Арифметическая эквивалентность различных форм энергии

Количество энергии может быть выражено различными еди­ницами. Покажем арифметическую эквивалентность таких единиц энергии.

В таблице (пленка)_приведены наиболее часто используемые коэффициенты перевода единиц энергии.

Давайте рассмотрим, как практически могут быть использованы эти единицы измерения.

Пример 1.

Определим соотношение между энергией, высвобождаемой при сжигании 1 кг угля, и энергией, потребляемой электроламп! и мощностью 100 Вт.

Решение : 7232 ккал/кг

Теплота сгорания угля составляет 9,35 кВт*ч/кг. ?

1 кг х 9,35 кВт*ч/кг = 9,35 кВт*ч = 9350 Вт*ч — энергия, ко торая выделяется в результате сжигания 1 кг угля.

9350 Вт*ч / 100 Вт = 93,5 ч — время работы лампы.

Арифметическим эквивалентом сжигания 1 кг угля являет1 я энергия, потребляемая 100-ваттной лампой в течении 93,5 часов.

Пример 2.

1 ккал равна количеству энергии, необходимой для нагрева 1 воды на 1 °С. Определим арифметическую эквивалентность, т.е. ее отношение между работой, производимой двигателем мощность 100 л.с., и энергией нагретой воды массой 1 кг.

Решение :

За 1 час двигатель произведет работу, равную 100 л.с., которая эквивалентна:

(100 л.с.*ч) х (2,69 * 10⁶ Дж/л.с.*ч) = 2,69 * 10⁸ Дж

(2,69 * 10⁸ Дж) / (4184 Дж/ккал) = 64197 ккал

Этого количества энергии достаточно для того, чтобы нагреть 64197 кг воды на 1 °С.

Энергосод-ие топлива м.б.измерено по количеству тепла выделяемого при сгорании. Однако 2 вида топлива с равной теплотой сгорания не м.б. превраш. из одно в др.без потери. Арифметически они не будут эквивалентны.

Наиболее распространенная форма преобр-я энергии в электрическую форму (ТЭС на ПР, гидротурбина, АЭС на ядерн. топливе. При расчете КПД преобр-е энергии учитывается показатели эффективности осн. проц. и установок, преобр энергии). Средняя эффективность в ТЭС на ископаем. топливе = 30%=1/3 тепла выделяемая в котлах превращается в электричество, остальное тепло – отбросное тепло. Преобразование хим энергии в тепл. В мощных паровых котлах протек. с КПД=88%, в то время как КПДпреобр.теплов. энергии в механическую в паровой турбине =42%, а КПД преобразования механическ. Энергии в электрическую с помощью электрогенгератора= 98%.Т.обр. суммарн. КПД превращения хим. энергии в механ. в полный цикле составляет 36%.

Цикл Карно.

Следствием 1 нач.термодинамики является низкая эффективность преобраз-ия энергии в другие формы.1-ое начало утверждает,что внутренняя энергия U системы является постоянной. Её изменения определяются разностью между количеством тепла ∆Q, сообщ. сист.,и раб.∆А, совершённой системой.∆U=∆Q-∆A.

2-ое начало утверждает, что невозможно создать машину-вечный двигатель. Единственным результатом которого было бы создание работы, эквивалентной количеству тепла, полученному от нагревателя.

Предельное соотношение для перехода теплоты в работу вытекает из анализа циклического процесса, совершаемого тепловой машиной Карно.

Здесь тепловая энергия, полученная от нагревателя и преобразованная в работу А и выходящее тепло Q1.Поскольку при техническом процессе двигатель должен вернуться в начальное состояние, след-но ∆U=0,Q2=Q1+A, след-но то тепло, которое выделяется при нагреве образуется суммой отходного тепла и работы. По 2-му началу термодин.∆U≠0, след-но часть энергии неизбежно отдаётся окруж-м телам или поступает в атмосферу.

Анализ циклического процесса машины Карно, находит предельное соотношение для перехода тепла в работу.

Предельное соотношение для перехода тепла в работу вытекает вытекает из анализа циклич. процесса совершаемого тепловой машиной Карно.

В этом процессе рабочее вещество претерпевает последующее 4-х стадийное изменение состояния тепла.

В идеале машина Карно: теплоперенос от источника к рабочему веществу, и от рабочего вещества к стоку теплоты также происходит квазеравновесия (t раб.вещества на неадиабатич.стадиях поддержив-ся близкой к t теплового резервуара).Траектория изменения сост. раб. вещ-ва в цикле имеет форму на плоскости S,T.

S-энтропия Дж∙Кˉ¹,

Т-термодин.t,К.

Ключевым моментом для замыкания траектории явл-ся остановка стадии нетермического сжатия. Необходимым условием производства работы тепловой машины А>0, явл-ся перенос горячей воды к холодному резервуару. Степень преобразования подведенного тепла в работу, характеризуется КПД (η т)

η т =А / Q2 = 1- (Т1/Т2)=Т2 - Т1/Т2

Любая машина, которая преобразует тепло в работу будет иметь иеньше КПД, чем машина Карно.Для повышения КПД тепловой машины Т, при которой она получает энергию, должна быть выше, а Т,при которой тепло отводится ниже.

Верхний предел в настоящее время определяется конструктивной прочностью материалов и составляет 600°,нижний предел – это t окруж воздуха,воды,грунта, куда отводится тепло машины, она не может б.ниже 10-20°. След-но КПД Карно η=0,67

В результате термодинамич. ограничения величины КПД, создается «тепловая ловушка»,кот, невозможно избежать при любой схеме преобразования тепловой энергии.

Тепловой баланс ТС.

Если объект обменивается с др. объект .энергиией только в форме тепла, то соотв-но тепловой баланс в общем виде м.б. выражен:

Qф +Qэ +Qв =Qф` +Qh`

Qф - физическое тепло, введенное в процесс с исходными веществами

Qэ- тепло экзотермич. реакций и физ-х превращений, выделяемое в процессе

Qв – тепло введенное извне в процесс, не приним. участие в химич. реакциях

Qф` - физ тепло, выделенное из процесса с продуктами реакции

Qh` - потери тепла в ОС.

Та часть баланса, которую нельзя или трудно вычислить определяют как неизвестное из уравнения энергетического баланса. В общем виде составление теплового баланса м. б. рассчит:

Qф = c• m • t

Qф – физ тепло введенное или выведенное

C – кол-во исходных в-в

m- средняя теплоемкость исх. в-в

t-температура исх .в-в

Тепло экзотермических реакций и физ. превращений исходных в-в из 1го агрегатного состояния в др.берется из эксперимент.данных или определяется путем термохимических расчетов.

Тепло,введенное в аппарат извне расчитывается по теплосодержанию газообразного, жидкого, твердого теплоносителей Qв = m • c • t

Потери обусловленные теплопроводимостью наружных стенок аппарата, излучением и конвекцией рассчитывают на основании законов теплоотдачи или берут на основе практических данных.