Попробуйте подумать о чем-то, что не требует энергии, и вы далеко не уйдете. Даже мышление - даже мысль об энергии! - требует некоторой энергии, чтобы это произошло. Фактически, все, что происходит в мире, использует ту или иную энергию. Но что такое энергия?
Энергия - это немного загадка. Большую часть времени мы не видим её, но она повсюду вокруг нас. Ревущие автомобильные двигатели сжигают энергию, горячие чашки кофе сохраняют энергию, уличные фонари, которые светят ночью, используют энергию, спящие собаки тоже используют энергию - абсолютно все, о чем вы можете думать, так или иначе использует энергию. Энергия - это волшебная вещь, которая заставляет происходить другие вещи. Все в мире - это либо энергия, либо материя («материал» вокруг нас), и даже материя, когда вы действительно до нее поймёте, является своего рода энергией!
Потенциальная энергия и кинетическая энергия
Хотя в мире существует множество видов энергии, все они делятся на две большие категории: потенциальная энергия и кинетическая энергия . Когда энергия накапливается и ждет, чтобы что-то сделать, мы называем это потенциальной энергией; «потенциал» просто означает, что у энергии есть способность делать что-то полезное позже. Когда накопленная энергия используется для чего-то, мы называем это кинетической энергией; «кинетический» означает движение, и, как правило, когда запасенная энергия расходуется, это заставляет вещи двигаться или происходить.
Легко найти примеры как потенциальной энергии, так и кинетической энергии в окружающем нас мире. Если вы толкнете валун вверх по холму, вы обнаружите, что добраться до вершины - это настоящее усилие. Это потому, что сила тяжести постоянно пытается тянуть вас (и валун) обратно вниз. В науке мы говорим, что вам нужно работать против силы тяжести, чтобы подтолкнуть валун вверх по склону. Выполнение работы означает, что вы должны использовать энергию: мышцы вашего тела должны преобразовывать сахар и жир, чтобы получить энергию, необходимую для толкания валуна. Куда уходит эта энергия? Хотя вы используете энергию при подъеме, ваше тело и валун также получают энергию - потенциальную энергию. Когда валун окажется на вершине холма, вы можете отпустить его, и он снова скатится вниз. Он может катиться вниз, потому что в нем накоплена потенциальная энергия. Другими словами, он может сам по себе скатиться с холма.
Когда валун начинает катиться с холма, потенциальная энергия, которую он имел на вершине, постепенно превращается в кинетическую энергию. Когда мы говорим о кинетической энергии, мы обычно имеем в виду энергию, которой что-то обладает, потому что оно движется. Все, что имеет массу (содержит некоторое количество вещества, которое занимает объем) и движется с определенной скоростью (или скоростью), имеет кинетическую энергию. Чем больше у чего-то массы и чем быстрее оно движется (чем выше скорость), тем больше у него кинетической энергии. Если грузовик и легковой автомобиль едут по автостраде параллельно друг другу с одинаковой скоростью, грузовик обладает большей кинетической энергией, чем автомобиль, потому что он имеет гораздо большую массу.
Многие вещи, которые мы делаем каждый день, связаны с преобразованием энергии из потенциальной в кинетическую. Поднимитесь по веревке со скалы, и чем выше вы подниметесь, тем больше у вас будет потенциальной энергии. Если вы спускаетесь вниз, ваша потенциальная энергия при движении превращается в кинетическую. К тому времени, когда вы достигнете дна, кинетическая энергия превратится в тепло (ваше альпинистское снаряжение и веревка станут на удивление горячими) и звук (веревка будет издавать шум, когда вы спускаетесь).
Другие виды потенциальной и кинетической энергии
Вещи могут иметь потенциальную и кинетическую энергию по другим причинам. Вот еще несколько примеров. Грозовая туча, проходящая над головой, имеет «потенциал» высвобождать электрическую энергию в виде огромных молний. Другими словами, мы говорим, что у него есть электрическая потенциальная энергия . Предположим, вы хотите выпустить стрелу из лука. Когда вы оттягиваете эластичную тетиву, вы должны растянуть ее намного выше ее естественной формы. При этом вы передаете ему так называемую потенциальную энергию упругости (иногда ее также называют механической потенциальной энергией ). Когда вы отпускаете тетиву, она использует накопленную потенциальную энергию, чтобы запустить стрелу в воздух.
