Что такое энергия? Человечество всегда потребляло энергию для
удовлетворения потребностей. Благодаря энергии можно получать необходимые для жизни вещи, производить электричество из нее, отапливать дома и так далее. А что такое собственно энергия?
Энергия — скалярная физическая величина, общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Это способность системы совершать работу или изменять своё состояние.
Энергия не возникает из ничего и не исчезает, она может только переходить из одной формы в другую (закон сохранения энергии). В соответствии с различными формами движения материи рассматривают различные виды энергии: механическую, электромагнитную, химическую, ядерную и другие.
Еще задолго до появления ядерных реакторов, Эйнштейн сформулировал закон о полной энергии тела, который гласил, что масса тела пропорциональна его полной энергии или, наоборот, полная энергия тела пропорциональна его массе.
Выражается формулой E=mc², где:
E — полная энергия физической системы, тела или объекта;
m — масса (количество составляющего тело вещества), которая связана с энергией по коэффициенту пересчёта;
c² — скорость света (в вакууме) в квадрате или постоянный коэффициент, который уравнивает массу и энергию.
Из уравнения Эйнштейна следует, что масса и энергия — это разные проявления одного и того же процесса. Зная массу тела, можно рассчитать, чему будет равняться энергия этого тела. Это показывает нам, что энергия – это не просто какое – то умное слово, а то, что энергия - это мы.
Тепловая энергия – первый способ получения энергии, который обнаружили люди и который является самым простым, это сжечь что-то. Гореть может очень много предметов. Уравнения этих процессов:
Все эти процессы используются человечеством ежедневно. Энергия, которая здесь участвует – это тепловая энергия. В частности процесс горения используют в ТЭС, чтобы потом обогреть все дома. Таким образом, энергия тела преобразуется в теплоту.
Общая формула:
E=P×t×η , где:
E — выработка энергии (в джоулях, ватт-часах или киловатт-часах),
P — установленная мощность ТЭС (в ваттах, кВт),
t — время работы станции (в часах),
η — коэффициент полезного действия (КПД) станции, учитывающий потери энергии (обычно выражается в виде доли или процента).
Второй способ это использование кинетической энергии и потенциальной. Этот процесс используют в ГЭС, в ВЭС, в Приливно – отливной энергетике.
Мощность малой ГЭС на конкретный момент времени определяется по формуле:
N = 9,81 · Q · H · η(турб) · η(ген), где:
Q — расход воды, протекающий через гидротурбины ГЭС (м3/с);
H — напор воды (м);
η(турб) — КПД турбины;
η(ген) — КПД генератора.
Размерность мощности, получаемой по данной формуле — кВт.
Для проекта малой ГЭС наиболее важными исходными данными при расчете выработки являются расходы воды. Их получают на основе имеющегося гидрологического ряда наблюдений на близкорасположенном водомерном посту реки. Максимальная мощность малой ГЭС, называемая установленной мощностью, рассчитывается по модифицированной формуле:
N = 9,81 · Q(макс) · H(расч) · η(турб) · η(ген), где:
Q(макс) — максимально возможный расход воды, который способны пропустить агрегаты ГЭС;
H(расч) — расчетный напор воды, представляющий собой средневзвешенный напор за определенный отрезок времени.
Выработка представляет собой объем электроэнергии, вырабатываемой малой ГЭС. Выработку считают в кВ·ч и рассчитывается она для определенного периода времени (обычно — один год). Основная формула:
E = ∑Ni·ti, где:
Ni — ряд мощностей в течение расчетного периода времени T;
ti — ряд временных промежутков, соответствующих Ni и в сумме равных расчетному периоду времени T.
Принцип работы ветряной электростанции (ВЭС):
- Захват энергии ветра. Ветровые турбины, установленные на высоте, вращают лопасти под действием ветра, создавая механическое движение.
- Преобразование механической энергии. Вращение лопастей передаётся на генератор, который преобразует механическую энергию ветра в электрическую энергию с помощью электромагнитного процесса.
- Генерация электроэнергии. Электрическая энергия, сгенерированная генератором, поступает в электрическую сеть, где она используется для питания домов, предприятий и других потребителей.
- Механизм контроля. Он оптимизирует работу турбин и регулирует производство электроэнергии в зависимости от скорости ветра.
Основная формула: E = P (installed) × t× CUF, где:
E — выработка энергии (в кВт·ч или МВт·ч),
P (installed) — установленная мощность ВЭС (в кВт или МВт),
t — время работы (в часах),
CUF — коэффициент использования (коэффициент загрузки, обычно от 0,2 до 0,4, зависит от ветровых условий).
Принцип работы атомных электростанций (АЭС) заключается в преобразовании тепловой энергии, выделяющейся при ядерных реакциях, в электрическую энергию.
