Что такое энергия в технологии
Перейти к содержимому

Что такое энергия в технологии

  • автор:

Что такое энергия кратко в технологии

Цели: сформировать представление обучающихся о перспективах использования источников энергии; развивать воображение, наглядно-образное мышление; сформировать представление обучающихся о перспективах использования источников энергии.

— сформировать представление обучающихся о перспективах использования источников энергии.

-Формирование мотивации изучение темы;

— Положительное отношение к процессу учения, к приобретению знаний и умений, стремление преодолевать возникающие затруднения.

-Планирование собственной деятельности, оценка качества и уровня усвоения;

— Умение готовить рабочее место и школьные принадлежности к выполнению чертёжных работ.

— Извлечение необходимой информации из беседы, рассказа;

-Выработка алгоритма действий;

— Выбирать нужную информацию из учебного и художественного текста, иллюстраций, представлять её с использованием знаково-символических средств.

— Учебное сотрудничество (умение договариваться, распределять работу, оценивать свой вклад в результат общей деятельности);

— Умение ставить проблему, обсуждать с одноклассниками способы её решения.

Оборудование: тетрадь, учебник.

I. Организационный момент.

Приветствие. Проверка готовности.

II. Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Энергия – способность кого-либо или чего-либо совершать некоторое возможное для него количество работы.

Джоуль – это единица энергии, работы и количества теплоты, используемая в системе измерений.

Электрик – специалист по установке и ремонту электрических устройств.

Инженер-электрик – специалист по ремонту и эксплуатации промышленного электрооборудования.

Энергия механическая – способность тела совершать механическую работу: что-то поднять, переместить, разрезать, согнуть, построить и т.д.

Энергия кинетическая –энергия движущегося тела.

Энергия потенциальная – энергия неподвижного тела, положение какого-либо тела относительно поверхности Земли и других тел.

III. Изучение нового материала.

Теоретический материал для самостоятельного изучения.

Энергией называют способность кого-либо или чего-либо совершать некоторое возможное для него количество работы.

Энергия – это то, без чего невозможно движение мышц, полёт самолётов и ракет, работа станков и аппаратов и многое другое. Выполнить работу, не имя энергии, невозможно. Чем больше энергии, тем большую работу можно выполнить.

В современном смысле этого слова первым его стал употреблять в 1807 г. Томас Юнг. Природа дает нам различные виды энергии. И вся эта энергия, так или иначе, работает на человека.

Энергия животного, человека и машины определяется величиной работы, которую они могут совершить. Человек может перенести на большое расстояние гораздо меньший груз, чем осёл. А автомобиль может перевезти более тяжёлый груз, чем осёл. Значит человек, осёл и автомобиль обладают разной энергией.

Единицей измерения энергии является 1 джоуль. Названа по имени Дж. П. Джоуля, английского физика. Это такая энергия, которая позволяет разогнать тело массой 1 кг до скорости 1 метр в секунду на участке длиной 1 метр.

Камень массой 100 граммов, брошенный со скоростью около 25 метров в секунду, обладает меньше энергией, чем пуля массой 9 грамм, вылетающая из ствола пистолета со скоростью 500 метров в секунду. Энергия пули в этом случае в 800 раз больше энергии камня.

А теперь приступаем к нашей работе.

Человек часто пользуется электрической энергией. Существуют профессии электрик и инженер-электрик. Электрики работают на разных предприятиях и обслуживают электрооборудование. Эта профессия имеет множество специальностей: электромонтажник, электромеханик, электромонтёр, техник-электрик, электрослесарь, электроосветитель, электросварщик и др.

В обязанности инженера-электрика входят проектирование, наладка, монтаж и эксплуатация промышленного электрооборудования, иловых преобразовательных устройств и электронных систем управления.

Рассматривая энергию как объект технологии, надо учитывать её виды и свойства.

· энергия магнитного поля;

Виды и свойства энергии изучает наука физика.

Механическая энергия определяет способность тела совершать механическую работу.

Например: что-то поднять, переместить, разрезать, согнуть, построить и т.д.

Механическая энергия подразделяется на кинетическую и потенциальную.

Энергия кинетическая – это энергия движущегося тела.

Чем больше скорость тела и его масса, тем больше кинетическая энергия.

Движение может быть поступательным, как у брошенного камня или движущегося автомобиля, и вращательным, как у волчка или юлы.

Количество кинетической энергии тем больше, чем больше его масса и скорость. Тонкая струя воды с частичками песка, движущаяся со скоростью более 1200 метров в секунду, может резать сталь толщиной до 10 см.

Потенциальна энергия – это энергия неподвижного тела.

Этой энергией обладают, например, поплавок, погружённый в воду, часовая пружина, натянутая тетива лука, сжатый газ, разогретый до высокой температуры водяной пар, готовый вырваться наружу.

Чем больше масса тела и чем выше оно поднято над поверхностью Земли, тем большей потенциальной энергией оно обладает.

Кинетическая и потенциальная энергии тела могут переходить одна в другую.

Содержание

Фундаментальный смысл

С фундаментальной точки зрения энергия представляет собой интеграл движения (то есть сохраняющуюся при движении величину), связанный, согласно теореме Нётер, с однородностью времени. Таким образом, введение понятия энергии как физической величины целесообразно только в том случае, если рассматриваемая физическая система однородна во времени.

Энергия и работа

Энергия является мерой способности физической системы совершить работу, поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.

В специальной теории относительности

Энергия и масса

Согласно специальной теории относительности между массой и энергией существует связь, выражаемая знаменитой формулой Эйнштейна

</p>
<p>E = mc^2″ width=»» height=»» /></p>
<p>где E — энергия системы, m — её масса, c — скорость света. Несмотря на то, что исторически предпринимались попытки трактовать это выражение как полную эквивалентность понятия энергии и массы, что, в частности, привело к появлению такого понятия как релятивистская масса, в современной физике принято сужать смысл этого уравнения, понимая под массой массу тела в состоянии покоя (так называемая масса покоя), а под энергией — только внутреннюю энергию, заключённую в системе.</p>
<p><img decoding=

Энергия тела, согласно законам классической механики, зависит от системы отсчета, то есть неодинакова для разных наблюдателей. Если тело движется со скоростью v относительно некоего наблюдателя, то для другого наблюдателя, движущегося с той же скоростью, оно будет казаться неподвижным. Соответственно, для первого наблюдателя кинетическая энергия тела будет равна, , где m — масса тела, а для другого наблюдателя — нулю.

Эта зависимость энергии от системы отсчета сохраняется также в теории относительности. Для определения преобразований, происходящих с энергией при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой используется сложная математическая конструкция — тензор энергии-импульса.

Зависимость энергии тела от скорости рассматривается уже не так, как в ньютоновской физике, а согласно вышеназванной формуле Эйнштейна:


,

 m

где — инвариантная масса. В системе отсчета, связанной с телом, его скорость равна нулю, а энергия, которую называют энергией покоя, выражается формулой:

 E_0 = mc^2

Это минимальная энергия, которую может иметь массивное тело. Значение формулы Эйнштейна также в том, что до неё энергия определялась с точностью до произвольной постоянной, а формула Эйнштейна находит абсолютное значение этой постоянной.

Энергия и импульс

Специальная теория относительности рассматривает энергию как компоненту 4-импульса (4-вектора энергии-импульса), в который наравне с энергией входят три пространственные компоненты импульса. Таким образом энергия и импульс оказываются связанными и оказывают взаимное влияние друг на друга при переходе из одной системы отсчёта в другую.

В квантовой механике

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 12 мая 2011.

В квантовой механике величина энергии пропорциональна частоте и двойственна времени. В частности, в силу фундаментальных причин принципиально невозможно измерить абсолютно точно энергию системы в каком-либо процессе, время протекания которого конечно. При проведении серии измерения одного и того же процесса значения измеренной энергии будут флуктуировать, однако среднее значение всегда определяется законом сохранения энергии. Это приводит к тому, что иногда говорят, что в квантовой механике сохраняется средняя энергия.

В общей теории относительности

В общей теории относительности время не является однородным, поэтому возникают определённые проблемы при попытке введения понятия энергии. В частности, оказывается невозможным определить энергию гравитационного поля как тензор относительно общих преобразований координат.

Энергия и энтропия

Физическая размерность

Энергия E имеет размерность, равную:


.

Соотношения между единицами энергии

Единица Эквивалент
в Дж в эрг в межд. кал в эВ
1 Дж 1 10 7 0,238846 0,624146·10 19
1 эрг 10 −7 1 2,38846·10 −8 0,624146·10 12
1 межд. Дж [1] 1,00020 1,00020·10 7 0,238891 0,624332·10 19
1 кгс·м 9,80665 9,80665·10 7 2,34227 6,12078·10 19
1 кВт·ч 3,60000·10 6 3,60000·10 13 8,5985·10 5 2,24693·10 25
1 л·атм 101,3278 1,013278·10 9 24,2017 63,24333·10 19
1 межд. кал (calIT) 4,1868 4,1868·10 7 1 2,58287·10 19
1 термохим. кал (калТХ) 4,18400 4,18400·10 7 0,99933 2,58143·10 19
1 электронвольт (эВ) 1,60219·10 −19 1,60219·10 −12 3,92677·10 −20 1

Виды энергии

Механика различает потенциальную энергию (или, в более общем случае, энергию взаимодействия тел или их частей между собой или с внешними полями) и кинетическую энергию (энергия движения). Их сумма называется полной механической энергией.

Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают: электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии), гравитационную и ядерную энергии (также может быть разделена на энергию слабого и сильного взаимодействий).

В химии рассматриваются такие величины, как энергия связи и энтальпия, имеющие размерность энергии, отнесённой к количеству вещества. См. также: химический потенциал.

Кинетическая

Кинетическая энергия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Единица измерения в системе СИ — Джоуль. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением.

Потенциальная

U(\vec r)

Потенциальная энергия — скалярная физическая величина, характеризует запас энергии некоего тела (или материальной точки), находящегося в потенциальном силовом поле, который идет на приобретение (изменение) кинетической энергии тела за счет работы сил поля. Другое определение: потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы. [2]

Электромагнитная

Гравитационная

Гравитационная энергия — потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным тяготением. Гравитационно-связанная система — система, в которой гравитационная энергия больше суммы всех остальных видов энергий (помимо энергии покоя). Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационную энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной и кинетической энергии постоянна, для изолированной системы гравитационная энергия является энергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными.

Ядерная

Ядерная энергия (атомная энергия) — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.

Энергия связи — энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента.

Внутренняя

Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между её значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Химический потенциал

\mu

Химический потенциал — один из термодинамических параметров системы, а именно энергия добавления одной частицы в систему без совершения работы.

Энергия взрыва

Взрыв — физический или/и химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшом объёме за короткий промежуток времени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов.

При химическом взрыве, кроме газов, могут образовываться и твёрдые высокодисперсные частицы, взвесь которых называют продуктами взрыва. Энергию взрыва иногда измеряют в тротиловом эквиваленте — мере энерговыделения высокоэнергетических событий, выраженной в количестве тринитротолуола (ТНТ), выделяющем при взрыве равное количество энергии.

Проблемы энергопотребления

Существует довольно много форм энергии, большинство [3] из которых так или иначе используются в энергетике и различных современных технологиях.

Темпы энергопотребления растут во всем мире, поэтому на современном этапе развития цивилизации наиболее актуальна проблема энергосбережения.

Условно источники энергии можно поделить на два типа: невозобновляемые и постоянные. К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т. д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, неэкологична, и многие из них истощаются. К постоянным источникам можно отнести энергию солнца, энергию, получаемую на ГЭС и т. д.

История термина

Несколько лет велись споры, является ли энергия субстанцией (теплород) или только физической величиной.

Само слово энергия, хотя и было впервые употреблено в современном смысле доктором Томасом Юнгом приблизительно в начале этого века, только сейчас входит в употребление практически после того, как теория, которая дала определение энергии, … развилась от просто формулы математической динамики до принципа, пронизывающего всю природу и направляющего исследователя в области науки.

The very name energy, though first used in its present sense by Dr Thomas Young about the beginning of this century, has only come into use practically after the doctrine which defines it had … been raised from mere formula of mathematical dynamics to the position it now holds of a principle pervading all nature and guiding the investigator in the field of science.

Особенности преобразования тепла и работы были показаны в первых двух законах термодинамики. Наука об энергии разделилась на множество различных областей, таких как биологическая термодинамика и термоэкономика (англ. thermoeconomics ). Параллельно развивались связанные понятия, такие как энтропия, мера потери полезной энергии, мощность, поток энергии за единицу времени, и так далее. В последние два века использование слова энергия в ненаучном смысле широко распространилось в популярной литературе.

В 1918 году было доказано, что закон сохранения энергии есть математическое следствие трансляционной симметрии времени, величины сопряжённой энергии. То есть энергия сохраняется, потому что законы физики не отличают разные моменты времени (см. Теорема Нётер, изотропия пространства).

В 1961 году выдающийся преподаватель физики и нобелевский лауреат, Ричард Фейнман в лекциях так выразился о концепции энергии: [6]

Существует факт, или, если угодно, закон, управляющей всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его — сохранение энергии. Он утверждает, что существует определённая величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение весьма и весьма отвлечено. Это по существу математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним.

There is a fact, or if you wish, a law, governing natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law—it is exact so far we know. The law is called conservation of energy; it states that there is a certain quantity, which we call energy that does not change in manifold changes which nature undergoes. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity, which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number, and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same.

Энергия — это способность выполнять работу, и как таковая, она проявляется по-разному. В этом смысле существует два основных типа энергии: энергия положения или состояния, также называемая потенциальной энергией, а другая — это энергия в действии или движении и называемая кинетической энергией.

Оба типа энергии могут преобразовывать друг друга и являются частью других форм энергии. В зависимости от источника, откуда они берутся, мы можем говорить об электрической, ядерной, химической, излучающей или магнитной энергии.

Кинетическая энергия


Кинетическая энергия шара для боулинга опрокидывает кегли.

Кинетическая энергия — это энергия в действии, энергия движения. Зависит от количества массы тела, а также от скорости. Таким образом, шар для боулинга выбьет больше кеглей, потому что он имеет большую массу. Более быстрый шар для боулинга будет более эффективным, чем медленный.

Человек может использовать в своих интересах кинетическую энергию многих природных ресурсов. Например, ветер движется воздухом, и ветрогенераторы используют это для производства электроэнергии.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия тела также зависит от массы объекта.

Потенциальная энергия является другим основным типом энергии и связана с положением или состоянием объекта по отношению к другому.

Потенциальная энергия увеличивается, когда притягиваемые тела отделяются или когда отбрасываемые или отталкиваемые тела объединяются. Область, в которой объекты притягиваются или отталкиваются, называется силовым полем. Примерами силовых полей могут быть, например, гравитационное силовое поле Земли или магнитное силовое поле.

Потенциальная и кинетическая энергия

Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а также может быть найдена в других видах энергии, таких как потенциальная гравитационная энергия или упругая потенциальная энергия.

Гравитационная потенциальная энергия

В тот момент, когда спортсмен достигает высшей точки, он обладает большей потенциальной энергией.

Когда потенциальная энергия связана с гравитационной силой, она называется потенциальной гравитационной энергией. Гравитационное силовое поле вокруг нашей планеты притягивает объекты к ее центру. Когда мы поднимаем объекты, отделяя их от Земли, мы увеличиваем их гравитационную потенциальную энергию.

Существует потенциальная гравитационная энергия между Солнцем и планетами, а также между Луной и Землей. Фактически, приливы являются результатом притяжения, которое Луна создает на земных водоемах.

Упругая потенциальная энергия

Когда мы растягиваем пружину, энергия, чтобы вернуться к своей первоначальной форме, сохраняется как потенциальная энергия.

Другой формой потенциальной энергии является энергия, которую содержит пружина, когда мы растягиваем или сжимаем её. Эта энергия называется упругой потенциальной энергией: это энергия материалов, когда они растягиваются или скручиваются. Когда мы сжимаем пружину, мы увеличиваем ее потенциальную энергию.

Эластичная потенциальная энергия — это то, что движет в пружине. Также в прыжках с шестом в легкой атлетике у нас есть пример того, как упругая потенциальная энергия превращается в гравитационную потенциальную энергию.

Механическая энергия

Механическая энергия — это сумма энергии положения и движения.

Механическая энергия тела охватывает движение и положение объекта, то есть это сумма кинетической и потенциальной энергии этого объекта.

Когда мы качаемся, мы превращаем кинетическую энергию в потенциал и наоборот, поэтому мы можем двигаться быстрее и выше.

Например, ребенок на скейтборде на предыдущем изображении обладает кинетической энергией, которая позволяет ему закрепиться на стене, набирая потенциальную энергию. Когда оно начинает падать, потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию и набирает скорость.

Химическая энергия

Химическая энергия сохраняется в связях между атомами.

Химическая энергия — это форма потенциальной энергии, которая сохраняется в связях между атомами в результате сил притяжения между ними.

Во время химической реакции одно или несколько соединений, называемых реагентами, превращаются в другие соединения, называемые продуктами. Эти превращения происходят из-за разрыва или образования химических связей, которые вызывают изменения в химической энергии.

Энергия высвобождается, когда связи разрушаются во время химических реакций. Это то, что известно как экзотермическая реакция. Например, автомобили используют химическую энергию бензина для выработки тепловой энергии, которая используется для движения автомобиля. Точно так же пища хранит химическую энергию, которую мы используем живыми существами, чтобы функционировать.

Когда соединения образуются, требуется энергия; Это реакция эндотермического типа. Фотосинтез — это эндотермическая реакция, энергия которой исходит от Солнца.

Тепловая энергия

Тепловая энергия огня передается тепловой энергии горшка через тепло.

Тепловая энергия (внутренняя энергия) представляет собой тип кинетической энергии, являющейся продуктом движения или внутренней вибрации частиц в телах. Когда мы измеряем температуру с помощью термометра, мы измеряем то движение атомов и молекул, которые составляют тело. При более высокой температуре большее движение и, следовательно, большая тепловая энергия.

Кроме того, тепловая энергия перемещается между телами через тепло. Когда вы помещаете горячий предмет рядом с холодным, происходит передача энергии от самого горячего к самому холодному, до точки, где они имеют одинаковую температуру. Тепло также передается через инфракрасное излучение или движение горячих жидкостей или газов.

Электрическая мощность

Электрические батареи превращают химическую энергию в электрическую.

Электричество — это тип энергии, который зависит от притяжения или отталкивания электрических зарядов. Существует два вида электричества: статическое и текущее. Статическое электричество связано с наличием статических нагрузок, т.е. нагрузок, которые не двигаются. Электрический ток происходит из-за перемещение грузов.

Пример статического электричества — когда мы натираем воздушный шарик на волосы. Воздушный шар удерживает электроны от волос, заряжаясь отрицательно, в то время как волосы заряжены положительно. Если вы подойдете к воздушному шарику к своей голове, не касаясь его, вы увидите, как пряди волос тянутся к воздушному шарику.

Электрический ток — это поток зарядов из-за движения свободных электронов в проводнике. Это движение происходит в электрическом поле, то есть в области вокруг заряда, где действует сила. Электрические заряды легко переносятся такими материалами, как металлы, особенно серебро, медь и алюминий.

В батареях или электрических батареях происходит превращение химической энергии в электрическую энергию. Химическая энергия происходит в результате реакции между электродами и электролитом, когда положительный полюс соединен с отрицательным полюсом батареи. Вольт — это единица измерения потенциальной энергии на заряд в батарее.

Ядерная энергетика

Когда ядро ​​атома разбивается, ядерная энергия высвобождается.

Ядерная энергия — это форма потенциальной энергии, которая накапливается в ядре атома и происходит от сил, удерживающих субатомные частицы вместе. Ядерная реакция похожа на химическую реакцию, в которой реагенты превращаются в продукты. Они отличаются тем, что в ядерной реакции один атом превращается в другой.

Существует три типа ядерной реакции: радиоактивный распад, слияние и деление. При радиоактивном распаде ядро ​​радиоактивного атома самопроизвольно выделяет энергию. При делении ядра ядро ​​бомбардируется нейтроном, что приводит к образованию двух новых атомов. При ядерном синтезе легкие ядра объединяются в тяжелые ядра.

Использование ядерной энергии

Реакции ядерного деления используются в ядерных реакторах, где ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию, которая затем преобразуется в электрическую энергию. Энергия, исходящая от Солнца, является продуктом ядерного синтеза.

Магнитная энергия

Магниты используются для захвата магнитных материалов, таких как гайки и болты.

