Фізичні основи управління енергією
2.4 Фізичні принципи управління енергією
Для того, щоб зрозуміти технічну сторону управління енергією, слід пояснити кілька основних термінів з фізики. Менеджер з енергетики повинен розуміти і розрізняти ці терміни. Тільки так можна зрозуміти та оцінити переваги енергетичних заходів.
2.4.1 Сила
Майже все в нашому повсякденному житті вимагає сили в якійсь формі, будь то відкриття дверей, підйом по сходах або носіння ноутбука в кишені. У класичній механіці:
Сила = маса, примножена на прискорення
Ми знайомі з цим механічним визначенням сили з повсякденного життя. Коли ми сідаємо в машину і розганяємося, вона штовхає нас на сидіння. Як тільки машина продовжує їздити зі стабільною швидкістю, ми більше не відчуваємо цієї сили, прискорення дорівнює нулю, і сила також. Якщо машина зараз загальмована, вона притискає нас до ременя безпеки, і ми відчуваємо силу гальмування. Отже, ми також прискорені при гальмуванні, але в зворотному напрямку. Фізично кажучи, щось завжди прискорюється, коли воно змінює швидкість, тобто коли стає швидшим або повільнішим. Крім того, щось має швидкість, коли змінює своє місце. Ми можемо виміряти відстань l між двома місцями в метрах (м). Якщо ми хочемо знати, скільки часу нам потрібно з одного місця в інше, ми вимірюємо час t, наприклад, підраховуємо секунди. Тож швидкість говорить про те, як швидко ми можемо змінити місце:
Швидкість = зміна місця за час
У певному сенсі прискорення говорить нам про те, як швидко змінюється швидкість:
Прискорення = зміна швидкості в секунду
У природі та техніці сили виникають у різних формах, будь то сила тяжіння, сила тертя, електромагнітна сила або будь-яка інша форма. Всі вони обчислюються трохи по-різному, але вони завжди вимірюються в ньютонах (N). В результаті сили можна додавати, віднімати і порівнювати між собою.
2.4.2 Енергія та робота
Енергія - це ключ до життя. Тому важливо знати фізичний зміст цього терміна. Поняття роботи тісно пов'язане з поняттям енергії.
З велоспорту ми знаємо, що потрібно або вам потрібно виконати роботу, наприклад, проїхати вздовж озера від Цюріха до Рапперсвіля. Спочатку ми маємо розганятися, для цього нам потрібна сила, щоб крутити педалі, і ми долаємо певну відстань. Щоб не гальмувати, ми повинні продовжувати застосовувати свою силу, тобто продовжувати крутити педалі, поки не приїдемо в Рапперсвіль. Отже, коли ми працюємо на велосипеді, ми застосовуємо силу до педалі, це призводить до повороту коліс, і тому ми долаємо відстань. Ця сила служить для подолання тертя, яке в іншому випадку знову сповільнить нас. І навпаки, не можна бити ногами і не долати відстань. Насправді:
Робота = потужність, помножена на шлях
Одиниця виміру: Джоуль J = Нм = Нм
Але можна скотитись з гори, не б’ючи ногами. Отже, ми проходимо шлях, не застосовуючи сили. Визначивши роботу, ми легко виявляємо, що не працюємо, що, звичайно, узгоджується з нашим досвідом.
Для полегшення шляху з Цюріха до Рапперсвіля ми також можемо скористатися електронним велосипедом. Зараз нам доводиться менше працювати, електродвигун виконує решту робіт. Щоб електричний двигун працював, йому потрібна електрична енергія, яку він забирає з акумулятора. Якщо акумулятор розряджений, двигун також перестане працювати. Коротше кажучи: жодної роботи без енергії.
