ऊर्जा संरक्षण का नियम

आधुनिक भौतिकी गति से जुड़ी कई प्रकार की ऊर्जा या विभिन्न प्रकार के भौतिक पिंडों या कणों की विभिन्न पारस्परिक व्यवस्था को जानती है, उदाहरण के लिए, किसी भी गतिमान पिंड में गतिज ऊर्जा उसके वेग के वर्ग के समानुपाती होती है। शरीर की गति बढ़ने या घटने पर यह ऊर्जा बदल सकती है। जमीन से ऊपर उठे हुए शरीर में एक गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा होती है जो शरीर की ऊंचाई में तीन परिवर्तन बदलती है।

स्थिर विद्युत आवेश जो एक दूसरे से कुछ दूरी पर होते हैं, इस तथ्य के अनुसार इलेक्ट्रोस्टैटिक संभावित ऊर्जा होती है कि, कूलम्ब के नियम के अनुसार, आवेश या तो आकर्षित होते हैं (यदि वे अलग-अलग संकेतों के होते हैं) या एक बल के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती के साथ पीछे हटते हैं। उनके बीच की दूरी।

काइनेटिक और संभावित ऊर्जा अणुओं, परमाणुओं और कणों, उनके घटकों - इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आदि के पास होती है। यांत्रिक कार्य के रूप में, विद्युत धारा के प्रवाह में, ऊष्मा के स्थानान्तरण में, पिंडों की आंतरिक स्थिति में परिवर्तन में, विद्युत चुम्बकीय तरंगों के संचरण आदि में।

100 साल से भी पहले, भौतिकी का एक मूलभूत नियम स्थापित किया गया था, जिसके अनुसार ऊर्जा गायब नहीं हो सकती या शून्य से उत्पन्न नहीं हो सकती। वह केवल एक प्रकार से दूसरे प्रकार में बदल सकती है…। इस नियम को ऊर्जा संरक्षण का नियम कहते हैं।

ए। आइंस्टीन के कार्यों में, यह कानून महत्वपूर्ण रूप से विकसित हुआ है। आइंस्टीन ने ऊर्जा और द्रव्यमान की विनिमेयता की स्थापना की और इस तरह ऊर्जा के संरक्षण के नियम की व्याख्या का विस्तार किया, जिसे अब आमतौर पर ऊर्जा और द्रव्यमान के संरक्षण के नियम के रूप में कहा जाता है।

आइंस्टीन के सिद्धांत के अनुसार, शरीर की ऊर्जा dE में कोई भी परिवर्तन इसके द्रव्यमान dm में सूत्र dE = dmc2 द्वारा परिवर्तन से संबंधित है, जहाँ c 3 x 108 मिस के बराबर निर्वात में प्रकाश की गति है।

इस सूत्र से, विशेष रूप से, यह इस प्रकार है कि यदि, किसी प्रक्रिया के परिणामस्वरूप, प्रक्रिया में शामिल सभी पिंडों का द्रव्यमान 1 ग्राम कम हो जाता है, तो ऊर्जा 9×1013 जे के बराबर होती है, जो कि 3000 टन के बराबर होती है। मानक ईंधन।

परमाणु परिवर्तनों के विश्लेषण में ये अनुपात प्राथमिक महत्व के हैं। अधिकांश मैक्रोस्कोपिक प्रक्रियाओं में, द्रव्यमान में परिवर्तन की उपेक्षा की जा सकती है और केवल ऊर्जा के संरक्षण के नियम की बात की जा सकती है।

आइए हम किसी ठोस उदाहरण पर ऊर्जा के रूपांतरणों का पता लगाएं। खराद पर किसी भी हिस्से को बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा रूपांतरण की पूरी श्रृंखला पर विचार करें (चित्र 1)। प्रारंभिक ऊर्जा 1 दें, जिसकी मात्रा हम 100% के रूप में लेते हैं, एक निश्चित मात्रा में जीवाश्म ईंधन के पूर्ण दहन के कारण प्राप्त होती है। इसलिए, हमारे उदाहरण के लिए, प्रारंभिक ऊर्जा का 100% ईंधन दहन के उत्पादों में निहित है, जो उच्च (लगभग 2000 K) तापमान पर हैं।

