Тепловая энергия

Определение количества тепловой энергии, потери энергии на хаотическое тепловое движение. Выработка тепловой энергии, расход тепловой энергии. Понятия «свободная энергия» и «теплота»

Система измерения теплоты два века назад базировалась на представлении о том, что тепловая энергия сохраняется, никуда не пропадает, а только переходит из одного места в другое. Мы до сих пор пользуемся следующими правилами:

Для измерения количества тепла заставим его нагревать воду и умножим массу воды на приращение температуры. Если масса взята в кг, а разность А (температур) — в градусах Цельсия, то произведение их будет теплотой в Кал, или ккал.

При передаче тепловой энергии какому-то другому веществу, то сначала массу нужно помножить на повышение температуры, как и для воды, а результат затем помножить на «удельную теплоемкость» вещества.

Чтобы измерить тепловую энергию, выделяемую определенным количеством топлива, необходим специальный прибор для сжигания образца и передачи образовавшегося тепла без заметных потерь воде. Подобным испытаниям были подвергнуты почти все виды топлива. Взвешенный образец, как правило, вместе со сжатым кислородом помещался в толстую металлическую бомбу, которая погружалась в сосуд с водой. Затем с помощью электричества образец сжигали и измеряли возрастание температуры воды. Вместе с водой нагревалась и бомба со всем ее содержимым; это необходимо было учитывать.

Тепловая энергия и молекулы.

Любая удачная попытка передать энергию газу нагревает его, увеличивая давление (объем). В кинетической теории мы связывали это с увеличением кинетическая энергия хаотически движущихся молекул. Тепловая энергия газа - это просто кинетическая энергия в молекулярном масштабе. То же самое можно сказать как о жидких, так и о твердых телах с той лишь оговоркой, что необходимо учитывать кинетическую энергию вращения молекул и энергию их колебаний.

Представьте себе пулю, которая с огромной скоростью ударяется о препятствие и вследствие трения застревает в нем. В этом случае кинетическая энергия пули передается молекулам окружающего воздуха и дерева, сообщая им дополнительное движение. Огромная кинетическая энергия исчезает, а вместо нее появляется тепловая энергия. Если считать, что теплота — это «обобществленная» кинетическая энергия, то богатство, состоящее в огромном количестве упорядоченной кинетической энергии, распределяется среди всех хаотически движущихся молекул — «достойных» и «недостойных». Когда свинцовая пуля попадает в стенку, большая часть ее богатого запаса кинетической энергии превращается в энергию колебаний отдельных атомов свинца и стенки; энергия обученной армии вырождается в беспорядочную толчею толпы.

При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать тепловую энергию (энергию хаотического движения) от энергии упорядоченного движения, известной в технике как свободная энергия. Так, кинетическая энергия летящей пули представляет собой энергию упорядоченного движения — она вся заключена в пуле. Мы называем ее свободной энергией, поскольку ее целиком можно превратить в потенциальную энергию; для этого надо просто выстрелить вертикально вверх! Энергия деформации также упорядочена, и мы называем ее тоже свободной энергией, ведь пружина может затратить ее на поднятие груза. Химическая энергия практически вся свободна, как и электрическая энергия и энергия высокотемпературного излучения. Любая из этих форм энергии позволяет использовать всю энергию. Хаотическая тепловая энергия имеет один существенный недостаток. На какие бы хитрости мы ни шли, в механическую энергию способна превратиться лишь часть тепловой.

Это происходит из-за того, что даже в лучшей из мыслимых машин для превращения теплоты вмеханическую энергию некоторая доля теплоты передается холодильнику. Иначе машина но сможет повторить рабочий цикл. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Некий хаос всегда останется. Мысленный эксперимент с идеальной тепловой машиной говорит, что максимальная доля тепла, которую можно использовать, составляет (Т1—Т2)/Т1, где Т1 — абсолютная температура «нагревателя», или котла, а T2 — абсолютная температура холодильника машины (о смысле абсолютной температуры см. гл. 27). Так, пар под высоким давлением с температурой 500° К (227° С), превращающийся в воду с температурой 300° К (27° С), может дать к. п. д. не больше (500—300)/500, или 40% • Такая паровая машина должна выбрасывать, помимо реальных потерь, 60% своего тепла.

Отсюда вполне очевидным становится вывод, что тепловая энергия и тепловые машины являются наиболее узким местом в современной энергетике. Все машины занимаются непрерывнымпроизводством тепловой энергии, и ее выбросом в окружающую среду. Причем, если проблемы эффективного преобразования световой солнечной энергии в электрическую энергию вполне возможно решить, усовершенствуя полупроводниковые и нано технологии, то проблему малого кпд тепловой машины решить нельзя.

Максимальный к. п. д. равен (Т1—Т2)/Т1, или 1-(Т2/Т1). Так что чем выше Т1 (или чем меньше Т2), тем ближе к. п. д. к единице. Чтобы уменьшить затраты, силовые установки стараются делать с возможно большей температурой Т1 нагревателя, или котла. Серьезные ограничения возникают из-за масла, которое начинает гореть, и металла, который начинает плавиться. Температуру же Т2, при постоянном подводе тепла нельзя надолго сделать ниже температуры окружающей среды. Практически у нас нет способа непосредственно использовать химическую или атомную энергию. Мы должны сначала превращать ее в тепловую энергию, а уж после этого нам не избежать больших тепловых потерь.

Как это ни парадоксально, но такие же рассуждения, основанные на мысленных экспериментах, говорят, что когда возникает другая потребность — получить теплоту из свободной энергии, т. е. когда мы хотим обогревать квартиру электричеством, мы можем достичь высокой эффективности (к. п. д.).

Используя свободную энергию, мы с помощью небольшой машины можем «перекачивать» тепловую энергию с холодной улицы в теплую комнату. В сущности, такой тепловой помпой для потребления тепловой энергии может служить вывернутый наизнанку холодильник, морозильное отделение которого помещено вне комнаты.

Используя солнечный свет, уголь пли гидроресурсы для получения полезной работы вроде питания электроламп, привода токарного станка или перекачивания воды на вершину холма и т. д., мы вновь и вновь приходим к тепловой энергии как к почти неизбежному побочному (вследствие трения) и наиболее вероятному конечному продукту. Когда свет лампы поглощается стенами, станок режет металл или вода стекает назад в океан, полученная первоначально из топлива энергия, в конце концов, целиком превращается в теплоту. А если мы и вначале имели дело с теплотой, то на конечном этапе будет более низкая температура. Она практически не пригодна для дальнейшего использования. Можно, конечно, придумать и другой конец — позволить свету излучаться в межзвездное пространство, станку закручивать пружину, а воду оставить па вершине холма, но, как правило, конечный продукт все-таки тепловая энергия. (Вся энергия от сгорания бензина во всех автомобилях мира за прошлый год, перешла, в конечном счете, в нагревание воздуха и земли - такой вот получается источник тепловой энергии).

Источник