Закон перетворення енергії (частина 1)

III. Для допитливих. Закон перетворення енергії

Живі істоти і цілі екосистеми не можуть існувати без обміну енергією і речовиною з довкіллям. Вони є так званими відкритими системами. Для їх опису застосовують закон перетворення енергії, який містить у своєму формулюванні важливі для практичного використання поняття "нагрівання" (зміни внутрішньої енергії тіла U) і "роботи" (А). Цей закон формулюється так:

Якщо довільний об'єкт чи система отримає ззовні чи виділить у собі внаслідок хімічних чи ядерних реакцій енергію Е (або кількість теплоти Q ), то вона завжди дорівнюватиме сумі зміни Д U внутрішньої енергії цього об'єкта (системи) і виконаної ним роботи А.

Це твердження можна подати стисліше у формі відомого математичного рівняння:

Формула

Всі величини, що входять у рівняння (2.1), вимірюються, очевидно, у джоулях.

Та історично склалося так, що у теплових явищах спершу запровадили і широко використовували як одиницю вимірювання калорію (кал). Це кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання грама дистильованої води на один градус. Між калорією і джоулем існує таке співвідношення:

1 кал = 4,1668 Дж. (2.2)

В обчисленнях часто використовуються більші теплові одиниці: кілокалорія (1 Ккал = 1000 кал), мегакалорія (1 Мкал = 1 млн кал), гігакалорія (1 Гкал = 1 млрд кал) тощо.
Як приклад застосування закону перетворення енергії у шкільному підручнику з фізики розглянуто роботу різних видів теплових двигунів. У результаті спалювання в них дерева, нафтопродуктів, вугілля, газу та інших джерел хімічної енергії, що виділяється у процесі реакцій окислення вуглецю і водню, виділяється певна кількість теплоти Q, яку отримує робоча речовина двигуна (водяна пара, повітря тощо). Це нагрівання не тільки дуже підвищує її температуру, а й тиск. Розширюючись, ця речовина виконує певну роботу А, надаючи механічний рух колесам (наземний транспорт), ротору електрогенератора (теплові електростанції) тощо.
На жаль, жодна з теплових машин не може перетворити всю енергію палива на корисну роботу. Серед багатьох характеристик теплових двигунів (компактність, надійність, термін експлуатації тощо) найважливішою є коефіцієнт корисної дії (ККД, позначається г\), який визначається відношенням корисної роботи А до виділеної паливом енергії Е:

Формула

Історія вдосконалення машин насамперед є історією гонитви за вищим коефіцієнтом корисної дії двигунів. Якщо у паровиків усіх видів він так і не перевищив кількох процентів, то у паровій турбіні досяг 30%. Дещо вищий коефіцієнт корисної дії бензинових автомобільних чи авіаційних двигунів, а в останніх моделях дизелів він досяг 42%. Спроби створити двигун з кераміки (на сьогодні ще безуспішні) мають на меті підвищити ККД до 50% і більше.