बिजली संयंत्र के बॉयलर में दहन के उत्पाद, ठंडा होने पर, पानी और जल वाष्प को गर्मी के रूप में अपनी आंतरिक ऊर्जा देते हैं। हालाँकि, तकनीकी और आर्थिक कारणों से, दहन उत्पादों को परिवेश के तापमान पर ठंडा नहीं किया जा सकता है। उन्हें लगभग 400 K के तापमान पर ट्यूब के माध्यम से वातावरण में बाहर निकाल दिया जाता है, जिससे कुछ मूल ऊर्जा अपने साथ ले जाती है। इसलिए, प्रारंभिक ऊर्जा का केवल 95% जल वाष्प की आंतरिक ऊर्जा में स्थानांतरित किया जाएगा।

परिणामी जल वाष्प भाप टरबाइन में प्रवेश करेगी, जहां इसकी आंतरिक ऊर्जा शुरू में आंशिक रूप से भाप के तारों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, जो तब टरबाइन रोटर को यांत्रिक ऊर्जा के रूप में प्रेषित की जाएगी।

भाप ऊर्जा का केवल एक भाग यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है। बाकी पानी ठंडा करने के लिए दिया जाता है जब भाप संघनित्र में संघनित होती है। हमारे उदाहरण में, हमने माना कि टर्बाइन रोटर को स्थानांतरित ऊर्जा लगभग 38% होगी, जो मोटे तौर पर आधुनिक बिजली संयंत्रों की स्थिति से मेल खाती है।

तथाकथित के कारण यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते समय जनरेटर के रोटर और स्टेटर वाइंडिंग में जूल की हानि लगभग 2% ऊर्जा खो देगी। नतीजतन, प्रारंभिक ऊर्जा का लगभग 36% ग्रिड में चला जाएगा।

एक विद्युत मोटर खराद को घुमाने के लिए उसे आपूर्ति की गई विद्युत ऊर्जा के केवल एक हिस्से को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करेगी। हमारे उदाहरण में, लगभग 9% ऊर्जा मोटर वाइंडिंग्स में जूल गर्मी के रूप में और इसके बीयरिंगों में घर्षण गर्मी आसपास के वातावरण में जारी की जाएगी।

इस प्रकार, मशीन के कामकाजी अंगों को प्रारंभिक ऊर्जा का केवल 27% वितरित किया जाएगा। लेकिन ऊर्जा दुर्घटनाएं यहीं समाप्त नहीं होती हैं। यह पता चला है कि किसी भाग के मशीनिंग के दौरान अधिकांश ऊर्जा घर्षण पर खर्च की जाती है और गर्मी के रूप में उस तरल के साथ हटा दी जाती है जो भाग को ठंडा करता है। सैद्धांतिक रूप से, प्रारंभिक ऊर्जा का केवल एक बहुत छोटा अंश (हमारे उदाहरण में, 2% माना जाता है) मूल भाग के वांछित भाग को प्राप्त करने के लिए पर्याप्त होगा।

चावल। 1. एक खराद पर वर्कपीस के प्रसंस्करण के दौरान ऊर्जा परिवर्तन का आरेख: 1 - निकास गैसों के साथ ऊर्जा की हानि, 2 - दहन उत्पादों की आंतरिक ऊर्जा, 3 - काम कर रहे द्रव की आंतरिक ऊर्जा - जल वाष्प, 4 - शीतलन से जारी गर्मी टरबाइन कंडेनसर में पानी, 5 - टरबाइन जनरेटर के रोटर की यांत्रिक ऊर्जा, 6 - विद्युत जनरेटर में नुकसान, 7 - मशीन के विद्युत ड्राइव में अपशिष्ट, 8 - मशीन के रोटेशन की यांत्रिक ऊर्जा, 9 - घर्षण काम, जो गर्मी में परिवर्तित हो जाता है, तरल से अलग हो जाता है, ठंडा भाग, 10 - प्रसंस्करण के बाद भाग और चिप्स की आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि ...

विचाराधीन उदाहरण से कम से कम तीन बहुत उपयोगी निष्कर्ष निकाले जा सकते हैं, यदि इसे काफी विशिष्ट माना जाए।

सबसे पहले, ऊर्जा रूपांतरण के प्रत्येक चरण में इसका कुछ हिस्सा नष्ट हो जाता है... इस कथन को ऊर्जा संरक्षण के नियम के उल्लंघन के रूप में नहीं समझा जाना चाहिए। यह उपयोगी प्रभाव के कारण खो जाता है जिसके लिए संबंधित परिवर्तन किया जाता है। रूपांतरण के बाद ऊर्जा की कुल मात्रा अपरिवर्तित रहती है।

यदि किसी मशीन या उपकरण में ऊर्जा रूपांतरण और स्थानांतरण की प्रक्रिया होती है, तो इस उपकरण की दक्षता आमतौर पर दक्षता (दक्षता) की विशेषता होती है। ऐसे उपकरण का आरेख अंजीर में दिखाया गया है। 2.

