ответы на билеты по КСЕ / Способы преобразования и масштабы потребления энергии
.docЭнергия это мера возможности совершить работу. Движущиеся тело может столкнувшись с другими телами вызвать их движение (совершить работу). В этом случае речь идет о кинетической энергии. Сжимая (деформируя) пружину, мы сообщаем ей потенциальную энергию деформации (возможность совершить работу при распрямлении). В повседневной жизни мы наблюдаем непрерывное перетекание энергии из одного вида в другие. Подбросив мяч мы сообщаем ему кинетическую энергию, поднявшись на высоту h он приобретает потенциальную энергию, в момент удара о землю мяч подобно пружине сжимается приобретая потенциальную энергию деформации, и т.д. Все выше перечисленные виды энергии относятся к механической энергии. Виды энергии:
1) механическая энергия (см выше)
2) тепловая энергия: Каждое физическое тело состоит из атомов или молекул, в жидкостях и газах они хаотично движутся, чем выше скорость движения, тем большей тепловой энергией обладает тело. В твердом теле подвижность молекул или атомов значительно ниже чем в жидкости, а тем более в газе, молекулы твердого тела только колеблются относительно некоторого среднего положения, чем сильнее эти колебания тем большей тепловой энергией обладает тело. Нагревая тело (сообщая ему тепловую энергию), мы как бы раскачиваем его молекулы и атомы, при достаточно сильном "раскачивании" можно выбить молекулы со своего места и заставить хаотично двигаться. Продолжая нагрев мы как бы разгоняем движущиеся молекулы, при достаточном разгоне молекула может выйти за переделы тела. Чем больше нагрев, тем больше молекул могут покинуть тело, в конце концов, передав телу достаточное количество тепловой энергии можно превратить его в газ.
3) электрическая энергия: Мельчайшей электрически заряженной частицей является электрон, который в ходит в состав любого атома. Для нейтрального атома суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, а заряд всего атома равен нулю. Если удалить несколько электронов, то сумма зарядов электронов и ядра станет больше нуля. Если добавить лишних то атом приобретет отрицательный заряд. Известно что два противоположно заряженных тела притягиваются. Если на одном теле сосредоточить положительный заряд (удалить с атомов электроны) а на другом отрицательный (добавить электроны), то между ними возникнут силы притяжения, но на больших расстояниях эти силы очень малы. Соединив эти два тела проводником мы вызовем движение электронов от отрицательно заряженного тела к положительно заряженному телу. Движущиеся электроны могут совершить работу, следовательно заряженные тела обладают
энергией. В источнике электрической энергии происходит разделение положительных и отрицательных зарядов замыкая электрическую цепь мы, как бы позволяем разделенным зарядам соединится но при этом заставляем их выполнить необходимую нам работу.
4) химические источники энергии: При горении происходят химические
реакции окисления. Самой распространенной и широко используемой, с древних
времен и до наших дней, является реакция окисления углерода: углерод в ходящий в состав любого органического топлива (уголь, дерево, нефть, газ), взаимодействуя с кислородом атмосферы образует углекислый газ и выделяется тепловая энергия.
Химические реакции могут происходить как с поглощением так и с выделением
энергии, сама энергия может быть как тепловой так и электрической. В автомобильном аккумуляторе при работе происходит выделение электрической
энергии, при зарядке происходит поглощение электрической энергии.
5) ядерный источник энергии: Главная проблема научится превращать массу в полезную энергию. Первый шаг для решения этой проблемы человечество сделало освоив военное и мирное использование энергии деления ядер. В самом первом приближении процессы, происходящие в ядерном реакторе, можно описать как непрерывное деление ядер. При этом масса целого ядра до деления больше массы получившихся осколков. Разница составляет примерно 0.1 % массы разделившегося ядра. Разумеется до полного превращения массы в энергию еще очень далеко, но уже такое, не обнаруживаемое обычными весами, изменение массы топлива в реакторе позволяет получать гигантское количество энергии.
Преобразование энергии: Возможности по преобразованию и использованию энергии являются показателем технического развития человечества. Первым, используемым человеком, преобразователем энергии можно считать парус - использование энергии ветра для перемещения по воде, дальнейшие развитее, это использование ветра и воды в ветряных и водяных мельницах. Изобретение и внедрение паровой машины произвело настоящую революцию в технике. Паровые машины на фабриках и заводах резко увеличили производительность труда. Паровозы и теплоходы сделали перевозки по суше и морю более быстрыми и дешевыми. На начальном этапе паровая машина служила для превращения тепловой энергии в механическую энергию вращающегося колеса, от которого с помощью различного рода передач (валы, шкивы, ремни, цепи), энергия передавалась на машины и механизмы.
