Единицы измерения энергии
Для возможности сравнивать величины энергии мы должны знать единицы ее измерения и уметь переходить от одних единиц к другим. В системе международных единиц энергия измеряется в Джоулях. В химии очень часто используются удельные величины Дж/кг и Дж/моль.
Одной из наиболее часто употребляемой внесистемной единицей измерения энергии является калория. Калория – это количество теплоты для нагрева 1 грамма воды на 1°С вблизи 15°С ( 1 кал = 4.184 Дж). 1 БТЕ = 1055.056 Дж
В Великобритании для описания тепла используется Британская Тепловая Единица (БТЕ): это количество теплоты необходимое для нагревания 1 фунта воды (0.4536 кг) на 1 фаренгейт при температуре 39.2 фаренгейта.
Помимо единиц измерения энергии часто использую производные единицы измерения от мощности ( Ватт это мощность при которой работа в 1 Дж совершается за 1 секунду) – кВт·ч=3600 кДж. Данная единица чаще всего используется при расчетах электрической энергии.
Лошадиная сила (для описания мощности двигателя)
Для измерения мощности паровых машин Уатт ввел понятие <лошадиная сила>, которая в качестве общепринятой единицы измерения используется до настоящего времени. Ее появление объясняется следующим.
Одну из машин Уатта купил пивовар, чтобы заменить ею лошадь, которая приводила в действие водяной насос. При выборе необходимой мощности паровой машины, пивовар определил рабочую силу лошади как восьмичасовую безостановочную работу до полного изнеможения. Расчет показал, что каждую секунду лошадь поднимала 75 килограммов воды на высоту 1 метр, что и было принято за единицу мощности в 1 л.с.
Соответственно 1 лошадиная сила=75 кг·9.80665 м/с2/1 с=735.5 Вт
Таблица пересчета различных единиц энергии:
Энергия |
БТЕ |
фут-фунт |
Джоуль |
ккал |
КВт·ч |
1 БТЕ |
1 |
7.779·102 |
1.055·103 |
0.252 |
2.930·10-4 |
1 фут-фунт |
1.285·10-3 |
1 |
1.356 |
3.240·10-4 |
3.766·10-7 |
1 Джоуль |
9.481·10-4 |
0.7376 |
1 |
2.390·10-4 |
2.778·10-7 |
1 ккал |
3.968 |
3.086·103 |
4.184·103 |
1 |
1.163·10-3 |
1 кВт·ч |
3.412·103 |
2.655·106 |
3.6·106 |
8.602·102 |
1 |
Соответствующая таблица для единиц мощности:
Мощность |
БТЕ/ч |
фут-фунт/с |
л.с. |
ккал/с |
Вт |
1 БТЕ/ч |
1 |
0.2161 |
3.929·10-4 |
7.0·10-5 |
0.2930 |
1 фут-фунт/с |
4.628 |
1 |
1.818·10-3 |
3.239·10-4 |
1.356 |
1 л.с. |
2.545·103 |
5.5·102 |
1 |
0.1782 |
7.457·102 |
1 ккал/с |
1.429·104 |
3.087·103 |
5.613 |
1 |
4.184·103 |
1 Вт |
3.413 |
0.7376 |
1.341·10-3 |
2.390·10-4 |
1 |
Полезная работа и роль окружающей среды в определении доступной для использования энергии
Полезная работа – это та часть энергии, которая может перейти в работу. Энштейн E=mc2. Тепловая энергия не используется для построения белков.
Энергетические кризисы исходят из 1-го закона термодинамики (2-ой подтверждает), т.к. часть энергии рассеивается.
Нас интересуют энергоносители – такие системы, которые способны совершать работу или отдавать теплоту. Но как это осуществить?
Нефть (сама по себе) не энергоноситель. Газ зависит от давления: при стандартных условиях он не является энергоресурсом.
Энергоресурс – это обобщенная система, состоящая из рассматриваемой системы и внешнего окружения при наличии между ними неравновесности по какому-либо параметру. (1 кг нефти с ххх)
Под внешним окружением понимают окружающую среду (р=1атм, Т=20°С)
Степень ХХХ энергоресурса – степень неравновесности системы. Чем выше неравновесность тем ценнее энергоресурс.
Мазут – по теплоте сгорания 1 кг чем выше тем он ценнее.
В термодинамике для описания ценноти используется параметр КПД.
Понятие об энергетическом комплексе.
Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) Республики Беларусь представляет собой сложную совокупность больших, непрерывно развивающихся производственных систем для получения, преобразования, распределения и использования природных энергетических ресурсов и энергии всех видов. В Республики Беларусь он включает предприятия по добыче (нефть, торф, попутный газ), заготовке (дрова), закупке недостающих полезных ископаемых, транспортировке газа, преобразованию их в электро- или тепловую энергию и распределению по потребителям.
Установленная мощность всех энергоисточников страны составляет более 7,8 млн кВт. Это достаточно для обеспечения потребителей республики электроэнергией, которую вырабатывают 23 электростанции. Общий объем электро- и теплопотребления, достигший своего пика в 1990-1991 гг. и составивший соответственно 49 млрд кВт • ч и 112 Гкал, на протяжении последних лет неуклонно снижался, достигнув минимума (32 млрд кВт • ч и 72,1 Гкал) в 1996 г. С 1997 г. отмечается подъем электро- и теплопотребления (таблица 5).
Таблица 5- Динамика электро- и теплопотребления (по данным Мирового банка)
Объем потребления |
Годы |
||||||
1990 |
1991 |
1996 |
1997 |
2000 |
2005 |
2010 |
|
Электроэнергия, млрд кВт • ч |
49 |
49,2 |
32,12 |
33,8 |
36,9 |
43,7 |
52,8 |
Теплоэнергия, Гкал |
112 |
116 |
72,1 |
72,3 |
73 |
80 |
90 |
В 1999 году за счет местных, возобновляемых нетрадиционных и вторичных ресурсов было обеспечено более 15 % (5,2 млн т у. т.) суммарной потребности республики в энергоносителях.
Энергосистема представляет собой совокупность энергетических ресурсов всех видов, методов их получения (добычи), преобразования, распределения и использования, а также технических средств и организационных комплексов, обеспечивающих снабжение потребителей всеми видами энергии.
Схема топливно-энергетического комплекса:
В развитых странах в топливно-энергетическом комплексе есть все звенья цепи от добычи до потребления. В РБ только 3,4,5.
ТЭК описывает состояние цивилизвции. Основные потребитель энергии комунальная сфера и промышленность.
Влияние энергетики на экономику государства бывает различное от бюджетообразующей статьи до полного отсутствия влияния на экономику. Энергетический комплекс как основа государства: у некоторых стран (Россия, страны Персидского залива). Российская нефть – ХХХ ХХХ (но в России нефть далеко в Сибири)
Типы взаимодействия энергетики с экономикой:
1) Энергетический комплекс – бюджетообразующий фактор.
2) в Саудовской Аравии (энергетический комплекс не влияет на Э вообще, т.к. там нет, там только качают нефть и другие отрасли не развивают)
3) Транзитные страны (например Беларусь – основной достаток этих стран перевозки нефти и газа, на этом транспорте строится экономика государства).
4) Вариант США (здесь энергетический кризис, если больше одного 1 $ за галлон нефти). В конце 19-го начале 20-го веков в США шла добыча угля нефти – за этот счет строились перерабатывающие заводы и транспорт. С течением времени возникает необходимость в модернизации технологии. Это приводит к развитию образования и науки. Сейчас прекращают добычу.
Единицы потребления энергоресурсов
Экономические расчеты, сравнение показателей топливоиспользующих устройств друг с другом и планирование необходимо осуществлять на единой базе.
Нефть измеряют в баррелях: 1 баррель = 42 американских галлона (35 еврогаллонов)
1 американский галлон = 3.4 л; 1 европейский галлон = 3.7 л.
Условное топливо представляет собой единицу учета органического топлива, применяемую для сопоставления эффективности различных видов топлива и суммарного учета. Использование условного топлива особенно удобно для сопоставления экономичности различных теплоэнергетических установок.
В качестве единицы условного топлива применяется 1 кг топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг), что соответствует хорошему малозольному сухому углю. Для сравнения укажем, что бурые угли имеют теплоту сгорания менее 24 МДж/кг, а антрациты и каменные угли - 23-27 МДж/кг.
Соотношение между условным топливом и натуральным выражается формулой
Вт
=
Э Вн ,
где Вт - масса эквивалентного количества условного топлива, кг;
Вн - масса натурального топлива, кг (твердое и жидкое топливо) или м3 -газообразного;
Э называется калорийным коэффициентом, и его принимают для:
- нефти - 1,43;
- природного газа- 1,15;
- торфа- 0,34-0,41 (в зависимости от влажности);
- торфобрикетов - 0,45 -0,6 (в зависимости от влажности);
- дизтоплива - 1,45;
- мазута- 1,37.