Подобно тому, как существует несколько видов потенциальной энергии, существуют также разные виды кинетической энергии. Когда грозовая туча высвобождает свою электрическую потенциальную энергию в виде молнии, гигантские искры летят с неба на землю. Молния - это огромный электрический ток (поток электричества), движущийся по воздуху - другими словами, это то, что мы могли бы назвать «электрической кинетической энергией». Мы также можем рассматривать звук, тепло и свет как примеры кинетической энергии, потому что они включают энергию, перемещающуюся из одного места в другое.
Тепловая энергия
Тепло - один из самых известных видов энергии в нашем мире, но это потенциальная энергия или кинетическая энергия? Собственно, может быть и то, и другое. Предположим, вы нагревали железный пруток в огне, чтобы он стал раскаленным. Если вы окунете его в ведро с холодной водой, вы получите огромное количество пара. Энергия от горячей панели переходит в воду и нагревает ее, теряя при этом часть своей энергии. Это означает, что горячий стержень - стержень с тепловой энергией - имеет потенциальную энергию: он может нагреть что-то еще.
Но горячий батончик также обладает кинетической энергией. Внутри железного стержня миллиарды атомов железа удерживаются вместе в жесткой структуре, называемой кристаллической решеткой. Это немного похоже на карабин с атомами на стыках. Хотя атомы практически закреплены в одном и том же месте, они постоянно покачиваются. У каждого атома есть немного кинетической энергии. Чем больше вы нагреваете железный стержень и чем он горячее, тем сильнее колеблются атомы и тем больше у них кинетической энергии. Другими словами, внутри стержня тепло удерживается колеблющимися атомами и их кинетической энергией. Идея о том, что тепло вызывается движением атомов и молекул, известна как кинетическая теория вещества.
Горячие предметы любят передавать свою тепловую энергию другим предметам поблизости. Если вы прикоснетесь к чему-то горячему, часть его тепловой энергии попадет в вас - и вы получите ожог. Это называется теплопроводностью . Но не нужно к чему-то прикасаться, чтобы почувствовать его тепло. Если вы сядете на некотором расстоянии от ревущего огня, вы сможете почувствовать его тепловую энергию на своих щеках, даже если пламя на самом деле вас не касается. Это происходит потому, что огонь передает свою энергию через пустое пространство посредством процесса, называемого тепловым излучением . Радиация - это способ, которым Солнце передает свою энергию через около 150 миллионов километров (93 миллиона миль) пустого пространства на Землю в путешествии, которое занимает чуть более 8 минут.
Тепловая энергия также перемещается по третьему пути, известному как тепловая конвекция . Если вы поставите кастрюлю с супом на плиту и нагреете ее, тепло будет передаваться от плиты к сковороде за счет теплопроводности. Суп на дне сковороды быстро нагревается. Это делает его менее плотным («тонким»), чем суп над ним, поэтому он поднимается вверх. Когда теплый суп поднимается, он выталкивает более холодный суп сверху, и холодный суп падает вниз, чтобы занять свое место. Довольно скоро внутри супа образуется своего рода невидимая петля, в которой тепловая энергия постоянно уносится от плиты и циркулирует через жидкость наверху. Этот процесс также связан с тем, как тепло распространяется через воздушный шар от горелки внизу, поэтому он систематически нагревает весь газ внутри.
Производство и использование энергии
Откуда берется энергия? Что ж, если у вас на столе стоит чашка горячего кофе , тепловая энергия, которую она содержит, изначально поступала от горячей воды, которую вы использовали для ее приготовления. Горячая вода получает энергию от чайника, который вы ставите на плиту или включаете в розетку. А электричество откуда? Скорее всего, от электростанции , которая сжигала такое топливо, как газ, уголь или нефть, чтобы высвободить содержащуюся в нем энергию. Но откуда изначально взялась энергия в этом топливе?
