1.3. Енергія. Види енергії та їх особливості

Що є поняттям «енергія», яке ми так часто використовуємо? «Енергія» (грецьк. ενεργια – дія, діяльність) – загальна кількісна міра різних форм руху матерії. За великим рахунком поняття енергії, ідея енергії штучні й створені спеціально для того, щоб бути результатом наших роздумів про навколишній світ. На відміну від матерії, про яку ми можемо сказати, що вона існує, енергія – це плід людської думки, її «винахід», побудований так, щоб була можливість описати різні зміни в навколишньому світі й водночас говорити про сталість, збереження чогось, що було назване енергією. Для цієї фізичної величини довгий час вживався термін «жива сила», введений І. Ньютоном. Вперше в історії в поняття «жива сила» сенс «енергія», не вимовляючи ще цього слова, вкладає Роберт Майєр у статті «Зауваження про сили неживої природи», опублікованій у 1842 році. Спеціальний термін «енергія» був введений у 1807 р. англійським фізиком Томасом Юнгом і позначав величину, пропорційну масі та квадрату швидкості тіла,що рухається. У науку термін «енергія» у сучасному його розумінні ввів Уїльям Томсон (лорд Кельвін) у 1860 році.

Енергія проявляється у різних формах руху матерії, що заповнює весь світовий простір. Властивістю, притаманною всім видам енергії і об'єднуючою їх, є здатність кожного виду енергії переходити за певних умов у будь-який інший її вид у суворо визначеному кількісному співвідношенні. Сама назва цієї властивості – «закон збереження і перетворення енергії» – була введена у науковий обіг Ф. Энгельсом, що дозволило всі види енергії вимірювати в одних одиницях. За таку одиницю було прийнято джоуль (1 Дж =1 H · м =1 кг · м2/с2). У той же час для вимірювання кількості теплоти використовують «стару» одиницю – 1 кал (калорія), для вимірювання механічної енергії – величину 1 кГм = 9,8 Дж, електричної енергії – 1 кВт · ч = 3,6 МДж, при цьому 1 Дж = 1 Вт · с.

Майже всі види енергії, що розглядаються у технічній термодинаміці, за винятком теплової, являють собою енергію направленого руху. Так, механічна енергія проявляється у безпосередньо спостережуваному русі тіл, що має певний напрям у просторі (рух газу по трубі, політ снаряда, обертання валу і т.ін.). Електрична енергія проявляється в прихованому русі електронів провідником (електричний струм). Теплова енергія виражається в молекулярному і внутрішньомолекулярному хаотичному русі, будучи енергією хаотичного руху атомів і молекул речовини. Теплова енергія газів проявляється в коливальному, обертальному і поступальному русі молекул, які постійно змінюють свою швидкість за величиною і напрямом. При цьому кожна молекула може безладно переміщуватися у всьому обсязі газу. У твердих тілах теплова енергія проявляється в коливаннях молекул і атомів стосовно положень, які визначаються кристалічною структурою речовини, в рідинах – у коливанні та переміщенні молекул або їх комплексів. Отже, корінною відмінністю теплової енергії від інших видів енергії є те, що вона є енергією не направленого, а хаотичного руху. У результаті цього перетворення теплової енергії на будь-який вид енергії направленого руху має свої особливості, вивчення яких і є одним з головних завдань технічної термодинаміки.

Кожне тіло в будь-якому його стані може володіти одночасно різними видами енергії, зокрема тепловою, механічною, електричною, хімічною, внутрішньоядерною, а також потенційною енергією різних фізичних полів (гравітаційного, магнітного, електричного). Сума всіх видів енергії, якими володіє тіло, є повною його енергією.

Теплова, хімічна і внутрішньоядерна енергії входять до складу внутрішньої енергії тіла. Всі інші види енергії, пов'язані з переміщенням тіла, а також потенційна енергія зовнішніх фізичних полів відносяться до його зовнішньої енергії. Наприклад, зовнішньою енергією снаряду, що летить, в зоні дії сил земного тяжіння буде сума його кінетичної Ек і потенційної енергії гравітаційного поля. Якщо газ або рідина рухаються безперервним потоком у трубі, то в їх зовнішню енергію додатково входить енергія проштовхування, яку іноді називають енергією тиску Епр.

Зовнішня енергія, отже, є сумою

Ез=Ек+ΣЕпi+Епр,,

де Епi – потенційна енергія i-го поля (магнітного, електростатичного і т. д.).

Внутрішня енергія тіла U може бути представлена такою, що нібито складається з двох частин: внутрішньої теплової енергії UТ і U0 – внутрішньої нульової енергії тіла, умовно охолодженого до абсолютного нуля температури:

U=U0+UТ .

Внутрішньою тепловою енергією є та частина повної внутрішньої енергії тіла, яка пов'язана з тепловим хаотичним рухом молекул і атомів й може бути виражена через температуру тіла та інші його параметри. Оскільки температура реального тіла тільки частково відображає його внутрішню теплову енергію, зміна останньої може мати місце і при постійній температурі тіла. Прикладами цього є процеси випаровування, плавлення, сублімації, в яких відбувається фазове перетворення і змінюється ступінь хаотичності молекулярного руху. Таким чином, повна енергія тіла в загальному випадку може бути представлена у вигляді суми внутрішньої нульової U0, внутрішньої теплової UТ, зовнішньої кінетичної Ек енергій, сукупних зовнішніх потенційних ?Епi енергій і енергії проштовхування Епр:

Е=U0+UТ+Ек+ΣЕпi+Епр.

Кожна з цих складових повної енергії може за певних умов перетворюватися одна в одну. Наприклад, у хімічних реакціях має місце взаємне перетворення U0 в UТ. Якщо реакція екзотермічна, то частина нульової енергії перетворюється на теплову. Нульова енергія отриманих речовин виявляється меншою, ніж вихідних, – відбувається «виділення тепла». У ендотермічних реакціях спостерігається зворотне явище: нульова енергія збільшується за рахунок зменшення теплової енергії – відбувається «поглинання тепла». У процесах, не пов'язаних зі зміною хімічного складу речовини, нульова енергія не змінюється і залишається постійною. За цих умов змінюється тільки внутрішня теплова енергія. Це дозволяє в різних розрахункових рівняннях враховувати зміну лише внутрішньої теплової енергії, яку надалі називатимемо просто внутрішньою енергією U.

Якщо однорідне тіло масою m має внутрішню енергію U, то внутрішня енергія 1 кг цього тіла

u=U/m.

Величину u називають питомою внутріш ньою енергією і вимірюють в Дж/кг.

Зовнішня кінетична енергія (Дж) є енергією поступального руху тіла як цілого і виражається формулою

Eк=mw2/2,

де m – маса тіла, кг; w – швидкість руху, м/с.

Зовнішня потенційна енергія як енергія направленої дії статичних полів може бути виражена через можливі роботи кожного поля від заданого положення до якихось нульових. Так, потенційна енергія гравітаційного поля виражається як добуток сили тяжіння mg цього тіла на його висоту H над яким-небудь нулем відліку:

E = mgH.

Тут висота H є відповідною координатою. Енергія проштовхування Епр є додатковою енергією речовини, що виникає в системі за рахунок впливу на неї інших частин системи, які прагнуть виштовхнути цю речовину із займаної посудини. Так, при перетіканні газу (або пари) трубою або яким-небудь каналом в умовах суцільного потоку кожен кілограм цього газу, окрім внутрішньої і зовнішньої кінетичної і потенційних енергій, володіє ще додатковою, переношуваною на собі енергією проштовхування:

Eпр.= pυ,

де p – питомий тиск; υ – питомий об'єм (об'єм 1 кг маси речовини).

Для газів, пари і рідин, що знаходяться у потоці, величина pυ (або pV для m кг речовини) визначає невід'ємну частину їх енергії. Тому для речовин, що знаходяться в суцільному потоці, визначальним параметром буде вже не внутрішня енергія U, а сума U+pV=I, звана ентальпією. Для 1 кг речовини

i = u + pυ,

де i – в Дж/кг.

Такою ж енергією i володіє й 1 кг газу, що знаходиться в циліндрі, при витісненні його поршнем.

Повна енергія даної системи, що складається з 1 кг газу і діючого на нього поршня, дорівнюватиме сумі внутрішньої енергії u газу та енергії pυ його виштовхування, тобто буде дорівнювати його ентальпії. На цій підставі ентальпію часто називають енергією розширеної системи.