Трансформация энергии , также известная как преобразование энергии , представляет собой процесс изменения энергии из одной формы в другую. [1] В физике энергия — это величина, которая обеспечивает способность выполнять работу или перемещение (например, подъем предмета) или обеспечивает тепло . Помимо преобразования, согласно закону сохранения энергии , энергия может быть передана в другое место или объект, но она не может быть создана или уничтожена.
Энергия во многих своих формах может использоваться в естественных процессах или для предоставления некоторых услуг обществу, таких как отопление, охлаждение , освещение или выполнение механической работы для управления машинами. Например, для обогрева дома печь сжигает топливо, химическая потенциальная энергия которого преобразуется в тепловую энергию , которая затем передается воздуху дома, чтобы повысить его температуру.
Преобразования в тепловую энергию из других форм энергии могут происходить с эффективностью 100%. [2] [ самостоятельно опубликованный источник? ] Преобразование между нетепловыми формами энергии может происходить с довольно высокой эффективностью, хотя всегда есть некоторая энергия, рассеиваемая термически из-за трения и подобных процессов. [3] Иногда эффективность близка к 100%, например, когда потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию , когда объект падает в вакууме. Это также применимо к противоположному случаю; например, объект на эллиптической орбите вокруг другого тела преобразует свою кинетическую энергию (скорость) в гравитационную потенциальную энергию (расстояние от другого объекта) по мере удаления от своего родительского тела. Когда он достигает самой дальней точки, он обращает процесс, ускоряясь и преобразуя потенциальную энергию в кинетическую. Поскольку пространство является почти вакуумом, этот процесс имеет эффективность, близкую к 100%.
Тепловая энергия уникальна, поскольку в большинстве случаев (ива) не может быть преобразована в другие формы энергии. Только разница в плотности тепловой/тепловой энергии (температуры) может быть использована для выполнения работы, и эффективность этого преобразования будет (намного) меньше 100%. Это связано с тем, что тепловая энергия представляет собой особенно неупорядоченную форму энергии; она случайным образом распределена среди многих доступных состояний совокупности микроскопических частиц, составляющих систему (эти комбинации положения и импульса для каждой из частиц, как говорят, образуют фазовое пространство ). Мерой этого беспорядка или случайности является энтропия , и ее определяющей чертой является то, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается. Нельзя взять высокоэнтропийную систему (например, горячее вещество с определенным количеством тепловой энергии) и преобразовать ее в низкоэнтропийное состояние (например, низкотемпературное вещество с соответственно более низкой энергией), без того, чтобы эта энтропия не ушла куда-то еще (например, в окружающий воздух). Другими словами, нет способа сконцентрировать энергию, не распределив ее где-то еще.
Тепловая энергия в равновесии при данной температуре уже представляет собой максимальное выравнивание энергии между всеми возможными состояниями [4], поскольку она не полностью преобразуется в «полезную» форму, т. е. такую, которая может делать больше, чем просто влиять на температуру. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия замкнутой системы никогда не может уменьшиться. По этой причине тепловая энергия в системе может быть преобразована в другие виды энергии с эффективностью, приближающейся к 100%, только если энтропия вселенной увеличивается другими способами, чтобы компенсировать уменьшение энтропии, связанное с исчезновением тепловой энергии и ее энтропийного содержания. В противном случае только часть этой тепловой энергии может быть преобразована в другие виды энергии (и, таким образом, в полезную работу). Это происходит потому, что оставшаяся часть тепла должна быть зарезервирована для передачи в тепловой резервуар при более низкой температуре. Увеличение энтропии для этого процесса больше, чем уменьшение энтропии, связанное с преобразованием оставшейся части тепла в другие виды энергии.
Для того чтобы сделать преобразование энергии более эффективным, желательно избегать термического преобразования. Например, эффективность ядерных реакторов, где кинетическая энергия ядер сначала преобразуется в тепловую энергию, а затем в электрическую, составляет около 35%. [5] [6] За счет прямого преобразования кинетической энергии в электрическую, осуществляемого путем устранения промежуточного термического преобразования энергии, эффективность процесса преобразования энергии может быть значительно улучшена. [7]
Энергетические преобразования во Вселенной с течением времени обычно характеризуются различными видами энергии, которые были доступны с момента Большого взрыва , а затем были «высвобождены» (то есть преобразованы в более активные виды энергии, такие как кинетическая или лучистая энергия) посредством пускового механизма.