Способность объекта выполнять работу из-за его положения в магнитном поле является потенциальной энергией магнитного поля. Магниты имеют магнитное поле и две области, называемые магнитными полюсами. Равные полюса отбрасываются, а разные полюса притягиваются. Наиболее используемые магнитные материалы — это железо и его сплавы.

Например, железный винт, который приближается к магниту, но не касается его, обладает потенциальной магнитной энергией. Объекты движутся в направлении, которое уменьшает их потенциальную магнитную энергию.

Микрофоны, например, хорошо работают благодаря магнитной энергии. Операция заключается в следующем: микрофон имеет мембрану, которая вибрирует со звуком. Эта вибрация передается на кабель, обмотанный вокруг магнита, который посылает электрический сигнал на усилитель, делая звук громче. В этом случае мы имеем преобразование звуковой энергии в магнитную энергию, затем электрическую энергию и затем звуковую энергию.

Железные дороги с электромагнитной подвеской — еще один пример того, как мы можем использовать магнитную энергию для выполнения работы. Железная дорога движется через магнитное поле, которое движется вдоль ферромагнитного пути.

Звуковая энергия

Колокол вибрирует от удара и производит звуковые волны, которые распространяются по воздуху.

Звуковая энергия — это механическая энергия частиц, которые вибрируют в форме волн через среду передачи. Средой, через которую проходят звуковые волны, может быть воздух, вода или другие материалы. Все, что вызывает шум, генерирует звуковую энергию.

Звук распространяется в твердых телах быстрее, чем в жидкостях, и быстрее в жидкостях, чем в газах. Поэтому если прислонить ухо к полу, можно слышать, потому что скорость звука на земле в четыре раза выше, чем в воздухе.

Именно благодаря звуковой энергии мы можем слышать. Когда звуковые волны в воздухе проникают в ваши уши, они стимулируют специальные клетки, которые посылают информацию в мозг. Чем больше энергии имеет звуковая волна, тем громче будет звук.

Карты морского дна выполнены с использованием звуковой системы. Гидролокатор посылает звуковые волны и рассчитывает пройденное расстояние, используя скорость звука в воде.

В медицине ультразвук используется для удаления камней в почках. Эхокардиограмма является еще одной технологией, которая использует звуковые волны, чтобы увидеть плод у беременных женщин.

Лучистая энергия

Свет — это лучистая энергия, которая распространяется волнами.

Энергия в форме света или тепла — это лучистая энергия, более известная как излучение. Излучение — это электромагнитные волны, которым не нужны средства для перемещения подобно звуковым волнам, чтобы они могли перемещаться в космическом пространстве. Источником электромагнитных волн являются электроны, которые вибрируют, создавая электрическое поле и магнитное поле.

Различные типы лучистой энергии или излучения (потоки) упорядочены по уровням энергии в электромагнитном спектре. Они путешествуют в космосе со скоростью 300 миллионов метров в секунду, то есть со скоростью света.

Рентгеновские и гамма-лучи — это невидимые излучения с большим количеством энергии. Оба имеют важные применения в медицине. Рентген используется для диагностики переломов костей, в то время как гамма-излучение используется для диагностики неврологических заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, или при заболеваниях сердца.

Ультрафиолетовые (УФ) лучи представляют собой тип невидимого излучения, создаваемого Солнцем и некоторых специальных ламп. Эти лучи отвечают за загар, который мы приобретаем, когда подвергаем себя воздействию солнца. Однако чрезмерное воздействие ультрафиолетовых лучей может вызвать ожоги и рак кожи. Вот почему вы должны защищать свое тело, когда вы долго на солнце, особенно кожу (чтобы защититься от рака кожи) и глаза.

Видимый свет излучения — это то, что человеческий глаз может воспринимать. Обычно мы видим белый свет, который является не более чем смесью огней разных цветов. Свет находится в энергетических пакетах, называемых фотонами, которые не имеют массу.

Инфракрасное излучение, микроволна и радиоволны менее энергичное излучение электромагнитного спектра. Радиоволны и микроволны — это волны, используемые в коммуникациях для передачи звука и изображений.

Солнечная энергия

Солнце — самый важный источник энергии для жизни на Земле.

Солнечная энергия — это лучистая энергия солнца. Он путешествует в пространстве, пока не достигнет Земли в виде электромагнитных волн. Большая часть солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, — это ультрафиолетовое излучение, видимый свет и инфракрасные лучи.

Солнце состоит из водорода и гелия. В этом случае энергия исходит от процесса ядерного синтеза: ядра водорода объединяются, образуя гелий и лучистую энергию.

Люди научились использовать солнечную энергию. Сегодня энергия солнечного света используется для отопления домов и зданий, увеличения их тепловой энергии. Видимый солнечный свет проходит через стекла окон и поглощается материалами внутри комнаты. Это заставляет материалы нагреваться.

Лучистая энергия Солнца ответственна за существование жизни на Земле. Растения собирают эту энергию для производства пищи, превращая ее в химическую энергию. Солнечная энергия управляет движением воздуха в атмосфере, вызывая ветры.

Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии

Такие ресурсы, как солнце и ветер, являются возобновляемыми источниками энергии.

Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, может только быть преобразована. Это означает, что при подсчете количества энергии в системе это количество всегда будет одинаковым, хотя и по-разному.

Когда мы говорим о возобновляемых или невозобновляемых энергоресурсах, мы действительно имеем в виду источники или ресурсы, из которых люди извлекают энергию.

Уголь и нефть являются ископаемым топливом, в котором химическая энергия сохраняется в связях между атомами углерода. Ископаемое топливо не возобновимо, потому что оно было сформировано миллионы лет назад из доисторических организмов. Эти источники энергии, помимо ограниченного существования, наносят серьезный ущерб окружающей среде.

Наша цель должна заключаться в том, чтобы воспользоваться другими источниками энергии, такими как солнце, ветер, внутреннее земное тепло и океанские волны, которые являются возобновляемыми и не загрязняющими окружающую среду. Вода может использоваться снова и снова благодаря естественному процессу круговорота воды.

Другой аспект, который мы должны принять во внимание, это не тратить энергию. Электрическая энергия вашего дома имеет свою стоимость. Если у вас долгое время открыт холодильник или вы оставили лампы в своей комнате, особенно если вас там нет, вы увеличиваете потребление электроэнергии в своем доме, и это будет оплачиваться вашими родителями. Экономия энергии — это разумное и осознанное использование.

Ученым трудно объяснить, что такое энергия. Это не является веществом или объектом, к которому можно прикоснуться или удерживать. Но вещества и объекты обладают энергией.

Полезное определение заключается в том, что энергия — это то, что необходимо для того, чтобы все произошло. Она может заставить вещи двигаться или меняться и делает что-то!

Различные формы

что такое энергия

Существует и различаются основные виды энергии. Некоторые виды включают в себя создание материи, в то время как другие сохраняются.

Многие объекты имеют энергию, хранящуюся в них из-за их положения (автомобиль на вершине холма) или из-за их природы (взрывчатые вещества).

Потенциальная энергия представляет накопленную, она готова и ждет, чтобы все произошло.

Связанную с чем-то движущимся или изменяющимся каким-то образом, можно назвать активной энергией (светом, связанным с взрывающимися фейерверками).

  • Световая распространяется из источника и движется со скоростью света (300 000 км/с). Существует много различных видов световой.
  • Звуковая производится путем вибрирования предметов. Эти вибрации перемещаются через воздух далеко от предмета. Звуковые волны перемещают со скоростью около 340 м/с.
  • Кинетической обладают все движущиеся объекты. Количество кинетической зависит от того, насколько предмет тяжелый и как быстро он движется.
  • Тепловая (тепло) влияет на движение частиц (атомов и молекул), составляющих вещество.
  • Электрическая — это поток заряженных частиц вдоль проводника, такого как медный провод. Электрическую нельзя увидеть, но её последствия огромны.

Потенциальные формы энергии:

  • Гравитационной потенциальной энергией обладают объекты, находящиеся над уровнем земли. По мере того как предмет поднят, он приобретает её. Она преобразуется в кинетическую, когда предмет падает.
  • Упругой потенциальной обладают объекты, которые были растянуты или придавлены, но могут вернуться к своей первоначальной форме при освобождении.
  • Ядерная потенциальная хранится внутри ядра атомов. Когда атомные ядра расщепляются или соединяются вместе, выделяется огромное количество в виде тепла, света и излучения.
  • Химическая потенциальная, хранящаяся в связях, которые удерживают атомы вместе.
  • Магнитная потенциальная может храниться в определенных металлических объектах, удерживаемых в магнитном поле.

Энергия в повседневной жизни

Все вокруг нас зависит от энергии. Автомобили зависят от хранившейся в используемом ими топливе. Используется в домах, офисах и индустрии для того чтобы заставить работать все виды машин. Она используется для освещения и нагревания наших домов, для того чтобы варить и хранить нашу еду.

Очевидно, трудно сказать, что такое энергия, но она важна для нас. Легче сказать, на что способна.

Энергия — это способность выполнять работу.

Все, что работает, должно иметь запас энергии. Мотоцикл не будет продолжать работать, если он не снабжен бензином. Бензин обеспечивает ресурсами, которые двигатель использует для работы.

для жизни

Когда человек нажимает педали велосипеда, сила приходит от мышц в вашем теле. Ваши мышцы получают энергию от пищи, которую вы едите. Если необходимо больше чем есть у человека, то экстренная энергия хранится в теле как жир. С другой стороны, неадекватная энергетическая диета приведет к худому и действительно нездоровому организму!

Все, что мы делаем, требует энергии даже для сна! В таблице ниже показано количество необходимое для различных видов деятельности.

Энергия, вовлеченная в повседневную деятельность:

Деятельность: кДж в час:
Человек спит 200
Сидит на совещании 300
Легкая работа 550
Ходьба 700
Активная работа 850
Идет в гору 1000
Велоспорт 1150
Бег 1700
Электрическая энергия, используемая средним домом всей семьей, в день 80 000 кДж

Сохранение энергии

Хотя энергия может изменить свою форму, она не может просто исчезнуть. Если проследить источник то обнаружится, что она просто не появляется из ниоткуда.

Эти открытия привели ученых к утверждению закона об энергии.

