top of page

1.3. Енергетичні закони

Існують два фундаментальні енергетичні закони. Перший закон часто називають Законом збереження енергії, а другий – Законом якості енергії.

Їх неможливо порушити: вони діють скрізь і завжди, незалежно від нашого бажання і навіть незалежно від того, знаємо ми їх чи ні.

ПЕРШИЙ ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ЗАКОН: КІЛЬКІСТЬ ЕНЕРГІЇ ЗАЛИШАЄТЬСЯ НЕЗМІННОЮ.

«ЕНЕРГІЯ НЕ МОЖЕ ЗНИКНУТИ БЕЗСЛІДНО ЧИ ВИНИКНУТИ НІЗВІДКИ»→«ЕНЕРГІЯ ТІЛЬКИ МОЖЕ ЗМІНЮВАТИ ФОРМУ І МІСЦЕ»→«КІЛЬКІСТЬ ЕНЕРГІЇ У ВСЕСВІТІ НЕЗМІННА».

Відповідно до закону збереження енергії не можна говорити про «втрати» енергії. Нібито ми її витратили, і вона зникла, як витрачені гроші з гаманця. Ні, енергія перейшла в іншу форму, можливо, не потрібну для нас, чи навіть шкідливу. Можна говорити про витрати електричної енергії - адже вона переходить у теплову.

Цей закон забезпечує нам просте розв’язання проблеми нестачі енергії в майбутньому. Бережіть енергію і використовуйте її повторно, перетворюючи на ту форму, яка вам потрібна.

Розглянемо приклад.

Гребля гідроелектростанції перегородила річку - утворилося водосховище. Рівень води у водосховищі піднявся порівняно з рівнем у річищі за греблею, тому вода у водосховищі володіє потенціальною енергією. Падаючи з цієї висоти, вода втрачає потенціальну енергію, але набуває кінетичної. Потрапивши на лопаті гідротурбіни, вона віддає свою кінетичну енергію турбіні, і та отримує кінетичну енергію обертання. Турбіна обертає електричний генератор, в якому механічна енергія обертання переходить в електричну енергію.

Лініями електропередач електрична енергія доходить до лампочки у вашій квартирі, і в ній перетворюється на світлову та теплову. При цьому частина енергії витрачається на нагрівання дротів, на тертя в підшипниках турбіни і генератора.

Як бачимо, на цьому прикладі, енергія може перетворитися з однієї форми в іншу. Але величина енергії у всьому ланцюгу перетворень не змінюється. Все, що відбувається, підпорядковується першому енергетичному закону – кількість енергії залишається незмінною.

Схема трансформації енергії під час роботи ГЕС

Енергозбереження щодо першого закону: НЕ МАРНУЙТЕ ЕНЕРГІЮ!

Тобто, використовуючи енергію раціональніше, ми за той самий час будемо витрачати її менше, ніж раніше.

Рекомендовані заходи з енергозбереження, що відповідають першому закону:

  • використовуйте енергоефективні електричні лампочки (світлодіодні, люмінісцентні замість жарівок);

  • вимикайте освітлювальні й нагрівальні прилади, коли виходите з кімнати;

  • слідкуйте за тим, щоби водопровідні крани та зливні бачки не протікали.

ДРУГИЙ ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ЗАКОН: ЯКІСТЬ ЕНЕРГІЇ БУДЕ ЗНИЖЕНО.

«ВИСОКОЯКІСНА ЕНЕРГІЯ ЗДАТНА ПЕРЕТВОРЮВАТИСЯ НА НИЗЬКОЯКІСНУ З МАЛИМИ ВТРАТАМИ, АЛЕ ЗВОРОТНЄ ПЕРЕТВОРЕННЯ НЕМОЖЛИВЕ»→«НЕМОЖЛИВО СТВОРИТИ МАШИНУ, ЯКА ПОВНІСТЮ ПЕРЕТВОРЮВАЛА Б ПЕВНУ КІЛЬКІСТЬ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ НА КОРИСНУ РОБОТУ»→«КОЛИ ЕНЕРГІЯ В ПЕВНІЙ КІЛЬКОСТІ ПЕРЕТВОРЮЄТЬСЯ НА ІНШУ ФОРМУ, ЯКІСТЬ ЕНЕРГІЇ ЗНИЖУЄТЬСЯ».

Чому рухаються автобус, автомобіль, мотоцикл? Частина хімічної енергії пального перетворюється в їхніх двигунах на кінетичну енергію і використовується для розгону і руху. Ми називаємо це корисною енергією чи роботою. Решта енергії у вигляді теплової переходить у навколишнє середовище. Ми називаємо цю частину енергії енергетичними втратами.

