Примеры тепловая энергия: 12 примеров тепловой энергии в повседневной жизни

12 примеров тепловой энергии в повседневной жизни

Тепловая энергия относится к энергии, которой обладает объект в результате движения частиц внутри объекта. Это внутренняя кинетическая энергия объекта, которая исходит от случайных движений молекул и атомов объекта.

В то время как молекулы и атомы, составляющие материю, постоянно движутся, когда объект нагревается, повышение температуры заставляет эти частицы двигаться быстрее и сталкиваться друг с другом. Чем быстрее движутся эти частицы, тем выше тепловая энергия объекта.

Она может быть записана математически как произведение постоянной Больцмана (k _B) и абсолютной температуры (T).

Тепловая энергия = k _B T

Термин «тепловая энергия» может также применяться к количеству передаваемого тепла или энергии, переносимой тепловым потоком.

Тепловая энергия (или термическая энергия) может передаваться от одного тела другому через три процесса —

• Проводимость: это наиболее распространенная форма теплопередачи, которая происходит через физический контакт: передача внутренней энергии за счет микроскопических столкновений частиц и движения электронов внутри тела.
• Конвекция: представляет собой передачу тепла из одной области в другую в результате движения жидкостей, например, жидкостей и газов.
• Излучение — это передача энергии в виде частиц или волн через пространство или среду. Чем горячее объект, тем больше он будет излучать тепловой энергии.

Чтобы лучше объяснить это явление, мы собрали некоторые из лучших примеров тепловой энергии, которые вы видите в повседневной жизни.

12. Солнечная энергия

Тип теплопередачи: Излучение

Солнце — это почти идеальная сфера горячей плазмы, которая преобразует водород в гелий посредством миллиардов химических реакций, которые в конечном итоге производят интенсивное количество тепла.

Вместо того, чтобы находиться рядом с Солнцем, тепло излучается вдаль от звезды и в космос. Небольшая часть этой энергии (тепла) достигает Земли в виде света. В основном она содержит инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет. Передача тепловой энергии таким образом называется тепловым излучением.

В то время как часть тепловой энергии проникает в атмосферу Земли и достигает земли, часть ее блокируется облаками или отражается от других объектов. Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, нагревает ее.

По данным Университета Орегона, вся Земля получает в среднем 164 Ватта на квадратный метр в течение суток. Это означает, что вся планета получает 84 тераватта энергии.

11. Тающий лед

Тип теплопередачи: Конвекция

Тепловая энергия всегда течет из регионов с более высокой температурой в регионы с более низкой температурой. Например, когда вы добавляете к напитку кубики льда, тепло переходит из жидкости в кубики льда.

Температура жидкости падает по мере того, как тепло переходит от напитка к льду. Тепло продолжает перемещаться в самую холодную область напитка до тех пор, пока не достигнет равновесия. Потеря тепла приводит к падению температуры напитка.

10. Топливные элементы

Топливный элемент, который принимает водород и кислород в качестве входных данных

Теплопередача: зависит от типа топливного элемента

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию топлива и окислителя в электрическую энергию. При работе топливного элемента значительная часть входной энергии используется для выработки электрической энергии, а оставшаяся часть преобразуется в тепловую энергию в зависимости от типа топливного элемента.

Тепло, получаемое в ходе этого процесса, используется для повышения энергоэффективности. Теоретически топливные элементы являются гораздо более энергоэффективными, чем обычные процессы: если отработанное тепло улавливается в когенерационной схеме, эффективность может достигать 90%.

9. Геотермальная энергия

Тип теплопередачи: мантийная конвекция

Геотермальная энергия — это тепло, получаемое в недрах Земли. Оно содержится в жидкостях и породах под земной корой и может быть найдено глубоко в горячей расплавленной породе Земли — магме.

Она образуется в результате радиоактивного распада материалов и непрерывной потери тепла от формирования планеты. Температура и давление на границе ядра и мантии могут достигать более 4000°C и 139 ГПа, в результате чего некоторые породы расплавляются, а твердая мантия ведет себя пластически.

Это приводит к тому, что части мантии конвектируются вверх (так как расплавленная порода легче, чем окружающие твердые породы). Пар и/или вода переносят геотермальную энергию на поверхность планеты, откуда она может быть использована для охлаждения и обогрева, или может быть использована для производства чистого электричества.

8. Тепловая энергия в океане

Тип теплопередачи: Конвекция и Проводимость

На протяжении десятилетий океаны поглощали более 9/10 избыточного тепла атмосферы от выбросов парниковых газов. Согласно исследованию, океан нагревается со скоростью 0,5-1 ватт энергии на квадратный метр в течение последних десяти лет.

Океаны обладают невероятным потенциалом для хранения тепловой энергии. Поскольку их поверхности подвергаются воздействию прямых солнечных лучей в течение длительных периодов времени, существует огромная разница между температурами мелководных и глубоководных морских районов.

Эта разница температур может быть использована для запуска теплового двигателя и выработки электроэнергии. Этот тип преобразования энергии, известный как преобразование тепловой энергии океана, может работать непрерывно и может поддерживать различные побочные отрасли.

7. Солнечная плита

Тип теплопередачи: излучение и проводимость

Солнечная плита — это низкотехнологичное, недорогое устройство, использующее энергию прямых солнечных лучей для нагрева, приготовления или пастеризации напитков и других пищевых материалов. В солнечный день она может достигать температуры до 400°C.

Все солнечные плиты работают по трем основным принципам:

• Концентрат солнечного света : устройство имеет зеркальную поверхность для концентрации солнечного света в небольшой зоне для приготовления пищи.
• Преобразование световой энергии в тепловую энергию. Когда свет падает на материал приемника (кастрюлю), он преобразует свет в тепло, и это мы называем проводимостью.
• Ловушка тепловой энергии : стеклянная крышка изолирует воздух внутри плиты от наружного воздуха, сводя к минимуму конвекцию (потери тепла).

6. Потирая руку

Тип теплопередачи: Проводимость

Когда вы потираете руки, трение превращает механическую энергию в тепловую. Механическая энергия относится к движению ваших рук.

Поскольку трение происходит за счет электромагнитного притяжения между заряженными частицами на двух соприкасающихся поверхностях, трение рук друг о друга приводит к обмену электромагнитной энергией между молекулами наших рук. Это приводит к тепловому возбуждению молекул наших рук, которые в конечном итоге вырабатывают энергию в виде тепла.

5. Тепловой двигатель

Тип теплопередачи: Конвекция

Тепловой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию, которую затем можно использовать для выполнения механической работы. Двигатель забирает энергию из тепла (по сравнению с окружающей средой) и превращает ее в движение.

В зависимости от типа двигателя применяются разные процессы, такие как использование энергии ядерных процессов для выработки тепла (уран) или воспламенение топлива в результате сгорания (уголь или бензин). Во всех процессах цель одна и та же: преобразовать тепло в работу.

Ежедневные примеры тепловых двигателей включают паровоз, двигатель внутреннего сгорания и тепловую электростанцию. Все они приводятся в действие расширением нагретых газов.

4. Горящая свеча

Тип теплопередачи: Проводимость, Конвекция, Излучение

Свечи делают свет, производя тепло. Они преобразуют химическую энергию в тепло. Химическая реакция называется сгоранием, при котором воск свечи вступает в реакцию с кислородом на воздухе и образует бесцветный газ, называемый углекислым газом, вместе с небольшим количеством пара.

Пар образуется в синей части пламени, где воск горит чисто с большим количеством кислорода. Но поскольку ни один воск не горит идеально, они также производят немного дыма (аэрозоль) в яркой, желтой части пламени.

На протяжении всего процесса фитиль поглощает воск и горит, чтобы произвести свет и тепловую энергию.

3. Электрические тостеры

Тип теплопередачи: тепловое излучение

Электрический тостер забирает электрическую энергию и очень эффективно преобразует ее в тепло. Он состоит из рядов тонких проволок (нитей), которые расположены достаточно широко друг от друга, чтобы поджарить всю поверхность хлеба.

Когда электричество течет по проводу, энергия передается от одного конца к другому. Эта энергия переносится электронами. На протяжении всего процесса электроны сталкиваются друг с другом и с атомами в металлической проволоке, выделяя тепло. Чем больше электрический ток и чем тоньше провод, тем больше происходит столкновений и выделяется больше тепла.

2. Современные системы отопления дома

Тип теплопередачи: Конвекция

Два распространенных типа отопительных систем, установленных в зданиях, — это системы отопления теплым воздухом и горячей водой. Первая использует тепловую энергию для нагрева воздуха, а затем циркулирует по системе воздуховодов и регистров. Теплый воздух выдувается из воздуховодов и циркулирует по помещениям, вытесняя холодный воздух.

Второй использует тепловую энергию для нагрева воды, а затем прокачивает ее по всему зданию в системе труб и радиаторов. Горячий радиатор излучает тепловую энергию в окружающий воздух. Затем теплый воздух движется по помещениям конвекционными потоками.

1. Процессоры и другие электрические компоненты

Тип теплопередачи: Конвекция и Проводимость

Процессор, графический процессор и система на чипе рассеивают энергию в виде тепла за счет сопротивления в электронных схемах. Графические процессоры в ноутбуках/настольных компьютерах потребляют и рассеивают значительно больше энергии, чем мобильные процессоры из-за их более высокой сложности и скорости.

Для поддержания оптимальной температуры микропроцессоров используются различные типы систем охлаждения. Например, обычная настольная система охлаждения ЦП предназначена для рассеивания до 90 Вт тепла без превышения максимальной температуры соединения для ЦП настольного компьютера.

Какие Примеры Тепловой Энергии?

Технически, все, что имеет температуру выше абсолютного нуля (0 градусов Кельвина), имеет в себе «тепловую энергию». Это означает, что * все * — вся масса в нашей наблюдаемой вселенной, без исключения, — содержит тепловую энергию, потому что Абсолютный Ноль (температура, при которой все тепловые молекулярные колебания полностью прекращаются) не может быть достигнут.

Обычно, когда мы думаем о «тепловой энергии», мы думаем о «горячих вещах» — огне, паре, лаве от вулканов, быстро распадающихся кусках радиоактивного вещества, солнце. И да, они действительно имеют значительную тепловую энергию в них.

Для нас часто более полезным является * распределение * тепловой энергии. Предположим, например, что у нас есть огромный резервуар с горячей водой (около точки кипения) и резервуар с очень холодной водой такого же размера (около замерзания). Сравните это с двумя дополнительными резервуарами одинакового размера, в которых есть «очень теплая» вода (при 50 градусах Цельсия, средней точке между замерзанием и кипением). Какая настройка более полезна для нас?

Оказывается, что горячие и холодные резервуары более полезны для нас, чем одинаково очень теплые резервуары, потому что мы можем использовать «поток» тепла — известный как теплопередача — для питания двигателя, известного как «двигатель Карно». Двигатель Карно приводится в действие разницей в температуре между горячим резервуаром и холодным резервуаром. Со временем, когда этот двигатель вырабатывает энергию (для управления домом, городским кварталом или целым городом), горячий резервуар охлаждается, а холодный резервуар нагревается. По мере того, как их температуры становятся все ближе и ближе друг к другу, двигателю Carnot становится все труднее производить мощность, и к тому времени, когда они находятся при почти равных температурах, двигатель Carnot просто больше не будет работать.

Одной из широко используемых форм энергии (предлагаемых энергетической отраслью) является геотермальная энергия. Вода закачивается глубоко в землю, где она очень горячая, и превращается в пар. Этот пар приводит в движение турбину (которая приводит в действие электрический генератор, называемый генератором переменного тока). В конце концов, этот пар проходит через конденсатор, чтобы преобразовать его обратно в воду, и вода рециркулирует в горячее подполье, чтобы повторить цикл. Между прочим, конденсатор должен охлаждаться «холодным резервуаром» — часто охлаждающим прудом с очень большой площадью поверхности. (ПРИМЕЧАНИЕ: я не эксперт по геотермальной энергии, поэтому я описал только водно-паровой цикл очень поверхностно. Но дело в том, что должен быть как горячий резервуар (горячие породы под землей), так и холодный резервуар (большой водоем-охладитель) как правило), чтобы держать цикл в движении и производить энергию.)

Важно отметить, что, хотя огромный кусок вещества при действительно высокой температуре содержит много «абсолютной» тепловой энергии, пара более мелких и более холодных комков вещества, которые находятся при разных температурах, могут содержать меньше «абсолютной» тепловой энергии но больше «доступной» тепловой энергии, потому что можно использовать цикл двигателя Карно (по крайней мере, теоретически), чтобы воспользоваться преимуществом потока тепла от более теплой массы к более холодной массе. Таким образом, хотя «абсолютная» тепловая энергия может измениться очень незначительно, когда два объекта с разными температурами размещены вместе и им разрешено «выравнивать» свои температуры, при этом происходит значительное увеличение энтропии. Когда система достигнет более высокого состояния энтропии (более равномерное распределение температуры), будет меньше «доступной» тепловой энергии для привода любого типа двигателя.

