Виды энергии. Проблемы получения, преобразования, передачи и аккумулирования энергии. (Лекция 1)

1. Лекция 1. 1. Основные виды энергии. 2. Проблемы получения, преобразования, передачи и аккумулирования энергии. 3. Роль энергии

в обеспечении потребностей и улучшении качества жизни людей.
4. Социальные проблемы энергетики. .
1. Определение. “Энергия” – общая количественная мера различных форм движения материи.
Для количественной характеристики качественно различных форм движения и соответствующих им взаимодействий принято различать виды энергии:
- механическая;
- электрическая;
- ядерная;
- гравитационная и др.
В изолированной системе выполняется закон сохранения энергии.
В теории относительности установлена универсальная связь межу полной энергией тела
(E) и его массой (m): Е=mc2, где с – скорость света в вакууме.
Физическая сущность различных видов энергии отражается в самом ее названии. При
этом в целях детализации и исследования отдельных её составляющих в системе применяется деление энергии на подвиды. Например, подвидами механической энергии являются
такие её составляющие, как кинетическая и потенциальная. В свою очередь, различают
кинетическую энергию поступательного и вращательного движения.

2.

2. Различные формы существования энергии предопределяют необходимость в
первую очередь её получения и преобразования.
Действительно, на заре существования человеческой цивилизации преимущественное
применение нашла тепловая энергия, основное назначение которой заключалось в использовании её для обогрева и приготовления пищи. При этом хранения ее в общепринятом в
настоящее время смысле не было: огонь, как источник тепла, постоянно поддерживался в
костре за счет сжигания топлива. Неосознанно использовалась и механическая энергия,
которой обладали примитивные орудия охоты и труда, приведенные в действие мускульной
силой человека.
Дальнейшее развитие человечества привело к возрастанию его интеллектуального потенциала и стремлению использования энергетических возможностей природы для облегчения своего труда. На этом этапе получает развитие и начинает применяться накопление
энергии (главным образом механической: потенциальная энергия масс, водопадов, мускульной силы животных).
Зарождение и развитие науки в дальнейшем позволило открыть и использовать и другие
виды энергии, которые используются и по сегодняшний день. Здесь необходимо заметить,
что одни виды энергии были получены от природы и использовались «напрямую»: энергия
ветра, водопадов, топлива и т.д. Использование же других стало возможным лишь по достижении определенного уровня развития техники.

3.

В процессе развития человечества выяснилось, а затем и было доказано теорети-
чески, что
различные виды энергии могут переходить из одного в другой. Однако
в целях управляемого превращения энергии потребовались определенные устройства –
преобразователи.
Примером одного из наиболее ярких и широко распространенных в настоящее
время преобразователей является электрическая машина, позволяющая преобразовывать
электрическую энергию в механическую и наоборот. Одновременно было замечено, что
любые преобразования сопровождаются потерями энергии,
которые нельзя не
учитывать. Часть из них обусловлена несовершенством преобразователей, другая –
теоретической невозможностью 100% преобразования в силу характера самого процесса
преобразования.
Для количественной оценки доли потерь при преобразованиях было введено
понятие
«коэффициент полезного действия» (КПД),
определяемый как отношение
количества вторичной энергии к первичной (исходной). Ярким примером влияния прогресса
на повышение КПД преобразователя тепловой энергии в механическую является сравнение
паровой машины (КПД=4…5%) и паровой турбины (≈ 40%). Другим примером могут служить
успехи в области преобразования лучистой энергии в электрическую: КПД преобразования
возрос с 2…3% в первых образцах преобразователей до 14…15% в современных.
Помимо получения и преобразования энергии использование ее связано и с
передачей (транспортировкой) на расстояние. Как и в процессе преобразования энергии,
процессе её транспортировки неизбежны определенные потери.
в

4. Наиболее распространенными способами передачи энергии в настоящее время являются: - транспортировка первоисточника (сырья –

нефти, газа, угля, торфа и пр.);
- (передача) электрической энергии, потери которой при использовании эффекта
сверхпроводимости сводятся к минимуму.
Но транспортировка сырья сама требует определенных затрат энергии и поэтому не всегда может быть оправдана.
С другой стороны, было выявлено, что при использовании однотипных преобразователей
КПД более мощной энергетической установки выше, чем маломощной. Поэтому при определении способа транспортировки энергии необходимо сравнивать различные схемы её реализации.
Немаловажное значение
при использовании энергии имеет вопрос её аккумули-
рования (накопления и хранения).
Не все виды энергии могут сохраняться неизменными во времени в количественном отношении.
Действительно, кинетическая энергия движущегося тела постоянно изменяется вследствие расхода ее на преодоление сил сопротивления среды; тепловая энергия – из-за излучения в окружающую среду и т.д. Вместе с тем, некоторые виды энергии (например, электрическая) при хранении теряются незначительно, что и вызывает определенный интерес к её
применению. Но, пожалуй, самым удобным способом хранения энергии является хранение
её в виде первоисточника (сырья), чем и пользуется уже много столетий человечество.

5. Развитие и совершенствование техники и технологий приводит к замене непроизводительного ручного труда на механизированный и

3. Развитие и совершенствование техники и технологий приводит к замене
непроизводительного ручного труда на механизированный и автоматизированный, исключающий или замещающий в наиболее энергоемких производственных процессах мускульную силу человека. Применение механизмов невозможно без использования
источников различного вида энергии, основными из которых в современной жизни являются
электрическая и тепловая.
Стремление человека повысить комфортность жизни приводит к появлению широкого
спектра электротехники, как бытовой, так и производственной, способствующей повышению
производительности труда и снижению утомляемости.
Переоценить роль энергии в преобразовании быта и производства невозможно, так как
изобретение новых машин и механизмов в большинстве своем рассчитано на использование
того или иного вида энергии для приведения их действие. При этом следует заметить, что в
быту основным, если не единственным источником энергии для техники является электрическая энергия. Поэтому не случаен тот факт, что в определенные периоды XX века в развитых странах каждые 10 лет происходило удвоение объемов производства электроэнергии. В
90-х годах прошлого века в России средний уровень потребления энергии в коммунальнобытовом секторе достиг величины 800…900 кВт•ч в год на одного жителя и он был ниже, чем
в развитых странах мира.
Все это говорит о том, что повышение комфорта неизбежно повлечет за собой и дальнейшее увеличение энергопотребления.

6.

Энергетика, как и любая другая отрасль производственной деятельности человека,
оказывает двоякое влияние на его развитие: с одной стороны, благодаря ей облегчаются
4.
условия существования человечества, а, с другой – ухудшается состояние окружающей
среды вследствие загрязнения ее отходами производства, расходом природных ресурсов
(топливных, земельных, водных) и пр. Развитие
энергетики способствует прогрессу
и в то же время создает проблемы экологического плана.
Общеизвестно, что получение электрической и тепловой энергии на тепловых станциях в
силу специфики технологического цикла сопровождается выбросом в атмосферу вредных
веществ, изменяющих не только ее состав, но и способствующих возникновению парникового эффекта, влияющего на климат планеты в целом. При производстве ее на атомных станциях возникают проблемы защиты от радиационного излучения, на гидроэлектростанциях –
изменению микроклимата (из-за необходимости накопления резерва воды в приплотинном
водохранилище ГЭС) и т.д.
Сформировавшаяся сеть электростанций, особенно тепловых, способствовала концентрации населения и развития производства в наиболее обжитых районах, запасы топлива в
которых на текущий момент практически исчерпаны. Такое положение дел порождает помимо экологических проблем еще и социальные проблемы, главные из которых заключаются в
следующем:
- наращивание производства энергии (энергетических мощностей) должно осуществляться
за счет строительства объектов энергетики в отдаленных районах, не имеющих, как правило, ни людских резервов, ни готовой инфраструктуры;

7.

- выработка энергии в отдаленных районах заставляет решать задачу доставки её потребителю, и формирования обслуживающих предприятий с соответствующей социальной
инфраструктурой;
- выработка топливных ресурсов на местах производства электроэнергии (сопровождающаяся закрытием предприятий горнодобывающей промышленности) порождает вопрос о закрырытии электростанций либо о подвозе топлива с других месторождений (что лишь временно решает проблему сырьевых ресурсов);
- перевод электростанций на другой вид топлива порождает проблемы транспортировки нового вида сырья и реконструкции предприятия (а также переподготовки кадрового состава
работников);
- закрытие объектов энергетики и связанных с ними производств порождает проблему переподготовки и трудоустройства работников закрытых предприятий;
- закрытые объекты необходимо либо перепрофилировать, либо заменить другими предприятиями или жилыми районами.