Зміст:
Енергія
Енергія – це фізична величина, яка визначає здатність системи до виконання роботи.
У фізиці енергія зазвичай позначається латинською літерою E. У Міжнародній системі одиниць (SI) вимірюється в джоулях. У системі СГС — у ергах.
Існують різні види енергії, серед яких найпоширеніші наступні:
- Механічна – це енергія, пов’язана з рухом тіл або систем тіл. Механічна енергія може бути в різних формах: кінетична, потенціальна.
- Теплова – енергія, яка пов’язана з рухом молекул та атомів у системі. Вона залежить від температури тіла та його складу.
- Хімічна – енергія, яка залежить від зв’язків між атомами та молекулами у речовинах. Вона може бути відділена під час хімічних реакцій.
- Ядерна – енергія, яка залежить від змін у ядрах атомів. Цей вид енергії може бути відділений під час ядерних реакцій.
- Електрична – енергія, яка залежить від заряду та струму, що протікають через систему.
Крім того, існують інші види енергії, такі як магнітна, світлова, звукова та інші.
Механічна енергія
Види механічної енергії
- Кінетична енергія — стосується тіл, що знаходяться в русі: поступальному і обертальному.
- Потенційна енергія — пов’язана з впливом полів потенційних (наприклад, гравітаційних) сил та пружними деформаціями тіла.
Кінетична енергія
Кінетична енергія – це енергія, яка пов’язана з рухом тіл. Ця енергія залежить від маси тіла та його швидкості. Чим більша маса тіла та його швидкість, тим більша його кінетична енергія.
Формула для обчислення кінетичної енергії має наступний вигляд:
де Е – кінетична енергія (в джоулях), m – маса тіла (в кілограмах), v – швидкість тіла (в метрах за секунду).
Наприклад, якщо маса тіла становить 10 кг, а його швидкість – 5 м/с, то його кінетична енергія дорівнює:
Е = 1/2 ∙ 10 кг ∙ (5 м/с) 2 = 125 Дж.
Кінетична енергія важлива у багатьох галузях науки та техніки. Наприклад, вона є основою для розрахунків у техніці, пов’язані з механікою руху, а також у фізиці та інженерії.
Потенціальна енергія
Потенціальна енергія – це енергія, яка пов’язана зі станом тіла в полі сил, наприклад, гравітаційному полі Землі або електричному полі заряджених тіл. Потенціальна енергія залежить від положення тіла в полі сил та від сили самого поля.
Наприклад, у гравітаційному полі потенціальна енергія тіла залежить від висоти на якій знаходиться тіло. Формула для обчислення потенціальної енергії у гравітаційному полі має наступний вигляд:
E – потенціальна енергія (в джоулях),
m – маса тіла (в кілограмах),
g – прискорення вільного падіння (9,8 м/с 2 на поверхні Землі),
h – висота на якій знаходиться тіло (в метрах).
У електричному полі потенціальна енергія залежить від електричного заряду тіла та потенціалу поля. Формула для обчислення потенціальної енергії у електричному полі має наступний вигляд:
E = 1/2 ∙ Q ∙ V,
E – потенціальна енергія (в джоулях),
Q – електричний заряд тіла (в кулонах),
V – потенціал електричного поля (в вольтах).
Концепція потенціальної енергії є важливою у фізиці та інженерії, особливо в механіці та електротехніці. Вона використовується для розрахунків роботи, що виконується при зміні потенціальної енергії, наприклад, при руху тіл у полі сил або при зарядженні електричних пристроїв.
Теплова енергія
Теплова енергія – це форма енергії, яка пов’язана з рухом молекул та атомів в речовині. Ця енергія виникає внаслідок термічного руху частинок речовини, який відбувається за рахунок їхньої кінетичної енергії. Теплова енергія може бути передана від одного тіла до іншого через теплову взаємодію.
Теплова енергія може бути виміряна в джоулях або кілокалоріях. Для більш точного вимірювання теплової енергії використовуються спеціальні пристрої – калориметри.