Тепловая энергия, потребление, использование теплоэнергии

1. Как используется теплоэнергия

Тепловая энергия – одна из форм энергии, которая образуется в результате движения частиц, составляющих предмет.

Сегодня в мире используются различные способы получения тепловой энергии:

• Сжигание органических расходных материалов
• Использование тепла грунта
• Использование солнечной теплоэнергии
• Получение тепла в результате естественных химических реакций
• Использование биореакторов

В случае со сжиганием органических материалов, тепловая энергии – один из продуктов процесса горения. Теплоэнергия, полученная таким образом, может преобразовываться в электроэнергию на специальных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и теплоэлектростанциях (ТЭС). Чаще всего в качестве расходного материала используется уголь или газ. Также могут использоваться в данных целях различные биомассы. Нефть практически не используется для получения тепловой энергии и преобразования её в электрическую. Традиционные способы получения теплоэнергии хоть и являются наиболее распространёнными, всё же активно критикуются в современном обществе. В основе критики находятся постулаты о необходимости бережного отношения к природе и недопустимости иссякания природных ресурсов.

Использование тепла непосредственно Земли – достаточно экологичный способ добычи теплоэнергии. Геотермальные источники бывают двух типов:

• Естественные
• Искусственные

В процессе получения теплоэнергии используются паровые турбины и иные тепловые машины.

Получение тепла от солнечных лучей не стало популярным в глобальных масштабах. Тем не менее, работы в данном направлении продолжают вестись, и инженеры активно сотрудничают с архитекторами и экологами при создании энергопроизводящих домов и иных сооружений.

Получение тепла в результате естественных химических реакций (гниение, брожение и пр.), а также получение тепловой энергии с помощью биореакторов тоже пока не получили значительной популярности в мире. Количество теплоты, получаемой в результате такого производства, крайне мало в сравнении с другими способами получения теплоэнергии.

Источником тепловой энергии является специальная энергоустановка. Для увеличения тепловой энергии может различным образом использоваться сила трения.

«Жизненный цикл» тепловой энергии выглядит следующим образом:

1. производство
2. передача
3. потребление

В случае, если тепловая энергия не перерабатывается в электрическую, она используется для следующих нужд:

• Отопление жилых и нежилых помещений
• Горячее водоснабжение

Единицей измерения теплоэнергии является гигакалория (Гкал).

Для расчёта тепловой энергии, используемой для нужд отопления, используется следующая формула:

Q = V * ( T1 – T2 ) / 1000

Q – количество теплоэнергии

V – количество использованной горячей воды (в кубах)

Т1 – температура горячей воды

Т2 – температура холодной воды

В Беларуси основным способом получения теплоэнергии является сжигание природных ископаемых, там не менее, ведутся активные работы по экологизации данной отрасли энергетики. Что касается использования геотермальных ресурсов, то потенциал Беларуси в данной области достаточно низок – термальные воды расположены глубоко, из температура недостаточно высока, зато высок уровень минерализации. Использование солнечных батарей в промышленных масштабах не представляется эффективной методикой из-за особенностей климата Беларуси и относительно небольшого количества солнечных дней в году.

Тепловая энергия: определение, формула и примеры для детей

В предыдущих статьях мы видели, что Кинетическая энергия и механическая энергия. В этих статьях мы упоминали тепловую энергию как часть энергии, которая влияет на рассматриваемое тело и овладевает им. Термальная энергия Это энергия, которой обладают все частицы, составляющие тело. Когда температура колеблется между повышением и понижением, активность тела увеличивается. Эта внутренняя энергия увеличивается при повышении температуры и уменьшается при понижении.

В этой статье мы собираемся тщательно проанализировать этот тип энергии и дополнить наши знания о различных существующих типах энергии. Хотите узнать об этом больше? Продолжайте читать, и вы узнаете 🙂

Характеристики тепловой энергии

Это энергия, которая вмешивается в различные теплотворные процессы, происходящие при контакте тел с разной температурой. Пока тела поддерживают трение между собой, эта энергия будет передаваться от одного тела к другому. Вот что происходит, например, когда мы кладем руку на поверхность. Спустя некоторое время, поверхность будет иметь температуру руки, потому что он дал это ему.

Прирост или потеря этой внутренней энергии во время процесса это называется теплом. Тепловую энергию получают разными способами. Следовательно, каждое тело, имеющее определенную температуру, имеет внутри внутреннюю энергию.

Примеры тепловой энергии

Рассмотрим подробнее источники получения тепловой энергии:

• Природа и Солнце Это два источника энергии, которые обеспечивают внутреннюю энергию телам. Например, когда утюг постоянно находится на солнце, его температура повышается, потому что он поглощает внутреннюю энергию. К тому же звездный король — ярчайший пример тепловой энергии. Это самый крупный известный источник тепловой энергии. Животные, которые не могут регулировать свою температуру, используют для этого преимущества этого источника энергии.
• Кипящая вода: По мере повышения температуры воды тепловая энергия всей системы начинает умножаться. Пришло время, когда повышение температуры тепловой энергии вынудило воду к фазовому переходу.
• Камины: энергия, производимая в дымоходах, происходит за счет увеличения тепловой энергии. Здесь поддерживается сжигание органических веществ, чтобы в доме было тепло.
• Нагреватель: служит для повышения температуры воды аналогично тому, как мы кипятим.
• Экзотермические реакции которые происходят из-за сжигания некоторого топлива.
• Ядерные реакции что происходит ядерное деление. Это также происходит, когда происходит слияние ядер. Когда два атома имеют одинаковый заряд, они соединяются, образуя более тяжелое ядро, и во время процесса выделяют большое количество энергии.
• Эффект джоуля происходит, когда в проводнике циркулирует электрический ток, и кинетическая энергия электронов преобразуется во внутреннюю энергию в результате непрерывных столкновений.
• Сила трения Он также генерирует внутреннюю энергию, поскольку также происходит обмен энергией между двумя телами, будь то физический или химический процесс.

Как производится тепловая энергия?

Мы должны думать, что энергия не создается и не уничтожается, а только трансформируется. Тепловая энергия вырабатывается разными способами. Он создается движением атомов и молекул материи. как форма кинетической энергии, производимой случайными движениями. Когда система имеет большее количество тепловой энергии, ее атомы движутся быстрее.

Как используется тепловая энергия?

Тепловая энергия может быть преобразована с помощью теплового двигателя или механической работы. Среди наиболее распространенных примеров — двигатель автомобиля, самолета или лодки. Тепловую энергию можно использовать разными способами. Посмотрим, какие из них основные:

• В тех местах, где нужно тепло. Например, как отопление в доме.
• Преобразование механической энергии. Примером этого являются двигатели внутреннего сгорания в автомобилях.
• Преобразование электрической энергии. Это генерируется на тепловых электростанциях.

Измерение внутренней энергии

Внутренняя энергия измеряется согласно Международная система единиц в джоулях (Дж). Он также может быть выражен в калориях (Cal) или килокалориях (Kcal). Чтобы хорошо понять внутреннюю энергию, мы должны помнить принцип сохранения энергии. «Энергия не создается и не уничтожается, она только трансформируется от одного к другому». Это означает, что даже если энергия непрерывно трансформируется, она всегда одинакова.

Кинетическая энергия, которую переносит автомобиль при ударе о здание, направляется прямо в стену. Следовательно, в результате его внутренняя энергия увеличивается, а кинетическая энергия автомобиля уменьшается.

Частая путаница

Очень часто путают тепловую энергию с тепловой. Его часто используют как синонимы, даже если они не имеют к нему никакого отношения. Тепловая энергия сосредоточена исключительно на излучении тепла в его тепловых явлениях. Таким образом, она отличается от тепловой энергии, которая представляет собой только тепло.

Количество тепла в теле — это мера тепловой энергии, в то время как тепло, которое может исходить от тела, указывает на то, что оно обладает более высокой теплоемкостью. Температура тела дает нам ощущение тепла и может дать нам сигнал, который указывает количество имеющейся у него тепловой энергии. Как мы уже говорили, чем выше температура тела, тем больше энергии.

Тепло может передаваться разными способами. Давайте рассмотрим их один за другим:

• Электромагнитное волновое излучение.
• Вождение. Когда энергия передается от более теплого тела к более холодному телу, возникает проводимость. Если тела имеют одинаковую температуру, обмен энергией отсутствует. Тот факт, что два тела равны своей температуре, когда они находятся в контакте, — это еще один физический принцип, называемый тепловым равновесием. Например, когда мы касаемся холодного объекта рукой, тепловая энергия передается этому объекту, вызывая ощущение холода в нашей руке.
• Конвекция. Это происходит, когда самые горячие молекулы переходят из одной стороны в другую. Это происходит в природе постоянно на ветру. Самые горячие частицы имеют тенденцию двигаться туда, где меньше плотность.

Другие родственные энергии

Тепловая энергия связана со многими другими формами энергии. Вот некоторые из них.

Тепловая солнечная энергия

Это тип возобновляемой энергии, состоящий из преобразование солнечной энергии в тепло. Эта энергия используется для нагрева воды в различных целях, например, в быту или в больницах. Он также служит для отопления в зимние дни. Источником является солнце, и оно принимается напрямую.

геотермальной энергии

Получение тепловой энергии оказывает воздействие на окружающую среду из-за к выбросу углекислого газа и радиоактивных отходов. Однако если используется энергия из недр земли. Это также вид возобновляемой энергии, который не загрязняет окружающую среду и не наносит ей ущерба.

Электрическая и химическая энергия

Тепловая энергия может быть преобразована в электрическую. Например, ископаемое топливо генерирует электричество, сжигая и высвобождая его. Электрическая энергия дается как результат разности потенциалов между двумя точками. и позволяет создавать электрический ток между ними, когда они входят в контакт с электрическим проводником. Проводник может быть металлическим.

Тепловая энергия — это тип энергии, высвобождаемой в виде тепла из-за контакта тела с более высокой температурой с другим с более низкой температурой, а также она может быть получена различными способами или способами, как упоминалось ранее. Химическая энергия тот, который имеет химическую связь, то есть это энергия, производимая исключительно химическими реакциями.

Благодаря этой информации вы сможете лучше понять тепловую энергию.

«Энергосбережение: способы экономии электроэнергии в быту»

Тема № 46: «Энергосбережение: способы экономии электроэнергии в быту»

Лекция 46 (Скачать…)

Презентация (Скачать…)

Сегодня уровень развития цивилизации позволяет нам пользоваться всеми необходимыми для жизни ресурсами прямо у себя дома. Вода, газ, электричество, тепловая энергия в виде горячей воды доставляются нам прямо в квартиру или дом. Однако мы не всегда правильно и эффективно используем эти ресурсы.

Энергосбережение — это рациональное использование энергии.

Государство для достижения целей экономии и эффективного расходования энергии и ресурсов издает специальные законы. Предприятия и организации стараются сократить потребление энергии, чтобы уменьшить затраты на производство продукции, свои издержки и повысить прибыль. Многоквартирные дома экономят энергию для того, чтобы каждый из жильцов получал минимальный счет за коммунальные услуги. В зависимости от вида энергии существуют разные методы, позволяющие использовать эту энергию более эффективно.

Самыми крупными потребителями электроэнергии в коммунально-бытовом хозяйстве являются жилые дома. В них ежегодно расходуется в среднем 400 кВт*ч на человека, из которых примерно 280 кВт*ч потребляется внутри квартиры на освещение и бытовые приборы различного назначения и 120 кВт*ч – в установках инженерного оборудования и освещения общедомовых помещений. Внутриквартирное потребление электроэнергии составляет примерно 900 кВт*ч в год в расчёте на «усреднённую» городскую квартиру с газовой плитой и 2000 кВт*ч – с электрической плитой. Поэтому именно экономия становится важнейшим источником роста производства.

Расчёты показали, а практика подтвердила, что каждая единица денежных средств, затраченных на мероприятия, связанные с экономией электроэнергии, даёт такой же эффект, как вдовое большая сумма, израсходованная на увеличение её производства.

Кроме того, в связи с периодическим ростом тарифов на электроэнергию все более актуальной становится возможность ограничить затраты на ее оплату. Это можно сделать множеством способов. Некоторые способы энергосбережения в быту, связанные с новыми технологиями, для рядового потребителя могут быть дорогостоящими. Но есть способы, не требующие больших затрат и специальных знаний. Рассмотрим их подробно.

Советы, которые позволят минимизировать затраты на оплату электроэнергии

1. Замените обычные лампы накаливания на энергосберегающие. Срок их службы в 5 раз больше, а потребление электроэнергии в 5 раз ниже. Конечно, энергосберегающие лампочки стоят на порядок дороже обычных ламп накаливания, но за время эксплуатации окупают себя 8-10 раз.
2. Установите приборы многотарифного учета. В ночные часы тариф на электричество в несколько раз ниже дневного. Если вы «сова» и ложитесь спать поздно, если у вас на стиральной машинке есть таймер отложенного запуска — вы можете реально экономить немалые средства. На холодильник, который работает круглые сутки, приходится четверть потребляемой бытовыми приборами энергии. Двухтарифная оплата позволит сделать его содержание менее обременительным.