Первая часть гласит, что энергия должна откуда-то поступать. Она никогда не создается из ничего, но может изменяться из одной формы в другую, но общее количество остается неизменным. Энергетические цепи обычно начинаются с некоторой формы потенциальной энергии. Если проследить множество энергетических цепочек, то можно обнаружить, что она исходит от ядерных реакций внутри Солнца, которые преобразуют энергию, хранящуюся в атомных ядрах в тепловую и лучистую.

  • Согласно Закону сохранения: вход = выходу
  • Это уравнение может быть изменено на: потребление = полезное + отходы

Конструкторы обеспокоены тем, чтобы сделать приборы, которые производят максимальный коэффициент полезного действия.

  • Это измеряется энергоэффективностью: энергоэффективность % = полезная энергия x 100/потребляемая

Человеческий организм не очень эффективен в преобразовании энергии. Спортсмен использует до 40000 джоулей химической (пищевой) при спринте на 100 м. Только 8000 из этого преобразуется в кинетическую энергию бега. Остальное тратится как тепло!

Количество энергии, преобразуемой машиной каждую секунду, называется мощностью машины. Мощность измеряется в ваттах (1 ватт равен 1 джоулю энергии, преобразуемой в каждую секунду).

Преобразование энергии

Энергия может передаваться от одного объекта к другому. Если вы касаетесь горячего объекта, тепло передается на ваши пальцы. Передача не влечет за собой изменения в типе энергии.

Преобразования или изменения происходят вокруг нас все время. При преобразовании энергия изменяется от одного типа к другому или на несколько различных типов. Электрическая лампочка преобразует электрическую в световую и инфракрасную.

Происходит преобразование энергии:

  • внутри вашего тела-движущаяся мышца
  • внутри электроприборов
  • в физических процессах — молния

В трансформации важно определить затраты и выход. Иногда передачи и преобразования энергии происходят один за другим. Это называется энергетической цепью.

Например, преобразование энергии в фонарике:

  • Батареи преобразовывают химическую потенциальную в электрическую. Лампочка изменяет электрическую энергию в тепловую и световую.
  • Энергетическая цепь записывается как: химическая потенциальная — — — — > электрическая — — — — > тепловая и световая

Уравнения преобразования энергии

Во время преобразования энергия обычно преобразуется в более чем одну форму. Слово уравнение может быть использовано, чтобы показать изменения энергии, которые происходят.

Например, преобразование энергии в тостере:

  • Тостер изменяет электрическую энергию в энергию тепла и света.
  • Ввод — электрическая, вывод -тепловая и световая энергия.

Уравнение преобразования энергии тостера:

Устройство, преобразующее энергию из одной формы в другую, называется машиной или преобразователем энергии.

Измерение энергии

Научной единицей энергии является джоуль. Это названо в честь британского ученого по имени Джеймс Джоуль. Один джоуль — это очень небольшое количество, поэтому ученые используют килоджоули (кДж).

Если поднять объект на 1 метр весом 1 кг, то объект получит 1 джоуль гравитационной энергии.

Если нагреть 1 мл воды на 1 градус С, то вода получит 4,2 джоулей тепловой энергии.

Энергия в пище

Все, что вы делаете каждый день, даже сон, требует энергии. Различные виды деятельности требуют разного количества.

Сколько энергии нужно вашему организму каждый день:

Мужчина или женщина, молодые или старые, активные или нет, люди получают ресурсы, в которых они нуждаются каждый день от еды, которую они едят. Эта пища является формой химической потенциальной энергии. Когда еда расходуется в клетках тела во время дыхания, химическая потенциальная энергия выпускается. Различные продукты выделяют разное количество ресурсов.

Ежедневные энергетические потребности женщин и мужчин в(килоджоулей)

Возраст Женщины (килоджоулей) Мужчины (килоджоулей)
5 лет 7000 7000
10 лет 9000 10000
15 лет 9500 13000
20 лет 9500 12500
25-летние 9000 11500

Держать себя здоровым без избыточного веса — — — — > сбалансировать потребление с расходом

Некоторые виды пищи обеспечивают больше энергии, чем другие. Жиры дают вдвое больше, чем углеводы. В виду того что жир дает больше чем другие типы еды, можно подумать что еда всегда хороша для нас. ЭТО НЕ ТАК! Организм не может использовать так много еды одновременно. Все что необходимо он использует, а лишнее хранит как жир. Это может привести к ожирению и другим проблемам со здоровьем.

Когда вы активны, организм сжигает много энергии. Когда вы смотрите телевизор или играете на компьютере, организм сжигает гораздо меньше.

Большее количество энергии, которую наши тела получают от пищи, преобразуется в тепловую в результате дыхания. Это использовано для того чтобы держать наши тела на определенной температуре постоянно (37 градусах C). Это важно, если химические реакции, которые происходят в клетках должны работать эффективно.

Чтобы узнать, сколько энергии хранится в пище, вы можете превратить ее в тепло и измерить, что может сделать это тепло.

Альтернативные источники

источники

Солнечная энергия поступает на Землю от Солнца в виде света. Когда большинство людей думают о свете, они думают о солнечной энергии. Но солнечная — не единственная форма, которая исходит от Солнца. Ветер также является формой, которую солнце помогает сделать. Миллионы лет назад Энергия Солнца помогала производить ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ. Теперь эти ископаемые виды топлива обеспечивают работающие автомобили, отопление домов и питание компьютеров.

Большая часть энергии в мире используется в виде ископаемого топлива. Эти виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, поступают от Солнца. Солнечная энергия хранится в растениях и животных, которые вымерли миллионы лет назад.

Сжигание ископаемых видов топлива является единственным способом высвобождения накопленных в них ресурсов. Проблема с ископаемыми видами топлива заключается в том, что они загрязняют окружающую среду, и они занимают очень много времени. Это невозобновляемые источники энергии. После того, как ископаемые виды топлива были использованы, они ушли навсегда.

Возобновляемые источники энергии заканчиваются. Люди во всем мире ищут альтернативные источники, которые являются экологически чистыми, безопасными и возобновляемыми. Некоторые были использованы в течение многих лет. Некоторые все еще находятся на экспериментальной стадии. Большинство из них используются для производства электрической энергии, но некоторые используются в их первоначальном виде.

Альтернативные (возобновляемые) источники энергии включают:

Солнечная

Солнечная энергия поступает от солнца в виде электромагнитных волн. Количество Земли получает в год более чем достаточно, чтобы обеспечить все мировые потребности на этот год.

Ветра

Движение воздуха (ветер) является результатом неравномерного нагрева земной поверхности солнцем. Ветряные турбины превращаются в ветер и вырабатывают электричество.

Гидроэлектрическая

Когда вода, накопленная высоко за плотиной, стекает по трубам в электростанцию, ее гравитационная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, которая превращает турбины, генерирующие электричество.

Биомасса

Это органический материал, который преобразуется в том числе и жидкое биотопливо. Древесина — это форма биомассы. Сжигание древесной щепы производит газ, который сжигается, чтобы высвободить ресурсы, которые могут быть использованы для обеспечения отопления или использоваться для производства электроэнергии.

Приливная

Приливы вызваны притяжением Луны. Плотина через лиман может удерживать воду, а затем использовать ее для выработки электроэнергии.

Биогаз

Разлагаемые животные, отходы и нечистоты производят лэндфилл-газ. Когда лэндфилл-газ совмещается с углекислым газом производится метан. Процесс происходит в закрытом контейнере, называемом метантенка. В Индии и Китае этот способ используют для получения топлива для приготовления пищи.

Волновая

Волны вызваны ветром, дующим через море. Большие поплавки которые двигают вверх и вниз с волнами теперь используются для генерации электричества.

Водород

Водород используется в топливных элементах. Его можно совместить с кислородом для того чтобы произвести электрический ток. Он горит легко выпуская большое количество тепловой энергии.

Энергетика от мха до плазмы

Мы часто слышим, что за последние годы использование энергии человечеством увеличилось настолько, что ископаемые ресурсы закончатся через пару десятков лет. Но то же самое говорили и в 70-х годах прошлого века. Откуда мы тогда сегодня берем энергию для существования и что нам делать дальше? Для развития технологий необходимо понимать, как эффективно преобразовывать ее в работу, ведь энергия — ресурс даже в астрономических масштабах не бесконечный. Практически вся энергия, которая существует на Земле и которую люди могут извлечь из солнечной системы — энергия Солнца, у которого конечное время жизни, а вся энергия во Вселенной ограничена тем, что дал нам Большой Взрыв. Но что такое энергия?

Никто не может дать четкого определения, так как нет более общего класса понятий, которым мы можем описать энергию. Все, что мы можем — изучать ее свойства и характеристики. Ричард Фейнман в своих знаменитых “лекциях по физике” говорил: ”Важно понимать, что в сегодняшней физике мы не имеем представления об энергии. Мы не можем сказать, что энергия поступает в маленьких сгустках определенного количества”. Мы точно знаем: вся материя в конечном счете является энергией, сумма которой во Вселенной никогда не изменится, поэтому рассуждать мы будем о способах изменения ее формы.

Откуда вообще взялась энергия во Вселенной и что она значит для нас?

История энергии началась в момент Большого Взрыва. Возможно, в один момент появилось два связанных между собой понятия: энергия и пространство-время. Возможно, энергия являлась первопричиной всего в нашем мире, с этим ещё предстоит разобраться, но сейчас уже точно ясно одно: энергия является сутью физической формы материи, всё во Вселенной является сосредоточением той или иной формы энергии. Теория расширения ранней Вселенной намекает нам на то, что изначально все вещество являлось однородной изотропной средой, в процессе расширения которого произошло остывание и “конденсация” всех известных науке элементарных частиц. Появилось 4 фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.

Через много-много лет после Большого Взрыва, когда люди только начали применять энергию, никто не знал про 4 фундаментальных взаимодействия. Изначально люди грели себя и готовили пищу с помощью химических реакций горения. Так продолжается и по сей день, основным источником энергии для нас сегодня является электричество, вырабатываемое на всевозможных ТЭС(тепловая электростанция) и ТЭЦ(теплоэлектроцентраль).

По сути вся жизнь человека — постоянный поиск энергии. Это может быть громким заявлением, но вы только подумайте: мы ведь кушаем только чтобы получать энергию для функционирования мозга и движения. Жизнь человечества строится на способах добычи энергии. Поэтому энергетика является одним из важнейших аспектов жизни людей и всего во Вселенной.

Почему современная энергетика неэффективна?

Давайте отбросим понятие энергии на второй план и подумаем: какие способы добычи энергии сегодня известны?

