4. Конверсія енергії та енергоносіїв в технологічних процесах. Коефіцієнт корисної дії.

Внутрішня конверсія — явище, що спостерігається при переході збудженного атомного ядра в стан з меншою енергією, коли вивільнена енергія не випромінюється у вигляді гамма-кванта, а передається безпосередньо одному з електронів того ж атома. При цьому замість гамма-кванта із атома вилітає конверсійний електрон. Електрони можуть викидатися з різних оболонок атома, і відповідно розрізняють К-, L-, М- і т. д. електрони. Енергія електрона дорівнює різниці енергії конвертованого ядерного переходу та енергії зв'язку оболонки, з якою він вилітає. Вимірювання енергетичних спектрів конверсійних електронів дозволяє визначити енергію переходів та їх мультипольності (див. Ядерна спектроскопія).

Імовірність внутрішньої конверсії по відношенню до ймовірності переходу з випромінюванням гамма-кванта характеризується коефіцієнтом внутрішньої конверсії, визначеним, як відношення інтенсивності потоку конверсійних електронів (повної або для даної електронної оболонки) до інтенсивності гамма-випромінювання для даного ядерного переходу. Розрахунки коефіцієнта внутрішньої конверсії проводяться методами квантової теорії поля з урахуванням екранування заряду ядра електронами інших оболонок атома і кінцевих розмірів ядра (див. Ядро атомне). Коефіцієнт внутрішньої конверсії змінюється в широких межах (103-10−4) в залежності від енергії і мультипольності ядерного переходу, а також від заряду ядра і від оболонки, на якій відбувається внутрішня конверсія. Він тим більше, чим менше енергія, чим вище мультипольність і чим більше заряд ядра. Для переходів між ядерними станами зі спінами, рівними нулю, випускання гамма-квантів абсолютно заборонено і перехід ядра в таких випадках відбувається тільки шляхом внутрішньої конверсії. Порівняння експериментально виміряних коефіцієнтів внутрішньої конверсії з розрахованими теоретично є одним з основних методів визначення мультипольності переходів і квантових характеристик (спінів і парності) ядерних станів.

При енергіях ядерних переходів, що перевищують подвоєну енергію спокою електрона: E0> 2mc2 = 1,022 МеВ, може відбуватися внутрішня конверсія з утворенням електронно-позитронної пари (парна конверсія), імовірність якої росте з ростом енергії переходу (див. Анігіляція і народження пар). Спектри електронів і позитронів парної конверсії безперервні, причому сумарна кінетична енергія електрона і позитрона дорівнює: E0 — 2mc2. Окремим випадком парної конверсії є внутрішня конверсія з вильотом моноенергетичних позитронів. Вона має місце, коли електрон пари захоплюється на яку-небудь оболонку того ж атома, що звільнилася в результаті попереднього ядерного перетворення.

Коефіціє́нт ко́ри́сної ді́ї — відношення виконаної роботи до загальних енергетичних затрат на її виконання. Безрозмірна велична, яка вимірюється у відсотках. Є важливою характеристикою машин та двигунів. При виконанні будь-якої корисної роботи, частина зусиль витрачається на подолання опору й втрачається, переходячи у тепло. Будь-яка машина, будь-який пристрій із рухомими деталями повинні долати тертя. Проходження електричного струму через провідник теж супроводжується нагріванням провідника, при цьому втрачається частина корисної енергії.

Коефіцієнт корисної дії — у термодинаміці, величина для теплового двигуна, що характеризує частку теплової енергії перетворену у енергію механічну.

де   — теплота передана системі від нагрівача,   — частина теплоти системи, віддана холодильнику, чисельник — корисна робота.

Відношення кількості механічної роботи до затрат енергії називається енергетичним коефіцієнтом корисної дії. У людини енергетичний коефіцієнт корисної дії не перевищує 20—25 %. За розрахунками багатьох фізіологів, до робіт, при виконанні яких коефіцієнт корисної дії організму працівника досягає 20 %, відносяться підземні роботи по видобутку корисних копалин, немеханізовані вантажно-розвантажувальні роботи та інші. При затратах енергії за робочу зміну більше 2000 ккал, включаючи основний обмін, обсяг механічної роботи, яку виконує робітник, становить майже 105000 кілограмо-метрів. Такі роботи виконуються всіма великими групами м’язів корпуса і кінцівок. При виконанні робіт за допомогою м’язів лише плечового поясу коефіцієнт корисної дії організму в два рази менший, а при виконанні роботи дрібними м’язами кистей і пальців рук він становить лише 2—4 %. Однак не слід вважати, що більша частина енергії працівника просто втрачається. Для людського організму корисною є та частина енергії, яка витрачається на підвищення життєдіяльності клітин під час роботи і на відновлення тимчасово зменшеної працездатності.

Розрізняють валовий і чистий коефіцієнти корисної дії. Валовий коефіцієнт враховує всі затрати енергії, включаючи основний обмін, а чистий коефіцієнт враховує затрати енергії за винятком основного обміну. Значення енергетичного коефіцієнта корисної дії залежить від багатьох факторів, зокрема від способу виконання роботи, робочої пози, тренованості, здоров’я, рівня втоми працівника і т. ін.

Оптимізація енергозатрат має здійснюватися насамперед за рахунок покращання умов праці, раціоналізації трудових процесів і робочої пози як факторів, що вимагають від працівника додаткової енергії, не пов’язаної з безпосереднім виконанням завдання.