Физички основи во управувањето со енергијата
2.4 Физички принципи во управувањето со енергијата
Со цел да се разбере техничката страна на управување со енергијата, мора да се објаснат неколку основни поими од физиката. Енергетски менаџер мора да ги разбере и прави разлика помеѓу овие поими. Ова е единствениот начин да се разберат и проценат придобивките од енергетските мерки.
2.4.1 Сила
Скоро сè во нашето секојдневие бара сила во некоја форма, било да е тоа да се отвори вратата, да се искачи по скали или да го носи лаптопот во џеб. Во класичната механика:
Сила = маса пати забрзување
Ние сме запознати со оваа механичка дефиниција на силата од секојдневниот живот. Кога седиме во автомобил и забрзуваме, тоа нè турка во седиштето Штом автомобилот продолжи да вози со стабилна брзина, ние веќе не ја чувствуваме оваа сила, забрзувањето е нула, а исто така и силата. Ако автомобилот сега е сопрен, тој не притиска врз безбедносниот ремен и ја чувствуваме силата на сопирање. Значи и ние сме забрзани при сопирање, но во спротивна насока. Физички гледано, нешто секогаш се забрзува кога ја менува својата брзина, т.е. кога станува побрзо или побавно. Понатаму, нешто има брзина кога ќе го смени своето место. Можеме да го измериме растојанието l помеѓу две локации во метри (m). Ако сакаме да знаеме колку време ни треба од едно до друго место, го мериме времето t, на пример ги броиме секундите (ите). Значи, брзината кажува колку брзо можеме да го смениме местото:
Брзина = промена на локацијата по време
Во извесна смисла, забрзувањето ни кажува колку брзо се менува брзината:
Забрзување = промена на брзината во секунда
Силите се јавуваат во многу форми во природата и технологијата, било да е тоа како гравитација, триење, електромагнетна сила или која било друга форма. Сите тие се пресметуваат малку поинаку, но тие секогаш се мерат во tутнс (Н). Како резултат, силите можат да се додадат, да се одземат и да се споредат едни со други.
2.4.2 Енергија и работа
Енергијата е клучот за животот. Затоа е важно да се знае физичкото значење на овој поим. Концептот на работа е тесно поврзан со концептот на енергија.
Од возењето велосипед знаеме дека е потребна или потребна енергија. треба да работите, на пример, да возите покрај езерото од Цирих до Раперсвил. Прво треба да забрзаме, за тоа ни треба сила да педалираме и поминуваме одредено растојание. За да не забавиме, треба да продолжиме да ја применуваме својата сила, т.е. да продолжиме со педалите додека не пристигнеме во Раперсвил. Значи, кога работиме на велосипед, ја применуваме силата на педалот, ова предизвикува тркала да се вртат и затоа покриваме растојание. Оваа сила служи за надминување на триењето што инаку би нè забавило повторно. И обратно, не е можно да се шутне и да не се покрива растојание. Всушност:
Работа = моќ повеќе пати
Единица: ouул J = Nm = Nm
Но, можно е да се преврти планина без клоци. Покриваме патека без да мора да собираме сила. Со дефиницијата за работа, лесно откриваме дека не работиме, што секако одговара на нашето искуство.
За да го олесниме патот од Цирих до Раперсвил, можеме да користиме и е-велосипед. Сега треба да работиме помалку, електричниот мотор ја прави останатата работа. За да работи електричниот мотор, потребна му е електрична енергија, која ја црпи од батерија. Ако батеријата е празна, моторот исто така ќе престане да работи. Накратко: нема работа без енергија.
Во физичка смисла, енергијата правилно се нарекува „работен капацитет“. Работата како физички термин може да се сфати како употреба на енергија. И обратно, енергијата е „складирана“ или „потенцијална“ работа. Одредена количина на работа секогаш троши соодветна количина на енергија. Единицата и вредноста се исти, под услов да нема непожелни несакани ефекти, што за жал никогаш не е случај во реалниот свет. Ако се изврши работа за 100 џули, тогаш потребни се 100 џули енергија. Во реалниот свет, 100 џули енергија одговараат на теоретската минимална потрошувачка на енергија.
