1.3. Энергия, единицы измерения

С понятием энергия человек сталкивается постоянно и подчас не задумывается о глубоком смысле и широте его. Энергия определяется как общая количественная мера различных форм движения материи. В соответствии с разнообразием форм движения и различают механическую, тепловую, электрическую, ядерную, химическую и другие виды энергии.

В соответствии с законом сохранения, открытым М.В. Ломоносовым, энергия не теряется, а сохраняется и преобразуется в другие виды энергии.

Поэтому энергия является тем стержнем, который связывает воедино все процессы и явления материального мира. Для объектов энергетики энергетический анализ является основным инструментом исследования процессов преобразования энергии с проверкой на каждом этапе технологического процесса выполнения условия баланса энергии. В процессе преобразования часть энергии может изменять свой вид, что часто усложняет количественный учет и проверку баланса.

Именно потребности измерений энергии на заре развития электротехники стимулировали активное обсуждение на международных выставках 1851 года в Лондоне и 1855 года в Париже необходимости введения единой системы мер и весов. На I Международном конгрессе электриков, состоявшемся в 1881 году, был предложен проект полной системы единиц СГС, в основу которой были положены сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени. Но применение этой системы в инженерных расчетах создавало определенные трудности из-за малости основных единиц. В 1918 году во Франции, а в 1927 году и в СССР была принята система единиц МТС на основе метра, тонны и секунды. Однако и она оказалась неудобной, но уже из-за другой крайности.

В октябре 1960 года XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила проект единой системы единиц, над которым специальная комиссия работала с 1954 года. Эта система стала известна под наименованием Международная система единиц СИ. В 1961 году в СССР был утвержден ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц», которым устанавливалось предпочтительное применение единиц СИ во всех областях науки, техники, образования и народного хозяйства.

Основными единицами СИ являются семь следующих единиц: длины – метр, массы – килограмм, времени – секунда, силы электрического тока – ампер, температуры – кельвин, количества вещества – моль, силы света – кандела.

Кроме основных единиц в состав СИ вводится большое число производных величин, определяемых по отраслям науки и техники. Ниже в табл. 3 приведены производные единицы СИ, которые применяются в электротехнике.

Таким образом, несмотря на разнообразие видов энергии все они измеряются в джоулях. Для механической работы, например, один джоуль определяется работой, выполненной единицей силы на пути в один метр, т.е. 1Дж=1Н·1м.

Производные единицы системы СИ Таблица 3

Величина	Наименование единицы	Обозначение единицы	Выражение через удобные единицы	Выражение через основные единицы
Частота	герц	Гц	–	с-1
Сила	ньютон	Н	–	м кг с-2
Давление	паскаль	Па	Н/м2	м-1 кг с-2
Энергия, работа	джоуль	Дж	Н м	м2 кг с-2
Мощность	ватт	Вт	Дж/с	м2 кг с-3
Количество электричества	кулон	Кл	–	с А
Электрическое напряжение	вольт	В	Вт/А	м2 кг с-3А-1
Электрическая емкость	фарада	Ф	Кл/В	м-2 кг-1 с4 А2
Электрическое сопротивление	ом	Ом	В/А	м2 кг с-3 А-2
Электрическая проводимость	сименс	См	А/В	м-2 кг-1 с3 А2
Поток магнитной индукции	вебер	Вб	В·с	м2 кг с-2 А-1
Магнитная индукция	тесла	Тл	Вб/м2	кг с-2 А-1
Индуктивность	генри	Гн	Вб/А	м2 кг с-2 А-2

Наряду с единицами системы СИ и их производными в специальных областях, в том числе и в энергетике, допускается применение единиц измерения из других систем и даже внесистемных единиц. Так, например, в энергетике для измерения тепловой энергии часто используется калория, имеющая простой физический смысл: за 1 калорию принимается такое количество теплоты, которое повышает температуру 1 грамма воды на 1 градус. Эта единица может рассматриваться как теплоемкость воды, равная 1 кал/(г·град). Из физики известно соотношение калории и джоуля

1 кал=4,187 Дж.