Теплова енергія використовується в різних галузях науки та техніки, включаючи теплоенергетику, хімію, металургію та інші. В теплоенергетиці теплова енергія використовується для виробництва електроенергії, опалення будинків, промислових процесів тощо. В хімії теплова енергія використовується для здійснення різних хімічних реакцій та синтезу різних речовин.
Хімічна енергія
Хімічна енергія – це енергія, яка зберігається в хімічних зв’язках між атомами та молекулами. Коли хімічна реакція відбувається, зв’язки між атомами розриваються або утворюються нові зв’язки, і відбувається звільнення або поглинання енергії. Ця енергія може бути випромінена у вигляді тепла, світла або інших форм енергії.
Хімічна енергія може бути збережена в різних матеріалах, таких як палива, їжа, батареї та акумулятори. При спалюванні палива відбувається хімічна реакція, яка звільняє енергію у вигляді тепла та світла. Батареї та акумулятори містять хімічні речовини, які можуть випускати електрони при хімічній реакції, створюючи електричний струм.
Хімічна енергія використовується в різних галузях науки та техніки, включаючи енергетику, хімію, біологію та інші. В енергетиці палива використовуються для виробництва електроенергії, тепла та інших форм енергії. У хімії хімічна енергія використовується для проведення хімічних реакцій та виробництва різних хімічних речовин. У біології хімічна енергія міститься в харчових продуктах та використовується для забезпечення життєдіяльності організмів.
Ядерна енергія
Ядерна енергія – це енергія, яка звільняється під час ядерних реакцій, таких як ядерний розпад, ядерне злиття або ядерний поділ. Ця енергія може бути використана для створення електроенергії, яка використовується у промисловості та побуті.
Ядерна енергія може бути випроміненою або поглинутою атомами. У ядерному розпаді важкі ядра розпадаються на менші ядра, звільняючи енергію у вигляді радіоактивного випромінювання. У ядерному злитті легкі ядра об’єднуються, утворюючи важкі ядра, звільняючи при цьому велику кількість енергії. У ядерному поділі важкі ядра розщеплюються на менші, також звільнюючи енергію.
Ядерна енергія використовується у атомних електростанціях для виробництва електроенергії. У цих електростанціях використовуються ядерні реакції для нагрівання води, яка потім приводить турбіни, що генерують електричний струм. Однак, ядерна енергія також може мати негативні наслідки, такі як радіаційне забруднення та ядерні аварії. Тому використання ядерної енергії повинно бути суворо контрольоване та регульоване.
Електрична енергія
Електрична енергія – це форма енергії, яка перетворюється на електричний струм і використовується для живлення різноманітних пристроїв та систем.
Електрична енергія виробляється в електростанціях, де використовуються різні джерела енергії, такі як вугілля, нафта, газ, вітер та сонце. Електричний струм, що виробляється в електростанціях, потім постачається до споживачів через електричну мережу.
Використання електричної енергії має безліч переваг, включаючи ефективність, зручність та чистоту. Це дозволяє використовувати електричну енергію в різних галузях, таких як промисловість, транспорт, побут та інформаційні технології.
Однак, виробництво електричної енергії може мати вплив на навколишнє середовище та здоров’я людей, залежно від джерела енергії та технології виробництва. Тому ефективне та сталий розвиток електричної енергії потребує вирішення різноманітних екологічних, соціальних та економічних викликів.
Перетворення енергії
Перетворення енергії – це процес перетворення однієї форми енергії в іншу форму. Енергія може перетворюватись з однієї форми в іншу в результаті різноманітних фізичних та хімічних процесів.
Закон збереження енергії, у фізиці, принцип, згідно з яким повна енергія замкненої системи зберігається впродовж часу. Енергія не виникає з нічого і не зникає в нікуди, а може лише перетворюватись з однієї форми на іншу.
Динамо-машина перетворює механічну енергію в електричну енергію
Коли автомобіль їде по дорозі, він використовує хімічну енергію, яка зберігається в паливі, та перетворює її на механічну енергію, яка приводить автомобіль в рух. При цьому частину цієї енергії можна перетворити на теплову енергію через тертя.
Інший приклад перетворення енергії – це використання сонячних батарей для отримання електричної енергії. Сонячні батареї використовують світлову енергію сонця та перетворюють її на електричну енергію.
Перетворення енергії є важливим для розвитку різних технологій та забезпечення людських потреб. Оскільки різні форми енергії можуть бути взаємозамінними, то перетворення енергії є ключовим процесом для забезпечення ефективного використання енергетичних ресурсів та зменшення шкідливого впливу на навколишнє середовище.
Від джерел до джерел: як виробляється електроенергія
Електроенергія стала другим видом енергії, який опанувало людство після теплової енергії вогню. Увійшовши майже в усі сфери людського існування, вона до відносно недавнього часу залишалась здебільшого продуктом спалення викопного палива і лише нещодавно вагома її частка стала вироблятись за допомогою інших джерел.
Цей матеріал створено за підтримки бренду YASNO, який постачає електроенергію більш як трьом мільйонам українців. Ми звикли, що електрика у розетках є завжди. Та обстріли енергетичної системи показали, що це не так. Проте завдяки зусиллям енергетиків українські домівки отримували струм навіть у найважчі часи. У цій серії подкастів разом з YASNO ми пояснюємо, як працює енергосистема України й чому без електроенергії неможливий сучасний світ.
Умовно генерацію електроенергії можна поділити на основну та балансуючу. Під час підвищеного навантаження (споживання) у мережі може падати напруга, а якщо справи зовсім кепські, то й частота. Оскільки робота багатьох приладів критично залежить від цих параметрів, то й напругу, й частоту треба тримати стабільними. В Україні атомні електростанції (АЕС) виробляють базову кількість електроенергії. А те, що потрібно збалансувати, додають від інших видів генерації, як-от теплові (ТЕС), гідро- (ГЕС), або сонячні та вітрові станції. Сьогодні охопимо основні види електростанцій і розповімо, як вони працюють.
Найдавніший вид електростанцій — теплоелектростанції (ТЕС). Нащадок парового котла та паровозів вдало працює на ниві «електрохарчування» і понині. Вугільна електростанція значно еволюціонувала з моменту винайдення парового двигуна, але принцип лишився майже той самий.
Він доволі простий: перегріта пара, проходячи крізь турбіну, бере участь у циклі Карно та приводить у рух електрогенератор, котрий виробляє електроенергію. Цикл Карно названий на честь французького фізика Саді Карно і полягає в зміні агрегатного стану робочого тіла. У випадку ТЕС це нагрівання води у котлі, розширення перегрітої водяної пари, перетворення тепла пари на енергію обертання при переході через турбіну з генератором та повернення назад до нагрівача. Турбіна під’єднана до генератора, котрий виробляє електроенергію.
Спосіб, відверто, не надто екологічний — викиди великої кількості вуглекислого газу та небезпечних сполук, що містяться у паливі, впливають на екологію та здоров’я людей. Окрім того, у вугільних електростанціях важко контролювати потужність котла (він має оптимальний встановлений режим роботи), через що зайва енергія просто скидається у навколишнє середовище. Цих недоліків дещо позбавлені газові електростанції та ТЕЦ, тобто теплоелектроцентраль. Остання — це частково вдосконалена теплоелектростанція, котра використовує надлишкову енергію на нагрів води для потреб населення та промисловості.
Попри численні недоліки та потребу у викопному паливі, теплові електростанції та централі за рахунок зміни тиску пари здатні гнучко підлаштовувати свою вихідну потужність під потреби мереж, особливо коли виробництво від відновлюваних джерел енергії (як-от вітер або сонячна енергія) є непостійним, балансуючи навантаження на інші види генерації. Окрім того, їхня потужність не залежить від вітру, пори доби, сонця тощо. Саме через здатність до балансування зовсім відмовитись від них наразі неможливо. Наявні альтернативи — гідроелектростанції, гігантські батарейки Powerwalls — або не здатні широко змінювати потужність, або ж занадто дорогі.
Перша атомна електростанція (АЕС) з’явилася в 50-х роках у США після винайдення контрольованої ланцюгової реакції. Свого часу вони стали справжньою надією людства на подолання енергетичного голоду. Принцип їхньої дії базується на розпаді ядра атому ядерного палива після попадання у нього нейтрона з певною енергією, внаслідок чого утворюється кілька нових нейтронів та вивільняється теплова енергія, котра перетворює воду на пару.
Перший у світі штучний ядерний реактор побудований у Чиказькому університеті і отримав назву «Чиказька дровітня». Шматки природного урану були складені у вигляді напівсфери. Для керування реактором використовували стрижні з графіту, кадмію та бористої сталі. Вони дозволяли управляти станцією з пульта, виконувати аварійний захист та переводити реактор у критичний стан.
Сучасні АЕС значно досконаліші за перші прототипи, мають багато надійних ступенів захисту і здатні виробляти колосальну кількість енергії. Як не дивно, вони є одним з найбільш екологічних методів генерації, оскільки не створюють шкідливих викидів. Однак є і ряд недоліків. Серед них — відпрацьоване паливо. У більшості реакторів менше ніж 5% палива використовується до того, як воно вважається «вичерпаним». Його переробка можлива, але виникають проблеми зберігання та транспортування. Окрім того, цілу низку технологічних матеріалів та рідин взагалі неможливо переробити. Також щодо АЕС негативна суспільна думка, викликана згубною дією іонізуючого випромінювання на живі організми та низкою ядерних трагедій. Врешті, АЕС дорого й довго будувати, до того ж вони мають складнощі з балансуванням мережі, адже атомні реактори повільно змінюють потужність генерації і потребують звичайних електростанцій для підлаштовування під потреби споживачів.
Велику надію на майбутнє АЕС дають реактори на швидких нейтронах, у яких згоряє від 70 до 90 відсотків ядерного палива, або реактори, котрі виробляють більше палива ніж використовують (так-так, це можливо!). Це досягається перетворенням ізотопу урану U-238 в плутоній Pu-239 або торію Th-232 в уран U-233 під дією потоку нейтронів розпаду Плутонію Pu-239 або урану U-235. І хоча це зменшує кількість ядерних відходів, але існують проблеми з виведенням новостворенного палива та проблемами із збройовим плутонієм.
Екологічною альтернативою або вдалим доповненням до АЕС є «зелена» енергетика — ВЕС (вітрові електростанції), СЕС (сонячні електростанції) та ГЕС (гідроелектростанції). Останні є прямим нащадком водяного млина: з перепадом висоти потенціальна енергія води перетворюється в кінетичну та обертає турбіну з генератором. Першу гідроелектростанцію (ГЕС) запустили 30 вересня 1882 року на річці Фокс у місті Еплтон, (штат Вісконсин, США). Її створення ініціював місцевий виробник паперу, який надихнувся планами Томаса Едісона щодо створення станції з виробництва електроенергії у Нью-Йорку 1 .
Вода — відновлюваний природний ресурс, тому ГЕС може працювати без витрат на паливо і не викидати шкідливих відходів. Окрім того, запасену у водосховищі воду можна скидати на генерацію за будь-якої потреби та миттєво реагувати на зміни в попиті на електроенергію. Звичайно, також є і певні труднощі: обмеженість місць для будування через ландшафт, негативний вплив на річкові екосистеми та довкілля через підтоплення, залежність від сезонних рівнів води.
Натомість сонячні електростанції, СЕС працюють на ефекті фотовольтаїки — генерації струму у напівпровідниках під дією сонячного світла. В Україні рівень річної сонячної енергії варіюється від 1150 до 1550 кВт/м 2 , а ефективність панелей — від 15% до 20%. Враховуючи довгий термін служби панелей, відсутність рухомих частин і дармове сонце — це справжній подарунок!
Проте, звісно, не все так сонячно. Панелі потребують чистки, залежні від погоди та сонця, вразливі для граду. Окрім того, найбільш ефективні ті СЕС, котрі орієнтують панелі за рівнем сонця. Додаючи вартість інверторного обладнання для конвертації струму, термін окупності може сягати десятків років.
Вітрові електростанції (ВЕС) — не тільки футуристичне доповнення пейзажів. Вітрова електрогенерація може бути неабиякою альтернативою або доповненням до інших видів електростанцій. Серед вітряних турбін трапляються справжні монстри з діаметром ротору 220 та висотою 250 метрів. Потужність такої турбіни сягає 12 мегават, вона може виробляти більш ніж 67 гігават електроенергії щорічно. Цього достатньо для забезпечення електроенергією 16 тисяч домівок.
Головна вимога до розміщення ВЕС — наявність стабільного сильного вітру. Навіть за ККД 20-40% це залишається рентабельним, оскільки термін служби — від 25 років. Також вони можуть бути збудовані як на суші, так і в морі, що значно розширює можливості їх продуктивного розміщення.
Звичайно, наявність рухомих частин та технічні особливості призводять до потреби технічного обслуговування та дефектоскопії. Окрім того, леза турбіни, котрі зроблені із надзвичайно міцного композиту, врешті-решт зношуються, тріскають, у них б’ють блискавки, влітають птахи та кажани, краплі води на великій швидкості перетворюються на справжні кулі, існує проблема подальшого захоронення або утилізації лопастей після закінчення експлуатації. Та навіть попри це, вітрова генерація — чудовий варіант зеленої альтернативної енергетики.
Підписатися на Куншт
У майбутньому розвиток альтернативної чистої енергетики — це серйозний виклик, з огляду на постійний енергетичний голод людства. І серед проєктів є чимало перспективних напрямків та ідей.
Надію подає реакція термоядерного синтезу. На відміну від наявної реакції розпаду великих ядер на менші, це реакція утворення більших ядер з таких простих елементів, як гелій, дейтерій та тритій, тобто створення штучного сонця в земних умовах. Грааль синтезу так довго не піддається науковцям, що з’явився жарт: «До термояду залишилось 50 років. І завжди залишатиметься». Тому що для початку реакції синтезу паливо (найчастіше це Дейтерій, Тритій або Гелій-3) потрібно розігріти до неймовірних температур — більш ніж 100 мільйонів градусів. За такої температури речовина перетворюється на плазму, котра утримається магнітним полем.
Основна складність отримання безлімітного чистого джерела енергії — не тільки довге утримання надгарячої плазми але й отримання додатного енергетичного балансу. Тобто переважно зараз енергії на реакцію витрачається більше, ніж отримується. Всередині сонця роботу з утримання виконує шалена гравітація, котра в земних умовах недосяжна, отже доводиться використовувати магнітні поля величезної напруженості та складної конфігурації.
Утім у цьому напрямку є з чим працювати. Перспективними є, наприклад, деякі приватні розробки. Одна з них — нестандартний реактор компанії Helion Energy. Як паливо він використовує дейтерій (ізотоп гідрогену) та ізотоп гелію-3. Земні океани, окрім звичайної води, містять кількість дейтерію, котрої людству вистачить на мільярди років. Заявлені характеристики реактору: досягнення температури плазми в 100 мільйонів градусів, прямий зйом електроенергії з потоку плазми, ефективність прототипу 95%, повний самопідтримуваний цикл виробництва гелію-3 — залишають надію на появу в майбутньому чистого невичерпного джерела енергії.
Також одним із екзотичних і вже існуючих варіантів є геотермальна генерація — в деяких місцях можливе використання тепла земних надр. Основна проблема цього методу — він можливий тільки у вулканічно активних місцевостях. В інших доведеться бурити надглибокі свердловини і закачувати у них воду для отримання пари. Технологій для цього наразі немає, проте деякі компанії повідомляють про нові методи буріння, котрі вирішать цю проблему.
Як бачимо, енергогенерація у великих масштабах — не така проста справа. Коренева причина — енергія не береться нізвідки та не зникає нікуди. Звичайно, це викликає багато спекуляцій — від теорій змови до винахідників вічного двигуна. Проте багато заманливих ідей просто не працює. І тут варто діяти за принципом меншої шкоди — надавати перевагу методам генерації, котрі найменше шкодять оточенню, не забуваючи про винайдення нових, базованих на різних реальних природних законах.