Преобразование и сохранение энергии

Введение

Процесс изменения энергии

Трансформация энергии, также известная как преобразование энергии, – это процесс изменения энергии из одной формы в другую. В физике энергия – это величина, определяющая возможность совершения работы, например, перемещения объекта (например, поднятия) или выделения тепла. Помимо преобразования, согласно закону сохранения энергии, энергия может передаваться в другое место или другому объекту, но не может быть создана или уничтожена. Энергия в различных своих формах может использоваться в природных процессах или для обеспечения различных потребностей общества, таких как отопление, охлаждение, освещение или выполнение механической работы для приведения в действие машин. Например, для обогрева дома печь сжигает топливо, химическая потенциальная энергия которого преобразуется в тепловую, которая затем передается воздуху в помещении для повышения его температуры.

Ограничения при преобразовании тепловой энергии

Преобразование в тепловую энергию из других видов энергии может происходить со 100% эффективностью. Преобразование между нетермическими формами энергии может происходить с довольно высокой эффективностью, хотя всегда часть энергии рассеивается в виде тепла из-за трения и подобных процессов. Иногда эффективность близка к 100%, например, когда потенциальная энергия преобразуется в кинетическую при падении объекта в вакууме. Это также применимо и к обратному случаю: например, объект на эллиптической орбите вокруг другого тела преобразует свою кинетическую энергию (скорость) в гравитационную потенциальную энергию (расстояние от другого объекта) при удалении от центрального тела. Достигнув самой дальней точки, он обратит процесс, ускоряясь и преобразуя потенциальную энергию в кинетическую. Поскольку космическое пространство – почти вакуум, этот процесс имеет эффективность, близкую к 100%. Тепловая энергия уникальна тем, что в большинстве случаев её нельзя преобразовать в другие формы энергии. Для совершения работы может быть использована только разница в плотности тепловой энергии (температуры), и эффективность этого преобразования будет значительно меньше 100%. Это связано с тем, что тепловая энергия представляет собой особенно неупорядоченную форму энергии, хаотично распределённую между множеством доступных состояний микроскопических частиц, составляющих систему (совокупность положений и импульсов каждой частицы формирует так называемое фазовое пространство). Мерой этой неупорядоченности является энтропия, определяющей особенностью которой является то, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается. Нельзя взять систему с высокой энтропией (например, горячее вещество с определённым количеством тепловой энергии) и преобразовать её в состояние с низкой энтропией (например, холодное вещество с соответствующим снижением энергии), не переместив эту энтропию куда-либо ещё (например, в окружающий воздух). Иными словами, невозможно сконцентрировать энергию, не рассеяв её где-то в другом месте. Тепловая энергия в равновесии при заданной температуре уже представляет собой максимальное выравнивание энергии между всеми возможными состояниями, поскольку она не полностью преобразуется в "полезную" форму, то есть в форму, способную выполнять работу, отличную от изменения температуры. Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия замкнутой системы никогда не может уменьшаться. Поэтому тепловая энергия в системе может быть преобразована в другие виды энергии с эффективностью, приближающейся к 100%, только если энтропия Вселенной увеличится другими способами, чтобы компенсировать уменьшение энтропии, связанное с исчезновением тепловой энергии и её энтропийного содержания. В противном случае лишь часть тепловой энергии может быть преобразована в другие виды энергии (и, следовательно, в полезную работу). Это связано с тем, что остаток тепла должен быть отведён в тепловой резервуар с более низкой температурой. Увеличение энтропии при этом процессе превышает уменьшение энтропии, связанное с преобразованием остальной части тепла в другие виды энергии. Для повышения эффективности преобразования энергии желательно избегать тепловых преобразований. Например, эффективность ядерных реакторов, где кинетическая энергия ядер сначала преобразуется в тепловую, а затем в электрическую энергию, составляет около 35%. При непосредственном преобразовании кинетической энергии в электрическую, осуществляемом путём исключения промежуточного теплового преобразования, эффективность процесса преобразования энергии может быть значительно увеличена.

Conversions to thermal energy from other forms of energy may occur with 100% efficiency. Conversion among non thermal forms of energy may occur with fairly high efficiency, though there is always some energy dissipated thermally due to friction and similar processes. Sometimes the efficiency is close to 100%, such as when potential energy is converted to kinetic energy as an object falls in a vacuum. This also applies to the opposite case; for example, an object in an elliptical orbit around another body converts its kinetic energy (speed) into gravitational potential energy (distance from the other object) as it moves away from its parent body. When it reaches the furthest point, it will reverse the process, accelerating and converting potential energy into kinetic. Since space is a near vacuum, this process has close to 100% efficiency. Thermal energy is unique because it in most cases (willow) cannot be converted to other forms of energy. Only a difference in the density of thermal/heat energy (temperature) can be used to perform work, and the efficiency of this conversion will be (much) less than 100%. This is because thermal energy represents a particularly disordered form of energy; it is spread out randomly among many available states of a collection of microscopic particles constituting the system (these combinations of position and momentum for each of the particles are said to form a phase space). The measure of this disorder or randomness is entropy, and its defining feature is that the entropy of an isolated system never decreases. One cannot take a high entropy system (like a hot substance, with a certain amount of thermal energy) and convert it into a low entropy state (like a low temperature substance, with correspondingly lower energy), without that entropy going somewhere else (like the surrounding air). In other words, there is no way to concentrate energy without spreading out energy somewhere else. Thermal energy in equilibrium at a given temperature already represents the maximal evening out of energy between all possible states because it is not entirely convertible to a "useful" form, i. e. one that can do more than just affect temperature. The second law of thermodynamics states that the entropy of a closed system can never decrease. For this reason, thermal energy in a system may be converted to other kinds of energy with efficiencies approaching 100% only if the entropy of the universe is increased by other means, to compensate for the decrease in entropy associated with the disappearance of the thermal energy and its entropy content. Otherwise, only a part of that thermal energy may be converted to other kinds of energy (and thus useful work). This is because the remainder of the heat must be reserved to be transferred to a thermal reservoir at a lower temperature. The increase in entropy for this process is greater than the decrease in entropy associated with the transformation of the rest of the heat into other types of energy. In order to make energy transformation more efficient, it is desirable to avoid thermal conversion. For example, the efficiency of nuclear reactors, where the kinetic energy of the nuclei is first converted to thermal energy and then to electrical energy, lies at around 35%. By direct conversion of kinetic energy to electric energy, effected by eliminating the intermediate thermal energy transformation, the efficiency of the energy transformation process can be dramatically improved.

История трансформации энергии

Трансформации энергии во Вселенной с течением времени обычно характеризуются различными видами энергии, существовавшими с момента Большого взрыва, которые впоследствии "высвобождаются" (то есть преобразуются в более активные формы энергии, такие как кинетическая или излучающая энергия) под воздействием пускового механизма.

Выброс энергии из гравитационного потенциала

Прямая трансформация энергии происходит, когда водород, образовавшийся в Большом взрыве, собирается в структуры, такие как планеты, в процессе, в ходе которого часть гравитационного потенциала преобразуется непосредственно в тепло. Например, на Юпитере, Сатурне и Нептуне такое тепло, выделяемое при продолжающемся сжатии массивных газовых атмосфер планет, продолжает поддерживать большинство метеорологических систем этих планет. Эти системы, состоящие из атмосферных полос, ветров и мощных штормов, питаются солнечным светом лишь частично. Однако на Уране этот процесс практически не происходит. На Земле значительная часть тепловой энергии, исходящей из недр планеты, оцениваемая в треть – половину от общего объема, обусловлена медленным сжатием планетарного материала, приводящим к выделению тепла.

Выброс энергии из радиоактивного потенциала

Известные примеры других подобных процессов, преобразующих энергию Большого взрыва, включают ядерный распад, высвобождающий энергию, которая изначально была "заключена" в тяжелых изотопах, таких как уран и торий. Эта энергия была заключена в момент нуклеосинтеза этих элементов. Этот процесс использует гравитационную потенциальную энергию, высвобождающуюся при коллапсе сверхновых типа II, для создания этих тяжелых элементов, прежде чем они войдут в состав звездных систем, таких как Солнечная система и Земля. Энергия, содержащаяся в уране, высвобождается спонтанно при большинстве типов радиоактивного распада и может быть мгновенно высвобождена в ядерных бомбах деления. В обоих случаях часть энергии, удерживающей атомные ядра вместе, выделяется в виде тепла.