Прямое преобразование энергии происходит, когда водород, произведенный в Большом взрыве, собирается в структуры, такие как планеты, в процессе, в ходе которого часть гравитационного потенциала должна быть преобразована непосредственно в тепло. Например, на Юпитере , Сатурне и Нептуне такое тепло от продолжающегося коллапса больших газовых атмосфер планет продолжает управлять большинством погодных систем планет. Эти системы, состоящие из атмосферных полос, ветров и мощных штормов, лишь частично питаются солнечным светом. Однако на Уране этот процесс происходит в малой степени. [ почему? ] [ необходима цитата ]
На Земле значительная часть тепла, выделяемого недрами планеты (по оценкам, от трети до половины от общего объема), обусловлена медленным коллапсом планетарных материалов до меньших размеров, что приводит к выделению тепла. [ необходима цитата ]
Известные примеры других подобных процессов, преобразующих энергию от Большого взрыва, включают ядерный распад, который высвобождает энергию, которая изначально была «хранена» в тяжелых изотопах , таких как уран и торий . Эта энергия была сохранена во время нуклеосинтеза этих элементов. Этот процесс использует гравитационную потенциальную энергию, высвобождаемую при коллапсе сверхновых типа II, для создания этих тяжелых элементов до того, как они будут включены в звездные системы, такие как Солнечная система и Земля. Энергия, запертая в уране, высвобождается спонтанно во время большинства типов радиоактивного распада и может быть внезапно высвобождена в ядерных бомбах деления . В обоих случаях часть энергии, связывающей атомные ядра вместе, выделяется в виде тепла.
В похожей цепочке преобразований, начинающейся на заре вселенной, ядерный синтез водорода на Солнце высвобождает другой запас потенциальной энергии, который был создан во время Большого взрыва. В то время, согласно одной теории [ какой? ] , пространство расширилось, и Вселенная остыла слишком быстро для того, чтобы водород полностью слился с более тяжелыми элементами. Это привело к тому, что водород стал хранилищем потенциальной энергии, которая может быть высвобождена путем ядерного синтеза . Такой процесс синтеза запускается теплом и давлением, генерируемыми в результате гравитационного коллапса водородных облаков, когда они производят звезды, и часть энергии синтеза затем преобразуется в звездный свет. Рассматривая солнечную систему, звездный свет, в основном от Солнца, может снова сохраняться в виде гравитационной потенциальной энергии после того, как он ударяется о Землю. Это происходит в случае лавин или когда вода испаряется из океанов и выпадает в виде осадков высоко над уровнем моря (где, после выброса на плотине гидроэлектростанции , ее можно использовать для приведения в действие турбин/генераторов для производства электроэнергии).
Солнечный свет также управляет многими погодными явлениями на Земле. Одним из примеров является ураган , который возникает, когда большие нестабильные области теплого океана, нагревающиеся в течение месяцев, внезапно отдают часть своей тепловой энергии, чтобы обеспечить несколько дней бурного движения воздуха. Солнечный свет также улавливается растениями как химическая потенциальная энергия посредством фотосинтеза , когда углекислый газ и вода преобразуются в горючую комбинацию углеводов, липидов и кислорода. Высвобождение этой энергии в виде тепла и света может быть вызвано внезапно искрой, в лесном пожаре; или она может быть доступна более медленно для метаболизма животных или людей , когда эти молекулы попадают в организм, а катаболизм запускается действием ферментов.
Через все эти цепи преобразований потенциальная энергия , накопленная во время Большого взрыва, позже высвобождается промежуточными событиями, иногда сохраняясь несколькими различными способами в течение длительных периодов между высвобождениями, как более активная энергия. Все эти события включают преобразование одного вида энергии в другие, включая тепло.
На угольной электростанции происходят следующие преобразования энергии:
В такой системе первый и четвертый этапы высокоэффективны, но второй и третий этапы менее эффективны. Наиболее эффективные газовые электростанции могут достигать 50% эффективности преобразования. [ необходима цитата ] Нефтяные и угольные станции менее эффективны.
В обычном автомобиле происходят следующие преобразования энергии:
Существует множество различных машин и преобразователей , которые преобразуют одну форму энергии в другую. Ниже приведен краткий список примеров: