Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

| Энергия электромагнитных волн ∙ ( Е изл) ∙ В электромагнитных волнах, т. е. движущихся электрических и магнитных полях. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны всех длин волн

| Энергия излучения (включая и световую энергию) ∙ ( Е изл) ∙ Излучение, включая свет и все другие электромагнитные волны

∙ Волновая энергия (включая свет, звук и морские волны) ∙ ( Е волн; Е звук) ∙ Волны переносят энергию (например, звук, свет, морские волны)

∙ Ядерная энергия ∙ ( Е яд) ∙ Высвобождается при ядерных превращениях: радиоактивности, делении и синтезе ядер

Распределения потребляемой энергии за год в мире приводится в табл. 3 [159]. Величина энергии дается в количестве угля в миллионах тонн, который при сгорании дал бы ту же энергию.

Большинство энергии, потребляемой человеком, превращается в бесполезное тепло. Часть потерь неизбежна. Вот что нам удается извлечь:

Годовое потребление энергии

а) Питание . Ежегодно на земле 250 МТ идет на питание людей, из коих Около 25 МТ превращается в полезный труд (который можно заменить лошадьми, машинами или моторами).

б) Полезная теплота, расходуемая на бытовые нужды : 100 МТ.

в) Теплота и механическая энергия для транспорта и промышленности : 350 МТ (+25 МТ от людей).

Из годовом потребления, составляющего 3000 МТ, используется 700 МТ. Остальное растрачивается в виде теплоты. Но мы едва ли можем похвастаться эффективностью 700/3000, ибо не учли падающее на Землю солнечное излучение, почти полностью переходящее в теплоту, а это свыше 10 000 000 МТ в год.

Возможность получения энергии: кинетическая энергия упорядоченного и хаотического движения

При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать теплоту, т. е. энергию хаотического движения, от энергии упорядоченного движения, известной в технике как свободная энергия. Так, кинетическая энергия летящей пули представляет собой энергию упорядоченного движения — она вся заключена в пуле. Мы называем ее свободной энергией, ибо ее целиком можно превратить в потенциальную энергию; для этого надо просто выстрелить вертикально вверх! Энергия деформации также упорядочена, и мы называем ее тоже свободной энергией, ибо пружина может затратить ее на поднятие груза. Химическая энергия практически вся свободна, как и электрическая энергия и энергия высокотемпературного излучения. Любая из этих форм энергии позволяет использовать всю энергию. Хаотическая энергия тепла имеет один существенный недостаток. На какие бы хитрости мы ни шли, в механическую энергию способна превратиться лишь часть тепловой.

Это происходит из-за того, что даже в лучшей из мыслимых машин для превращения теплоты в механическую энергию некоторая доля теплоты передается холодильнику. Иначе машина не сможет повторить рабочий цикл. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Некий хаос всегда останется. Мысленный эксперимент с идеальной тепловой машиной говорит, что максимальная доля тепла, которую можно использовать, составляет ( Т 1— Т 2)/ Т 1, где Т 1— абсолютная температура «нагревателя», или котла, а Т 2— абсолютная температура холодильника машины (о смысле абсолютной температуры см. гл. 27 ). Так, пар под высоким давлением с температурой 500° К (227 °C), превращающийся в воду с температурой 300° К (27 °C), может дать к. п. д. не больше (500–300)/500, или 40 %.Такая паровая машина должна выбрасывать, помимо реальных потерь, 60 % своего тепла.

Максимальный к. п. д. равен ( Т 1— Т 2)/ Т 1, или 1 — ( Т 2/ Т 1). Так что чем выше Т 1(или чем меньше Т 2), тем ближе к. п. д. к единице. Чтобы уменьшить затраты, силовые установки стараются делать с возможно большей температурой Т 1нагревателя, или котла. Серьезные ограничения возникают из-за масла, которое начиняет гореть, и металла, который начинает плавиться. Температуру же Т 2при постоянном подводе тепла нельзя надолго сделать ниже температуры окружающей среды. Практически у нас нет способа непосредственно использовать химическую (или ядерную) энергию. Мы должны сначала превращать ее в теплоту, а уж после этого нам не избежать больших тепловых потерь.