Широкое внедрение электрических машин, двигателей превращающих электрическую энергию в механическую и генераторов для производства электроэнергии из механической энергии, ознаменовало собой новый скачёк в развитии техники. Появилась возможность передавать энергию на большие расстояния в виде электроэнергии, родилась целая отрасль промышленности энергетика. В настоящее время создано большое количество приборов предназначенных, как для преобразования электроэнергии в любой вид энергии необходимый для жизнедеятельности человека: электромоторы, электронагреватели, лампы освещения, так и использующие непосредственно электроэнергию: телевизоры, приемники и т.п. обратно к содержанию.
Возможные схемы преобразования энергии:
1) непосредственное использование природных источников энергии;
2) преобразование с использованием паровой машины;
3) преобразование с использованием электроэнергии;
Преобразование энергии в промышленной энергетике:
Производство электроэнергии является отдельной отраслью промышленности. В настоящее время наибольшую долю электроэнергии производят на трех видах электростанций: ГЭС (гидроэлектростанция), ТЭС (теплоэлектростанция); AЭС (атомная электростанция).
За период 1992–1999 годов мировое потребление коммерческой первичной энергии увеличилось почти на 10 %, несмотря на снижение темпов мирового экономического роста из-за распада бывшего СССР, политических изменений в Восточной Европе и недавнего экономического кризиса в Восточной Азии. Тем не менее в 90-е годы прирост мирового потребления первичной энергии сократился до ~1 % в год, против 2 % в 80-е годы. Это снижение темпов роста потребления первичной энергии было вызвано различиями в социально-экономическом развитии отдельных регионов. Во-первых, в результате резкого экономического спада в восточноевропейских странах с переходной экономикой и в бывшем СССР доходы населения за период с 1990 по 1998 год сократились на 40 %, а потребление первичной энергии уменьшилось на 35 %. Во-вторых, быстрый рост развивающихся стран, который наблюдался в 80-е годы, в начале 90-х годов замедлился, и его темпы еще больше снизились во время финансового кризиса 1997–1998 годов. В-третьих, совокупный прирост потребления энергии в странах — членах Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) в этот период составлял 1,4 процента в год.
Доля развивающихся стран в мировом потреблении коммерческой энергии в 1998 году достигла почти 30 %, тогда как в 1970 году она составляла всего лишь 13 %. Тем не менее в расчете на душу населения такое увеличение потребления первичной энергии не обеспечило более справедливого распределения услуг в области энергообеспечения между промышленно развитыми и развивающимися странами.
В Африке потребление энергии на душу населения в 90-е годы почти не увеличилось и по-прежнему составляет менее 10% от соответствующего среднего показателя для Северной Америки. Такое же положение отмечается в большинстве стран Азии, в результате чего миллионы жителей стран Азии и Африки по-прежнему не имеют доступа к коммерческим услугам в области энергообеспечения и зависят от такого традиционного энергетического ресурса, как биомасса. В странах Латинской Америки значительных успехов достигнуто не было, однако Китай и особенно страны Западной Азии превзошли средние показатели прогресса в отношении предоставления доступа к современным услугам в области энергообеспечения.
Потребление электроэнергии на душу населения дает основания говорить о еще более ярко выраженном неравноправии в области потребления энергии на региональном уровне. В настоящее время потребление наименее развитых стран и средний показатель по странам ОЭСР различаются на два порядка (83 кВт/ч на душу населения для наименее развитых стран и 8053 кВт/ч — для стран ОЭСР).
В 1999 году основным источником первичной энергии в мире была нефть, вторым по важности источником первичной энергии в 1999 году был уголь, а третьим — сухой природный газ.
Рост мировых потребностей в первичной коммерческой энергии примерно на 75% покрывался за счет нефти и природного газа, на 18% за счет источников ядерной энергии и на 6% за счет возобновляемых источников энергии, включая гидроэнергию. В связи с экономическим спадом в Восточной Европе и бывшем СССР потребление угля в этот период сократилось.
Преимущественное увеличение спроса на нефть и природный газ было обусловлено главным образом ценовой конкурентоспособностью этих энергоносителей и увеличением их предложения, а также отсутствием конкурентоспособных альтернативных видов транспортного топлива не на основе нефти. Более широкое использование природного газа, в первую очередь, объясняется быстрым увеличением спроса на природный газ со стороны предприятий электроэнергетики, особенно в развивающихся странах, и переводом электростанций на природный газ в целях сокращения выбросов углерода в промышленно развитых странах. Главным стимулом к наращиванию масштабов использования природного газа также и в других секторах были соображения, связанные с охраной окружающей среды. Потребление электроэнергии во всех регионах, причем нередко значительно, опережало темпы роста ВВП, а это лишний раз говорит о том, что производство электроэнергии по-прежнему является важной предпосылкой экономического развития.