3. Установите светорегуляторы (диммеры) и сами выбирайте интенсивность освещения вашей комнаты. Экономия может составить до 30% от электроэнергии, потребляемой для освещения.

4. Применяйте технику класса энергоэффективности не ниже «А», а лучше «А+» или «А++». Устаревшие бытовые устройства расходуют электроэнергии примерно на 50% больше, чем современные.

5. Проверьте целостность проводки. Очень часто в наших квартирах проводка менялась очень давно, и ее состояние оставляет желать лучшего. А между тем, плохие контакты – это не только источник опасности короткого замыкания, но и канал «утечки» электричества, которую не смогут уменьшить или предотвратить никакие современные энергосберегающие технологии.

6. Отключайте устройства, длительное время находящиеся в режиме ожидания. Телевизоры, музыкальные центры, микроволновая печь и другая техника в режиме ожидания потребляют энергию от 3 до 10 Вт. За год 4 таких прибора, а также оставленные в розетках зарядные устройства дадут дополнительный расход энергии 300-400 кВт/час.

Пример: стандартный телевизор с диагональю 21 дюйм в режиме ожидания потребляет в сутки 297 Вт/ч, а за месяц почти 9 кВт/ч.

Музыкальный центр: почти 8 кВт/ч.

ДВД-плеер: почти 4 кВт/ч.

Включенное в розетку зарядное устройство от телефона использует энергию впустую, поскольку оно все равно нагревается, даже если к нему не подключен телефон. Естественно, что потери от постоянно включенных зарядных устройств в розетку небольшие по сравнению с другой бытовой техникой. Однако они относятся к импульсным источникам питания, а такие приборы не должны работать без нагрузки. Если к ним не подключен мобильный телефон, ноутбук или плеер, то такие устройства могут перегреться, выйти из строя и привести к возгоранию.

7. Холодильник. Примерно 30-40% потребляемой в доме электрической энергии приходится на холодильник. Необходимо его регулярно размораживать. Это даст 3-5% снижения потребления электроэнергии. Желательно, чтобы холодильник был установлен в наиболее холодном месте комнаты (у наружной стены), подальше от нагревательных приборов. Не устанавливайте холодильник рядом с газовой плитой или радиатором отопления. Это увеличивает расход энергии на 20-30%. Не закрывайте радиатор холодильника, пусть между стеной помещения и задней стенкой холодильника останется зазор. Это позволит радиатору охлаждаться за счет воздушной прослойки. Проверьте чистоту и плотность прилегания уплотнителя холодильника – даже небольшая щель увеличивает расход энергии на 20-30%. Охлаждайте до комнатной температуры продукты перед их помещением в холодильник. Раскладывайте продукты в холодильнике без нагромождения, чтобы обеспечить необходимую циркуляцию воздуха в камере. Не открывайте без причины дверь холодильника и не держите ее слишком долго открытой. При хранении продуктов старайтесь устанавливать терморегулятор в минимальном или среднем положении.

8. Кондиционер. Включайте кондиционер только при закрытых дверях и окнах. Это экономит от 10% до 30% энергии.

9. Электроплита – самый расточительный из бытовых электроприборов. Она потребляет в три раза больше энергии, чем телевизор и в два раза больше энергии, чем холодильник. Выбирайте электроплиты со стеклокерамической или индукционной панелями, они позволяют свести к минимуму теплопотери при готовке и снизить энергозатраты. Правильно подобранная посуда также поможет сократить время приготовления пищи, а соответственно – и количество расходуемой энергии. Готовить пищу экономичнее на «медленном огне», а для доведения до готовности блюда лучше использовать остаточное тепло конфорки. Следите за тем, чтобы конфорки электроплиты не были деформированы и плотно прилегали к днищу нагреваемой посуды. Это исключит излишний расход тепла и электроэнергии. Не включайте плиту заранее и выключайте плиту несколько раньше, чем необходимо для полного приготовления блюда. Наверняка вам уже приходилось сталкиваться со следующим явлением. Закипел на плите чайник, конфорка отключена, но чайник продолжает неистово кипеть. Простой совет: отключение конфорки заранее, еще до закипания чайника на 2–3 минуты, сбережет вам до 20% электрической энергии. Момент отключения вы можете без труда установить по характерному шуму нагреваемой воды, который та начинает производить незадолго до закипания. Нагрев воды до кипения будет продолжаться и после отключения за счет тепловой инерции раскаленной конфорки. Не допускайте бурного кипения воды на включенной на полную мощность конфорке, ведь для кипения на разогретой плите достаточно и гораздо меньшей мощности.

Кстати, пользование электрическим чайником предпочтительнее, чем кипячение воды на плите. КПД чайника 90%, а конфорок электроплиты 50-60%. В этом случае, пользуясь чайником, можно сберечь до 40% электрической энергии. Иными словами, израсходовав одно и то же количество электроэнергии, в чайнике можно нагреть до кипения воды почти вдвое больше, чем на плите. А рекордсменом по эффективности является обычный кипятильник. При его применении практически вся потребляемая электроэнергия расходуется на нагрев воды.

После приготовления пищи одна или две конфорки, как правило, остаются горячими. Следует поставить на них холодную воду перед тем, как заливать ее в чайник или кофеварку. Этим можно сберечь от 10 до 30% электроэнергии (в зависимости от температуры отключенной конфорки) при последующем кипячении, поскольку температура воды, заливаемой в чайник, будет не 8-10°С (температура холодной воды из-под крана), а 25-40°С (после подогрева на остывающей конфорке). Кстати, для приготовления как пищи, так чая и кофе желательно пользоваться предварительно отстоявшейся водой, а не из-под крана. Во-первых, отстаиваясь, вода нагревается почти до комнатной температуры (а это примерно 10% энергосбережения при ее последующем кипячении). Во-вторых, из воды частично уходят элементы, которые используются при ее обеззараживании (например, хлор), что важно для здоровья.

Стремитесь иметь на кухне посуду с утолщенным дном, которая специально предназначена для приготовления пищи на конфорках электроплит.

Не используйте конфорки электроплит для обогрева помещений — толку от этого мало, а риск вывести из строя конфорку, работающую на холостом ходу, велик.

10. При покупке стиральной машины выбирайте объем бака, соответствующий количеству проживающих дома человек: чем их больше, тем больше объем. Стирайте при полной загрузке барабана – так электроэнергии и воды расходуется меньше. В случае неполной загрузки машина израсходует до 15 процентов энергии больше, а при неправильно выбранной программе потери составят до 30 процентов. Устанавливайте оптимальную и более короткую программу стирки, результат которой вас устраивает. Наибольшее количество энергии при машинной стирке уходит на подогрев воды. На стирку при 90° тратится в три раза больше энергии, чем на стирку при 40°. При этом известно, что порошок растворяется и активно реагирует с грязным бельем при 40°.

11. Если есть возможность, приобретите электроутюг с терморегулятором и выключателем на ручке — это, пожалуй, самые экономичные утюги, поскольку работают тогда, когда ими гладят. При эксплуатации утюга старайтесь не перекручивать электрический шнур и регулярно проверяйте его целостность. Сначала прогладьте вещи, которые необходимо обрабатывать при низких температурах, а затем повышайте нагрев утюга по мере необходимости. Не забывайте чистить рабочую поверхность электроутюга, так как это облегчает глажение и экономит электроэнергию. Не пересушивайте белье, так как при этом требуется более нагретый утюг и больше времени. Можно применить одну «хитрость», которая позволит снизить затраты – это воспользоваться алюминиевой фольгой, которую кладут под ткань гладильной доски. Фольга не позволяет рассеиваться тепловой энергии, а сосредотачивает ее в разглаживаемой ткани.

12. Применяйте местные светильники, когда нет необходимости в общем освещении. Многоламповая люстра на потолке обеспечивает освещение всего помещения, но ведет к нежелательному образованию тени при работе за письменным столом, швейной машинкой, в уголке с игрушками. Целенаправленное освещение, несмотря на меньшую мощность ламп, обеспечит лучшую освещенность без нежелательной тени. Следует чаще пользоваться настольной лампой, которая с лампочкой мощностью 30 Вт позволяет достичь лучшей освещенности на рабочем столе, чем люстра с тремя и даже пятью лампочками общей мощностью Вт. В результате двойной выигрыш: сохранение зрения и сбережение электрической энергии.

13. Сделайте возможным комбинированное включение люстры общего освещения – используйте многоклавишные выключатели, позволяющие постепенно включать от одного до нескольких рожков, а не все сразу, в зависимости от ваших потребностей.

14. «Уходя, гасите свет» — это золотое правило известно с советских времен. Учитывая тарифы на электроэнергию, сегодня это выражение более чем актуально. Выключайте свет, не только покидая квартиру, но и уходя из комнаты более чем на 10 минут. Подумайте, нужны ли вам включенные в каждой комнате телевизоры? Часто бывает так, что телевизор работает на кухне, в спальне и в гостиной, а зритель в квартире всего один.

15. Оборудуйте места низкой проходимости в вашем доме (лестничные пролеты, тамбуры, подъезды) приборами автоматического управления освещением. Выключатели с датчиком движения, реле времени, датчики присутствия позволяют сократить почти в 2 раза потребление электроэнергии в местах общего пользования.

16. Настройте домашний компьютер на экономичный режим работы (отрегулируйте яркость монитора, задайте параметры перехода в спящий режим, отключения жестких дисков).

17. Максимально используйте естественное освещение – это один из путей уменьшения расхода электроэнергии на искусственное освещение. Имейте это в виду и следите за чистотой оконных стекол в квартире. Умело сочетайте в доме все три вида искусственного освещения: общее, местное и комбинированное. Приучите себя регулярно, примерно 1 раз в месяц, вытирать пыль со светильников, что обеспечит и чистоту, и улучшение освещенности в доме.

18. Не применяйте электроотопительные агрегаты в доме, если в том нет острой необходимости. Лучше проведите целенаправленную работу по утеплению окон и дверей.

19. Ежемесячно в один и тот же день месяца снимайте показания электросчетчика, сравнивайте потребление электроэнергии в настоящем месяце с предыдущим, анализируйте, отчего произошла экономия (или перерасход) электроэнергии, и делайте соответствующие выводы.

20. Не пытайтесь заниматься хищением электроэнергии. Во-первых, это опасно, а во-вторых, знайте, что не существует такого способа воровства электроэнергии, который бы не раскрыл опытный эксперт-электротехник. Имейте в виду, что с помощью лабораторных исследований легко определить, было ли совершено вмешательство в работу электросчетчика.

В целом, вполне реально сократить потребление электроэнергии на 40-50% без снижения качества жизни и ущерба для привычек.

Справочная информация о системе обслуживания потребителей электроэнергии филиала МРСК Северного Кавказа – «Ставропольэнерго»:

Современные системы накопления энергии

Коммунальный сектор и транспорт стремятся полностью перейти на электрическую энергию, и в связи с этим быстро растет потребность в надежном, эффективном и экономичном аккумулировании энергии и ее отдаче во время пиковых нагрузок. В данной статье речь пойдет о накоплении и хранении энергии в любом виде, не только посредством ее преобразования в химическую и обратно. Батареи, конденсаторы, кинетическая энергия, хранение энергии в виде нагретой или охлажденной жидкости, а также в виде водорода — все это уже доступные и использующиеся решения, дающие широкие возможности. Однако, как обычно и бывает в нашей жизни, идеального метода нет, и каждая из перечисленных технологий, в зависимости от предполагаемого последующего применения накопленной энергии, имеет свои преимущества.

Технологии накопления энергии играют все большую роль в развитии современных систем коммунального энергоснабжения. Например, общая емкость накопления энергии в США уже превысила 2 ГВт·ч, причем недавно ежегодное увеличение объединенных хранилищ энергии приблизилось к 50%. Отрасль продолжает развиваться, адаптируясь к изменениям энергетического ландшафта и внедряя новые технологии.

Поскольку процентное содержание непрерывной генерации энергии на основе углерода в структуре энерго­потребления уступает место менее стабильному производству энергии из возобновляемых источников, накопление энергии представляет собой средство, с помощью которого спорадические поставки могут быть эффективно синхронизированы с колебаниями генерации и спроса в течение любого дня. По мере развития технологий и стратегий накопления энергии мы начинаем видеть возможности генерации энергии при энергетической независимости от прихотей природы.

Системы накопления энергии

Для захвата энергии, произведенной за короткий промежуток времени, с целью ее использования в дальнейшем доступны самые разные средства и технологии. Системы аккумулирования электрической и тепловой энергии являются наиболее распространенными, поэтому при проектировании современных объектов и инженерных систем именно они используются коммунальными предприятиями, которые, в свою очередь, предлагают жильцам зданий такие преимущества, как большая отказоустойчивость, экономия затрат, повышение энергоэффективности и удобство пользования энергией любого типа.

Электрическая энергия

Наибольший рост количества устанавливаемых систем накопления энергии за последнее десятилетие пришелся на электрические системы, такие как аккумуляторные батареи и конденсаторы. Литий-ионные аккумуляторы быстро стали той рабочей лошадкой, которая обычно используется в современных крупных системах аккумулирования энергии. Кроме того, такие аккумуляторные батареи являются основными компонентами и в быстро растущем парке электромобилей.

В качестве примера эффективной батареи можно привести ту, что построил Илон Маск (Elon Musk) в Австралии. Она была введена в эксплуатацию 1 декабря 2017 г. (рис. 1) [4], и уже 14 декабря ей удалось показать себя в деле во время сбоя на местной угольной электростанции.

Рис. 1. Новая система от Tesla — часть предпринимаемых усилий по решению проблем энергоснабжения в Южной Австралии, жители которой сильно страдают от постоянных скачков напряжения и отключений электросети

Кроме того, разрабатываются так называемые проточные или буферные батареи, которые можно использовать с учетом требуемых пиковой емкости и продолжительности компенсации недостающей энергии. Их роль могут выполнять конденсаторы — устройства, хранящие электрическую энергию в форме электростатического заряда, накопленного на их токопроводящих металлических обкладках без химического преобразования.

Энергия, накопленная в конденсаторе, описывается известной со школьной скамьи формулой:

W = ¹/₂Q²/C = ¹/₂C × V²,

где Q — количество заряда, накопленного на конденсаторе, C — емкость конденсатора, а V — напряжение на конденсаторе.

Как видно из приведенного уравнения, максимальное количество энергии, которое может храниться на конденсаторе, зависит от емкости, а также от максимального номинального напряжения конденсатора. Накопленная энергия может быстро высвобождаться из конденсатора благодаря тому, что конденсаторы имеют крайне низкое внутреннее сопротивление. Это свойство часто используется в системах, для которых характерны большие скачки нагрузки. Когда конденсатор подключен к источнику питания, он накапливает энергию (заряжается, не требуя при этом специальных зарядных устройств). При необходимости в порции дополнительной энергии конденсатор отдает накопленную энергию (разряжается), в этом отношении он похож на батарею. Разница в том, что батарея, как уже было сказано, использует электрохимические процессы для накопления энергии, в то время как конденсатор просто хранит электрический заряд. Таким образом, конденсаторы могут выделять накопленную энергию с гораздо более высокой скоростью, чем батареи, поскольку химические процессы для трансформации энергии и ее выхода из батареи требуют больше времени. Однако гораздо чаще конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности, приводящей к потерям в энергосетях.

Механические системы

Механические системы накопления энергии преобразуют электрическую энергию в потенциальную или кинетическую и хранят ее в таком виде, превращая обратно в электрическую, когда это необходимо. Обычно системы, основанные на этом подходе, включают крупные гидроаккумулирующие насосы (пример эффективного применения гидроаккумулирующих электростанций показан на рис. 2), механические маховики и устройства для хранения сжатого воздуха.

Рис. 2. Днестровская ГАЭС (Украина). Расчетная проектная мощность в турбинном режиме составляет 2268 МВт (семь гидроагрегатов по 324 МВт), что делает ее седьмой по мощности ГАЭС в мире, расчетный напор воды — 147,5 м

Тепловые системы

Аккумулирование тепловой энергии позволяет накапливать тепловую энергию (горячую или холодную) и позднее использовать ее, чтобы сбалансировать потребность в энергии между дневным и ночным потреблением или даже в разные климатические сезоны. Чаще всего такая система реализуется в виде емкостей для хранения охлаждающей воды или воды для нагрева (рис. 3), которая может генерироваться в периоды более низкого потребления энергии, а затем отдаваться в пиковое время, поддерживая стратегию ограничения максимальной нагрузки. Другие системы накопления тепловой энергии включают расплавленные соли, хранилище льда и криогенную технику.

Рис. 3. Хранение тепловой энергии поддерживает стратегию ограничения пиковых нагрузок, накапливая охлажденную или нагретую воду, выработанную в периоды с более низким потреблением электроэнергии, для использования в периоды с более высокой нагрузкой. Проект компании Affiliated Engineers

Химические системы

В дополнение к аккумуляторным системам, которые, как правило, основаны на электрохимическом процессе, доступны и другие системы хранения химической энергии, например путем выработки и хранения водорода. Для выработки водорода из воды путем электролиза применяется электрическая энергия. Затем водород сжимается и хранится для будущего использования в генераторах, работающих на водородном топливе, или в топливных элементах, опять превращаясь в воду.

Такой подход позволяет накапливать большие объемы энергии, однако он необязательно будет самым эффективным. Проблема в том, что он сам по себе энергозатратный, поскольку требует большого количества энергии для выделения водорода из воды, природного газа или биомассы, хранения газа путем сжатия или сжижения, передачи энергоносителя пользователю. Также часть энергии теряется при преобразовании в полезную электроэнергию с топливными элементами. Наиболее практичным пока остается получение водорода из природного газа — метана, СH₄. Один из примеров такой установки показан на рис. 4, но в данном случае все равно требуется энергия для его извлечения. Для практического использования остается только примерно 25%.

Рис. 4. Для получения водорода применяется электролиз, после его генерации водород сжимается или сжижается и хранится для последующего его использования в генераторах или топливных элементах. Изображение предоставлено компанией Affiliated Engineers

Преимущества, получаемые от использования систем накопления энергии

Системы накопления энергии могут использовать, чтобы поддержать стабильность ее поставок, снизить затраты и обеспечить устойчивость энергетической системы в целом. Возврат инвестиций будет зависеть от местных цен на коммунальные услуги, любых доступных программ стимулирования коммунальных предприятий для пикового сокращения потребления мощности, возможностей выработки энергии на месте и конкретного профиля нагрузки на определенный объект. Инвестиции могут вернуться довольно быстро: так, аккумуляторная батарея Илона Маска, показанная на рис. 1, согласно отчету Renew Economy [4] всего за несколько дней дала заработать владельцам 1 млн австралийских долларов, или $800 тыс. При этом Австралия является одним из лидеров по развитию возобновляемой энергетики, и наличие эффективного способа хранить такую энергию делает ее крайне дешевой.

Еще одно преимущество систем накопления энергии — их быстрое реагирование. Большинство технологий хранения могут компенсировать нехватку мощности электроэнергии в сети очень быстро, в то время как источники на основе ископаемого топлива имеют тенденцию довольно медленно увеличивать добавочную мощность. Такая скорость важна для обеспечения стабильного энерго­снабжения в случаях, когда происходит неожиданное резкое увеличение нагрузки. В качестве шутки, хорошо иллюстрирующей проблему, можно привести эпизод из известного фильма «Рождественские каникулы» (“National Lampoon’s Christmas Vacation”, 1989), где Кларк Гризволд неожиданно включил все 25 тыс. лампочек рождественской иллюминации. Пришлось запустить дополнительный атомный реактор на АЭС, до его подключения часть районов города оказалась обесточенной.

Резервное питание

Системы накопления энергии могут служить надежным источником резервного питания на случай потери питания от электросети из-за тяжелых погодных условий или иных проблем. Помогая объектам оставаться в рабочем состоянии, такие системы исключают потери из-за сокращения времени простоя и обеспечивают повышенную устойчивость к критическим ситуациям. Один из примеров — источник бесперебойного питания, но возможен и больший масштаб.

Ограничение пика и сдвиг нагрузки

Функциональность систем накопления энергии типа «потребность — ответ» позволяет им участвовать в стимулирующих поставщиков коммунальных услуг программах энерго­потребления, которые направлены на снижение использования энергии в периоды пиковой нагрузки на электрическую сеть.

Цена на энергию, как правило, обычно самая высокая в периоды пикового спроса. Ограничение максимума пиковых нагрузок обычно достигается путем смещения ряда нагрузок на время более низкого спроса на электроэнергию, например за счет ценового стимулирования потребителя с использованием многотарифных счетчиков потребляемой электроэнергии. Однако если сами нагрузки или время их работы не могут быть скорректированы по времени, следует рассмотреть вопрос о применении той или иной технологии накопления энергии.

Именно системы накопления энергии могут поддерживать сглаживание потребления электрической мощности для снижения затрат на электроэнергию. При этом, например, аккумуляторная батарея может заряжаться в периоды низкой нагрузки — в ночное время или в периоды более низкого потребления в течение дня, а также, как батарея Илона Маска (рис. 1), с использованием альтернативных источников энергии. Затем такая батарея разряжается во время периодов высокой нагрузки или аварийного отключения, смягчая воздействие больших нагрузок и сбоев напряжения в пределах объекта или энергосистемы в целом. Такой подход наиболее экономически эффективен для коммунальных потребителей, чей тариф основан на пиковом спросе энергопотребления.

Сдвиг нагрузки (также называемый «управлением тарифами») подобен пиковому сокращению потребляемой мощности, но вместо того, чтобы фокусироваться исключительно на пиковых ценах, он направлен на снижение общих затрат на кВт·ч. По сути, он использует разницу между низкой и высокой стоимостью энергии, сохраняя энергию при низких затратах и отдавая при высоких. Сдвиг нагрузки обычно обеспечивает дополнительную ценность для системы, которая уже предоставляет другие преимущества, такие как ограничение пика (максимума) нагрузки.

Возобновляемая энергия и ее проблемы

Когда возобновляемый источник энергии не может удовлетворить текущую потребность в мощности по причине неподходящих погодных условий (отсутствие достаточных солнечного света или силы ветра) или доступная генерация не соответствует пиковым потребностям в энергии, система накопления энергии может эти разрывы компенсировать, при этом поставка дополнительной энергии от традиционных источников электроэнергии не потребуется. Без накопления энергии или других управляемых источников генерации колебания возобновляемых источников энергии могут создать разрушительные дисбалансы, препятствующие поддержанию стабильности энергосистемы.

Рис. 5. Одна из десяти крупнейших солнечных электростанций Topaz Solar Farm в 2015 г., Калифорния, США [5]

Накопитель энергии также забирает себе избыточную энергию, выработанную возобновляемыми источниками, храня ее до периодов высокого спроса. Это скорее относится к районам с большим количеством солнечных установок, таким как Калифорния (рис. 5), где электрическая сеть насыщается фотоэлектрической энергией даже в то время, когда ее невозможно полностью использовать. График, описывающий потребление энергии, исходя из его формы, часто называют duck curve (буквально — «кривая в форме утки», рис. 6).

Рис. 6. График в виде профиля утки отображает нагрузку по чистой мощности в течение дня, иллюстрируя периоды потенциального перепроизводства и дефицита электроэнергии. Изображение предоставлено компанией Affiliated Engineers

«Кривая в форме утки» отражает полезную нагрузку в течение дня. Происхождение этого термина можно проследить по данным, приводимым California Independent System Operator (Калифорнийским независимым системным оператором) начиная с 2012 г. [2]. Этот некоммерческий независимый системный оператор контролирует работу энергосистемы, линий электропередачи и рынка электроэнергии. Для более подробного объяснения рассмотрим области, где пиковый спрос на энергию возникает после захода солнца, т. е. когда солнечная энергия больше не доступна. В тех случаях, когда энергосистема в основном использует солнечную энергию (в дневное время), в другое время суток должны быть доступны иные источники, которые смогут принять на себя нагрузку в пиковое время потребления мощности.

Кривая спроса на электроэнергию, представляющая общую нагрузку за вычетом мощности, вырабатываемой солнечной энергетикой, как уже было сказано, напоминает силуэт утки. В точке пикового спроса требуется один из двух вариантов энерго­снабжения. Коммунальные службы, для того чтобы принять меры в нужный момент и в том месте, где в реальном времени прекратилось производство фотоэлектрической энергии, должны либо подключать другие источники ее генерации, либо полагаться на накопители энергии. Поскольку хранение энергии — гораздо более гибкое и быстрое, а также более экономичное и устойчивое решение, оно, безусловно, является и наиболее предпочтительным вариантом.

По мере того как феномен кривой в форме утки становится все более распространенным, растет несоответствие почасовых тарифов на энергию. В Калифорнии за последние три года суточные тарифы на электроэнергию по сравнению с прежней ценой за МВт·ч удвоились, и это при том, что цена электроэнергии в полдень из-за ее избыточной генерации солнечными электростанциями резко снизилась до $15 за МВт·ч. Аккумуляторная батарея может помочь смягчить эти проблемы и сгладить изменчивость стоимости электроэнергии в зависимости от времени суток.

Качество электрической энергии

Системы накопления энергии обладают еще одним важным преимуществом — возможностью частотного регулирования. Это позволяет конкретному объекту поддерживать работу энергосистемы в целом и решать одну из ее основных задач, а именно обеспечивать постоянную частоту генерируемого напряжения переменного тока. Как известно, электрическая система все время находится в динамическом состоянии и постоянно балансирует между предложением (генерацией) и спросом (потреблением). Способность отдельной системы накопления энергии поглощать или высвобождать энергию, а также быстро компенсировать пики потребления представляет собой потенциальную услугу балансирования, приносящую доход, и необходимую дополнительную защиту от проблем, связанных со снижением качества электроэнергии, что часто является характерной чертой систем генерации энергии из возобновляемых источников.

Повышение платы за коммунальные услуги часто связано с нагрузками на объекты с низким коэффициентом мощности. Более высокая стоимость обусловлена более низким коэффициентом мощности, а низкие коэффициенты мощности могут вызвать проблемы с качеством электроэнергии. Система накопления энергии может повысить коэффициент мощности объекта, одновременно обеспечивая улучшение качества электроэнергии и экономию на ежемесячных счетах за коммунальные услуги.

Энергетические системы четвертого поколения

Хранение энергии играет важную роль и в системах городского теплоснабжения и охлаждения. Системы распределенного теплоснабжения используются с 1880-х гг. и до сих пор продолжают развиваться. Через городскую энергосистему различные источники, связанные с отоплением и охлаждением, также могут быть дополнены соответствующим хранилищем. Один из таких проектов в виде системы хранения тепловой энергии охлажденной воды для организации Национальных институтов здоровья (National Institutes of Health) США, выполненный компанией Affiliated, показан на рис. 3 [6]. По мере появления новых идей и технологий возможны бо́льшие эффективность и диверсификация.

В публикации 2015 г. “District Energy in Cities: Unlocking the Potential of Energy Efficiency and Renewable Energy” («Распределенная энергетика в городах: раскрытие потенциала энергоэффективности и возобновляемых источников энергии») [3] в рамках программы Организации Объединенных Наций по охране окружающей среды упоминается будущий стандарт городских энерго­систем как «систем четвертого поколения». Эта статья содержит рекомендации от представителей правительств разных стран и лучших в плане энергоэффективности городов по внедрению устойчивых отопления и охлаждения. Распределенное теплоснабжение, наряду с программами повышения энергоэффективности и переходом к системам четвертого поколения, позволяет получать больше отдачи от отработанного тепла и возобновляемых источников энергии в энергосистеме и обеспечивает балансирование переменных возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия и ветер.

Системы четвертого поколения работают при более низких температурах воды, что приводит к снижению потерь тепла по сравнению с предыдущими поколениями и позволяет использовать различные источники для его получения, такие как отходы, геотермальный обмен, солнечное тепло, комбинированное тепло и рекуперация энергии и тепла. В сочетании с накопителем тепловой энергии и интеллектуальным управлением такая система становится экономичным способом интеграции возобновляемой энергии и технологий накопления в повсе­дневную практику предоставления услуг энергосистемами.

Электрификация производства энергии. Транспорт

Современные энергетические (в общем понимании) и коммунальные системы становятся все более электрифицированными. Из-за развертывания все большего количества систем распределенной выработки энергии и, соответственно, распределенного ее накопления местные (традиционные) на основе топлива или возобновляемые источники энергии, а также технологии накопления энергии должны быть в состоянии стать взаимосвязанными — для обслуживания объекта, кампуса, города или какого-либо района. В таких случаях для получения электроэнергии могут использоваться, например, генераторы на природном газе, микротурбины, топливные элементы, солнечные фотоэлектрические системы, ветроэнергетические установки, комбинированные системы совместного производства теплоты и энергии (когенерационные установки). Метод накопления охлажденной воды и ее нагрева вместо сжигания ископаемого топлива максимально увеличивает коэффициент использования электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии, а также экономическую эффективность систем хранения электрической энергии. В свою очередь, электрические распределительные и передающие системы должны быть в состоянии приспособиться к большей электрификации самих источников энергии и накопительных нагрузок.

Для того чтобы выполнить эти условия, в течение нескольких лет использовались микросети. Как локализованная электрическая сеть, кампусы и другие районы аналогичного размера могут генерировать и накапливать электроэнергию из различных распределенных энергетических ресурсов, включая возобновляемые источники энергии. Уравновешивая ресурсы спроса и предложения (в том числе тепловую и электрическую нагрузку) в пределах определенных границ, именно микросетевая система обеспечивает отказоустойчивость, энергоэффективность и экономию затрат.

Еще один важный момент, который в какой-то момент начал оказывать влияние на нагрузку электросетей, связан с изменением парадигмы личного автотранспорта. По мере того как потребительский выбор смещается в сторону электромобилей и других альтернативных видов транспорта, все более актуальным становится удовлетворение потребности в соответствующей инфраструктуре, направленной на энергоснабжение этих электрифицированных транспортных средств. Подобно изменяющейся мощности возобновляемых источников энергии, переменная нагрузка из-за зарядки электромобилей, вероятно, превысит способность имеющихся систем выработки энергии соответствовать растущему спросу. Легко представить такой вариант развития событий, в котором все сотрудники одновременно приходят на работу и ставят свои электромобили на зарядку — или наоборот, когда люди возвращаются домой в конце дня и тоже подключают их подзарядиться. Интеграция дополнительных ресурсов накопления энергии в электрическую систему может помочь обеспечить требуемую энергию наиболее экономичным способом, используя для этого предварительно запасенную энергию в периоды низкой нагрузки, и система сможет быстро реагировать на повышенное потребление.

На чем основаны энергетические системы разных поколений

Первое поколение (1880–1930 гг.):

• местное отопление;
• системы на основе перегретого (высокотемпературного) пара;
• уголь.

Второе поколение (1930–1980 гг.):

• районное теплоснабжение;
• высокотемпературная система водяного отопления под давлением;
• комбинированные тепло и электрическая мощность;
• уголь, мазут.

Третье поколение (1980–2020 гг.):

• районное теплоснабжение;
• горячая вода средней температуры;
• комбинированные системы выработки тепла и электрической мощности;
• газ, уголь, мазут, энергетическое сырье из биомассы;
• крупномасштабные солнечные электростанции.

Четвертое поколение (2020–2050 гг.):

• районное теплоснабжение;
• горячая вода низкой температуры;
• централизованный нагрев и охлаждение;
• накопление и хранение электрической и тепловой энергии;
• рекуперация тепла;
• комбинированные системы выработки тепла и электрической мощности;
• энергетическое сырье из биомассы;
• геотеплообмен через геотермальные насосы;
• возобновляемая энергия: энергия солнца и ветра.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности

1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности

Что представляет собой понятие «энергия», которое мы так часто используем? «Энергия» (греч. ενεργια – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи. По большому счету понятие энергии, идея энергии искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия – это плод мысли человека, его «изобретение», построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией. Для этой физической величины долгое время употреблялся термин «живая сила», введенный И. Ньютоном. Впервые в истории в понятие «живая сила» смысл «энергия», не произнося ещё этого слова, вкладывает Роберт Майер в статье «Замечания о силах неживой природы», опубликованной в 1842 году. Специальный термин «энергия» был введен в 1807 г. английским физиком Томасом Юнгом и обозначал величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела. В науку термин «энергия» в современном его смысле ввел Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1860 году.

Энергия проявляется в различных формах движения материи, заполняющей все мировое пространство. Свойством, присущим всем видам энергии и объединяющим их, является способность каждого вида энергии переходить при определенных условиях в любой другой ее вид в строго определенном количественном соотношении. Само название этого свойства – «закон сохранения и превращения энергии» – было введено в научное обращение Ф. Энгельсом, что позволило все виды энергии измерять в одних единицах. В качестве такой единицы принят джоуль (1 Дж =1 H · м =1 кг · м 2 /с 2). В то же время для измерения количества теплоты используют «старую» единицу – 1 кал (калория), для измерения механической энергии – величину 1 кГм = 9,8 Дж, электрической энергии – 1 кВт · ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт · с.

Почти все виды энергии, рассматриваемые в технической термодинамике, за исключением тепловой, представляют собой энергию направленного движения. Так, механическая энергия проявляется в непосредственно наблюдаемом движении тел, имеющем определенное направление в пространстве (движение газа по трубе, полет снаряда, вращение вала и т. п.). Электрическая энергия проявляется в скрытом движении электронов по проводнику (электрический ток). Тепловая энергия выражается в молекулярном и внутримолекулярном хаотическом движении, представляя собой энергию хаотического движения атомов и молекул вещества. Тепловая энергия газов проявляется в колебательном, вращательном и поступательном движении молекул, которые постоянно меняют свою скорость по величине и направлению. При этом каждая молекула может беспорядочно перемещаться по всему объему газа. В твердых телах тепловая энергия проявляется в колебаниях молекул и атомов относительно положений, определяемых кристаллической структурой вещества, в жидкостях – в колебании и перемещении молекул или их комплексов. Следовательно, коренным отличием тепловой энергии от других видов энергии является то, что она представляет собой энергию не направленного, а хаотического движения. В результате этого превращение тепловой энергии в любой вид энергии направленного движения имеет свои особенности, изучение которых и является одной из главных задач технической термодинамики.

Каждое тело в любом его состоянии может обладать одновременно различными видами энергии, в том числе тепловой, механической, электрической, химической, внутриядерной, а также потенциальной энергией различных физических полей (гравитационного, магнитного, электрического). Сумма всех видов энергии, которыми обладает тело, представляет собой полную его энергию.

Тепловая, химическая и внутриядерная энергии входят в состав внутренней энергии тела. Все прочие виды энергии, связанные с перемещением тела, а также потенциальная энергия внешних физических полей относятся к его внешней энергии. Например, внешней энергией летящего снаряда в зоне действия сил земного притяжения будет сумма его кинетической Е к и потенциальной энергии гравитационного поля E п. г.. Если газ или жидкость движутся непрерывным потоком в трубе, то в их внешнюю энергию дополнительно входит энергия проталкивания, иногда называемая энергией давления Е пр.

Внешняя энергия, следовательно, представляет собой сумму

Е в н = Е к + Σ Е п i +Е п р, где Е п i – потенциальная энергия i -го поля (магнитного, электростатического и т. д.).

Внутренняя энергия тела U может быть представлена как бы состоящей из двух частей: внутренней тепловой энергии U Т и U 0 – внутренней нулевой энергии тела, условно охлажденного до абсолютного нуля температуры:

U=U 0 +U Т .

Внутренней тепловой энергией является та часть полной внутренней энергии тела, которая связана с тепловым хаотическим движением молекул и атомов и может быть выражена через температуру тела и другие его параметры. Поскольку температура реального тела только частично отражает его внутреннюю тепловую энергию, изменение последней может иметь место и при постоянной температуре тела. Примерами этого являются процессы испарения, плавления, сублимации, в которых происходит фазовое превращение и меняется степень хаотичности молекулярного движения.

Таким образом, полная энергия тела в общем случае может быть представлена в виде суммы внутренней нулевой U 0, внутренней тепловой U Т, внешней кинетической Е к энергий, совокупных внешних потенциальных Σ Е п i энергий и энергии проталкивания Е п р :Е=U 0 +U Т +Е к + Σ Е п i +Е п р.

Каждая из этих составляющих полной энергии может при определенных условиях превращаться одна в другую. Например, в химических реакциях имеет место взаимное превращение U 0 вU Т. Если реакция экзотермическая, то часть нулевой энергии превращается в тепловую. Нулевая энергия полученных веществ оказывается меньшей, чем исходных, – происходит «выделение тепла». В эндотермических реакциях отмечается обратное явление: нулевая энергия увеличивается за счет уменьшения тепловой энергии – происходит «поглощение тепла».

В процессах, не связанных с изменением химического состава вещества, нулевая энергия не изменяется и остается постоянной. В этих условиях изменяется только внутренняя тепловая энергия. Это позволяет в различных расчетных уравнениях учитывать изменение лишь внутренней тепловой энергии, которую в дальнейшем будем называть просто внутренней энергией U. Если однородное тело массой m имеет внутреннюю энергию U,то внутренняя энергия 1 кг этого тела u=U/m.

Величину и называют удельной внутренней энергией и измеряют в Дж/кг.

Внешняя кинетическая энергия (Дж) представляет собой энергию поступательного движения тела как целого и выражается формулой

E к =mw 2 /2, где m – масса тела, кг; w – скорость движения, м/с.

Внешняя потенциальная энергия как энергия направленного действия статических полей может быть выражена через возможные работы каждого поля от заданного положения до каких-то нулевых. Так, потенциальная энергия гравитационного поля выражается как произведение силы тяжести mg этого тела на его высоту H над каким-либо нулем отсчета:

E = mgH.

Здесь высота H представляет собой соответствующую координату.

Энергия проталкивания Е п р представляет собой дополнительную энергию вещества, возникающую в системе за счет воздействия на него других частей системы, стремящихся вытолкнуть это вещество из занимаемого сосуда. Так, при течении газа (или пара) по трубе или какому-либо каналу в условиях сплошного потока каждый килограмм этого газа, кроме внутренней и внешних кинетической и потенциальных энергий, обладает еще дополнительной, переносимой на себе энергией проталкивания:

E пр . =p υ,

где p – удельное давление; υ – удельный объем (объем 1 кг массы вещества).

