Hukum kekekalan energi

Fisika modern mengetahui banyak jenis energi yang terkait dengan gerak atau pengaturan timbal balik yang berbeda dari berbagai benda atau partikel material, misalnya, setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik yang sebanding dengan kuadrat kecepatannya. Energi ini dapat berubah jika kecepatan tubuh bertambah atau berkurang. Benda yang diangkat di atas tanah memiliki energi potensial gravitasi yang memvariasikan tiga perubahan ketinggian benda.

Muatan listrik stasioner yang agak jauh dari satu sama lain memiliki energi potensial elektrostatik sesuai dengan fakta bahwa, menurut hukum Coulomb, muatan tersebut menarik (jika memiliki tanda yang berbeda) atau menolak dengan gaya yang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara mereka.

Energi kinetik dan potensial dimiliki oleh molekul, atom dan partikel, konstituennya - elektron, proton, neutron, dll. dalam bentuk kerja mekanis, dalam aliran arus listrik, dalam perpindahan panas, dalam perubahan keadaan internal benda, dalam perambatan gelombang elektromagnetik, dll.

Lebih dari 100 tahun yang lalu, hukum dasar fisika ditetapkan, yang menurutnya energi tidak dapat hilang atau muncul dari ketiadaan. Dia hanya bisa berubah dari satu jenis ke jenis lainnya…. Hukum ini disebut hukum kekekalan energi.

Dalam karya A. Einstein, hukum ini berkembang secara signifikan. Einstein menetapkan pertukaran energi dan massa dan dengan demikian memperluas interpretasi hukum kekekalan energi, yang sekarang umumnya dinyatakan sebagai hukum kekekalan energi dan massa.

Sesuai dengan teori Einstein, setiap perubahan energi tubuh dE berhubungan dengan perubahan massanya dm dengan rumus dE =dmc2, di mana c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa sama dengan 3 x 108 Miss.

Dari rumus ini, khususnya, dapat disimpulkan bahwa jika, sebagai akibat dari suatu proses, massa semua benda yang terlibat dalam proses tersebut berkurang 1 g, maka energinya sama dengan 9×1013 J, yang setara dengan 3000 ton bahan bakar standar.

Rasio ini sangat penting dalam analisis transformasi nuklir. Dalam sebagian besar proses makroskopik, perubahan massa dapat diabaikan dan hanya hukum kekekalan energi yang dapat dibicarakan.

Mari kita telusuri transformasi energi pada beberapa contoh konkret. Pertimbangkan seluruh rantai konversi energi yang diperlukan untuk menghasilkan bagian apa pun pada mesin bubut (Gbr. 1). Biarkan energi awal 1, yang jumlahnya kita anggap 100%, diperoleh karena pembakaran sempurna sejumlah bahan bakar fosil. Oleh karena itu, untuk contoh kita, 100% energi awal terkandung dalam produk pembakaran bahan bakar, yang bersuhu tinggi (sekitar 2000 K).

Hasil pembakaran di boiler pembangkit listrik, saat didinginkan, melepaskan energi dalamnya dalam bentuk panas menjadi air dan uap air. Namun, karena alasan teknis dan ekonomis, produk pembakaran tidak dapat didinginkan hingga mencapai suhu sekitar. Mereka dikeluarkan melalui tabung ke atmosfer pada suhu sekitar 400 K, dengan membawa sebagian energi aslinya. Oleh karena itu, hanya 95% energi awal yang akan ditransfer menjadi energi dalam uap air.

Uap air yang dihasilkan akan masuk ke turbin uap, dimana energi dalamnya awalnya sebagian diubah menjadi energi kinetik dari rangkaian uap, yang kemudian akan diteruskan sebagai energi mekanik ke rotor turbin.

Hanya sebagian energi uap yang dapat diubah menjadi energi mekanik. Sisanya diberikan ke air pendingin saat uap terkondensasi di kondensor. Dalam contoh kami, kami berasumsi bahwa energi yang ditransfer ke rotor turbin akan menjadi sekitar 38%, yang secara kasar sesuai dengan keadaan di pembangkit listrik modern.

Saat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik karena yang disebut Kerugian joule pada belitan rotor dan stator generator akan kehilangan sekitar 2% energi. Akibatnya, sekitar 36% dari energi awal akan masuk ke jaringan.

Motor listrik hanya akan mengubah sebagian energi listrik yang disuplai menjadi energi mekanik untuk memutar mesin bubut. Dalam contoh kita, sekitar 9% energi dalam bentuk panas Joule pada belitan motor dan panas gesekan pada bantalannya akan dilepaskan ke atmosfer sekitarnya.

Dengan demikian, hanya 27% energi awal yang akan dikirim ke organ kerja mesin. Tapi kecelakaan energi juga tidak berakhir di situ. Ternyata sebagian besar energi selama pemesinan suatu bagian dihabiskan untuk gesekan dan dalam bentuk panas dihilangkan dengan cairan yang mendinginkan bagian tersebut. Secara teoritis, hanya sebagian kecil (dalam contoh kita, diasumsikan 2%) dari energi awal akan cukup untuk mendapatkan bagian yang diinginkan dari bagian asli.

Beras. 1. Diagram transformasi energi selama pemrosesan benda kerja pada mesin bubut: 1 — kehilangan energi dengan gas buang, 2 — energi internal produk pembakaran, 3 — energi internal fluida kerja — uap air, 4 — panas yang dilepaskan dari pendinginan air dalam kondensor turbin, 5 — energi mekanik rotor generator turbin, 6 — kerugian pada generator listrik, 7 — limbah pada penggerak listrik mesin, 8 — energi mekanik rotasi mesin, 9 — gesekan kerja, yang diubah menjadi panas, dipisahkan dari cairan, bagian pendingin, 10 - meningkatkan energi internal bagian dan keripik setelah diproses ...

Setidaknya tiga kesimpulan yang sangat berguna dapat ditarik dari contoh yang sedang dipertimbangkan, jika dianggap cukup tipikal.

Pertama, pada setiap langkah konversi energi sebagian hilang... Pernyataan ini tidak boleh dipahami sebagai pelanggaran hukum kekekalan energi. Itu hilang karena efek berguna yang dilakukan transformasi yang sesuai. Jumlah total energi setelah konversi tetap tidak berubah.

Jika proses konversi dan transfer energi terjadi pada mesin atau peralatan tertentu, maka efisiensi perangkat ini biasanya ditandai dengan efisiensi (efisiensi)... Diagram perangkat semacam itu ditunjukkan pada gambar. 2.

Beras. 2. Skema untuk menentukan efisiensi alat yang mengubah energi.

Menggunakan notasi yang ditunjukkan pada gambar, efisiensi dapat didefinisikan sebagai Efisiensi = Epol/Epod

Jelas bahwa dalam hal ini, berdasarkan hukum kekekalan energi, harus ada Epod = Epol + Epot

Oleh karena itu, efisiensi juga dapat ditulis sebagai berikut: efisiensi = 1 — (Epot / Epol)

Kembali ke contoh yang ditunjukkan pada Gbr. 1, kita dapat mengatakan bahwa efisiensi boiler adalah 95%, efisiensi mengubah energi internal uap menjadi kerja mekanis adalah 40%, efisiensi generator listrik adalah 95%, efisiensinya adalah — penggerak listrik dari a mesin — 75%, dan efisiensi pemrosesan benda kerja yang sebenarnya adalah sekitar 7%.

Di masa lalu, ketika hukum transformasi energi belum diketahui, impian orang adalah menciptakan apa yang disebut mesin gerak abadi — perangkat yang akan melakukan pekerjaan berguna tanpa menghabiskan energi. Mesin hipotetis semacam itu, yang keberadaannya akan melanggar hukum kekekalan energi, sekarang disebut mesin gerak abadi jenis pertama, berlawanan dengan mesin gerak abadi jenis kedua. serius kemungkinan menciptakan mesin gerak abadi dari jenis pertama.

Kedua, semua kehilangan energi pada akhirnya diubah menjadi panas, yang dilepaskan ke udara atmosfer atau ke air dari reservoir alami.

Ketiga, orang akhirnya hanya menggunakan sebagian kecil dari energi primer yang dikeluarkan untuk mendapatkan efek menguntungkan yang relevan.

Hal ini sangat jelas ketika melihat biaya transportasi energi. Dalam mekanika ideal, yang tidak mempertimbangkan gaya gesek, beban bergerak pada bidang horizontal tidak memerlukan energi.

Dalam kondisi nyata, semua energi yang dikonsumsi kendaraan digunakan untuk mengatasi gaya gesek dan gaya hambatan udara, yaitu pada akhirnya semua energi yang dikonsumsi dalam transportasi diubah menjadi panas. Dalam hal ini, angka-angka berikut menarik, mencirikan pekerjaan memindahkan 1 ton kargo pada jarak 1 km dengan berbagai jenis transportasi: pesawat terbang — 7,6 kWh / (t-km), mobil — 0,51 kWh / ( t- km) , kereta api-0,12 kWh / (t-km).

Dengan demikian, efek menguntungkan yang sama dapat dicapai dengan transportasi udara dengan konsumsi energi 60 kali lebih besar dibandingkan dengan kereta api. Tentu saja, konsumsi energi yang tinggi memberikan penghematan waktu yang signifikan, tetapi bahkan pada kecepatan yang sama (mobil dan kereta api), biaya energi berbeda 4 kali lipat.

Contoh ini menunjukkan bahwa orang sering membuat pertukaran dengan efisiensi energi untuk mencapai tujuan lain, misalnya kenyamanan, kecepatan, dll. Sebagai aturan, efisiensi energi dari proses itu sendiri tidak begitu menarik bagi kami — teknis umum dan evaluasi ekonomi dari efisiensi proses adalah penting... Tetapi dengan meningkatnya harga komponen energi primer, komponen energi dalam evaluasi teknis dan ekonomi menjadi semakin penting.