Вы можете играть в эту энергетическую игру вечно, отслеживая энергию от одного предмета к другому - вплоть до ее первоначального источника. Куда бы вы ни начали и куда бы вы ни пошли, вы почти всегда заканчиваете в одной и той же точке: Солнце. Этот гигантский огненный шар в космосе обеспечивает более 99 процентов энергии, которую мы используем на Земле. Вы можете подумать, что солнечная энергия футуристична и непрактична, но на самом деле мир работает от солнечной энергии с момента ее создания. Игра в энергетическую игру открывает еще кое-что: мы никогда не сможем создать энергию или разрушить ее. Вместо этого все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую. Эта идея, которая является одним из основных законов физики, известна как сохранение энергии .
Энергия, которую мы используем в повседневной жизни, подразделяется на три широкие категории: пища, которую мы едим для поддержания жизнедеятельности нашего тела, энергия, которую мы используем в своих домах, и топливо, которое мы заливаем в наши автомобили. Пища, которую мы едим, поступает из растений и животных, которые наш желудок переваривает, чтобы вырабатывать сладкое вещество, называемое глюкозой, которое кровь переносит по нашему телу для питания наших мышц. Все животные в конечном итоге получают энергию от растений, которые питаются солнечным светом. Растения похожи на живые солнечные батареи, которые поглощают энергию Солнца и превращают ее в пищу. Энергия, которую мы используем в своих домах, обычно обеспечивается углем, газом и нефтью. Эти три « ископаемых топлива » представляют собой подземные источники энергии, созданные миллионы лет назад, которые мы бурим, шахты или трубы на поверхность, чтобы удовлетворить наши потребности в энергии сегодня. Большая часть энергии, которую мы используем в наших автомобилях, также поступает из нефти. Проблема с ископаемым топливом в том, что мы используем его гораздо быстрее, чем создаем. Другая проблема заключается в том, что при сжигании ископаемого топлива образуется газ, называемый двуокисью углерода, который накапливается в атмосфере Земли и вызывает проблему, известную как глобальное потепление (изменение климата).
Электричество - лучший вид энергии?
Ископаемые виды топлива, такие как нефть, газ и уголь, сыграли огромную роль в экономическом развитии человечества. Уголь стал двигателем промышленной революции XVIII и XIX веков, в то время как нефть сделала возможным огромный рост личного транспорта после изобретения двигателя внутреннего сгорания.. Газ, более чистое и эффективное топливо, с середины 20 века становится все более важным источником энергии. Однако у всех этих видов топлива есть свои недостатки. Уголь грязный и неэффективный. Нефть существует в ограниченных количествах в таких местах, как Ближний Восток, и растущий спрос на нее является основным источником мировой напряженности и войн. Хотя газ легко перемещать с места на место, он может быть опасен при утечке или утечке. Превращение угля, газа, нефти и других видов топлива в электричество - это способ сделать их более универсальными и полезными.
Электричество - это вид энергии, который обычно вырабатывается на электростанциях путем сжигания топлива. По данным EIA США , чуть менее 30 процентов электроэнергии, производимой в Соединенных Штатах, производится из угля. Внутри электростанции уголь сжигается в огромной печи для выделения содержащейся в нем энергии в виде тепла. Тепло используется для кипячения воды и производства пара, который вращает похожий на пропеллер механизм, называемый турбиной . Турбина подключена к источнику электроэнергии или генератору , который вырабатывает электричество, когда турбина вращает его.
Самое замечательное в электричестве - это то, что оно настолько универсально. Практически любое топливо можно превратить в электричество. После того, как электричество было произведено на электростанции, его можно легко передавать из одного места в другое по земле или под землей по кабелям. В домах, на фабриках и в офисах электричество снова превращается в другие виды энергии с помощью широкого спектра приборов. Если у вас есть электрическая плита или тостер , они потребляют электроэнергию, поставляемую электростанцией, и преобразуют ее обратно в тепловую энергию для приготовления пищи. Свет в вашем доме преобразует электрическую энергию в световую энергию (и, если вы не используете энергоэффективные лампочки , довольно много тепла). Стерео или MP3-плеер снова превращает электричество в свет, а ваш телефон (мобильный телефон) использует его , чтобы сделать радио волны.