Первый и самый популярный способ — что-нибудь сжечь: дерево, нефть, газ. В процессе образуется много лишнего, а все ископаемые ресурсы очень скоро закончатся. Второй — извлечь работу из гравитации: ГЭС, приливные станции, — но проблема тут в размерах и в расположении станций, к тому же не везде есть вода. Еще можно подумать о солнечной энергетике: тут вроде все хорошо, но роль играет расположение и низкая плотность энергетического потока.

Почти вся используемая энергия досталась нам благодаря Солнцу, просто в разных видах. Растения тысячелетиями накапливали энергию солнца, росли и погибали, образовывали нефть, природный газ и уголь. Сама Земля, ее вода и атмосфера существуют из-за Солнца. Необходимо более универсальное решение проблемы эффективности добычи энергии.

Достаточно посмотреть на эту диаграмму, чтобы понять, что человечество не очень то и далеко ушло от своих предков, которые просто жгли древесину, мох и уголь:

Рисунок 1. Изменение глобального потребления энергии по видам источников

Получается, что за 200 лет люди ничего толком не изменили в энергетике, лишь нарастили темпы преобразования и добычи энергии:

Рисунок 2. Потребление энергии по видам ее источников в 2019 году

Мало того, что добыча энергии таким способом не так эффективна по сравнению с энергией, которую мы научились извлекать альтернативными методами, так еще и большой вопрос в том, больше ли пользы мы получаем от такой энергии, чем вреда. Для количественной оценки этого заявления давайте посмотрим на статистику.

Энергия в человеческом эквиваленте

Что вы представляете, когда слышите слова «альтернативная энергетика»? Большинство людей сразу представляют себе солнечные панели и ветряные мельницы, но редко думают о ядерной и термоядерной энергии. Ядерная энергетика получает меньше внимания из-за громких аварий, которые страшны людям скорее не из-за катастрофических последствий, а из-за неправильной трактовки СМИ и всеобщего незнания базовых аспектов этой энергетики. Теоретическое обоснование эффективности добычи энергии таким способом известно уже как минимум полвека.

За 70 лет существования атомной энергетики зафиксировано только 33 серьезных происшествия. Несмотря на это, есть очень много скептически настроенных людей и даже организаций, которые выступают за отмену строительства АЭС. Давайте взглянем на цифры:

Из-за Чернобыльской аварии напрямую погиб 31 человек. Из-за последствий По самой пессимистичной статистике от «European green party» кол-во смертей к 2065 году приблизится к 60 тыс, но ученые склоняются к цифрам намного меньше этой.

WHO считает, что цифра вырастет только до 4 тыс. Это самая серьезная радиационная авария за всю историю энергетики, намного превосходящая по последствиям все остальные.

Авария на Фукусиме, которая является второй по масштабу радиационной аварией в мире, привела к 573 смертям, но эта цифра отличается от количества смертей в Чернобыле тем, что это не последствия радиации, а смерти напрямую не связанные с инцидентом, а связанные, например, со стрессом эвакуации, из-за которого в основном пострадало пожилое население. От радиационного загрязнения по самым пессимистичным подсчетам погибнет до 1000 человек.

Конечно, нельзя делать вывод о серьезности аварии только на основании количества погибших, ведь здесь не учтены экономические последствия и число онкозаболеваний и всевозможных вредных мутаций. Эти заболевания, даже если не приводят к смерти, также являются последствиями ядерных аварий. Сейчас проводится исследований по воздействию малых доз радиации на организм. Если раньше склонялись к безвредности малых доз радиации (типа организм может до определенного уровня облучения самовосстанавливаться без последствий), то сейчас есть больше доказательств «беспорогового» воздействия радиации, т.е. даже самая малая доза наносит вред. Но однозначного ответа здесь пока нет.

А теперь, сравним эти происшествия с авариями на других типах электростанций.

Аварии на ГЭС или на солнечной станции не выбросят в атмосферу гигантское количество радиационных частиц, на избавление от которых уйдет очень много денег и сил, но вспомним наводнение Баньцяо. Крушение дамбы вызвало затопление ближайших поселений, количество смертей от инцидента + от вызванного голода и нищеты составило 80-240 тысяч смертей.

Но даже такие большие цифры меркнут по сравнению со смертями от «ископаемого топлива». Газы, выделяющиеся при его сгорании, попадают в атмосферу и в наши легкие, а это, в свою очередь, вызывает многие распространенные заболевания: рак легких, сердечные заболевания, острая инфекция нижних дыхательных путей, инсульт и подобное.

Рисунок 3. Подсчет количества смертей и парниковых газов в год на каждый тераватт в час выработанной энергии от разных видов энергетики

Так какой же способ самый лучший на сегодняшний день? Судя по графику, атомная энергетика — самый чистый источник энергии. Плюс АЭС построить можно где угодно, даже на подводной лодке, а выделенной энергии топлива из одного реактора хватит, чтобы заменить 3 миллиона солнечных панелей.

Атомная энергетика и ее проблемы

Что это такое? Основа энергетики — распад атомного ядра (в основном тяжелых ядер урана). Все изотопы урана радиоактивные, но чуть-чуть, из-за их огромного периода полураспада: у урана-235 и урана-238 0.7 млрд лет и 4.4 млрд лет соответственно. Почему используют именно уран? Все дело в его уникальной способности делиться при взаимодействии с нейтронами с небольшой кинетической энергии. Такие элементы называют делящимися. К этой группе относятся ядра с нечетным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон — чётный): 233U, 235U, 239Pu. Реакция деления ядер экзотермическая. Это значит, что при ее протекании выделяется некоторое количество теплоты. В реакторе эта теплота служит источником энергии для нагрева воды.

Топливо для реактора изготавливается в виде таблеток, высотой и диаметром около сантиметра, из которых в дальнейшем собирают тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ). В одном ТВЭЛе может помещаться несколько сотен топливных таблеток, длина его как правило 3.5-4 метра. Затем их собирают в тепловыделяющие сборки (ТВС). Это основной функциональный элемент АЭС: из них формируется активная зона реактора.

Рисунок 4. Схема и принцип работы реактора на примере реактора на быстрых нейтронах.

В одной ТВС в зависимости от типа реактора (об этом мы поговорим позже) находится от нескольких десятков до нескольких сотен (около 300 для современных реакторов типа ВВЭР) ТВЭЛов, а в активную зону обычно помещается от нескольких сотен до полутора тысяч ТВС. Получается, что весь реактор имеет несколько миллионов таблеток с топливом внутри, и это при том, что один грамм урана содержит в себе столько же энергии, сколько 3-4 тонны угля.

Для работы реактора его необходимо сначала запустить. Этот процесс немного отличается от работы реактора, когда он уже запущен. Изначально, когда ТВЭЛы погружаются в реактор, он подкритичен. Для количественной оценки того, как эффективно делятся ядра в реакторе, придумали понятие коэффициента размножения нейтронов — критичность. Физически это просто отношение количества выделенных нейтронов в момент деления ядер к количеству нейтронов, которые выделились в предыдущий момент распада ядер. Все просто: если коэффициент больше одного – идет цепная ядерная реакция с увеличением мощности реактора (ректор надкритичен), если равен 1 – количество делящихся ядер в каждый момент времени одинаково (реактор критичен), а если меньше 1 – идет уменьшение мощности реактора (реактор подкритичен). Для начала цепной реакции необходима пороговая масса урана, то есть достаточное количество спонтанно делящегося вещества. При выполнении этого условия реактор переходит в надкритическое состояние.

В ТВЭЛах происходит цепная реакция деления топлива. Один из ее видов: уран распадается на осколки деления (уран-235 распадается на барий-139 и криптон-95, например) плюс один или несколько нейтронов (и гамма излучение), которые в дальнейшем сталкиваются с другими атомами урана-235. Изначально уран находится в состоянии с некоторой энергией покоя, и для перехода в возбужденное состояние с последующим радиоактивным распадом требуется дополнительная энергия, с помощью которой возможно преодолеть энергетический барьер и разделиться. В нашем случае этой энергией является нейтрон (тепловой нейтрон), который, сталкиваясь с ядром, передает ему свою кинетическую энергию. Ядро делится и выделяет еще несколько нейтронов (в среднем одно ядро урана-235 при распаде выделяет 2,5 нейтрона, именно это и позволяет происходить лавинообразному увеличению количества делящихся атомов в реакторе), которые сталкиваются с другими ядрами и так далее.

Рисунок 5. Цепное деление ядра

Для протекания реакции из реактора вынимаются регулирующие стержни, которые изготовлены из поглотителя нейтронов. Поглощающие стержни изготовлены из материалов, которые имеют очень большую площадь захвата нейтронов. Это сплав, который способен “захватывать” и поглощать нейтроны на большом расстоянии от атома. Чаще всего изготовлен из бора, так как сплав бора со сталью не взаимодействует с топливом реактора и имеет большую площадь захвата нейтронов.

Рисунок 6. Захват нейтронов ураном. Барн — единица поперечного сечения площади захвата нейтронов атомом. Чем больше площадь захвата нейтронов элементом — тем больше нейтронов он поглощает.

Самое важное в работе АЭС — поддержание скорости цепной реакции. При ее выходе из-под контроля (отключения системы охлаждения, например) может произойти то же самое, что происходит внутри атомной бомбы при взрыве в самом его начале — неконтролируемая цепная реакция. Но волноваться из-за этого не стоит, все реакторы сейчас оборудованы настолько большим количеством защитных механизмов, что катастрофа очень маловероятна.

К сожалению, ядерное топливо — ресурс исчерпаемый, его на Земле намного меньше, чем угля или нефти, а создавать его мы не научились (тяжелые элементы появляются в экстремальных условиях в результате взрывов сверхновых). Да и отходы куда-то девать надо — их сейчас либо обогащают, либо, как маленькие дети прячут игрушки под кровать (закапывают под землю). Еще существуют “быстрые” реакторы (сейчас есть БН-600 и БН-800 в России) и так называемые реакторы-размножители. Они позволяют вовлечь в использование уран 238 и отходы АЭС, использующих уран 235. Таким образом ресурсная база атомной энергетики увеличивается с сотен и тысяч лет, до миллионов лет. С экономикой быстрых реакторов пока есть вопросы, но технически они уже давно реализуемы.

Атомную энергетику стоит рассматривать как временный и довольно неплохой вариант. Есть ли сейчас вариант лучше этого?