Для газов, паров и жидкостей, находящихся в потоке, величина p υ (или pV для m кг вещества) определяет неотъемлемую часть их

энергии. Поэтому для веществ, находящихся в сплошном потоке, определяющим параметром будет уже не внутренняя энергия U, а сумма U+pV=I, называемая энтальпией. Для 1 кг вещества i =u+ p υ, где i – в Дж/кг.

Такой же энергией i обладает и 1 кг газа, находящийся в цилиндре, при вытеснении его поршнем.

Полная энергия рассматриваемой системы, состоящей из 1 кг газа и действующего на него поршня, будет равна сумме внутренней энергии и газа и энергии p υ его выталкивания, т. е. равна его энтальпии. На этом основании энтальпию часто называют энергией расширенной системы.

Определение и примеры тепловой энергии

Большинство людей используют слово тепло для описания чего-то, что кажется теплым, однако в науке в уравнениях термодинамики, в частности, тепло определяется как поток энергии между двумя системами посредством кинетической энергии. Это может принимать форму передачи энергии от теплого объекта к более холодному. Проще говоря, тепловая энергия, также называемая тепловой энергией или просто теплом, передается из одного места в другое за счет столкновения частиц друг с другом.Все вещества содержат тепловую энергию, и чем больше тепловой энергии присутствует, тем горячее будет предмет или область.

Зависимость тепла от температуры

Разница между теплом и температурой тонкая, но очень важная. Тепло относится к передаче энергии между системами (или телами), тогда как температура определяется энергией, содержащейся в особой системе (или теле). Другими словами, тепло — это энергия, а температура — это мера энергии. Добавление тепла увеличивает температуру тела, а удаление тепла снижает температуру, поэтому изменения температуры являются результатом присутствия тепла или, наоборот, его недостатка.

Вы можете измерить температуру в комнате, поместив в нее термометр и измерив температуру окружающего воздуха. Вы можете добавить тепла в комнату, включив обогреватель. По мере того, как в комнату добавляется тепло, температура повышается.

Частицы обладают большей энергией при более высоких температурах, и поскольку эта энергия передается от одной системы к другой, быстро движущиеся частицы будут сталкиваться с более медленными частицами. Когда они сталкиваются, более быстрая частица передаст часть своей энергии более медленной частице, и процесс будет продолжаться до тех пор, пока все частицы не начнут работать с одинаковой скоростью.Это называется тепловым равновесием.

единиц тепла

Единица измерения тепла в системе СИ — это форма энергии, называемая джоуль (Дж). Тепло часто также измеряется в калориях (кал), которые определяются как «количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма воды с 14,5 до 15,5 градусов по Цельсию». Тепло также иногда измеряется в британских тепловых единицах или британских тепловых единицах.

Условные обозначения для передачи тепловой энергии

В физических уравнениях количество переданного тепла обычно обозначается символом Q.Теплопередача может обозначаться как положительным, так и отрицательным числом. Тепло, выделяемое в окружающую среду, записывается как отрицательная величина (Q <0). Когда тепло поглощается из окружающей среды, это записывается как положительное значение (Q> 0).

Способы передачи тепла

Есть три основных способа передачи тепла: конвекция, теплопроводность и излучение. Многие дома обогреваются за счет процесса конвекции, который передает тепловую энергию через газы или жидкости.В доме, когда воздух нагревается, частицы получают тепловую энергию, позволяя им двигаться быстрее, нагревая более холодные частицы. Поскольку горячий воздух менее плотный, чем холодный, он будет подниматься. По мере того, как более холодный воздух падает, он может быть втянут в наши системы отопления, что снова позволит более быстрым частицам нагреть воздух. Это считается круговым потоком воздуха и называется конвекционным потоком. Эти токи кружат и обогревают наши дома.

Процесс теплопроводности — это передача тепловой энергии от одного твердого тела к другому, по сути, это две соприкасающиеся вещи.Мы можем увидеть, как это можно увидеть, когда мы готовим на плите. Когда мы ставим холодную сковороду на горячую конфорку, тепловая энергия передается от конфорки к сковороде, которая, в свою очередь, нагревается.

Излучение — это процесс, при котором тепло движется через места, где нет молекул, и на самом деле представляет собой форму электромагнитной энергии. Любой предмет, тепло которого можно почувствовать без прямого подключения, излучает энергию. Вы можете увидеть это по солнечному зною, по ощущению тепла, исходящего от костра, находящегося в нескольких футах от вас, и даже в том факте, что комнаты, заполненные людьми, естественно, будут теплее, чем пустые комнаты, потому что тело каждого человека излучает тепло.

Тепловая энергия — Science Learning Hub

Большинство из нас используют слово «тепло» для обозначения чего-то, что кажется теплым, но наука определяет тепло как поток энергии от теплого объекта к более холодному.

На самом деле тепловая энергия есть повсюду вокруг нас — в вулканах, в айсбергах и в вашем теле. Вся материя содержит тепловую энергию.

Тепловая энергия является результатом движения крошечных частиц, называемых атомами, молекулами или ионами, в твердых телах, жидкостях и газах. Тепловая энергия может передаваться от одного объекта к другому.Передача или поток из-за разницы температур между двумя объектами называется теплом.

Например, кубик льда обладает тепловой энергией, как и стакан лимонада. Если вы добавите лед в лимонад, лимонад (более теплый) передаст часть своей тепловой энергии льду. Другими словами, он нагреет лед. В конце концов лед растает, и лимонад и вода изо льда будут одинаковой температуры. Это называется достижением состояния теплового равновесия.

Движущиеся частицы

Материя окружает вас повсюду. Это все во Вселенной — все, что имеет массу и объем и занимает пространство, является материей. Материя существует в разных физических формах — твердых телах, жидкостях и газах.

Вся материя состоит из крошечных частиц, называемых атомами, молекулами и ионами. Эти крошечные частицы всегда находятся в движении — либо сталкиваются друг с другом, либо колеблются взад и вперед. Именно движение частиц создает форму энергии, называемую тепловой (или тепловой) энергией, которая присутствует во всем веществе.

Частицы в твердых телах плотно упакованы и могут только вибрировать. Частицы в жидкостях также колеблются, но могут перемещаться, перекатываясь друг по другу и скользя. В газах частицы свободно перемещаются быстрыми случайными движениями.

Передача тепловой энергии — частицы при столкновении

При более высоких температурах частицы обладают большей энергией. Часть этой энергии может передаваться другим частицам, имеющим более низкую температуру. Например, в газовом состоянии, когда быстро движущаяся частица сталкивается с более медленной частицей, она передает часть своей энергии более медленно движущейся частице, увеличивая скорость этой частицы.

Когда миллиарды движущихся частиц сталкиваются друг с другом, область с высокой энергией будет медленно передаваться по материалу, пока не будет достигнуто тепловое равновесие (температура одинакова по всему материалу).

Изменение состояний за счет теплопередачи

Быстрее движущиеся частицы «возбуждают» близлежащие частицы. При достаточном нагревании движение частиц в твердом теле увеличивается и преодолевает связи, удерживающие частицы вместе. Вещество меняет свое состояние с твердого на жидкое (тает).Если движение частиц в жидкости еще больше увеличивается, то достигается стадия, когда вещество превращается в газ (испарение).

Три способа передачи тепловой энергии

Вся тепловая энергия, включая тепло, генерируемое огнем, передается разными способами:

Конвекция передает тепловую энергию через газы и жидкости. Когда воздух нагревается, частицы получают тепловую энергию, позволяя им перемещаться все быстрее и дальше друг от друга, неся тепловую энергию с собой.Теплый воздух менее плотный, чем холодный, и поднимается вверх. Более холодный воздух поступает снизу, чтобы заменить поднявшийся воздух. Он нагревается, поднимается и снова заменяется более холодным воздухом, создавая круговой поток, называемый конвекционным током. Эти токи кружатся и нагревают комнату.

Conduction передает тепловую энергию твердым телам. Движущиеся частицы теплого твердого материала могут увеличивать тепловую энергию частиц в более холодном твердом материале, передавая ее непосредственно от одной частицы к другой.Поскольку частицы расположены ближе друг к другу, твердые тела проводят тепло лучше, чем жидкости или газы.

Излучение — это метод передачи тепла, который не требует, чтобы частицы переносили тепловую энергию. Вместо этого тепло передается в инфракрасных волнах (часть электромагнитного спектра). Тепловые волны исходят от горячих объектов во всех направлениях со скоростью света, пока не ударяются о другой объект. Когда это происходит, тепловая энергия, переносимая волнами, может либо поглощаться, либо отражаться.

Огонь иллюстрирует три различных метода теплопередачи. Например, топка будет нагреваться за счет конвекции. Воздух над огнем будет теплым из-за конвекции. Вы можете согреть руки рядом с огнем благодаря лучистой теплопередаче.

Эффект теплового расширения

Когда газы, жидкости и твердые тела нагреваются, они расширяются. По мере остывания они сокращаются или уменьшаются. Расширение газов и жидкостей происходит потому, что частицы движутся очень быстро, когда они нагреваются, и могут расходиться дальше друг от друга, поэтому они занимают больше места.Если газ или жидкость нагреваются в закрытом контейнере, частицы сталкиваются с стенками контейнера, и это вызывает давление. Чем больше количество столкновений, тем больше давление.

Иногда, когда горит дом, окна вылетают наружу. Это происходит потому, что воздух в доме нагрет и возбужденные молекулы с большой скоростью перемещаются по комнате. Они упираются в стены, потолок, пол и окна. Поскольку окна являются самой слабой частью конструкции дома, они ломаются и лопаются, выпуская повышенное давление.

Тепловая энергия — источники и примеры

Тепло — это форма энергии, которая передается от вещества с более высокой температурой к веществу с более низкой температурой. Добавление тепла к веществу увеличивает его внутреннюю температуру. Тепло определяется как чистое количество тепловой энергии системы.

Тепловая энергия вырабатывается за счет движения субатомных частиц, таких как атомы, ионы и молекулы, к твердым телам, газам и жидкостям.Передача тепла от одной системы к другой происходит из-за разницы температур между двумя системами.

Изображение будет загружено

Все формы материи содержат тепловую энергию. Независимо от того, вулкан это или кубик льда, в нем есть некоторое количество тепла.

Источники тепла

В природе существуют различные формы энергии, такие как механическая энергия, звуковая энергия, световая энергия, электрическая энергия, приливная энергия, тепловая энергия и т. Д. Тепловая энергия генерируется за счет передачи тепла от теплой системы к классной системе.Тепловая энергия является важной формой энергии в нашей повседневной деятельности, такой как приготовление пищи, отопление, глажка и т. Д. Объект или система, из которых получается тепловая энергия, называется источником тепловой энергии. Вот некоторые из основных источников тепловой энергии, упомянутые ниже:

Солнце, часть солнечной системы, является основным источником тепловой энергии для Земли. Жизнь на Земле возможна только благодаря наличию солнечного света. Форма энергии, получаемая от солнца, называется солнечной энергией.

Тепловая энергия, получаемая от земли, называется геотермальной энергией. Его можно найти в горячей воде и скалах, присутствующих под землей. Тепло также находится в форме расплавленных горных пород и магмы глубоко внутри земной коры.

Воздух также является важным источником тепловой энергии. Он используется в тепловых насосах как для коммерческих, так и для жилых целей.

Сжигание топлива дает тепловую энергию. Топливо — это горючее вещество, наполненное энергией, которое при сгорании генерирует энергию.Древесина, уголь, керосин, бензин, бензин, дизельное топливо, нефть и древесный уголь — вот некоторые из распространенных видов топлива.

Электрическая энергия может быть преобразована в тепловую. Утюг, водонагреватель и индукционная плита — вот некоторые из устройств, которые преобразуют электрическую энергию в тепловую. Это основано на принципе нагревающего воздействия электрического тока.

Как передается тепловая энергия?

Существует три способа передачи тепла, а именно:

1. Конвекция — это процесс передачи тепла, который происходит из-за фактического движения частиц.Обычно это происходит в жидкостях и газах. Когда воздух нагревается; он становится горячим и переносит тепловую энергию. Теплый воздух имеет меньшую плотность по сравнению с холодным, поэтому теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз, заполняя пространство. Этот прохладный воздух становится теплее и поднимается вверх. Этот процесс продолжается и вызывает конвекционный ток.

Изображение будет загружено в ближайшее время.

2. Проводимость. Это процесс теплопередачи, который происходит из-за колебаний молекул относительно их среднего положения.Проводимость происходит от одной части системы к другой части или в двух системах, которые контактируют друг с другом. Из-за плотной упаковки молекул твердые тела проводят тепло лучше, чем жидкости и газы.

Изображение будет загружено в ближайшее время.

3. Излучение — это метод передачи тепла, который использует электромагнитные волны (инфракрасные волны) для передачи тепла из одного места в другое. Этот процесс не требует какой-либо среды для передачи тепла. Горячие объекты излучают тепловые волны во всех направлениях со скоростью света.Когда тепловые волны ударяются о предмет, он либо отражает, либо поглощает волну.

Изображение будет загружено в ближайшее время

Примеры тепловой энергии

Если составляющая частица объекта возбуждается за счет получения энергии, частица перемещается или вибрирует быстро, и объект считается горячим. В то время как, если частицы имеют меньшую энергию, они не будут вибрировать, и объект называется холодным. Тепло — это передача энергии между этими объектами из-за разницы температур.

Вот несколько примеров тепловой энергии:

● Солнце — самый большой источник тепловой энергии в нашей солнечной системе. Он излучает тепло, которое достигает Земли в виде излучения.

● Плита действует как источник тепловой энергии, когда сжигает газ. Все, что находится над плитой, также становится источником энергии для приготовления пищи.

● Автомобильное топливо также является источником тепловой энергии. Когда топливо горит, оно дает энергию для движения автомобиля.

● Чашка горячего чая или кофе содержит тепловую энергию.

● Когда вы держите кусок льда в ладони, тепловая энергия вашей руки растапливает лед.

● Радиатор, система отопления или комнатный обогреватель обеспечивает необходимую лучистую тепловую энергию для обогрева вашего дома в зимний период.

● Обычная печь является источником конвекционной тепловой энергии; еда становится горячей, когда ее кладут в нее.

Что такое тепловая энергия? Примеры тепловой энергии

Тепловая энергия — это результат движения частиц, называемых молекулами и атомами.Эта энергия может передаваться от одного объекта к другому из-за разницы температур.

Когда мы касаемся любого материала, проводящего тепло, если его температура выше, чем у нашего тела, мы чувствуем тепло. Мы передаем этому материалу тепловую энергию от наших тел.

Единицей тепловой энергии в ИС является Джоуль (Дж).

Что такое определение тепловой энергии?

Определение тепловой энергии — это проявление энергии в форме тепла.Во всех материалах атомы, составляющие их молекулы, находятся в непрерывном движении, либо движутся, либо колеблются. Ее еще называют тепловой энергией.

Подвижные частицы подразумевают, что атомы и молекулы обладают определенной кинетической энергией. Внутренняя энергия — это энергия этих частиц. Следовательно, тепловая энергия — это внутренняя энергия тела. Если кинетическая энергия увеличивается, частицы движутся быстрее и получают более высокие температуры.

Внутренняя энергия термодинамической системы может быть изменена двумя способами: путем выполнения работы с системой и путем обмена теплом с окружающей средой.

Примеры тепловой энергии

Этот тип энергии часто связывают с другими видами тепловой энергии. Вот несколько примеров тепловой энергии:

• Атомная энергия. В процессе деления ядер выделяется большое количество тепловой энергии.

• Химическая энергия; химические реакции могут поглощать или выделять тепло.

• Геотермальная энергия использует тепло из недр Земли.

• Ископаемое топливо, используемое при сжигании ископаемого топлива (например, тепловые двигатели).

• В системах отопления используется конвекционная теплопередача для получения теплого воздуха. Поскольку воздух — это жидкость, разница в температуре способствует конвекции; горячий воздух поднимается вверх, а холодный — вниз. Чем больше движения, тем сильнее теплообмен с окружающим воздухом.

Как передается тепловая энергия?

Слово «тепло» используется для описания энергии, передаваемой в термодинамическую систему или из нее.

Эта форма энергии может передаваться от одного тела к другому в соответствии с законами термодинамики тремя различными способами: излучением, проводимостью и конвекцией.

• Радиационная теплопередача; энергия передается посредством электромагнитного излучения (электромагнитных волн).

• Теплопроводность — это передача тепла от горячего тела, находящегося в физическом контакте с более холодным телом. Материалы, которые легко справляются с этим, называются проводниками тепла.

• Конвекционная теплопередача происходит, когда горячие молекулы перемещаются с одной стороны на другую. Этот метод передачи тепла был бы в случае ветра, способного перемещать молекулы с определенной тепловой энергией.

Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза, но мы можем ощущать его как тепло. Эти волны возникают на частотах выше частот микроволн и чуть ниже частот видимого красного света.

Конвекция и теплопроводность — два наиболее известных метода теплопередачи в жидкостях и газах. Молекулы в газе или жидкости, контактирующие с твердым телом, передают или поглощают тепло к этому телу или от него, а затем удаляются.

Термодинамика: определение и законы | Живая наука

Термодинамика — это раздел физики, изучающий отношения между теплом и другими формами энергии.В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и из них, и как она влияет на материю.

Тепловая энергия — это энергия, которую вещество или система имеет благодаря своей температуре, то есть энергия движущихся или колеблющихся молекул, согласно веб-сайту Energy Education Агентства образования Техаса. Термодинамика включает в себя измерение этой энергии, что, по словам Дэвида Макки, профессора физики Южного государственного университета Миссури, может быть «чрезвычайно сложным».«Системы, которые мы изучаем в термодинамике … состоят из очень большого числа атомов или молекул, взаимодействующих сложным образом. Но, если эти системы соответствуют правильным критериям, которые мы называем равновесными, их можно описать с помощью очень небольшого количества измерений или Часто это идеализируется как масса системы, давление в системе и объем системы или какой-либо другой эквивалентный набор чисел. Три числа описывают номинальные независимые переменные 10 ²⁶ или 10 ³⁰ .»

Heat

Термодинамика, таким образом, касается нескольких свойств материи; прежде всего, тепло. Согласно Energy Education, тепло — это энергия, передаваемая между веществами или системами из-за разницы температур между ними. Как форма энергии , тепло сохраняется, то есть его нельзя создать или разрушить. Однако оно может передаваться из одного места в другое. Тепло также может преобразовываться в другие формы энергии и из них. Например, паровая турбина может преобразовывать тепло в кинетическая энергия для работы генератора, преобразующего кинетическую энергию в электрическую.Лампочка может преобразовывать эту электрическую энергию в электромагнитное излучение (свет), которое при поглощении поверхностью преобразуется обратно в тепло.

Температура

Количество тепла, передаваемого веществом, зависит от скорости и количества движущихся атомов или молекул, согласно Energy Education. Чем быстрее движутся атомы или молекулы, тем выше температура и чем больше атомов или молекул находится в движении, тем большее количество тепла они переносят.

Температура — это «мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества, выраженная в единицах или градусах, обозначенных на стандартной шкале», согласно словарю American Heritage Dictionary.Наиболее часто используемой температурной шкалой является Цельсия, которая основана на точках замерзания и кипения воды, присваивая соответствующие значения 0 градусов C и 100 градусов C. Шкала Фаренгейта также основана на температурах замерзания и кипения воды, которые были заданы. значения 32 F и 212 F соответственно.

Ученые всего мира, однако, используют шкалу Кельвина (K без знака градуса), названную в честь Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина, потому что она работает в расчетах. Эта шкала использует то же приращение, что и шкала Цельсия, т.е.е. изменение температуры на 1 C равно 1 K. Однако шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, температуры, при которой полностью отсутствует тепловая энергия и все молекулярные движения прекращаются. Температура 0 K равна минус 459,67 F или минус 273,15 C.

Удельная теплоемкость

Количество тепла, необходимое для повышения температуры определенной массы вещества на определенное количество, называется удельной теплоемкостью или удельной теплоемкостью. емкость, согласно Wolfram Research. Традиционной единицей измерения является калорий на грамм на кельвин.Калорийность определяется как количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма воды при 4 C на 1 градус.

Удельная теплоемкость металла почти полностью зависит от количества атомов в образце, а не от его массы. Например, килограмм алюминия может поглотить в семь раз больше тепла, чем килограмм свинца. Однако атомы свинца могут поглощать только примерно на 8 процентов больше тепла, чем такое же количество атомов алюминия. Однако данная масса воды может поглотить почти в пять раз больше тепла, чем равная масса алюминия.Удельная теплоемкость газа более сложна и зависит от того, измеряется ли она при постоянном давлении или постоянном объеме.

Теплопроводность

Теплопроводность ( k ) — это «скорость, с которой тепло проходит через указанный материал, выраженная как количество тепла, протекающего в единицу времени через единицу площади с температурным градиентом в один градус на единицу. расстояние », согласно Оксфордскому словарю. Единица измерения для k — ватты (Вт) на метр (м) на кельвин (К).Значения k для металлов, таких как медь и серебро, относительно высоки и составляют 401 и 428 Вт / м · К соответственно. Это свойство делает эти материалы полезными для автомобильных радиаторов и ребер охлаждения для компьютерных микросхем, поскольку они могут быстро отводить тепло и обмениваться им с окружающей средой. Наивысшее значение k для любого природного вещества — алмаз при 2200 Вт / м · К.

Другие материалы полезны, потому что они очень плохо проводят тепло; это свойство называется термическим сопротивлением или значением R , которое описывает скорость, с которой тепло передается через материал.Эти материалы, такие как минеральная вата, гусиный пух и пенополистирол, используются для изоляции внешних стен зданий, зимних пальто и термокружек. R — значение дано в квадратных футах, умноженных на градусы Фаренгейта, умноженные на часы на британские тепловые единицы (футы ² · ° F · ч / британские тепловые единицы) для плиты толщиной 1 дюйм.

Закон охлаждения Ньютона

В 1701 году сэр Исаак Ньютон впервые изложил свой закон охлаждения в короткой статье под названием «Scala Grauuum Caloris» («Шкала градусов тепла») в «Философских трудах Королевского общества».Утверждение закона Ньютона переводится с оригинального латинского языка как «превышение степеней жары … было в геометрической прогрессии, когда время в арифметической прогрессии». Вустерский политехнический институт дает более современную версию закона, поскольку «скорость изменения температуры пропорциональна разнице между температурой объекта и окружающей среды».

Это приводит к экспоненциальному спаду разницы температур.Например, если в течение определенного времени поместить теплый предмет в холодную ванну, разница в их температурах уменьшится вдвое. Затем за тот же промежуток времени оставшаяся разница снова уменьшится вдвое. Это повторное уменьшение вдвое разницы температур будет продолжаться через равные промежутки времени, пока она не станет слишком маленькой для измерения.

Теплопередача

Тепло может передаваться от одного тела к другому или между телом и окружающей средой тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.Проводимость — это передача энергии через твердый материал . Проводимость между телами возникает, когда они находятся в прямом контакте, и молекулы передают свою энергию через поверхность раздела.

Конвекция — это передача тепла жидкой среде или от нее. Молекулы в газе или жидкости, контактирующие с твердым телом, передают или поглощают тепло к этому телу или от него, а затем удаляются, позволяя другим молекулам перемещаться на место и повторять процесс. Эффективность можно повысить, увеличив площадь нагреваемой или охлаждаемой поверхности, как в случае с радиатором, и заставив жидкость перемещаться по поверхности, как в случае вентилятора.

Излучение — это излучение электромагнитной (ЭМ) энергии, в частности инфракрасных фотонов, переносящих тепловую энергию. Все вещества испускают и поглощают некоторое электромагнитное излучение, чистое количество которого определяет, приведет ли это к потере или приросту тепла.

Цикл Карно

В 1824 году Николя Леонар Сади Карно предложил модель теплового двигателя, основанную на так называемом цикле Карно. Цикл использует взаимосвязь между давлением, объемом и температурой газов, а также то, как подводимая энергия может изменять форму и работать вне системы.

Сжатие газа увеличивает его температуру, поэтому он становится горячее окружающей среды. Затем тепло можно отводить от горячего газа с помощью теплообменника. Затем, если позволить ему расшириться, он остынет. Это основной принцип тепловых насосов, используемых для отопления, кондиционирования и охлаждения.

И наоборот, нагревание газа увеличивает его давление, заставляя его расширяться. Затем давление расширения можно использовать для приведения в действие поршня, таким образом преобразуя тепловую энергию в кинетическую энергию.Это основной принцип тепловых двигателей.

Энтропия

Все термодинамические системы производят отходящее тепло. Эти потери приводят к увеличению энтропии, которая для закрытой системы является «количественной мерой количества тепловой энергии, недоступной для выполнения работы», согласно словарю American Heritage Dictionary. Энтропия в любой закрытой системе всегда увеличивается на ; он никогда не убывает . Кроме того, движущиеся части выделяют отходящее тепло из-за трения, и радиационное тепло неизбежно выходит из системы.

Это делает невозможным создание так называемых вечных двигателей. Сиабал Митра, профессор физики в Государственном университете Миссури, объясняет: «Вы не можете построить двигатель со 100-процентной эффективностью, что означает, что вы не можете построить вечный двигатель. Однако есть много людей, которые все еще не делают этого». Я не верю этому, и есть люди, которые все еще пытаются построить вечные двигатели ».

Энтропия также определяется как «мера беспорядка или случайности в замкнутой системе», которая также неумолимо увеличивается.Вы можете смешать горячую и холодную воду, но поскольку большая чашка теплой воды более беспорядочная, чем две меньшие чашки, содержащие горячую и холодную воду, вы никогда не сможете разделить ее обратно на горячую и холодную, не добавив энергии в систему. Другими словами, вы не можете разбить яйцо или удалить сливки из кофе. Хотя некоторые процессы кажутся полностью обратимыми, на практике это не так. Таким образом, энтропия дает нам стрелу времени: вперед — это направление увеличения энтропии.