Для измерения электрической энергии повсеместно используется внесистемная единица кВт·ч. Соотношение между кВт·ч и джоулем можно получить используя системную единицу мощности – 1 Ватт:

1 кВт·ч = 10³ Вт ·3600 с =3,6 ·10⁶ Дж.

Учитывая предыдущее соотношение можно определить связь между единицами измерения электрической и тепловой энергии

1 кВт·ч = 3,6·10⁶/4187=860 ккал.

Для измерения больших объемов энергии, имеющих промышленное значение, а также больших и малых значений других физических величин используются приставки кратных и дольных единиц, основные из которых с шагом 1000 перечислены в табл. 4.

Приставки кратных и дольных единиц Таблица 4

Приставка	Множитель	Сокращение
		русское	международное
тера	1012	Т	T
гига	109	Г	G
мега	106	М	M
кило	103	к	k
милли	10-3	м	m
микро	10-6	мк	µ
нано	10-9	н	n
пико	10-12	п	p

Применение полученных представлений об энергии и единицах измерения позволяет решать некоторые практические задачи по оценке важнейших технико-экономических показателей, которые характеризуют процессы получения и преобразования энергии с использованием в качестве первичных энергоресурсов органического топлива. Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания, измеряемая в кДж/кг или в ккал/кг и определяющая количество тепловой энергии выделяемой при сгорании 1 кг натурального топлива. Для объективной оценки эффективности процессов выработки энергии на объектах, которые работают на разных видах топлива, вводят понятие условного топлива (у.т.), имеющего фиксированную теплоту сгорания, равную 7000 ккал/кг.

При решении задач будет использоваться понятие коэффициента полезного действия (КПД) как отношения полезной энергии к полной затраченной, и удельного расхода топлива, т.е. расходуемого на единицу полезно отпущенной энергии.

Задача № 2.1.

Сколько воды можно нагреть от температуры t_o=20 ⁰C до кипения на электроплите при расходе электроэнергии W= 1 кВт·ч , если установка работает с КПД =50 %.

Решение

Определим общую энергию в ккал, которая поступает в систему нагрева воды из электрической сети

Q=1кВт·ч860 ккал/ кВт·ч=860 ккал.

Энергия, которая используется для нагрева воды

.

Из условия нагрева воды при

.

Найдём массу воды

.

Задача № 2.2

Сколько мазута расходуется на ТЭС, работающей с КПД=40%, на выработку 1 кВт·ч электроэнергии, если теплота сгорания с=10000 ккал/кг.

Решение

Определим необходимое количество тепловой энергии, которая должна поступить для выработки 1 кВт·ч при известном КПД

.

Определим массу топлива

.

Задача № 2.3

Сколько воды можно нагреть от 20⁰С до кипения в бытовом котле, работающем с при сжигании 0,215 кг мазута, имеющего с= 10000 ккал/кг.

Решение

Количество тепла, выделяемого при сжигании мазута,

.

Объём теплоты, идущий на нагрев воды,

.

Найдём массу воды .

Рассмотренные задачи позволяют оценить эффективность двух технологий нагрева воды по критерию расхода первичного энергоресурса – топлива.. Сравнение их показывает, что вторая технология существенно рациональней первой и является энергосберегающей, поскольку здесь первичный энергоресурс (топливо) используется для нагрева воды без промежуточного преобразования энергии, и общий относительный КПД технологии .

В первой же технологии первичная энергия преобразуется в электрическую с КПД , а затем в тепловую, идущую на нагрев с .

Общий КПД определяется как произведение относительных КПД этапов

.

Таким образом, для оценки эффективности различных технологий необходимо составить чёткую схему последовательного преобразования энергии, оценить КПД каждого звена этой схемы и найти общий КПД как их произведение

.