У фізичному плані енергію правильно називати «працездатністю». Працю як фізичний термін можна розуміти як використання енергії. І навпаки, енергія - це «накопичена» або «потенційна» робота. Певна кількість роботи завжди споживає відповідну кількість енергії. Одиниця виміру та значення однакові, за умови відсутності небажаних побічних ефектів, що, на жаль, ніколи не буває у реальному світі. Якщо робота виконується на 100 джоулів, то потрібно 100 джоулів енергії. У реальному світі 100 джоулів енергії відповідають теоретичному мінімальному енергоспоживанню.
Щоб акумулятор міг знову виділяти енергію, спочатку його потрібно зарядити. Це означає, що він забирає електричну енергію через силовий кабель і зберігає її, щоб згодом її можна було знову виділити. Ми, люди, також голодні після роботи і потребуємо нової енергії, яку ми беремо у вигляді їжі та зберігаємо для подальшого використання. Енергія, що подається, хімічно пов’язана як з батареєю, так і з тілом.
Що відбувається з енергією, яку ми використовуємо, коли їдемо на велосипеді? Енергія, яка була потрібна для прискорення на початку подорожі, швидше за все, буде відчуватися: наприкінці подорожі вона нагріває гальмівні колодки. Вони нагріваються при гальмуванні. Навколишнє середовище також нагрівається за рахунок енергії, що залишилася (тертя спричиняє тепло), так що теоретично мешканці можуть отримати вигоду від трохи вищої температури повітря поруч із велодоріжкою. Але підвищення температури залишається настільки малим, що ніхто цього не відчуває, і тому ми не отримуємо за це подяки.
Ці співвідношення визначаються в першому законі термодинаміки наступним чином, який застосовується до стаціонарного випадку:
Сума всієї енергії, що подається і відводиться в систему, дорівнює нулю.
Очевидно, енергію не можна споживати, а лише перетворювати. Це також робить неможливим (і, мабуть, безглуздим) економію енергії. І все ж ми знаємо, що так зване споживання енергії є однією з найбільших проблем, з якими стикається людство. Ми можемо відстежити проблему, коли усвідомлюємо, що ми постійно перетворюємо форми високоякісної енергії у відпрацьоване тепло, яке більше не можна використовувати.
Головний пункт вище також можна переписати таким чином:
Енергію можна перетворити лише з однієї форми в іншу, але вона ніколи не втрачається.
Енергія вимірюється в одиниці джоуля (Дж), де джоуль - це кількість енергії, необхідної для проїзду одного метра з силою одного ньютона: 1 джоуль = 1 ньютон (1 Дж = 1 Нм). Джоуль - це дуже мала кількість енергії, саме тому зазвичай використовується кілоджоуль (кДж) (в тисячу разів джоуль) або мегаджоуль (МДж), мільйон разів в джоулі.
Ще однією поширеною та зручною величиною, з якою вимірюється енергія, є кіловат-година, або коротше кВт-год. Ми знаємо кіловат-годину з нашого рахунку за електроенергію, який ми повинні регулярно сплачувати. Однак електроенергія - неправильне слово для рахунку. Ми не платимо за електроенергію, ми платимо за енергію, а саме за кіловат-години. Наш рахунок за електроенергію - це фактично рахунок за енергоносії.
Джоулі (Вт) стають кіловат-годинами з перерахунком: 1 кВт-год = 1000 (для кілограмів) 1 Вт 3600 с = 3600000 Вт (= Дж) = 3600 кДж = 3,6 МДж (мегажоулів) або короткий:
1 кВт-год = 3,6 МДж
Старий спосіб вимірювання енергії або роботи - це калорійність. У повсякденному житті ми знаємо цей показник лише з інформації про калорії, що містяться в їжі. Застосовується наступне:
1 кал = 4,18 Дж. або. 1 ккал = 4,18 кДж
2.4.3 Продуктивність
Після енергії (і роботи) ми тепер вводимо поняття продуктивності. Як і маса та вага, потужність та енергію часто плутають або прирівнюють між собою. Зв’язок є, але терміни не означають одне і те ж. Контекст - це час. Виступ говорить про те, як швидко ми використовуємо енергію або виконуємо роботу. Ми можемо зробити роботу швидко або повільно, робота залишається незмінною, але продуктивність інша. Ми не можемо працювати без виступу, або навпаки. Завжди важливо знати, чи цікавить нас, наскільки швидко щось робиться, що відповідає виконанню, чи хочемо ми знати, що зроблено, що відповідає роботі чи енергії. Послуга визначається таким чином:
Потужність P = енергія E на одиницю часу t
Одиниця виміру: ват = джоулі за секунду
Один ват - це дуже маленьке досягнення. Навіть коли ми сидимо, наше тіло перетворює майже 100 Вт, які воно виділяє у вигляді тепла. Під час їзди на велосипеді це до 500 Вт, залежно від швидкості (та нахилу). Отже, в технології потужність зазвичай подається в кіловатах (1 кВт = 1000 Вт) (порівняйте грам г і кілограми кг).