Процесс можно разделить на несколько основных этапов:
- Ядерная реакция. В ядерном реакторе происходит управляемая цепная ядерная реакция деления тяжёлых ядер, обычно урана или плутония. При этом высвобождается большое количество тепловой энергии.
- Выработка пара. Тепловая энергия от ядерной реакции используется для нагрева теплоносителя (воды или газа), который затем превращается в пар высокого давления.
- Вращение турбины. Пар высокого давления подаётся на лопатки паровой турбины, заставляя её вращаться. Это вращение передаётся на генератор электрического тока.
- Выработка электроэнергии. Вращающийся генератор преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию, которая затем передаётся в энергосистему.
- Охлаждение и замкнутый цикл. Отработанный пар из турбины конденсируется в конденсаторе, а охлаждающая вода возвращается обратно в реактор, образуя замкнутый цикл. Это позволяет повторно использовать пар и воду, повышая эффективность всей системы.
E= m × c(p) × T × t × η, где:
E — выработка энергии (в кВт·ч или Джоулях),
t — время работы (в часах),
η — коэффициент полезного действия (КПД) станции, обычно высокий — около 33-37%, так как большая часть энергии идет на производство электричества,
m — массовый расход топлива (например, в кг/с),
c(p) — теплоемкость топлива или теплоемкость системы (дж/(кг·К)),
T — разница температур между входом и выходом теплообменника (К или °С).
Еще один интересный источник энергии – это зеленая биомасса. Все знают процесс фотосинтеза – из углекислого газа и воды под действием света получается органика, но, наверное, никто сильно не углублялся в него. Сейчас об этом и расскажу. Фотосинтез состоит из 2 стадий: световая и темновая.
Во время световой стадии осуществляется как раз таки и выработка АТФ, а во время темновой из этой энергии и восстановленных переносчиков производится органика.
В частности во время темновой стадии производится 6 молекул глицерин – 3 – фосфата, 5 из них идут на восстановления начального продукта, а 1 остается. Этот процесс называется цикл Кальвина – Беннсена. Но нам он не особо сейчас важен. Главное для нас – это световая стадия.
В световой стадии есть 2 фотосистемы, цепь переноса электронов. Вначале идет фотосистема 2, а потом фотосистема 1. Каждая фотосистема состоит из 2 центров: антенный центр (больше 100 молекул хлорофилла) и реакционный центр (2 молекулы хлорофилла). Фотон вышибает электрон на антенном центре, начинают возбуждаться соседние молекулы и энергия собирается по типу воронки. Всего выделяется 2 электрона, образуются электронные дыры. Чтобы их заполнить на реакционном центре начинается фотолиз воды, образуется 2 протона водорода, которые восстанавливают переносчик НАДФ, также образуется кислород как побочный продукт. Затем электроны идут по цепи переноса к фотосистеме 1, которая тоже выделяет 2 электрона, а те, которые пришли, идут на заполнение электронных дыр. Таким образом, 2 электрона соединяются с НАДФH*H+ все они проходят через АТФ – синтазу. Есть такая поговорка: АТФ – синтаза крутится, АТФ мутится. То есть почти как турбина, а значит, может мы сможем переводить эту механическую энергию в энергию электрическую. Кто знает, может скоро мы так, и будем получать энергию.
Итак, в этой статье я постарался рассмотреть основные виды источников энергии, которые использует человечество. Попробую подытожить выше сказанное в виде таблицы:
Я считаю, что в настоящее время самым передовым источником энергии является ядерная. У нее, конечно, есть несколько существенных минусов: высокая стоимость, радиоактивные отходы, риск ядерной катастрофы. Поэтому будущее за фотосинтезом:
- Фотосинтез использует солнечный свет — один из самых доступных и возобновляемых источников энергии. Он не выделяет вредных газов или загрязняющих веществ, что делает его экологически безопасным.
- В отличие от ископаемых видов топлива, которые рано или поздно исчерпаются, солнечный свет и углекислый газ доступны постоянно, что делает фотосинтез устойчивым источником энергии.
- Учёные разрабатывают методы использования фотосинтеза для создания биотоплива — топлива, полученного из растений или микроорганизмов, которые используют солнечный свет для производства энергии. Это может стать альтернативой нефти и газу.
- Использование фотосинтеза в энергетике помогает снизить выбросы парниковых газов, что важно для борьбы с глобальным потеплением.
- Разрабатываются искусственные системы фотосинтеза, которые имитируют природный процесс для производства энергии и кислорода, что открывает новые возможности для энергетики будущего.
Фотосинтез — это природный и устойчивый механизм, и поэтому я думаю, что он может стать ключевым элементом в переходе на экологически чистую и возобновляемую энергетику в будущем!