Да, оказывается вариант есть, и он намного лучше всего, что человечество научилось делать до этого. Имя ему — ядерный синтез.

Атомная энергетика наоборот

В 50-х годах советские и британские ученые придумали использовать не распад ядер (как на АЭС), а синтез. Распад ядер — тяжелые элементы делятся с выделением энергии, а синтез — легкие элементы “слипаются” с образованием более тяжелых, выделяя энергию.

При слиянии дейтерия (изотоп водорода, отличающийся наличием нейтрона) и трития (тоже изотоп водорода, у которого 2 нейтрона) получается гелий и нейтрон. Такая реакция даёт значительный выход энергии(17.6 МэВ). Для сравнения, если взять смесь дейтерия-трития и урана одинаковой массы, при синтезе энергии выделится в 3 раза больше.

Есть правда и незначительные недостатки: тритий в природе не встречается, нежелательная “наведенная” радиация зачастую бывает опасной.

Можно подумать, что в термоядерной энергетике все отлично: отходов не так много, расположить можно где угодно, выдает огромную энергию на единицу массы, но ведь что-то мешает пользоваться ей.

Для того, чтобы произвести слияние ядер, нужно чтобы положительно заряженные ядра атомов преодолели кулоновский барьер — силу электростатического отталкивания между ними. То есть расстояние между ядрами должно быть такое, чтобы сильное взаимодействие начало преобладать над кулоновскими силами (порядка одной стомиллиардной доли сантиметра).

Рисунок 7. Зависимость сил притяжения/отталкивания от расстояние между ядрами. На расстоянии порядка размеров ядра силы сильного ядерного взаимодействия начинают преобладать над кулоновскими и ядра сливаются.

Для этого нужно затратить огромную энергию. Есть 2 варианта как это реализовать: либо сильно сжать, либо сильно нагреть.

Внутри Солнца работает первый вариант: температура внутри ядра 15-16 млн Кельвинов, что, вообще говоря, не так много, но из-за массы, которая в 300 тыс раз больше массы Земли, плазма под высоким давлением удерживается гравитацией.

К сожалению, на Земле такую конструкцию реализовать затруднительно. Такого большого давления мы не создадим, поэтому остается только сильно нагреть.

Термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

соблюдение критерия Лоусона. Критерий Лоусона показывает, будет ли реакция давать больше энергии, чем тратится.

скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы, к этому мы и стремимся. В этом случае энергии хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

Следует пояснить, что понятие температуры здесь не то, что мы привыкли видеть. Температура — это мера средней кинетической энергии частиц. Из-за столкновений с большим импульсом возможно их слияние.

На самом деле, чтобы пошла самая простая реакция синтеза с изотопами водорода, нужна температура порядка миллиарда Кельвинов (водород — самый легкий элемент, а чем тяжелее элемент — тем большая нужна температура). Решение этой проблемы было найдено самой природой. Существует так называемый максвелловский хвост. Из-за максвелловского распределения, какие-то частицы будут двигаться быстрее, а какие-то медленнее, поэтому уже в районе 100 млн Кельвинов найдутся частицы, которые будут слипаться. Также есть еще туннельный эффект. Если кратко, то благодаря квантовым эффектам, даже если ядра имеют энергию немного меньше барьера, они смогут с большой вероятностью туннелировать сквозь него.

Рисунок 8. Распределение энергии частиц.

Вот мы и подошли к вопросу о том, почему же вокруг нет термоядерных реакторов. Просто потому что это очень горячо. Нужно все эти разлетающиеся изотопы как-то удержать, чтобы они ничего не касались, потому что такую температуру ни одно вещество не выдержит. Проблема не столько в том, чтобы разогреть до нужной температуры, сколько в том, чтобы эту температуру как-то удержать.

Варианты удержания плазмы

Начнем с самого простого способа удержания плазмы: не удерживать, а просто “выстрелить”. Такие системы называются импульсными. В них управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц .Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Но этот вариант довольно плохо изучен по сравнению со вторым — магнитным удержанием.

Советские физики Тамм и Сахаров придумали магнитное удержание плазмы еще в 50-х годах. Они руководствовались тем, что плазма — ионизированное вещество, поэтому магнитным полем мы можем создать ловушку. Желательно, чтобы она была замкнутой, чтобы ионы могли бесконечно кружиться. Тут на помощь прикатился бублик(тор). Эту конструкцию обматывают электромагнитными катушками, получается тор с пружинкой поверх него — это не дает плазме ударяться о стенки. Также сверху и снизу устанавливают обкладки, которые позволяют сжимать/разжимать плазму и передвигать ее. Такое устройство принято называть токамак: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. Для выработки электроэнергии вода циркулирует в стенах бублика, поглощает тепло и производит пар. Паровая турбина вырабатывает электричество. К сожалению, ничего эффективнее человечество еще не придумало.

В 50-м году в Курчатовском институте показали такой вариант. Так начался международный проект по созданию термоядерного реактора.

Стоит заметить, что токамак — не единственный способ удержания плазмы, есть вариант еще с закрученным тором — стелларатор. С такой конструкцией даже пытались проводить эксперименты: W7-X. Wendelstein 7-X — сложнейшая экспериментальная система. Цель экспериментов с такими установками — доказать, что управляемый термоядерный синтез способен давать энергию. Пока что некоторые ученые ставят это под сомнение. Но проблема в том, что форма для таких электромагнитных катушек очень сложная, а в 60-х годах, когда это придумали, не хватало мощности для расчетов.

Рисунок 9. Слева токамак, справа стелларатор. Серые кольца — магниты, желтым показана термоядерная камера.

Что такое ITER. Какие цели у проекта

ITER(International experimental Thermonuclear Reactor) — Экспериментальный международный термоядерный реактор . ITER относится к термоядерным реакторам типа «токамак».

История ITER берет начало в 80-х годах прошлого столетия. Многие страны объединились, так как решили, что ни одна страна не потянет постройку на своих плечах. Это самая дорогая экспериментальная установка в мире, в ITER до 2025 года планировали вложить почти 20 млрд евро, но учитывая постоянные переносы и новые проблемы, вполне вероятно, что сумма вырастет. Только в 2010 году разобрались со всеми бумажками и начали рыть котлован.

В токамаках возможно осуществить несколько типов реакций слияния. Тип реакции зависит от вида применяемого топлива.Токамак ITER с самого начала проектировался под DT-топливо (дейтерий — тритиевое). Два ядра дейтерия и трития сливаются с образованием ядра гелия и высокоэнергетического нейтрона.

Рисунок 10. ITER Токамак.

Грубо говоря, задача установки — продемонстрировать возможность коммерческого использования термояда, а для этого нужно, чтобы отношение выработанной энергии к затраченной составило хотя бы 10:1. Также целью является отработка разных решений по управлению и т.д., а дальнейшим шагом должно стать строительство установки — DEMO — следующая итерация ИТЕРа.

У ИТЕРа нет задачи построить станцию по выработке электричества для использования людьми. Это экспериментальная установка, которая покажет, что в принципе это возможно в реальности, а не на бумаге, ведь у физиков уже давно все сошлось, а сейчас это очень сложная инженерная задача.

На декабрь 2025-го запланирован пуск первой плазмы в реакторе, который продемонстрирует работоспособность. Планируется, что работать на термоядерном топливе установка начнет в июне 2035 года. До этого предстоит завершить еще несколько крупных этапов, которые приведут станцию в полностью рабочее состояние. На сайте ИТЕР есть рум тур по стройке.

Давайте представим, что все идет по плану и в 2025 году мы получаем первую плазму, ITER показывает, что коммерческое использование термояда выгодно, но что происходит дальше?

Все побегут строить токамаки и мы будем купаться в электричестве? Но ведь все не так просто, даже сам ITER будет очень сложно повторить.

Как говорится, термоядерная энергетика is a new black в мире энергии, но ей предстоит еще долгий путь, прежде чем мы начнем ее повсеместно использовать.

Энергетика будущего

Человечество проделало несколько больших шагов по освоению энергии. Сначала мы научились разводить костер, потом использовать уголь и нефть. Сегодня мы умеем разделять атомы и, возможно, в скором времени научимся их синтезировать. Каждый такой шаг связан с индустриальной революцией, которая характеризуется масштабом добычи энергии, доселе никому невиданным.

Если пофантазировать, логичным шагом дальнейшего развития человечества будет освоение новых территорий и ресурсов, только уже не на нашей планете, а в космосе(если человечество не уничтожит себя раньше). Для этого потребуется невообразимое количество энергии. К счастью, ответ на вопрос “где взять столько энергии?” находится прямо над головой (Солнце). Как мы уже говорили выше, человечество пока только на пути к созданию собственного солнца на Земле.

Если мы хотим освоить метод добычи солнечной энергии, нам нужно будет построить очень большую конструкцию. Например, хорошим вариантом будет сфера Дайсона. Она охватывает звезду, чтобы «захватить» ее энергию.

Существует много способов ее постройки, один из них — “рой сфер”, которые будут крутиться вокруг Солнца, собирать энергию и передавать ее в другое место. Такой способ дал бы людям неограниченный доступ к энергии. Но построить ее не так просто, есть 3 основные проблемы: материал, конструкция и энергозатраты. Кратко пройдем по каждой проблеме.

Для постройки сферы Дайсона потребуется столько материала, что придется разобрать целую планету или даже больше. Лучший кандидат на эту роль — Меркурий, так как он ближе всего расположен к Солнцу, а еще и богат металлом.

Чем проще и надежнее будет конструкция — тем лучше. Солнечные батареи не совсем то, что нужно(маленькое время жизни, дорого, и требуют починки). Проще и надежнее всего — гигантские зеркала, которые будут отражать солнечный свет на центральную станцию.

Однако даже если максимально эффективно использовать все земные ресурсы, нам не хватит энергии, чтобы организовать такую масштабную стройку. Это может быть возможно только в далеком будущем, когда люди смогут успешно осваивать хотя бы планеты солнечной системы. По мнению известного популяризатора науки Карла Сагана, наш уровень по шкале Кардашева равен примерно 0,72. Мы потребляем всего 0,17% от общего энергетического потенциала планеты. Шкала Кардашева — один из способов оценки уровня развития цивилизации по количеству используемой энергии. По ней у цивилизации есть 7 ступеней развития, а человечеству далеко даже до первого типа (цивилизация, которая использует всю энергию своей планеты). Однако это не значит, что нам нужно уничтожать планету для своих нужд. Есть множество способов извлечь энергию из всего, что есть во Вселенной.

