жүйелерінің көп бөлігін қозғауды жалғастырады. Бұл жүйелер атмосфералық белдеулерден, желдерден және күшті дауылдардан тұрады, олар күн сәулесімен толыққанды қамтамасыз етілмейді, тек ішінара қуат алады. Дегенмен, Уран планетасында бұл процестер аз мөлшерде жүзеге асады. Жерде планета ішінде бөлінетін жылудың маңызды бөлігі, жалпы көлемінің үштен бірінен жартысына дейін, планеталық материалдардың кішірейіп, жылу тудыратын баяу құлауынан пайда болады.
Радиоактивті потенциалдан энергияның босауы
Үлкен жарылыстан энергияны өзгертетін басқа да осындай процестерге танымал мысалдардың бірі – ядролық ыдырау, ол бастапқыда уран мен торий сияқты ауыр изотоптарда "сақталған" энергияны босатады. Бұл энергия осы элементтердің нуклеосинтезі кезінде жиналған. Бұл процесс II типті жұлдыздардың (суперновалардың) құлдырауынан босатылған гравитациялық потенциалдық энергияны пайдаланып, Күн жүйесі мен Жер сияқты жұлдыздық жүйелерге енбей тұрып, осы ауыр элементтерді жасайды. Урандағы энергия радиоактивті ыдыраудың көптеген түрлерінде өздігінен босатылады және ядролық бөліну бомбаларында күрт босатылуы мүмкін. Екі жағдайда да атом ядроларын байланыстырып ұстаған энергияның бір бөлігі жылу ретінде бөлінеді.
Сутегін синтездеу әлеуетінен энергияның босауы
Ғаламның басында басталған ұқсас трансформация тізбегінде Күндегі сутегінің ядролық синтезі Үлкен жарылыс кезінде пайда болған тағы бір потенциалдық энергия қорын босатады. Сол кезде, бір теория бойынша, ғарыш кеңістігі кеңейіп, ғалам тым жылдам суынып, сутегінің ауыр элементтерге толық синтезделуіне мүмкіндік болмады. Нәтижесінде сутек ядролық синтез арқылы босатылатын потенциалдық энергия қорына айналды. Мұндай синтез процесі жұлдыздар пайда болатын кезде сутегі бұлттарының гравитациялық құлауынан туындайтын жылу мен қысыммен иницияланады, ал синтез энергиясының бір бөлігі кейін жұлдыздар жарығына айналады. Күн жүйесін қарастыратын болсақ, Күннен, басым бөлігі Күннен келетін жұлдыздар жарығы Жерге түскеннен кейін қайтадан гравитациялық потенциалдық энергия ретінде сақталуы мүмкін. Бұл қар көшкіндерінің жағдайында немесе мұхиттардан су буланып, теңіз деңгейінен жоғары жауын-шашын түрінде жиналғанда (онда гидроэлектр станциясында босатылғаннан кейін электр энергиясын өндіру үшін турбиналар/генераторларды іске қосуға болады) орын алады. Күн сәулесі Жердегі көптеген ауа райы құбылыстарын да қозғаушы күш болып табылады. Мысалы, дауыл – бұл айлар бойы қызып, тұрақсыз күйде болған үлкен мұхит аймақтарының бірнеше күнге созылған күшті ауа қозғалысын қамтамасыз ету үшін бірден жылу энергиясын беруінің нәтижесінде пайда болады. Күн сәулесі өсімдіктерге фотосинтез арқылы химиялық потенциалдық энергия ретінде сіңіріледі, онда көмірқышқыл газы мен су көмірсулар, липидтер және оттегінің жанғыш қоспасына айналады. Бұл энергияның жылу мен жарық түрінде босауы орман өрті кезінде бірден ұшқыннан туындауы мүмкін; немесе бұл молекулалар сіңірілген кезде жануарлар немесе адам метаболизмі үшін баяу болуы мүмкін, ал катаболизм ферменттердің әрекетімен іске қосылады. Осы трансформация тізбектерінің барлығы арқылы Үлкен жарылыс кезінде сақталған потенциалдық энергия кейінірек аралық оқиғалар арқылы босатылады, кейде босатулар арасында ұзақ уақыт бойы бірнеше түрлі жолдармен сақталады, белсенді энергия ретінде. Бұл оқиғалардың барлығы энергияның бір түрін басқа түрге, соның ішінде жылуға айналдыруды қамтиды.