Выброс энергии из потенциала синтеза водорода

В аналогичной цепочке преобразований, начинающейся на заре Вселенной, ядерный синтез водорода на Солнце высвобождает ещё один запас потенциальной энергии, созданный во время Большого взрыва. Согласно одной из теорий, в тот момент пространство расширилось, а Вселенная остыла слишком быстро для полного превращения водорода в более тяжёлые элементы. В результате водород представляет собой запас потенциальной энергии, которая может быть высвобождена посредством ядерного синтеза. Этот процесс синтеза запускается теплом и давлением, возникающими при гравитационном коллапсе водородных облаков при образовании звёзд, и часть энергии синтеза затем преобразуется в звёздный свет. В контексте Солнечной системы, звёздный свет, преимущественно от Солнца, может вновь накапливаться как гравитационная потенциальная энергия после достижения Земли. Это происходит в случае лавин или когда вода испаряется из океанов и выпадает в виде осадков на большой высоте над уровнем моря (где, после высвобождения на гидроэлектростанции, она может использоваться для вращения турбин/генераторов и производства электроэнергии). Солнечный свет также является движущей силой многих погодных явлений на Земле. Примером может служить ураган, возникающий, когда обширные неустойчивые области тёплого океана, нагретые в течение нескольких месяцев, внезапно отдают часть своей тепловой энергии, обеспечивая несколько дней интенсивного движения воздуха. Растения также улавливают солнечный свет, преобразуя его в химическую потенциальную энергию посредством фотосинтеза, когда углекислый газ и вода превращаются в горючую смесь углеводов, липидов и кислорода. Высвобождение этой энергии в виде тепла и света может происходить мгновенно, например, от искры при лесном пожаре, или более постепенно, в процессе метаболизма животных и человека при поглощении этих молекул и активации катаболизма ферментами. Во всех этих цепочках преобразований потенциальная энергия, накопленная во время Большого взрыва, впоследствии высвобождается промежуточными событиями, иногда сохраняясь в различных формах в течение длительных периодов между высвобождениями, в виде более активной энергии. Все эти явления связаны с преобразованием одного вида энергии в другие, включая тепловую.

In a similar chain of transformations beginning at the dawn of the universe, nuclear fusion of hydrogen in the Sun releases another store of potential energy which was created at the time of the Big Bang. At that time, according to one theory, space expanded and the universe cooled too rapidly for hydrogen to completely fuse into heavier elements. This resulted in hydrogen representing a store of potential energy which can be released by nuclear fusion. Such a fusion process is triggered by heat and pressure generated from the gravitational collapse of hydrogen clouds when they produce stars, and some of the fusion energy is then transformed into starlight. Considering the solar system, starlight, overwhelmingly from the Sun, may again be stored as gravitational potential energy after it strikes the Earth. This occurs in the case of avalanches, or when water evaporates from oceans and is deposited as precipitation high above sea level (where, after being released at a hydroelectric dam, it can be used to drive turbine/generators to produce electricity). Sunlight also drives many weather phenomena on Earth. One example is a hurricane, which occurs when large unstable areas of warm ocean, heated over months, give up some of their thermal energy suddenly to power a few days of violent air movement. Sunlight is also captured by plants as a chemical potential energy via photosynthesis, when carbon dioxide and water are converted into a combustible combination of carbohydrates, lipids, and oxygen. The release of this energy as heat and light may be triggered suddenly by a spark, in a forest fire; or it may be available more slowly for animal or human metabolism when these molecules are ingested, and catabolism is triggered by enzyme action. Through all of these transformation chains, the potential energy stored at the time of the Big Bang is later released by intermediate events, sometimes being stored in several different ways for long periods between releases, as more active energy. All of these events involve the conversion of one kind of energy into others, including heat.