Во всех аспектах ископаемое топливо является самым грязным, опасным и неэффективным, в то время как ядерные и современные возобновляемые источники энергии значительно безопаснее и чище, они могут помочь людям сделать шаг вперед и совершить следующую индустриальную революцию.

В заключение отметим: мы рассмотрели только самую верхушку айсберга термоядерной и ядерной энергетики, которые по многим параметрам являются самыми перспективными, однако, на данный момент не так важно перейти на них, как научиться эффективно использовать возобновляемые источники энергии и полностью отказаться от ископаемого топлива. Ведь Земля для нас — единственный дом, который не может бесконечно удовлетворять потребности людей. Даже сейчас постройка термоядерной станции несет за собой огромные потери ископаемых ресурсов, так как практически вся энергия на ее постройку будет добыта с помощью них. Нужно лишь научиться использовать ту энергию, которую Земля сможет восстановить по мере ее использования.

Что такое энергия? Или таинственная материя, которую создают гаджеты

Это вторая часть небольшой серии статей, посвященных электромагнитному излучению от смартфонов, Bluetooth-наушников и других гаджетов.

В первой части мы разобрались с тем, что такое электромагнитное излучение, откуда оно берется, из чего состоит и как распространяется в пространстве. Другими словами, мы обсудили некоторые фундаментальные вопросы устройства нашей вселенной и то, как они связаны с современными технологиями.

Наши размышления закончились на том, что все гаджеты создают электромагнитные волны, которые «отсоединяются» от их антенн и уносятся в открытое пространство. Но, как оказалось, волны эти не совсем безобидные, так как они путешествуют не «налегке», а переносят энергию!

Мы используем это слово очень часто в повседневной жизни, но понимаем ли мы его значение? Какие ассоциации у вас возникают со словом «энергия»? Что именно переносится по электромагнитным волнам и каким образом это «нечто» попадает внутрь нашего тела?

В этой статье мы и займемся поиском ответов на эти, казалось бы, детские вопросы.

Таинственная несуществующая материя. Или что такое энергия?

Недавно мне на глаза попалось одно интервью, в котором ведущий задал доктору биологических наук вопрос о том, что такое душа. Гость пытался что-то объяснять (разумеется, ответа на этот вопрос нет ни у него, ни у кого-то другого), но мое внимание больше привлёк комментарий одного из слушателей, который прозвучал так:

— Что же тут непонятного!? Душа — это сгусток энергии!

Сгусток энергии… Очень интересное и в то же время бессмысленное выражение.

К примеру, вот на столе лежит карандаш. Безусловно, это неодушевлённый предмет, внутри которого нет ни сгустка энергии, ни души.

Но что произойдет с карандашом, если я возьму его в руку и подниму на небольшую высоту? Для кого-то это прозвучит странно, но у карандаша появится энергия! Откуда она там взялась? Я передал ей часть своей энергии. То есть, буквально в моем теле стало меньше энергии, в то время, как у карандаша она появилась.

Согласитесь, в этом смысле выражение «душа — это сгусток энергии» звучит немножко нелепо. Неужели я передал часть своей души карандашу? И сколько должно быть энергии в предмете, чтобы он стал воодушевлённым?

Но давайте оставим душу в покое и лучше сосредоточимся на карандаше. Так какое же «вещество» перешло от моего тела в карандаш?

Сразу скажу, что это точно то же «вещество», что переносят электромагнитные волны, излучаемые всеми гаджетами. Оно же подразумевается под словом «электроэнергия» и об этом «веществе» идет речь, когда мы говорим: «я полон энергии!». Что же это такое?

Это — теплород!

Именно такой ответ вы бы услышали от типичного ученого 18-го века. Тогда люди думали, что энергия — это какое-то текучее вещество, благодаря которому все тела могут нагреваться. Однако сегодня подобные теории лишь вызывают улыбку.

Разумеется, нет никакого теплорода, никаких флюидов, дающих тепло. Да и вообще нет никакого вещества в природе, которое бы можно было назвать «энергией». Это не светящийся шар или сгусток, не электричество и не какая-то форма материи.

На самом деле, энергия — это просто абстрактное понятие, математическая величина.

Всё дело в работе!

Чтобы понять, что же такое «энергия», давайте рассмотрим простой пример — механические часы с пружиной.

Пока пружина не заведена, в часах нет никакой энергии и они не могут отсчитывать время. Но если я потрачу свою энергию, то есть, напрягу мышцы, сожгу несколько калорий и начну вращать заводную головку, то передам пружине часть своей энергии. И теперь часы будут работать какое-то время без чьей либо помощи.

Да, я потерял немного энергии, а пружина — получила ее. Но физически ничего из моего тела не перешло в пружину часов. Просто я за пару секунд проделал работу, которую теперь пружина будет делать в течение нескольких дней. Заметьте, работа, которую будет делать пружина численно равна работе, которую проделал я, вращая заводную головку.

То же касается и карандаша. Когда он лежал на столе, то не мог самостоятельно двигаться. Но когда я потратил свою «энергию» (когда в моем организме произошли различные биохимические реакции) на то, чтобы поднять карандаш, он приобрел эквивалентное количество «энергии».

Ведь теперь, если я отпущу карандаш и уже не буду тратить никакой энергии, он самостоятельно начнет движение вниз, совершая по пути какую-то работу (расталкивание молекул воздуха и т.п.).

Это и есть смысл энергии. Отсюда можно сделать вывод, что:

Энергия — это простое число, которое сообщает нам, сколько работы может быть сделано.

Как видите, всё намного скучнее, чем сгустки вещества, теплород или светящаяся материя.

Просто наша вселенная так устроена, что все объекты каким-то образом друг с другом взаимодействуют: толкают или вращают атомы, разгоняют электроны, разрушают молекулы и создают их, «склеивая» различные атомы.

И под словом «энергия» мы лишь подразумеваем способность того или иного объекта что-то сделать, пнуть кого-то.

Электромагнитная волна, излученная смартфоном или вышкой 5G, не несёт никакого вещества. Она просто может физически толкнуть электроны или развернуть молекулу.

Если это происходит, мы говорим, что молекула поглотила энергию электромагнитного излучения. То есть, электромагнитная волна сделала работу — толкнула молекулу, а значит, энергия волны «перешла» в молекулу. И теперь эта молекула может просто вращаться какое-то время или толкнуть другую молекулу.

То же можно сказать и о поглощении фотонов. У любого фотона есть энергия, то есть, способность выполнять какую-то работу (толкать, вращать, ускорять). И когда мы говорим, что какой-то электрон поглотил один фотон, то подразумеваем, что фотон передал ему энергию движения. Теперь электрон может подняться на другую орбиту или вовсе вылететь за пределы атома.

Одним словом, молекулы и электроны поглощают электромагнитные волны и фотоны в том же смысле, в каком пружина механических часов поглощает энергию человека, когда он тратит свои силы на то, чтобы завести эту пружину.

Почему энергия фотона/электромагнитной волны зависит от частоты?

Многие люди слышали, что чем выше частота у волны (чем чаще электрическое поле меняет свое направление то в одну сторону, то в другую), тем больше энергии несет такая волна.

Как мы уже разобрались, фотоны/волны не переносят никакого вещества, они лишь способны толкнуть молекулу или выбить электрон. В точности, как летящий камень — чем сильнее его бросить, тем больше энергии он несет или, другими словами, тем большую работу он сможет выполнить. Например, разбить более толстое и прочное стекло.

Так и с электромагнитными волнами. Представьте, что вы зафиксировали веревку одним концом и каждые 5 секунд дергаете за другой конец:

Естественно, вы тратите какую-то энергию, чтобы совершать эту работу. Но представьте, что вы начинаете дергать за веревку ежесекундно. Получается, теперь вы тратите в 5 раз больше энергии. И эта энергия никуда не пропадает, она переходит из вашего тела в волну. То есть, теперь волна несет в 5 раз больше энергии и способна сделать больше работы (банально волн стало в 5 раз больше).

То же происходит и с электромагнитными волнами. Когда электроны движутся туда-сюда по антенне смартфона 800 миллионов раз в секунду, появляются электромагнитные волны с частотой 800 МГц. И теперь у вас есть мобильный интернет.

Но если смартфон ускорится до 2.4 миллиарда раз в секунду, появится Wi-Fi связь. Очевидно, такие волны будут нести больше энергии, так как они смогут проделать больше работы.

А теперь представьте, сколько энергии будет нести волна, которая колеблется (меняет направление электромагнитного поля) с частотой, скажем, миллион миллиардов раз в секунду?

Представили? Именно с таким излучением мы сталкиваемся ежедневно, гуляя на солнце. Это ультрафиолетовое излучение. Думаю, не нужно объяснять, насколько разрушительной может быть работа таких волн при столкновении с кожей человека. Именно эти волны вызывают загар, солнечные ожоги и различные проблемы со здоровьем.

Если бы солнце излучало «тепло» только в инфракрасном спектре (когда электромагнитные волны колеблются с частотой, например, 800 млрд раз в секунду вместо миллион миллиардов), тогда бы наша кожа не приобретала шоколадный оттенок.

Еще раз хочу подчеркнуть эту мысль. Ультрафиолетовое излучение не содержит в себе какого-то опасного вещества, сгустка энергии, способного вызывать заболевания кожи. Просто где-то далеко на солнце какие-то электроны прыгали по орбитам своих атомов (переходили из более высокого энергетического состояния на более низкое) и это сопровождалось распространением электромагнитных волн высочайшей частоты.

И когда к атомам нашей кожи подлетает такая волна, она может «смыть» электроны с их орбит, что повлечет за собой неприятные последствия. При этом сама волна исчезает — в точности, как морская волна, вышедшая на берег и разрушившая песочный замок.

Это и есть энергия или передача способности выполнить какую-то работу.

О том, почему одни электромагнитные волны могут поджарить человека, а другие — разрушить ДНК, мы поговорим в третьей части, где обсудим все вопросы, связанные с влиянием излучения на организм. А пока нам нужно разобраться еще с одним понятием.

Мощность излучения. Или что такое ватты на самом деле?

В ваттах измеряется скорость передачи энергии или, другими словами, мощность.