Цей спрощений приклад демонструє іншу властивість енергії: кожен раз, коли енергія переходить з однієї форми в іншу, тільки частина її витрачається з користю, а решта губиться даремно і переходить у вигляді тепла в навколишнє середовище. Величина корисної частини може бути різною і залежить від форми енергії та застосованої технології.

 

  • Які перетворення енергії відбуваються при: запуску на орбіту космічного корабля; ударі футболіста по м’ячу; підйомі в ліфті; забиванні цвяха в дошку?

  • Чому більшість метеоритів згорає в атмосфері Землі і лише деякі долітають до її поверхні?

  • Серед корисних господарських порад є така: якщо ви зберігаєте картоплю взимку в лоджії, щоб картопля не замерзла, в ящик, де вона зберігається, прилаштуйте електричну лампочку і вмикайте її періодично (наприклад, на ніч). Навіщо? Хіба в темряві холодніше, ніж на світлі?

Не всі форми енергії для нас, споживачів, рівноцінні: у них різна енергетична якість. Що це означає? Спробуємо оцінити якість енергії, або її енергетичну цінність, для нас. Порівняємо однакові кількості електричної та теплової енергії.

Першу ми можемо використати і для освітлення, і для зігрівання, і для здійснення механічної роботи.

Друга більш придатна лише для зігрівання, і при цьому значна її кількість під час передачі на відстань незворотньо втрачається. Чим більшу частину певного виду енергії можна використати для корисної роботи, тим вища якість цього джерела енергії. Ось чому в наведеному нами прикладі якість електричної енергії вища, ніж теплової.

Форми енергії можна класифікувати за якістю.

  • Відмінна якість: кінетична, електрична енергія.

  • Висока якість: ядерна, хімічна, високотемпературна теплова енергія (понад 100 °С ).

  • Низька якість: низькотемпературна теплова енергія (нижче 100°С).

Слід зауважити, що хоча ядерна енергія має високу якість, атомні електростанції продукують тільки близько 30% корисної енергії. Це пояснюється тим, що на АЕС електрична енергія виробляється електричними генераторами, які обертаються паровими турбінами, як на звичайних теплових електростанціях. Ядерна енергія в ядерному реакторі перетворюється спочатку на теплову, а потім (у турбіні та генераторі) - на електричну. Ядерна енергія перетворюється на теплову дуже добре, а ось теплова на електричну, як і на звичайних теплових електростанціях, - не дуже.

Взагалі, звичайно, можна отримувати енергію вищої якості з низькоякісної. Наприклад, можна перетворити частину високоякісної енергії на енергію відмінної якості, скажімо, хімічну енергію на електричну на тепловій електростанції. Але одночасно при цьому більша частина початкової високоякісної енергії буде перетворюватися на енергію низької якості (теплову). Отже, все одно якість енергії в цілому нижчає.

Таким чином, будь-яке енергетичне перетворення супроводжується утворенням теплоти, яка врешті незворотньо розсіюється в навколишнє середовище. Іншими словами, корисної, якісної енергії меншає. Втрачається не енергія взагалі, а енергія, котру можна було б спрямувати на виробництво корисної роботи.

Призначення паровоза й електровоза однакове. Чому електровози поступово витіснили паровози із залізниць? Спробуйте перелічити всі канали втрат енергії під час руху автомобіля.

Усі процеси в природі підпорядковані дії цих двох законів. Поняття кількості та якості енергії визначаються законами термодинаміки. З погляду першого закону термодинаміки «енергозбереження» внутрішньо суперечливе, оскільки нібито й нема потреби зберігати енергію, це робить природа відповідно до закону збереження енергії. Зберігати треба працездатність енергії, або ексергію, яка є виміром якості кожного виду енергії, тобто здатності за певних умов перетворюватися на інші види енергії.

Енергозбереження, згідно із другим законом, змушує замислитися над питанням: енергію якої якості використовувати для виконання того чи іншого завдання?

 

Енергозбереження щодо другого закону: НЕ ВТРАЧАЙТЕ ЯКІСТЬ ЕНЕРГІЇ!

Наведемо приклади енергозбереження відповідно до другого закону:

  • використання для обігріву приміщень біоенергії і теплової енергії замість електроенергії;

  • використання теплових відходів для обігріву будинків;

  • використання сонячної енергії для обігріву приміщень, підігріву води тощо.

bottom of page