Сколько требуется энергоресурсов? Мировое потребление энергоресурсов на 1 человека в год (в тоннах условного топлива) в 50-м году составляло величину 1.05 т.у.т., а в 2000 – 4.21 т.у.т.
Суммарное мировое потребление различных видов энергоресурсов за последние годы составило:
Нефть 1988 год – 132.4·1015 БТЕ
1997 год – 148.7·1015 БТЕ
Газ 1988 год – 71·1015 БТЕ
1997 год – 83.8·1015 БТЕ
Уголь 1988 год – 90·1015 БТЕ
1997 год – 92.8·1015 БТЕ
Бурно развивающаяся экономика стран планеты Земля в XX веке требовали все больше затрат топливно-энергетических ресурсов. Добыча нефти, угля, газа с каждым годом возрастала. Эти источники казались неистощимыми. Разразившийся в 1973-1974 гг. нефтяной кризис заставил многие страны задуматься над использованием альтернативных источников энергии и экономным использованием топливно-энергетических ресурсов, что и обусловило повышение многими странами уровня самообеспечения энергоресурсами (таблица 1). Однако энергетическая проблема остается актуальной и в настоящее время практически для всех стран Европы, поскольку степень обеспеченности собственными ресурсами составляет в отдельных странах Европы 40-50 %.
Таблица 1 - Степень самообеспечения энергоресурсами в некоторых странах по годам в процентах
Страна |
1974 |
1980 |
1986 |
1990 |
1992 |
1999 |
Бельгия |
8 |
14 |
28 |
23 |
20 |
22 |
Дания |
0 |
1 |
25 |
50 |
59 |
57 |
Франция |
14 |
21 |
44 |
44 |
45 |
44 |
Германия |
53 |
49 |
55 |
55 |
45 |
44 |
Великобритания |
48 |
94 |
|
97 |
96 |
95 |
Финляндия |
16 |
27 |
37 |
37.2 |
44,1 |
41.6 |
Швеция |
21 |
33 |
55,2 |
61.8 |
62,6 |
64.4 |
Швейцария |
21 |
32 |
38 |
39 |
40 |
39 |
Беларусь |
16 |
|||||
Остро она ощутима и в Республике Беларусь, способной обеспечить себя примерно на 16 % собственными топливными ресурсами, остальное количество их приходится завозить из-за рубежа и платить большие деньги. Удельный вес ввоза топливно-энергетических сырьевых и материально-технических ресурсов в валовом внутреннем продукте составляет более 43 %. Республика импортирует (в основном из России) весь потребляемый каменный уголь, более 90 % нефти, 100 % природного и четверть сжиженного газа.
Если сравнивать энергоемкость продукции наших предприятий, то она значительно выше, чем в индустриально развитых странах. Так, например, при получении 1 т извести у нас тратится электроэнергии в 5,5 раза больше, чем на Западе, серной кислоты - в 2,7, железобетона - в 1,7 раза. На каждый доллар США произведенной в республике продукции расходуется 1,4 кг условного топлива, тогда как в странах ЕС - 0,81 кг, в Дании – 0,14 кг, в США – 0,22 кг. Правда, следует учитывать, что климат в нашей стране более холодный, что обусловливает и больший расход ТЭР на обогрев производственных зданий и жилищно-бытового сектора.
Еще один вариант определения энергоэффективности – это расчет количества энергоресурсов (в кг.у.т.) приходящихся на 1 $ Валового Внутреннего Продукта. Для Республики Буларусь данная величина составляет около 1.4 кг.у.т. на 1 $, для примера в Дании этот показатель составляет 0.14 кг.у.т. на 1 $, а в США – 0.22 кг.у.т. на 1 $, для ЕС этот показатель составляет в среднем 0.81 кг.у.т. на 1 $. Однако на цену влияет не только затраты энергоресурсов но и стоимость труда, а она в РБ ниже. В результате есть возможность производства конкурентоспособных товаров (по цене).
Основные мировые тенденции в потреблении энергоресурсов:
1) резкий рост потребления газа в качестве энергоресурса;
2) лидирующая роль в энергетике остается за жидким видом топлива;
3) резкое снижение использования твердых видов топлива.
Доля мирового использования существующих альтернативных источников энергии составляет менее 2%.