चावल। 2. ऊर्जा को परिवर्तित करने वाले उपकरण की दक्षता निर्धारित करने की योजना।

चित्र में दिखाए गए संकेतन का उपयोग करते हुए, दक्षता को Efficiency = Epol/Epod के रूप में परिभाषित किया जा सकता है

यह स्पष्ट है कि इस मामले में, ऊर्जा के संरक्षण के नियम के आधार पर, एपोड = एपोल + एपोट होना चाहिए

इसलिए, दक्षता को निम्नानुसार भी लिखा जा सकता है: दक्षता = 1 - (एपोट / एपोल)

FIG में दिखाए गए उदाहरण पर वापस लौटना। 1, हम कह सकते हैं कि बॉयलर की दक्षता 95% है, भाप की आंतरिक ऊर्जा को यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करने की दक्षता 40% है, विद्युत जनरेटर की दक्षता 95% है, दक्षता है - एक की विद्युत ड्राइव मशीन - 75%, और वर्कपीस की वास्तविक प्रसंस्करण दक्षता लगभग 7% है।

अतीत में, जब ऊर्जा परिवर्तन के नियम अभी तक ज्ञात नहीं थे, लोगों का सपना एक तथाकथित सतत गति मशीन बनाना था - एक उपकरण जो ऊर्जा खर्च किए बिना उपयोगी कार्य करेगा। ऐसा काल्पनिक इंजन, जिसका अस्तित्व ऊर्जा के संरक्षण के नियम का उल्लंघन करेगा, को आज पहली तरह की सतत गति मशीन कहा जाता है, जो कि दूसरी तरह की सतत गति मशीन के विपरीत है। आज, बेशक, कोई नहीं लेता गंभीरता से पहली तरह की सतत गति मशीन बनाने की संभावना।

दूसरा, सभी ऊर्जा नुकसान अंततः गर्मी में परिवर्तित हो जाते हैं, जो या तो वायुमंडलीय हवा या प्राकृतिक जलाशयों से पानी में छोड़े जाते हैं।

तीसरा, लोग प्रासंगिक लाभकारी प्रभाव प्राप्त करने के लिए खर्च की जाने वाली प्राथमिक ऊर्जा के केवल एक छोटे से अंश का उपयोग करते हैं।

ऊर्जा परिवहन लागतों को देखते समय यह विशेष रूप से स्पष्ट है। आदर्श यांत्रिकी में, जो घर्षण बल पर विचार नहीं करता है, क्षैतिज तल में गतिमान भार को ऊर्जा की आवश्यकता नहीं होती है।

वास्तविक परिस्थितियों में, एक वाहन द्वारा खपत की गई सभी ऊर्जा का उपयोग घर्षण बल और वायु प्रतिरोध बलों को दूर करने के लिए किया जाता है, अर्थात अंततः परिवहन में खपत की गई सभी ऊर्जा गर्मी में परिवर्तित हो जाती है। इस संबंध में, निम्नलिखित आंकड़े दिलचस्प हैं, विभिन्न प्रकार के परिवहन के साथ 1 किमी की दूरी पर 1 टन कार्गो को ले जाने के कार्य की विशेषता: हवाई जहाज - 7.6 kWh / (t-km), कार - 0.51 kWh / ( t- किमी), ट्रेन-0.12 kWh / (t-km)।

इस प्रकार, रेल की तुलना में 60 गुना अधिक ऊर्जा खपत की कीमत पर हवाई परिवहन के साथ समान लाभकारी प्रभाव प्राप्त किया जा सकता है। बेशक, उच्च ऊर्जा खपत महत्वपूर्ण समय की बचत देती है, लेकिन एक ही गति (कार और ट्रेन) पर भी, ऊर्जा की लागत 4 गुना भिन्न होती है।

इस उदाहरण से पता चलता है कि लोग अक्सर अन्य लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए ऊर्जा दक्षता के साथ समझौता करते हैं, उदाहरण के लिए आराम, गति, आदि। प्रक्रियाओं की दक्षता का आर्थिक मूल्यांकन महत्वपूर्ण है... लेकिन जैसे-जैसे प्राथमिक ऊर्जा घटकों की कीमत बढ़ती है, तकनीकी और आर्थिक मूल्यांकन में ऊर्जा घटक अधिक से अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है।