Оскільки кіловат (кВт) є "зручною" величиною, енергія також часто використовується за допомогою цієї одиниці в поєднанні з часом. Година (год) підходить як час; результат - кіловат-година (кВт-год) для енергії. Ще однією одиницею потужності, хоча і застарілою, є кінська сила (PS, 1 PS = 0,736 кВт). Цей блок ми знаємо лише з реклами автомобілів.
2.4.4 Взаємозв'язок енергії та продуктивності
Співвідношення між енергією та силою слід пояснити та поглибити тут на прикладі. Давайте подивимось на духовку для раклет та годинник на плиті. Піч для ракетки має потужність 1000 Вт = 1 кВт. Його вмикають 8 разів на рік по 1 годині 6 хвилин кожного разу. Годинник на плиті (електронний цифровий годинник зі світлодіодним дисплеєм) споживає 2 Вт енергії. Однак, оскільки він не може працювати з напругою 230 В від розетки, необхідний блок живлення, який перетворює напругу мережі на низьку напругу. Це оптимізовано лише з точки зору ціни і, отже, втрата потужності становить 8 Вт, так що плита круглий рік забирає з мережі 10 Вт. Який із двох пристроїв потребує більше енергії?
Раклет-піч: 8 разів на 1 годину 6 хвилин - це 8 разів на 1,1 години = 8,8 годин
Енергія = час потужності = 1 кВт 8,8 год = 8,8 кВт год
Годинник від печі: Годинник працює цілий рік: 365 днів 24 години дають 8760 годин.
Енергія = 10 Вт 8760 год = 87 600 Втч = 87,6 кВт-год
Годинник на плиті потребує приблизно в 10 разів більше енергії, незважаючи на дуже низьку продуктивність!
Кіловат-година (кВт-год) одиниці енергії насправді дуже корисна. Перетворене в основну одиницю енергії джоулів призводить до:
8,8 кВт-год = 8,8 1000 Вт 3600 с = 31 680 000 Дж або 31 680 кДж відповідно 31,68 МДж.
Оскільки джоуль - це дуже мала одиниця енергії, кіловат-години, як правило, перетворюються безпосередньо в мегажоулі (МДж). Коефіцієнт перерахунку становить 3,6 МДж/кВт-год (див. Вище).
На наш рахунок за електроенергію, який є рахунком за енергію, ми виставляємо рахунок за кіловат-години. Ціни на енергію варіюються залежно від продукту (сонячна, водна, ядерна енергетика чи інша енергетика) та часу доби. За один кіловат-годину ми платимо близько 0,15 швейцарських франків. Після вищевказаного перетворення один джоуль коштує 0,000000040 швейцарських франків. Джоуль абсолютно непридатний для розрахунку. Мега-джоуль за 0,040 швейцарських франків був би набагато більш керованим. Але ми звикли до кіловат-години, і коли ми дивимось на цифри, це теж має сенс.
Енергію (для "повсякденного життя", в основному вказану в кВт-год і також розраховану таким чином) та потужність (переважно в кВт) слід розглядати строго окремо. Великий вихід не обов'язково означає багато енергії, малий вихід, який залишається увімкненим протягом тривалого часу, може означати багато енергії.