Така што батеријата може повторно да ослободи енергија, прво мора да се наполни. Ова значи дека зафаќа електрична енергија преку кабел за напојување и ја складира за да може повторно да се ослободи подоцна. Ние, луѓето, исто така сме гладни откако ќе завршиме со нашата работа и ни треба нова енергија, која ја земаме во форма на храна и ја чуваме за понатамошна употреба. Снабдената енергија е хемиски врзана во батеријата, како и во телото.
Што се случува со енергијата што ја користиме кога возиме велосипед? Енергијата што беше потребна за да се забрза на почетокот на патувањето, најверојатно ќе се почувствува: на крајот од патувањето, ги загрева подлогите на сопирачките. Овие се загреваат при сопирање. Околната енергија се загрева и со преостанатата енергија (триењето предизвикува топлина), така што теоретски жителите можат да имаат корист од малку повисока температура на воздухот покрај велосипедската патека. Но, зголемувањето на температурата останува толку мало што никој не го чувствува и затоа не добиваме никакви благодарници за тоа.
Овие односи се дефинирани во првиот закон за термодинамика како што следува, што се однесува на стационарен случај:
Збирот на целата енергија испорачана и испуштена на системот е нула.
Очигледно, енергијата не може да се троши, туку само да се конвертира. Ова исто така го прави невозможно (и очигледно глупо) да се заштеди енергија. А сепак знаеме дека таканаречената потрошувачка на енергија е еден од најголемите проблеми со кои се соочува човештвото. Можеме да го пронајдеме проблемот кога ќе сфатиме дека постојано конвертираме форми на високо-квалитетна енергија во отпадна топлина што повеќе не може да се користи.
Главната клаузула погоре исто така може да се препише на следниов начин:
Енергијата може да се претвори само од една во друга форма, но таа никогаш не се губи.
Енергијата се мери во единица џул (J), каде што џул е количина на енергија што е потребна за да се помине еден метар со сила на еден њутн: 1 џул = 1 њутн метар (1 Ј = 1 Nm). Jул е многу мала количина на енергија, поради што обично се користи килоџулот (kJ) (илјада пати џул) или мегаџулот (MJ), милион пати џул.
Друга вообичаена и корисна количина со која се мери енергијата е киловат час, или скратено kWh. Од нашата сметка за струја го знаеме киловатчасот, која редовно треба да ја плаќаме. Сепак, електричната енергија е погрешен збор за сметката. Ние не плаќаме за електрична енергија, плаќаме за енергија, имено киловат часови. Нашата сметка за електрична енергија е, всушност, сметка за енергија.
Ouулите (Ws) стануваат киловат часови со конверзија: 1 kWh = 1000 (за килограми) 1 W 3600 s = 3.600.000 Ws (= J) = 3600 kJ = 3,6 MJ (мегаџули) или кратки:
1 kWh = 3,6 MJ
Стариот начин на мерење на енергија или работа е калории. Во секојдневниот живот, оваа мерка ја знаеме само од информациите за калориите содржани во храната. Следното се применува:
1 кал = 4,18 Ј. или. 1 kcal = 4,18 kJ
2.4.3 Перформанси
После енергија (и работа) сега го воведуваме концептот на изведба. Како масата и тежината, моќта и енергијата често се мешаат или се изедначуваат едни со други. Постои врска, но поимите не значат исто. Контекстот е време. Изведбата ни кажува колку брзо ја користиме енергијата или работиме. Можеме да завршиме работа брзо или полека, работата останува иста, но перформансите се различни. Не можеме да работиме без изведување, или обратно. Секогаш е важно да се знае дали сме заинтересирани за тоа колку брзо се прави нешто, што одговара на изведбата, или дали сакаме да знаеме што е направено, што одговара на работата или енергијата. Услугата е дефинирана како што следува:
Моќ P = енергија E по единица време t
Единица: вати = џул во секунда
Еден вати е многу мало достигнување. Дури и кога седиме, нашето тело претвора скоро 100 вати, што ги испушта во форма на топлина. При возење велосипед, тоа е до 500 вати, во зависност од брзината (и наклонот). Во технологијата, затоа, моќноста обично се дава во киловати (1 kW = 1000 W) (споредете грамови g и килограми kg).
Бидејќи киловат (kW) е „пригодна“ количина, енергијата исто така често се користи со помош на оваа единица, во комбинација со време. Часот (ч) е погоден како времето; резултатот е киловат час (kWh) за енергија. Друга единица на моќност, иако застарена, е коњски сили (PS, 1 PS = 0,736 kW). Оваа единица ја знаеме само од рекламирање на автомобили.
2.4.4 Однос помеѓу енергијата и перформансите
Односот помеѓу енергијата и моќта треба да се објасни и продлабочи тука со еден пример. Ајде да погледнеме во рерната и во часовникот на шпоретот. Печката за реклат има моќност од 1000 W = 1 kW. Се вклучува 8 пати годишно по 1 час и 6 минути секој пат. Часовникот на шпоретот (електронски дигитален часовник со диоден дисплеј на светлина) троши 2 вати енергија. Меѓутоа, бидејќи не може да се работи со напон од 230 V од приклучокот, потребна е единица за напојување, која го претвора напонот во мрежата во низок напон. Ова е оптимизирано само во однос на цената и затоа има загуба на моќност од 8 вати, така што шпоретот извлекува 10 вати од мрежата во текот на целата година. На кој од двата уреди му треба повеќе енергија?
Рерлет печка: 8 пати 1 час 6 минути се 8 пати 1,1 час = 8,8 часа
Енергија = време на напојување = 1 kW 8,8 h = 8,8 kWh
Часовник од шпоретот: Часовникот работи во текот на целата година: 365 дена од 24 часа дава 8760 часа.
Енергија = 10 W 8760 h = 87,600 Wh = 87,6 kWh
Часовникот на шпоретот има потреба од околу 10 пати повеќе енергија, и покрај многу малата моќност!
Киловат час (kWh) единица на енергија е всушност многу корисна. Конвертирани во основна единица на енергетски џули резултира во:
8,8 kWh = 8,8 1000 W 3600 s = 31 680 000 J или 31.680 kJ респект 31,68 МЈ.
Бидејќи џул е многу мала единица на енергија, киловат часови обично се претвораат директно во мегаџули (MJ). Фактор на конверзија е 3,6 MJ/kWh (види погоре).
На нашата сметка за електрична енергија, која е сметка за енергија, сме фактурирани за киловат часови. Цените на енергијата варираат во зависност од производот (соларна, вода, нуклеарна или друга мешавина на електрична енергија) и времето од денот. Плаќаме околу 0,15 CHF за киловат час. По горенаведената конверзија, еден џул чини CHF 0,000000040. Ouулата е целосно несоодветна за пресметка. Мега џулата со CHF 0,040 би била многу податлива. Но, ние сме навикнати на киловат час и кога ќе ги погледнеме бројките, има смисла и тоа.
Енергијата (за „секојдневниот живот“ претежно одредена во kWh и исто така пресметана на овој начин) и моќноста (претежно во kW) мора да се гледаат строго одделно. Голем излез не мора да значи многу енергија, мал излез што останува вклучен подолго време може да значи многу енергија.