Четыре закона термодинамики

Фундаментальные принципы термодинамики изначально были выражены в трех законах.Позже было установлено, что более фундаментальный закон был проигнорирован, по-видимому, потому, что он казался настолько очевидным, что его не нужно было прямо указывать. Чтобы сформировать полный набор правил, ученые решили, что необходимо включить этот фундаментальный закон. Проблема, однако, заключалась в том, что первые три закона уже были приняты и были хорошо известны по присвоенным им номерам. Столкнувшись с перспективой изменения нумерации существующих законов, что вызовет значительную путаницу, или помещения главного закона в конец списка, что не имело бы логического смысла, британский физик Ральф Х.Фаулер предложил альтернативу, которая разрешила дилемму: он назвал новый закон «нулевым законом». Вкратце, это следующие законы:

Нулевой закон гласит, что если два тела находятся в тепловом равновесии с некоторым третьим телом, то они также находятся в равновесии друг с другом. Это устанавливает температуру как фундаментальное и измеримое свойство материи.

Первый закон гласит, что общее увеличение энергии системы равно увеличению тепловой энергии плюс работа, проделанная в системе.В нем говорится, что тепло является формой энергии и, следовательно, подчиняется принципу сохранения.

Второй закон гласит, что тепловая энергия не может передаваться от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой без добавления энергии. Вот почему запуск кондиционера стоит денег.

Третий закон гласит, что энтропия чистого кристалла при абсолютном нуле равна нулю. Как объяснялось выше, энтропию иногда называют «пустой тратой энергии», т.е.е. энергия, которая не может выполнять работу, и поскольку нет никакой тепловой энергии при абсолютном нуле, не может быть потерь энергии. Энтропия также является мерой беспорядка в системе, и хотя идеальный кристалл по определению идеально упорядочен, любое положительное значение температуры означает, что внутри кристалла есть движение, которое вызывает беспорядок. По этим причинам не может быть физической системы с более низкой энтропией, поэтому энтропия всегда имеет положительное значение.

Наука термодинамика развивалась веками, и ее принципы применимы почти ко всем когда-либо изобретенным устройствам.Его важность в современных технологиях невозможно переоценить.

Дополнительные ресурсы

Введение в термодинамику | Безграничная химия

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики гласит, что энергия может передаваться или преобразовываться, но не может быть создана или уничтожена.

Цели обучения

Опишите первый закон термодинамики

Основные выводы

Ключевые моменты

• Согласно первому закону термодинамики общее количество энергии во Вселенной постоянно.
• Энергия может передаваться с места на место или преобразовываться в различные формы, но не может быть создана или уничтожена.
• Живые организмы эволюционировали, чтобы получать энергию из окружающей среды в формах, которые они могут передавать или преобразовывать в полезную энергию для выполнения работы.

Ключевые термины

• первый закон термодинамики : версия закона сохранения энергии, специально для термодинамических систем, которая гласит, что энергия изолированной системы постоянна и не может быть создана или разрушена.
• работа : Мера энергии, затрачиваемой на перемещение объекта, обычно считающаяся силой, умноженной на расстояние. Если объект не двигается, работа не выполняется.

Термодинамика — это изучение тепловой энергии и других видов энергии, таких как работа, а также различных способов передачи энергии в химических системах. «Термо-» относится к теплу, а «динамика» — к движению.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики касается общего количества энергии во Вселенной.Закон гласит, что это общее количество энергии постоянно. Другими словами, во Вселенной всегда было и будет точно такое же количество энергии.

Энергия существует во многих различных формах. Согласно первому закону термодинамики, энергия может передаваться с места на место или изменяться между различными формами, но она не может быть создана или уничтожена. Передачи и преобразования энергии происходят вокруг нас постоянно. Например, лампочки преобразуют электрическую энергию в энергию света, а газовые плиты преобразуют химическую энергию природного газа в тепловую.Растения совершают одно из самых биологически полезных преобразований энергии на Земле: они преобразуют энергию солнечного света в химическую энергию, хранящуюся в органических молекулах.

Первый закон термодинамики : Показаны два примера передачи энергии от одной системы к другой и преобразования из одной формы в другую. Люди могут преобразовывать химическую энергию пищи, такую ​​как рожок мороженого, в кинетическую энергию, путешествуя на велосипеде. Растения могут преобразовывать электромагнитное излучение (световую энергию) солнца в химическую энергию.

Система и окружение

Термодинамика часто делит Вселенную на две категории: систему и ее окружение. В химии система почти всегда относится к данной химической реакции и контейнеру, в котором она протекает. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена, поэтому мы знаем, что энергия, которая поглощается в эндотермической химической реакции, должна быть потеряна из окружающей среды. И наоборот, при экзотермической реакции выделяющееся при реакции тепло отдается и поглощается окружающей средой.Выражаясь математически, мы имеем:

[латекс] \ Delta E = \ Delta E_ {sys} + \ Delta E_ {surr} = 0 [/ latex]

Система и окружение : Базовая диаграмма, показывающая фундаментальное различие между системой и ее окружением в термодинамике.

Тепло и работа

Мы знаем, что химические системы могут либо поглощать тепло из окружающей среды, если реакция эндотермическая, либо выделять тепло в окружающую среду, если реакция экзотермическая.Однако для работы часто используются химические реакции, а не просто обмен теплом. Например, когда ракетное топливо горит и заставляет космический шаттл оторваться от земли, химическая реакция, приводящая в движение ракету, выполняет работу за счет приложения силы на расстоянии.

Если вы когда-нибудь видели видео взлета космического челнока, происходящая химическая реакция также выделяет огромное количество тепла и света. Еще одна полезная форма первого закона термодинамики связывает тепло и работу с изменением энергии внутренней системы:

[латекс] \ Delta E_ {sys} = Q + W [/ латекс]

Хотя эта формулировка чаще используется в физике, для химии ее все же важно знать.

Запуск ракеты : Мощная химическая реакция, приводящая в движение ракету, испускает огромное тепло в окружающую среду, а также воздействует на окружающую среду (ракету).

Тепло и работа

И тепло, и работа относятся к процессам, посредством которых энергия передается веществу или от него.

Цели обучения

Определите тепло и работу

Основные выводы

Ключевые моменты

• Когда между термодинамическими системами происходит обмен энергией посредством теплового взаимодействия, передача энергии называется теплом.
• Работа — это передача энергии любым процессом, кроме тепла.
• Тепло и работа связаны: работа может быть полностью преобразована в тепло, но обратное неверно: тепло не может быть полностью преобразовано в работу.

Ключевые термины

• тепло : энергия, передаваемая от одной системы к другой за счет теплового взаимодействия.
• работа : Передача энергии любым процессом, кроме тепла.
• термохимия : Изучение энергии и тепла, связанных с химическими реакциями и / или физическими превращениями.

Определение тепла

Когда между термодинамическими системами происходит обмен энергией посредством теплового взаимодействия, передача энергии называется теплом. Таким образом, единицы тепла — это единицы энергии, или джоули (Дж). Тепло передается за счет теплопроводности, конвекции и / или излучения.

Передача тепла за счет теплопроводности происходит, когда объект с высокой тепловой энергией контактирует с объектом с низкой тепловой энергией. Передача тепла конвекцией происходит через среду.Например, когда тепло передается от горячей воды на дне кастрюли к более холодной воде в верхней части кастрюли. Наконец, тепло может передаваться излучением; горячий объект может передавать тепло всему окружающему посредством электромагнитного излучения.

Когда высокотемпературное тело соприкасается с низкотемпературным телом, температуры уравновешиваются: происходит тепловой поток от более высокой к более низкой температуре, как вода, текущая вниз по склону, до тех пор, пока температуры тел не сравняются.Тело с высокой температурой теряет тепловую энергию, а тело с низкой температурой приобретает такое же количество тепловой энергии. В этом случае говорят, что система находится в тепловом равновесии.

Иллюстрация теплового равновесия : Банка колы и кубик льда запускаются при разных температурах. Когда они соприкасаются, тепло передается от банки с колой к кубику льда, пока оба тела не достигнут теплового равновесия.

Определение работы

Работа — это передача энергии любым процессом, кроме тепла.Как и тепло, единицей измерения работы являются джоули (Дж). Есть много форм работы, включая, помимо прочего, механическую, электрическую и гравитационную работу. Для наших целей нас интересует работа P-V, которая представляет собой работу, выполняемую в замкнутой химической системе. В системе этого типа работа определяется как изменение объема (V) в литрах внутри системы, умноженное на давление (P). Предполагая, что система находится под постоянным давлением, это равняется следующему:

[латекс] W = P \ Delta V [/ латекс]

Чаще всего нас интересуют работы по расширению газов.Предполагая, что газы идеальны, мы можем применить закон идеального газа к приведенному выше уравнению, чтобы получить следующее:

[латекс] W = P \ Delta V = nR \ Delta T [/ латекс]

Взаимосвязь между теплом и работой

Тепло и работа взаимосвязаны. Работа может быть полностью преобразована в тепло, но обратное неверно: тепловая энергия не может быть полностью преобразована в энергию работы. Ученые и инженеры смогли использовать принципы термохимии для разработки различных технологий, от горячих / холодных компрессоров до двигателей внутреннего сгорания с бензиновым двигателем.

Для закрытой системы изменение внутренней энергии (∆U) связано с теплотой (Q) и работой (W) следующим образом:

[латекс] \ Delta U = Q + W [/ латекс]

Это означает, что на общую энергию внутри системы влияет сумма двух возможных передач энергии: тепла и работы.

Как передается тепло? Электропроводность — Конвекция — Излучение

Что такое тепло?

Вся материя состоит из молекул и атомов.Эти атомы всегда находятся в разных типах движения (поступательное, вращательное, колебательное). Движение атомов и молекул создает тепло или тепловую энергию. Вся материя обладает этой тепловой энергией. Чем больше движения имеют атомы или молекулы, тем больше тепла или тепловой энергии они будут иметь.

Это анимация, сделанная из короткого молекулярного динамического
моделирование воды. Зеленые линии представляют собой водородные связи между кислородом и
водород. Обратите внимание на плотную структуру воды

Водородные связи
намного слабее ковалентных связей.Однако при большом количестве водорода
облигации действуют в унисон, они оказывают сильное влияние. В этом случае
в воде, показанной здесь.

Жидкая вода имеет частично заказанный
структура, в которой постоянно образуются и разрушаются водородные связи.
Из-за короткой шкалы времени (порядка нескольких пикосекунд) мало связей

Что такое температура?

Из видео выше, на котором показано движение атомов и молекул, видно, что некоторые движутся быстрее, чем другие.Температура — это среднее значение энергии для всех атомов и молекул в данной системе. Температура не зависит от количества вещества в системе. Это просто среднее значение энергии в системе.

Как передается тепло?

Тепло может перемещаться из одного места в другое тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением. И теплопроводность, и конвекция требуют вещества для передачи тепла.

Если существует разница температур между двумя системами, тепло всегда найдет способ перейти от более высокой системы к более низкой.

ПРОВОДИМОСТЬ — —

Проводимость — это передача тепла между веществами, находящимися в непосредственном контакте друг с другом. Чем лучше проводник, тем быстрее будет передаваться тепло. Металл хорошо проводит тепло. Проводимость возникает, когда вещество нагревается, частицы получают больше энергии и больше вибрируют. Затем эти молекулы сталкиваются с соседними частицами и передают им часть своей энергии.Затем это продолжается и передает энергию от горячего конца к более холодному концу вещества.

КОНВЕКЦИЯ —

Тепловая энергия передается из жарких мест в холодные посредством конвекции. Конвекция возникает, когда более теплые области жидкости или газа поднимаются к более холодным областям жидкости или газа. Более холодная жидкость или газ тогда заменяют более теплые области, которые поднялись выше. Это приводит к непрерывной схеме циркуляции.Кипящая вода в кастрюле — хороший пример таких конвекционных потоков. Еще один хороший пример конвекции — это атмосфера. Поверхность земли нагревается солнцем, теплый воздух поднимается вверх, а прохладный входит внутрь.

ИЗЛУЧЕНИЕ- —

Излучение — это метод передачи тепла, который не зависит от какого-либо контакта между источником тепла и нагретым объектом, как в случае с теплопроводностью и конвекцией. Тепло может передаваться через пустое пространство с помощью теплового излучения, которое часто называют инфракрасным излучением.Это разновидность электромагнитного излучения. В процессе излучения не происходит обмена масс и среды. Примеры излучения — это тепло солнца или тепло, выделяемое нитью лампочки.

ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ И ЧИТАТЕЛЕЙ —

Тепло и температура от Cool Cosmo — NASA

Вот хороший апплет для демонстрации движения молекул — вы можете контролировать температуру и видеть в этом апплете, как меняются движения молекул.

Важные температуры в кулинарии и кулинарных навыках

.