Часто пристрій має змінну потужність (наприклад, ксерокс, який має нагрівач з великою потужністю, але який необхідний лише для нагрівання). Під час копіювання копіювальна машина потребує живлення для механічного транспортування паперу та світла, під час простою (коли він увімкнений, готовий до копіювання, в режимі очікування) низька потужність, щоб підтримувати тепловий ролик термофіксатора. Можливо, він все ще має функцію енергозбереження. Тоді ролик термофіксатора підтримується лише при нижчій температурі, продуктивність в режимі очікування ще нижча (перед повторним копіюванням потрібно почекати короткий час). Потужність нагрівання залишається незмінною, але споживання енергії можна значно зменшити завдяки функції енергозбереження, оскільки більшість копіювальних апаратів більшу частину часу перебувають у режимі очікування. Інформація про характеристики на паспортній табличці копіювального пристрою не допомагає нам розрахувати споживання енергії. Споживання енергії - це середня потужність, помножена на час роботи (або математично інтеграл від миттєвої потужності в часі). Середня продуктивність залежить від використання копіювального апарата (інтенсивний або рідко використовується, з використанням кнопки енергозбереження тощо) і повинна вимірюватися на практиці.
2.4.5 Енергія та ентропія
Другий закон термодинаміки описує ці співвідношення у спрощеному вигляді наступним чином:
Розлад завжди наростає.
Замість економії енергії це повинно означати: тримати речі в порядку .
У термодинаміці цей "розлад" називається ентропією. Ентропія (символ S) може лише збільшуватися або, щонайбільше, залишатися незмінною. Процеси без збільшення ентропії були б оборотними (оборотні процеси), але на практиці вони не існують. Чим менше процес є оборотним, тим більше зростає ентропія.
Температуру також можна розглядати як порядок: чим вище температура, тим вище порядок. Тому також застосовується:
Тепло завжди тече від вищої до нижчої температури, ніколи не навпаки.
Тому істотною величиною з точки зору фізики є не енергія, а ентропія. Чим менше ентропії ми викликаємо, тим менше стає наша "енергетична проблема". Усі енергозберігаючі заходи в кінцевому рахунку призводять до зменшення збільшення ентропії, або вони насправді не є ефективними. І навпаки, це означає, що збільшення ентропії слід зменшити, тобто слід уникати розладів.
Так само споживання сировини можна розуміти як виробництво ентропії. Або сировина розподіляється все більш рівномірно по всьому світу в дедалі менші частини, поки їх більше не вдасться відновити (наприклад, мідь, яка втягується в дедалі тонші дроти і розподіляється все більше). Або сировина «споживається» шляхом перетворення в інші речовини, які, наприклад, більше не можна використовувати (наприклад, використання добрив). Ці речовини все ще присутні, однак "розлад" щойно значно зріс.
Ексергія та анергія
Сьогодні енергію часто поділяють на ексергію та анергію. Під вправою розуміють ту частину кількості тепла, яка може бути перетворена в механічну енергію за допомогою ідеального термодинамічного циклу. Тоді застосовується ефективність Карно, яка тим вища, чим більша різниця між верхньою та нижньою температурою системи в циклі. Тоді енергія - це решта частини енергії, яку неможливо перетворити відповідно до ефективності Карно. Спрощено кажучи, часто говорять, що ексергія - це корисна частина енергії, а енергія - непридатна частина. І з фізичної точки зору, і з практичної точки зору, цей підрозділ є сумнівним та довільним. Це сильно залежить від граничних умов (наприклад, від температур у системі) та від бажаного типу використання енергії. Наприклад, ви хочете виробляти опалення, охолодження або світло? Корисність певної кількості енергії при певному рівні температури дуже різна.
Набагато продуктивніше, якщо розуміти терміни енергія та ентропія. Це означає, що оптимальні рішення завжди можна шукати у фізично правильному порядку.