Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия - [121]

Несмотря не изыскание все новых источников топлива, потребление его ежегодно растет почти с той же скоростью, с какой растет население.

Таблица 2.Классификация форм энергии

_{Название ∙ Обозначение ∙ Где встречается}

_{∙ Потенциальная энергия силы тяжести (часто называется просто «потенциальная энергия»), или гравитационная потенциальная энергия ∙ (Епот) ∙ При поднятии груза происходит возрастание потенциальной энергии, запасенной в поле силы тяжести}

_{∙ Энергия деформации (часто называется «потенциальная энергия») ∙ (Едеф) ∙ При сгибании, растяжении, закручивании или сжатии пружины или другого упругого предмета последний запасает энергию деформации}

_{∙ Кинетическая энергия ∙ (Екин) ∙ Энергия движения тела. Можно показать, что она равна ¹/2 (масса) х (скорость)²}

_{∙ Кинетическая энергия вращения ∙ (Евр) ∙ Каждая часть вращающегося тела движется, следовательно, обладает кинетической энергией. Энергия вращения является суммой этих кинетических энергий}

_{∙ Тепловая энергия (теплота) ∙ (Етепл) ∙ Теплота может переходить в кинетическую, потенциальную и другие формы энергии. Сейчас теплота рассматривается как энергия молекулярного движения}

_{∙ Химическая энергия или молекулярная энергия (ее следовало бы называть атомной энергией) ∙ (Ехим) ∙ Фейерверки, взрывы, продукты питания и топливо при химических превращениях могут выделять тепло и переходить в другие формы энергии. Мы говорим, что они содержат «химическую энергию»}

_{∙ Молекулярная энергия плавления и нагревания (скрытая теплота) ∙ (Ескр. тепл) ∙ На плавление и испарение требуется дополнительная теплота. Она не увеличивает температуры, а заключена в межмолекулярных полях}

_{∙ Электрическая энергия; Магнитная энергия ∙ (Еэл; Емаг) ∙ Электрические цепи, заряженные конденсаторы, электромагниты связаны с электрической и магнитной энергиями}

_{| Электромагнитная энергия ∙ (Еэл_маг) ∙ Энергия, свойственная тесно связанным, друг с другом электрическим и магнитным полям}

_{| Энергия электромагнитных волн ∙ (Еизл) ∙ В электромагнитных волнах, т. е. движущихся электрических и магнитных полях. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны всех длин волн}

_{| Энергия излучения (включая и световую энергию) ∙ (Еизл) ∙ Излучение, включая свет и все другие электромагнитные волны}

_{∙ Волновая энергия (включая свет, звук и морские волны) ∙ (Еволн;Езвук) ∙ Волны переносят энергию (например, звук, свет, морские волны)}

_{∙ Ядерная энергия ∙ (Еяд) ∙ Высвобождается при ядерных превращениях: радиоактивности, делении и синтезе ядер}

Распределения потребляемой энергии за год в мире приводится в табл. 3[159]. Величина энергии дается в количестве угля в миллионах тонн, который при сгорании дал бы ту же энергию.

Большинство энергии, потребляемой человеком, превращается в бесполезное тепло. Часть потерь неизбежна. Вот что нам удается извлечь:

Годовое потребление энергии

а) Питание. Ежегодно на земле 250 МТ идет на питание людей, из коих Около 25 МТ превращается в полезный труд (который можно заменить лошадьми, машинами или моторами).

б) Полезная теплота, расходуемая на бытовые нужды: 100 МТ.

в) Теплота и механическая энергия для транспорта и промышленности: 350 МТ (+25 МТ от людей).

Из годовом потребления, составляющего 3000 МТ, используется 700 МТ. Остальное растрачивается в виде теплоты. Но мы едва ли можем похвастаться эффективностью 700/3000, ибо не учли падающее на Землю солнечное излучение, почти полностью переходящее в теплоту, а это свыше 10 000 000 МТ в год.

Возможность получения энергии: кинетическая энергия упорядоченного и хаотического движения

При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать теплоту, т. е. энергию хаотического движения, от энергии упорядоченного движения, известной в технике как свободная энергия. Так, кинетическая энергия летящей пули представляет собой энергию упорядоченного движения — она вся заключена в пуле. Мы называем ее свободной энергией, ибо ее целиком можно превратить в потенциальную энергию; для этого надо просто выстрелить вертикально вверх! Энергия деформации также упорядочена, и мы называем ее тоже свободной энергией, ибо пружина может затратить ее на поднятие груза. Химическая энергия практически вся свободна, как и электрическая энергия и энергия высокотемпературного излучения. Любая из этих форм энергии позволяет использовать всю энергию. Хаотическая энергия тепла имеет один существенный недостаток. На какие бы хитрости мы ни шли, в механическую энергию способна превратиться лишь часть тепловой.

Это происходит из-за того, что даже в лучшей из мыслимых машин для превращения теплоты в механическую энергию некоторая доля теплоты передается холодильнику. Иначе машина не сможет повторить рабочий цикл. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Некий хаос всегда останется. Мысленный эксперимент с идеальной тепловой машиной говорит, что максимальная доля тепла, которую можно использовать, составляет (Т₁ — Т₂)/Т₁, где Т₁ — абсолютная температура «нагревателя», или котла, а