Что нужно принести
- Раздел 1 программы
Короткое напоминание раздела 1: энергия бывает разных видов (химическая, тепловая, энергия движения, электрическая), может превращаться из одного вида в другой и сохраняется: она не создаётся и не уничтожается.
Объяснение
Читать объяснение
Теплота и работа
Джеймс Джоуль поставил опыт с грузами, которые, опускаясь, вращали лопасти внутри сосуда с водой. Лопасти перемешивали воду, и вода нагревалась: энергия падающих грузов в итоге превращалась в беспорядочное движение молекул воды, то есть в повышение температуры.
| Что он сделал | Что он наблюдал | Какой вывод сделал |
|---|---|---|
| Совершил работу над водой (грузы опускаются, лопасти вращаются) | Температура воды повысилась так же, как если бы её нагрели пламенем | Работа и теплота дают одинаковый эффект: это два способа передачи энергии |
Измеренная эквивалентность:
$$1\ \mathrm{kcal} = 4186\ \mathrm{J}$$
Одна килокалория теплоты и 4186 джоулей работы передают одинаковую энергию. Поэтому на электростанции можно перейти от теплоты к движению, а от движения — к электричеству: это всегда энергия, меняющая форму.
Цепочка, этап за этапом
Угольные, атомные, солнечные тепловые и большинство геотермальных электростанций используют одну схему: нагревают воду, пар вращает турбину, а турбина вращает генератор (EIA). В генераторе магнит, вращающийся внутри катушек провода, создаёт электрический ток.
- Источник. Поступает химическая энергия топлива (на АЭС — энергия, выделяющаяся при делении атомов).
- Котёл. Топливо сгорает: химическая энергия переходит в теплоту, которая превращает воду в пар.
- Турбина. Пар давит на лопатки и вращает вал: теплота переходит в энергию движения.
- Генератор. Вращение магнита внутри катушек создаёт электричество: движение переходит в электрическую энергию.
- Передача. Провода доставляют электрическую энергию до розетки.
Таблица цепочки
| Этап | Входящая энергия | Выходящая энергия | Что теряется и куда уходит |
|---|---|---|---|
| Котёл | Химическая (топливо) | Теплота пара | Теплота, уходящая с горячими газами через дымовую трубу |
| Турбина | Теплота пара | Вращательное движение | Теплота, остающаяся в отработанном паре и передаваемая охлаждающей воде |
| Генератор | Вращательное движение | Электрическая | Теплота от трения и от нагрева катушек |
| Пропускание | Электрическая | Электрическая в розетке | Теплота от нагрева проводов |
Ни на одном этапе энергия не исчезает: та, что не идёт дальше по цепочке, рассеивается в виде теплоты в окружающей среде, и её уже нельзя использовать, чтобы вращать турбину.
КПД
КПД (коэффициент полезного действия) преобразования — это доля подведённой энергии, которая выходит в виде полезной энергии:
$$\eta = \frac{E_{\text{полезн}}}{E_{\text{затр}}}$$
где $\eta$ (читается «эта») — КПД, $E_{\text{полезн}}$ — энергия, выходящая в нужной форме, а $E_{\text{затр}}$ — поступившая энергия. КПД всегда меньше 1 (меньше 100 %).
| Электростанции США, 2024 | Сколько энергии расходуют на выработку 1 кВт·ч | КПД | Энергия, рассеянная в виде теплоты |
|---|---|---|---|
| Уголь | 10 777 Btu | $\eta = 3412 \div 10777 \approx 0{,}32$ (32 %) | 68 % |
| Природный газ | 7754 Btu | $\eta = 3412 \div 7754 \approx 0{,}44$ (44 %) | 56 % |
| АЭС | 10 443 Btu | $\eta = 3412 \div 10443 \approx 0{,}33$ (33 %) | 67 % |
Разобранный пример с угольной электростанцией: из каждых 100 единиц поступающей химической энергии около 32 выходят со станции в виде электричества, а около 68 рассеиваются в виде теплоты. И $32 + 68 = 100$: энергия сохраняется.
Электричество — не источник
EIA формулирует это так: электричество — вторичный источник энергии, потому что его получают, преобразуя первичные источники (уголь, природный газ, ядерную, солнечную, ветровую энергию), и это носитель энергии: он доставляет её туда, где она используется.
- Розетка не производит энергию: она отдаёт энергию, произведённую в другом месте.
- Электричество не «берётся ниоткуда»: оно приходит с электростанции и из того, что эта станция преобразовала.
- Поэтому правильный вопрос о любом потреблении электричества — откуда оно: из какого источника и, на уроке 22, из какого резервуара углерода.
Анимация
Описание анимации
В анимации энергия показана синей полосой, которая движется слева направо. В начале полоса широкая и подписана «100 %»: это химическая энергия топлива, поступающая на тепловую электростанцию.
Полоса проходит три этапа. В котле топливо сгорает, и его энергия переходит в теплоту. В турбине горячий пар вращает вал: энергия движения. В генераторе вращение превращается в электричество. На каждом этапе часть энергии отклоняется оранжевой стрелкой в прямоугольник с надписью «теплота, рассеянная в окружающей среде», и синяя полоса сужается. Сколько теряется на каждом этапе, в прочитанных источниках нет: распределение между этапами схематично, о чём предупреждает надпись «Схема, не в реальном масштабе».
На выходе со станции остаётся узкая полоса с подписью «32 %». Это средний КПД угольных электростанций США в 2024 году по данным EIA. Прямоугольник теплоты показывает остальное: 68 %.
Анимация заканчивается записанной суммой: 100 % равно 32 % электричества плюс 68 % рассеянной теплоты, и фразой «энергия не исчезает: она рассеивается в виде теплоты».
Источник: EIA, Electric Power Annual, таблица 8.1 (2024). Схема, не в реальном масштабе.
Симуляторы для этого урока
Дополнительно: интерактивные симуляторы по теме этого урока. Можно открыть до или после объяснения.
Листы для скачивания (на испанском)
Первичный источник и носитель
Задания
1. КПД всей цепочки
Используй эти учебные значения (придуманы для упражнения, это не данные реальной станции): котёл $\eta_1 = 0{,}9$; турбина $\eta_2 = 0{,}4$; генератор $\eta_3 = 0{,}95$.
- Начни со 100 единиц химической энергии. Рассчитай, сколько выходит из котла, сколько из турбины и сколько из генератора.
- Покажи, что общий КПД равен произведению $\eta_{\text{общ}} = \eta_1 \cdot \eta_2 \cdot \eta_3$.
- Объясни словами, что означает полученное число: из каждых 100 поступивших единиц сколько доходит в виде электричества и где остальные?
- На каком этапе теряется больше всего? Сильно ли изменился бы итог, если улучшить этап, у которого уже 0,95?
Посмотреть результат для сравнения
$100 \cdot 0{,}9 = 90$; $90 \cdot 0{,}4 = 36$; $36 \cdot 0{,}95 = 34{,}2$. Общий КПД: $0{,}9 \cdot 0{,}4 \cdot 0{,}95 = 0{,}342$. Из каждых 100 единиц около 34 выходят в виде электричества, а около 66 рассеялись в виде теплоты на трёх этапах.
2. Без выхлопной трубы
Утверждение, которое нужно защитить: у электромобиля нет выбросов из выхлопной трубы, и всё же с ним могут быть связаны выбросы CO₂.
Самопроверка
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…