Энергетическое будущее
Около 85 процентов энергии, которую мы используем сегодня на Земле, приходится на ископаемое топливо, но это не может продолжаться долго. Ископаемые виды топлива рано или поздно закончатся, и даже если они прослужат дольше, чем ожидалось, они могут вывести глобальное потепление из-под контроля.
К счастью, поскольку большая часть энергии, которую мы используем, поступает от электричества, у нас есть альтернативы. Мы можем производить электричество , например, из энергии ветра или солнечных батарей . Мы можем сжигать мусор, чтобы генерировать тепло, которое будет приводить в движение электростанцию. Мы можем выращивать так называемые «энергетические культуры» ( биомассу ) для сжигания на наших электростанциях вместо ископаемого топлива. И мы можем использовать огромные запасы тепла внутри Земли, известные как геотермальная энергия. Вместе эти источники энергии известны как возобновляемые источники энергии., потому что они будут длиться вечно (или, по крайней мере, пока светит Солнце), не иссякая. Запасы возобновляемой энергии на Земле огромны. Океанская волна высотой 3 м имеет мощность на метр ширины, достаточную для питания 1000 лампочек. Если бы мы могли покрыть солнечными панелями всего один процент пустыни Сахара (площадь немного меньше, чем Соединенные Штаты), мы могли бы производить более чем достаточно электроэнергии для всей нашей планеты.
Нам также нужно быть умнее в использовании энергии. Создавая машины и устройства, которые выполняют ту же работу, но при этом потребляют меньше энергии, мы можем значительно расширить имеющуюся у нас энергию. Это называется энергоэффективностью (экономия энергии), и это как совершенно бесплатный способ получения энергии. Энергетические компании часто считают, что дешевле раздать тысячи энергоэффективных лампочек, чем строить новые электростанции.
А как насчет машин? В будущем большинство наших транспортных средств будут питаться электричеством от бортовых аккумуляторов или подобных аккумуляторов устройств, называемых топливными элементами , которые используют водородный газ для выработки электроэнергии и питания электродвигателей . Электромобили уже становятся популярными в таких местах, как Калифорния. Там и повсюду гибридные автомобили помогают продвигать нефть дальше. В отличие от обычного автомобиля, гибридный автомобиль имеет два двигателя: один из них, стандартный бензиновый, используется для движения на высоких скоростях - например, по автостраде; другой, компактный электродвигатель, приводит в движение автомобиль чисто, тихо и эффективно в городах.
Сегодня большая часть нашей электроэнергии поступает от удаленных электростанций, передаваемых по огромным длинам кабеля. Чтобы переместить энергию из одного места в другое, требуется энергия. Производство электроэнергии на удаленных электростанциях и передача ее по проводам расходует около двух третей ее энергии. Другими словами, если вы сжигаете три тонны угля на электростанции, вы тратите две тонны угля на получение энергии из угля, производство электричества и передачу электроэнергии потребителям. Вот почему здания будущего, вероятно, будут больше использовать свою собственную местную энергию , например, с помощью солнечных батарей, ветряных турбин или тепловых насосов, которые «высасывают» накопленную энергию из земли под ногами.
Каждую секунду Солнце излучает больше энергии, чем вся энергия, которую люди на Земле использовали бы за миллион лет. Не вся эта энергия достигает нашей планеты, и не все в той форме, которую мы можем уловить. Но если мы подумаем об энергии, которую мы используем, и будем использовать ее более разумно, у нас нет причин, по которым мы должны когда-либо закончиться или почему мы должны испортить нашу планету для завтрашних детей, производя энергию, которую используем сегодня.
Откуда берется нефть?
Всего одиннадцать стран производят три четверти мировой нефти (в порядке добычи это: США, Саудовская Аравия, Российская Федерация, Ирак, Канада, Объединенные Арабские Эмираты, Кувейт, Китай, Иран, Бразилия и Нигерия). Хотя Соединенные Штаты являются одним из крупнейших производителей нефти в мире, они также являются крупнейшим потребителем нефти в мире. Он импортирует больше нефти, чем любая другая страна, и почти на 50 процентов больше, чем Китай. Хотя люди предполагают, что большая часть мировой нефти поступает с Ближнего Востока, две трети нефти поставляется из других частей мира.
Несмотря на это, на Ближнем Востоке по-прежнему находится почти половина общих доказанных запасов нефти в мире.
Какие виды топлива обеспечивают мировую энергию?
Несмотря на все разговоры о «зеленой энергии», ископаемое топливо по-прежнему обеспечивает около 84 процентов всей мировой энергии. Использование угля в настоящее время сокращается (с 30 процентов в 2015 году до 27 процентов в 2019 году), в то время как использование возобновляемых источников энергии увеличивается (с 2 процентов в 2015 году и 3 процентов в 2016 году до 5 процентов в 2019 году).
Краткая история энергетики
· ~ 1-2 миллиона лет назад: производство энергии с помощью огня изобретено в Месопотамии (регион Ближнего Востока, ныне оккупированный Ираком и Сирией). Огонь высвобождает энергию, заключенную в топливе, таком как древесина, уголь, газ и нефть.
· ~ 3500 г. до н.э .: колесо изобретено в Месопотамии (регион Ближнего Востока, ныне оккупированный Ираком и Сирией). Колеса - это «простые машины», которые увеличивают силу или скорость, помогая людям более эффективно использовать энергию.
· ~ 600 г. до н.э .: древнегреческий философ Фалес (около 624–546 гг. До н. Э.) Обнаружил статическое электричество.
· ~ 400 г. до н. Э .: Древние греки изобрели шестерни . Шестерня - это пара колес с зубьями по краю, которые сцепляются вместе, чтобы увеличить силу или скорость машины, помогая ей более эффективно использовать энергию.
· ~ 27 г. до н.э .: водяные колеса были разработаны в Древнем Риме инженером по имени Витрувий. Они являются одним из первых примеров турбин : машин, которые используют кинетическую энергию движущейся воды или воздуха.
· 1712: английский инженер Томас Ньюкомен (1663 / 4–1729) создает первую практическую паровую машину в Дадли, Англия. Джеймс Ватт (1736–1819) позже сделал его намного более эффективным. Паровые двигатели значительно увеличивают спрос на уголь.
· 1800: итальянский физик Алессандро Вольта (1745–1827) разрабатывает первую аккумуляторную батарею, которая называется вольтовской батареей. Его работа во многом обязана исследованиям другого итальянского ученого, Луиджи Гальвани (1737–1798), который показал, что электричество может заставить лягушку двигаться.
· 1840-е годы: Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) показывает, что энергия не может быть создана или уничтожена; эта идея стала известна как сохранение энергии .
· 1860-е: Ранние бензиновые двигатели разработаны французскими инженерами Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром (1822–1900) и Альфонсом Бо де Роша (1815–1893) и немецким инженером Николаусом Августом Отто (1832–1891). Бензиновые двигатели создают огромный спрос на масло в 20 веке.
· 1881: Жак д'Арсонваль (1851–1940), французский физик, описывает, как тепловая энергия может быть извлечена из океанов.
· 1882: Видный американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) открывает первую в мире крупную электростанцию на Перл-стрит в Нью-Йорке.
· 1884: Британский инженер Чарльз Парсонс (1854–1931) разрабатывает паровую турбину, машину для преобразования энергии пара в электричество.
· 1890-е: немецкий инженер Рудольф Дизель (1858–1913) разрабатывает дизельный двигатель .
· 1956: Первая в мире атомная электростанция открывается в Колдер-Хилл в Камбрии, Англия. Позже он был переименован в Windscale, затем в Sellafield.
· 1969: Первая в мире солнечная электростанция (солнечная печь, используемая для научных исследований) открывается в Фон-Ромё-Одейо-Виа во Франции.
· 1982: В Итайпу на границе Бразилии и Парагвая открывается крупнейшая в мире гидроэлектростанция .
· 2012: Завершено строительство крупнейшей в мире гидроэлектростанции на реке Янцзы в Китае. (Работы начаты в 1994 году.)
· 2015: Lockheed Martin открывает на Гавайях крупную электростанцию OTEC, которая может успешно извлекать тепловую энергию из океанов.