Честопати уредот има променлив излез (на пр. Фотокопир, кој има грејач со многу моќност, но кој е потребен само за греење). При копирање, на фотокопирот му е потребна моќност за механички транспорт на хартија и светло, за време на застојот (кога е вклучен, подготвен за копирање, во мирување) мала моќност за да се задржи ролерот на фузерот топол. Можеби сè уште има функција за заштеда на енергија. Тогаш ролната на фузерот се чува само на пониска температура, перформансите на подготвеност се уште пониски (треба да почекате кратко време пред повторно да копирате). Топлинската моќ останува иста, но потрошувачката на енергија може значително да се намали благодарение на функцијата за заштеда на енергија, бидејќи повеќето копири се во режим на подготвеност поголемиот дел од времето. Информациите за перформансите на плочката со име на копир не ни помагаат да ја пресметаме неговата потрошувачка на енергија. Потрошувачката на енергија е просечна моќност поголема од времето на работа (или математички интеграл на моменталната моќност со текот на времето). Просечната изведба зависи од употребата на копир (интензивно или ретко се користи, со употреба на копче за заштеда на енергија итн.) И мора да се мери во пракса.
2.4.5 Енергија и ентропија
Вториот закон за термодинамика ги опишува овие односи во поедноставена форма како што следува:
Нарушувањето секогаш се зголемува.
Наместо да заштедувате енергија, тоа ќе мора да значи: одржување на работите уредни .
Во термодинамиката, ова „нарушување“ се нарекува ентропија. Ентропијата (симбол S) може само да се зголеми или да остане иста. Процесите без зголемување на ентропијата би биле реверзибилни (реверзибилни процеси), но во пракса тие не постојат. Колку помалку процес е реверзибилен, толку е поголемо зголемувањето на ентропијата.
Температурата исто така може да се гледа како поредок: колку е повисока температурата, толку е повисок редоследот. Затоа, исто така, важи:
Топлината секогаш тече од повисока на пониска температура, никогаш обратно.
Суштинската количина од гледна точка на физиката не е енергијата, туку ентропијата. Колку помалку ентропија предизвикуваме, толку помалку станува нашиот „енергетски проблем“. Сите мерки за заштеда на енергија на крајот доведуваат до намалување на зголемувањето на ентропијата, или тие не се навистина ефикасни. И обратно, ова значи дека зголемувањето на ентропијата треба да се намали, односно треба да се избегнува нарушување.
Слично на тоа, потрошувачката на суровини може да се сфати и како производство на ентропија. Или суровините се дистрибуираат се повеќе и порамномерно низ целиот свет во сè помали делови се додека не можат повеќе да се обноват (на пр. Бакар, кој се вовлекува во сè потенки жици и се дистрибуира сè повеќе). Или суровините се "трошат" со претворање во други супстанции кои, на пример, повеќе не можат да се користат (на пример, употреба на ѓубрива). Овие супстанции се уште се присутни, сепак, "нарушувањето" само што значително се зголеми.
Ексергија и анергија
Денес енергијата често се дели на егергија и анергија. Се подразбира дека егзергија е оној дел од количина на топлина што може да се претвори во механичка енергија со помош на идеален термодинамички циклус. Тогаш се применува ефикасноста Карно, што е поголема, толку е поголема разликата помеѓу горната и долната температура на системот во циклусот. Анергијата е преостанат дел од енергијата што не може да се претвори според ефикасноста на Карно. Во поедноставена смисла, честопати се вели дека ексергијата е употреблив дел од енергијата, а анергијата е неупотребливиот дел од енергијата. И од физичка гледна точка и од практична гледна точка, сепак, оваа поделба е сомнителна и произволна. Тоа зависи во голема мера од граничните услови (на пример, од температурите во системот) и од посакуваниот вид на употреба на енергија. На пример, дали сакате да генерирате греење, ладење или светло? Во зависност од ова, употребливоста на одредена количина на енергија на одредено ниво на температура е многу различна.
Многу е попродуктивно ако се разберат поимите енергија и ентропија. Ова значи дека секогаш може да се бараат оптимални решенија на физички коректен начин.