Например, у нас есть два смартфона с одинаковыми аккумуляторами, только один из них комплектуется блоком питания на 65 ватт, а другой — на 20 ватт. Соответственно, зарядка на 65 ватт будет передавать энергию от розетки к батарее смартфона в 3 раза быстрее. То есть, более мощная зарядка будет делать работу быстрее.

То же можно применить и к любому другому способу передачи энергии.

Например, мощность Wi-Fi роутеров составляет 0.1 ватт, а мощность солнечного излучения на поверхности земли оценивается примерно в 1390 ватт/м 2 . То есть, на один квадратный метр земли приходит почти 1400 ватт энергии. Напомню, под энергией мы лишь подразумеваем способность электромагнитных волн сделать какую-то работу: согреть человека, высушить озеро или сжечь поле.

И всё это происходит благодаря тому, что фотоны/волны сталкиваются с молекулами, атомами, электронами и при столкновении вращают их, заставляют вибрировать или вовсе покидать свои орбиты.

Но что такое 1 ватт? Сколько это энергии или как быстро передается энергия при такой мощности излучения?

В чем измеряется мощность на самом деле

Википедия говорит, что 1 ватт равен передачи энергии со скоростью 1 джоуль в секунду. То есть, при мощности в 1 ватт за 1 секунду совершается работа, на выполнение которой требуется 1 джоуль энергии.

Прежде всего, следует сказать, что вся энергия действительно измеряется в джоулях.

Например, для того, чтобы закипятить литр воды, потребуется 335 тысяч джоулей энергии. При атомной бомбардировке Хиросимы выделилась энергия в 60 триллионов джоулей. А когда я подтягиваюсь на турнике, то трачу порядка 430 джоулей на каждое подтягивание.

Последний пример можно легко перевести в калории и сказать, что при каждом подтягивании мой организм расходует около 100 калорий, так как 1 калория — это 4.19 джоулей.

Заметьте, мы говорим о взрывах, подтягиваниях на турнике, нагревании воды, заводе пружины — всё это такие разные вещи, но при этом все они имеют одну и ту же единицу измерения!

Что же такое джоуль?

Википедия снова подсказывает, что это количество энергии, которое нужно для перемещения предмета на 1 метр при прикладывании к нему силы в 1 ньютон… стоп!

Вам не кажется, что чем сильнее мы углубляемся, тем меньше ответов и больше вопросов?

На самом деле, всё не так страшно. По большому счету, мы можем особо не разбираться в том, что такое ньютоны и другие единицы измерения, ведь мы можем легко почувствовать, что значит «потратить 1 джоуль энергии».

Для этого достаточно просто взять в руку любой предмет весом в 100 грамм и поднять его на 1 метр вверх. Сделав это, вы потратите 1 джоуль энергии.

Вам может показаться, что это незначительное количество энергии, но если мы говорим об электронах, фотонах и других элементарных частицах, то толкнуть 100 грамм на 1 метр — это сумасшедшая энергия. Для сравнения, когда электрон движется в электрическом поле (напряженностью в 1 вольт), он имеет энергию, равную 0.00000000000000000016 джоулей!

Осознавая, что такое 1 джоуль энергии, мы можем легко перейти к ваттам. Так как 1 ватт — это скорость передачи энергии в 1 джоуль за секунду.

Мощность — это просто!

Вернемся к уже рассмотренным примерам. Чтобы потратить энергию в 1 джоуль, достаточно просто поднять предмет массой в 100 грамм на высоту в 1 метр. Если вы сделаете это за секунду, то ваша мощность составила 1 ватт. Любой моторчик мощностью 1 ватт проделает тот же трюк.

Чтобы вскипятить воду, нужно потратить 335 тысяч джоулей. Если у нас есть электрочайник мощностью в 1 ватт, то за каждую секунду он будет выполнять работу в 1 джоуль. За минуту такой электрочайник передаст молекулам воды энергию в 60 джоулей, за час — 3600 джоулей. А уже через 4 дня мы сможем заварить чай!

Можно, конечно, ускорить этот процесс, взяв чайник помощнее, то есть, тот, который сможет передавать молекулам воды за 1 секунду гораздо больше энергии. Например, 2000 ватт мощности сократит время кипячения с 4 суток до 3 минут!

Опять-таки, под фразой «передавать энергию молекулам воды» подразумевается простое столкновение молекул, при котором они разгоняются всё сильнее и сильнее, пока не начинают вылетать из чайника в виде пара.

То есть, нагрев — это такое же движение, как и все остальные виды взаимодействия. А для того, чтобы что-то двигалось, необходимо приложить к этому силу, совершить работу — толкнуть.

И когда какой-то объект толкает что-то, он теряет свою энергию — в точности, как бильярдный шар останавливается (или значительно снижает свою скорость) при столкновении с другим шаром. Можно сказать, что второй шар поглотил энергию первого шара.

Надеюсь, теперь такие термины, как энергия, джоули и ватты стали более понятными и реальными.

А в следующей части мы рассмотрим, что же делают различные электромагнитные волны, проникая в наше тело. Какую именно работу они там совершают, сколько энергии и кому передают, и что дальше с этой энергией происходит.

Энергия как основа функционирования технологических систем. Использование энергии

Деятельностная цель: формирование у учащихся умений реализации новых способов действия.

Содержательная цель: расширение понятийной базы за счет включения в нее новых элементов.

Образовательные: формирование политехнических знаний путем знакомства с технологиями преобразования и использования энергии;
Развивающие: развитие самостоятельности и творческих способностей в про­цессе принятия решений и выполнения практических задач;
Воспитательные: воспитание нравственных качеств личности: обязательности; ответственности, трудового образа жизни.

· Личностные УУД:

Освоение личностного смысла учения; выбор дальнейшего образовательного маршрута.

Регулятивные УУД:

Самостоятельно формулировать задание: определять его цель, планировать алгоритм его выполнения, корректировать работу по ходу его выполнения, самостоятельно оценивать.

· Коммуникативные УУД:

Участвовать в диалоге; слушать и понимать других, высказывать свою точку зрения на события, поступки.

· Познавательные УУД:

Самостоятельно делать выводы, перерабатывать информацию, преобразовывать её, представлять информацию на основе схем.

Планируемые результаты

Знать: актуальные и перспективные технологии в области энергетики

Уметь: составить блок-схему,

• проявление познавательных интересов и активности в данной области предметной технологической деятельности;

• проявление технико-технологического мышления при организации своей деятельности.
Метапредметные:

• комбинирование известных алгоритмов технического и технологического творчества в ситуациях, не предполагающих стандартного применения одного из них;

• самостоятельная организация и выполнение различных творческих работ по созданию технических изделий;

• виртуальное и натурное моделирование технических объектов и технологических процессов;

Основные понятия

Межпредметные связи

лекция, практическая работа

Технологии обучения

Технологии компетентностного подхода

Структура урока открытия нового знания:

1.Мотивация (самоопределение) к учебной деятельности

Сплю на ходу, но иду,
Голодаю, имея еду,
На пределе возможного весь —
Силы нет. Есть!
Из энергии солнца — блеск,
Из идеи — энергии всплеск!

Определение темы и задач: виды и использование энергии.

Задание 1. Установите последовательность от производства до использования энергии.

2. Актуализация и фиксирование индивидуального затруднения в пробном действии.

Вчера мы вернулись домой, умирая то голода, но мамы не было дома. Включили автоответчик и услышали: “Привет, дорогие! Мы уехали навестить дедушку. Обед находится на столе. Если он остыл, поставьте курицу в микроволновую печь и разогрейте в течение 3 минут. (переключатель уровня нагрева переведите на высокий). Рис нагревайте только одну минуту (на среднем уровне нагрева). На десерт можете съесть мороженое из холодильника. Достаньте его, только закончив есть. Если будут проблемы, свяжитесь со мной по сотовому телефону. До свидания, мама.

Да, буду рада, если грязную посуду поставите в посудомоечную машину, и конечно, включите ее”.

Задание 2. Составьте перечень технологических систем, упомянутых в тексте.

Вывод: все устройства используют энергию

Вопрос: Что такое энергия? Какая энергия бывает?

3. Построение проекта выхода из затруднения с первичным закреплением знаний.

Энергия — один из фундаментальных терминов философии, поэтому будем использовать следующим определение: энергия — это способность чего-либо, совершать работу (например: нагревание и перемещение).

Задание 3. Составление схем

1. Форма энергии:

• полевая (электромагнитное излучение — электроэнергия, свет, тепло. );

• вещественная (энергоносители — газ, нефть и ядерное топливо, а также механические носители энергии — потенциальные и кинетические).

2. Вид энергии:

• физический (гравитационная, сильных и слабых взаимодействий, электромагнитная);

• условный, «инженерный» (механическая, акустическая, тепловая, химическая. ).

3. Источники энергии:

• не возобновляемые (уголь, газ, нефть);

• возобновляемые (древесина, солнце, ветер, вода, геотермальная энергия. и пока еще ядерное топливо).

Энергия всегда была ключом для достижения целей человека в его стремлении к лучшему миру.

На первых этапах развития цивилизации в технологических системах (кроме отопления и приготовления пищи) использовалась мускульная энергия человека и животных, затем движение воды и воздуха. Создание парового двигателя в 18 веке привело к разработке систем, основанных на преобразовании тепловой энергии в механическую, а сегодня для этого используют электроэнергию.

ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ (просмотр видеоролика)

Солнечные биологические концентраторы , двигатель внутреннего сгорания , униполярная машина , ветряной двигатель , электростанции , паровая машина , электрический двигатель , турбина

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

Технологические системы преобразуют энергию из одного вида в другой для удовлетворения наших потребностей. Это преобразование происходит также при передаче энергии от одного тела другому, либо оба этих процесса идут одновременно.

Последовательность преобразований внутри системы обеспечивает ее функционирование. В тех случаях, когда энергия является основным входом, то есть и полезным выходом системы, также является энергия, такую систему мы можем назвать преобразователем энергии. Сказанное справедливо и для подсистем — преобразователей энергии.

Рассмотрим две технологических системы: электрические чайник и камин. В камине электрическая энергия преобразуется в тепловую. Одной из подсистем электрического чайника является электронагревательный элемент, осуществляющий такое же преобразование. Их блок-схем будет одинаковы.

Работа в группах

Задание 4. Вставьте в соответствующие ячейки таблицы системы из перечня:

электродвигатель, батарейка, генератор, телефон, утюг, гитара, поезд, микрофон, паровой двигатель, лампочка, солнечная батарея, громкоговоритель, робот, велосипед, печь.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *