Materie & Energie

Energieumwandlung - Energieeinsparung und -umwandlung

Energieeinsparung und -umwandlung

Das Konzept der Energieeinsparung

Ein Grundgesetz, das für alle Naturphänomene gilt, erfordert die Erhaltung der Energie - dh, dass sich die Gesamtenergie bei all den vielen Veränderungen in der Natur nicht ändert. Die Erhaltung der Energie ist keine Beschreibung eines in der Natur ablaufenden Prozesses, sondern eine Aussage darüber, dass die als Energie bezeichnete Menge konstant bleibt, unabhängig davon, wann sie bewertet wird oder welche Prozesse - möglicherweise einschließlich der Umwandlung von Energie von einer Form in eine andere -. Fahren Sie zwischen aufeinanderfolgenden Bewertungen fort.

Das Gesetz von Energieeinsparung gilt nicht nur für die Natur als Ganzes, sondern auch für geschlossene oder isolierte Systeme innerhalb der Natur. Wenn also die Grenzen eines Systems so definiert werden können, dass dem System weder Energie hinzugefügt noch daraus entfernt wird, muss innerhalb dieses Systems Energie gespart werden, unabhängig von den Details der Prozesse, die innerhalb der Systemgrenzen ablaufen. Eine Folge dieser Aussage über ein geschlossenes System ist, dass immer dann, wenn die in zwei aufeinanderfolgenden Bewertungen ermittelte Energie eines Systems nicht gleich ist, die Differenz ein Maß für die Energiemenge ist, die dem System im System entweder hinzugefügt oder daraus entfernt wurde Zeitintervall zwischen den beiden Bewertungen.

Energie kann innerhalb eines Systems in vielen Formen existieren und im Rahmen des Erhaltungsgesetzes von einer Form in eine andere umgewandelt werden . Diese verschiedenen Formen umfassen Gravitations-, kinetische, thermische, elastische, elektrische, chemische, Strahlungs-, Kern- und Massenenergie. Es ist die universelle Anwendbarkeit des Energiebegriffs sowie die Vollständigkeit des Gesetzes seiner Erhaltung in verschiedenen Formen, die es so attraktiv und nützlich macht.

Umwandlung von Energie

Ein ideales System

Ein einfaches Beispiel für ein System, bei dem Energie von einer Form in eine andere umgewandelt wird, ist das Werfen einer Kugel mit der Masse m in die Luft. Wenn der Ball senkrecht vom Boden geworfen wird, ist seine Geschwindigkeit und damit seineDie kinetische Energie nimmt stetig ab, bis sie an ihrem höchsten Punkt vorübergehend zur Ruhe kommt. Es kehrt sich dann um und seine Geschwindigkeit und kinetische Energie nehmen stetig zu, wenn es auf den Boden zurückkehrt. Die kinetische Energie E k der Kugel in dem Augenblick nach links er den Boden (Punkt 1) war die halbe Produkt aus der Masse und dem Quadrat der Geschwindigkeit, oder 1 / 2 mv 1 2 , und eine verringerte stetig auf Null am höchsten Punkt (Punkt 2). Als der Ball in die Luft stieg, gewann er an Gravitationpotentielle Energie E p . Potenzial in diesem Sinne bedeutet nicht, dass die Energie nicht real ist, sondern dass sie in einer latenten Form gespeichert ist und für die Arbeit herangezogen werden kann . Gravitationspotentialenergie ist Energie, die aufgrund ihrer Position im Gravitationsfeld in einem Körper gespeichert wird. Es wird beobachtet, dass die potentielle Gravitationsenergie einer Masse m durch das Produkt der Masse, die Höhe h, die relativ zu einer Referenzhöhe erreicht wird, und die Beschleunigung g eines Körpers gegeben ist, die sich aus der Schwerkraft der Erde ergibt, die daran zieht, oder mgh. In dem Moment, in dem der Ball den Boden in Höhe h 1 seiner potentiellen Energie E p verließ1 ist mgh 1 . Am höchsten Punkt beträgt seine potentielle Energie E p 2 mgh 2 . Unter Anwendung des Energieerhaltungsgesetzes und unter der Annahme, dass keine Reibung in der Luft vorhanden ist, ergeben diese die folgenden Gleichungen:

Gleichungen.

In diesem idealisierten Beispiel wird die kinetische Energie des Balls in Bodennähe in Arbeit umgewandelt, um den Ball auf h 2 anzuheben, wo seine Energie des Gravitationspotentials um mg ( h 2 - h 1 ) erhöht wurde . Wenn der Ball auf den Massepegel zurückfällt h 1 , diese potentielle Energie umgewandelt wird wieder in kinetische Energie und die Gesamtenergie bei h 1 ist wieder 1 / 2 mv 1 2 + MGH 1 . In dieser Ereigniskette bleibt die kinetische Energie des Balls bei h 1 unverändert;; Somit ist die Arbeit, die die Schwerkraft in diesem Ereigniszyklus auf den Ball ausübt, Null. Dieses System soll konservativ sein .

Unterschiedliche Umwandlungsgrade in realen Systemen

Obwohl die Gesamtenergiemenge in einem isolierten System unverändert bleibt, kann es einen großen Unterschied in der Qualität verschiedener Energieformen geben. Theoretisch können viele Energieformen vollständig in Arbeit oder in andere Energieformen umgewandelt werden. Dies gilt für mechanische und elektrische Energie. Die zufälligen Bewegungen von Bestandteilen eines Materials, die mit Wärmeenergie verbunden sind, stellen jedoch Energie dar, die für die Umwandlung in gerichtete Energie nicht vollständig verfügbar ist.

Der französische Ingenieur Sadi Carnot beschrieb (1824) einen theoretischen Leistungszyklus mit maximalem Wirkungsgrad zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie. Er zeigte, dass dieser Wirkungsgrad durch die Größe der Temperaturen bestimmt wird, bei denen Wärmeenergie zugeführt und Abwärme während des Zyklus abgegeben wird. Ein praktischer Motor, der auf demDer Carnot-Zyklus wurde nie entwickelt, aber der Carnot-Zyklus bestimmt den maximalen Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärmeenergie in irgendeine Form gerichteter Energie. Das Carnot- Kriterium macht einen 100-prozentigen Wirkungsgrad für alle Wärmekraftmaschinen unmöglich. In der Tat, es bildet die Grundlage für das, was ist jetzt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik.