Тема 1. Энергия и энергоэффективность в мире труда и профессии Услуги с помощью энергии, виды энергии, энергоэффективность Мате

Введение
Цель урока:
Дать основные понятия об энергии, сохранении и превращении энергии.
В результате изучения материала слушатели должны знать:
-- определения основных терминов;
-- виды, способы получения, преобразования и использования энергии.
И уметь:
-- применить полученные знания в практических работах по энергосбережению.

План урока:
Определение понятия «энергия»
Виды энергии
Единицы измерения энергии.
4. Закон сохранения энергии
5. Использование энергии (услуги с помощью энергии)
6. Понятия «энергосбережение» и «энергоэффективность»

1. Определение понятия «энергия»
Энергия – это абстрактное понятие , введенное физиками для того, чтобы описывать едиными терминами различные явления, связанные с теплотой и работой.
Энергия (греч. – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи.
Из данного определения вытекает:
1) энергия – это нечто, что проявляется лишь при изменении
состояния (положения) различных объектов окружающего нас мира;
2) энергия – это нечто, способное переходить из одной формы в
другую (рис. ниже);
3) энергия характеризуется способностью производить полезную для человека работу;
4) энергия – это нечто, что можно объективно определить, количественно измерить.
[1]

2. Виды энергии
[1,4]
2.1 Механическая энергия — проявляется при взаимодействии,
движении отдельных тел или частиц.
К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию
деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко исполь-
зуется в различных машинах — транспортных и технологических.
Энергию в зависимости от ее природы делят на следующие виды:

2. Виды энергии
[1]
2.2 Тепловая энергия — энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.
Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

2. Виды энергии
[1]
2.3 Электрическая энергия — движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).
Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэррозионная обработка).
Использование электрической энергии

2. Виды энергии
[1]
2.4 Химическая энергия — это энергия, "запасенная" в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.
Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

2. Виды энергии
[1]
2.5 Магнитная энергия — энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но "отдающих" ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.
Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как "оборотную" сторону другой.
Магнитное поле
Магнитное поле соленоида

2. Виды энергии
[1,3]
2.6 Электромагнитная энергия — это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.
Таким образом, электромагнитная энергия — это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.
Распространение электромагнитной волны

2. Виды энергии
[1]
2.7 Ядерная энергия — энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).
Бытует и старое название данного вида энергии — атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.
Реакция ядерного распада
23592 U + 10 n → 23692 U → 14156 Ba + 9236 Kr + 310 n

2. Виды энергии
[1]
2.8 Гравитационная энергия — энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, "запасенная" телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли — энергия силы тяжести.

2. Виды энергии
[1]
Таким образом, в зависимости от уровня проявления,
можно выделить энергию макромира — гравитационную,
энергию взаимодействия тел — механическую,
энергию молекулярных взаимодействий — тепловую,
энергию атомных взаимодействий — химическую,
энергию излучения — электромагнитную,
энергию, заключенную в ядрах атомов — ядерную.
Современная наука не исключает существование и других видов
энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую
естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

2. Виды энергии
[1]
Энергия, которая содержится в природных источниках и
может быть преобразована в электрическую, тепловую,
механическую, химическую, названа первичной.
К традиционным видам первичной энергии относят:
органическое топливо (уголь, нефть и т.д.), гидроэнергию
рек и ядерное топливо (уран, торий и др.).
Энергия, полученная после преобразования первичной
на специальных установках, называется вторичной.

3. Единицы измерения энергии.
[1]
Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джоуль). В то же время для измерения количества теплоты используют "старую" единицу - 1 кал (калория) = 4,18 Дж, для измерения механической энергии используют величину 1 кг∙м = 9,8 Дж, электрической энергии - 1 кВт∙ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт∙С.
Необходимо отметить, что в естественнонаучной литературе тепловую, химическую и ядерную энергии иногда объединяют понятием внутренней энергии, т.е. заключенной внутри вещества.

4. Закон сохранения энергии
[2,5]
Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии).
Согласно ему, при любых физических или химических взаимо-
действиях. при любом перемещении вещества из одного места в другое, при любом изменении температуры энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одного вида в другой.
Другими словами, энергия, полученная или затраченная какой-либо живой или неживой системой, должна быть равна той энергии, которую одновременно получила от системы или отдала ей окружающая ее среда. Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: выход энергии всегда равен ее затратам; нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить.
Другая особенность превращения энергии из одного вида в другой - всегда происходит снижение качества энергии, или уменьшается количество полезной энергии.

4. Закон сохранения энергии
[2]
Закон снижения качества энергии известен как второй закон термодинамики. Рассмотрим следующий пример:
Когда электрическая энергия проходит через нить лампы накалива-
ния, 5% этой энергии превращается по назначению в световое излучение, а 95% в виде тепла рассеивается в окружающей среде.

5. Использование энергии (услуги с помощью энергии)
Энергия, заключенная в нефти, газе, или другом энергоносителе, сама по себе не является ни полезной, ни вредной. Но работа и другие полезные способы применения энергии, которые могут быть произведены при помощи источников энергии, — это основные и подчас необходимые элементы нашей повседневной жизни. Множество различных источников энергии может быть использовано для получения света, тепла, механической работы и для других полезных целей. Такое использование источников энергии мы называем энергетическими услугами.
Существует четыре основные цели применения энергии. Основные группы энергетических услуг. Которые могут быть обеспечены различ-
ными источниками энергии:
• Нагревание
• Охлаждение
• Освещение
• Механическая работа
При этом энергия, полученная от различных источников, преобразовывается из одной формы в другую, и полезной может являться в разных случаях разная форма энергии.
[2]

5. Использование энергии (услуги с помощью энергии)
[2]
Схема процесса передачи и трансформации энергии от энергоисточника к потребителю

6. Определение понятия «энергосбережение»
Энергосбережение – это уменьшение потребления топлива, тепловой и электрической энергии за счет их наиболее полного и рационального использования во всех сферах деятельности человека.
[2]
Можно выделить три основные направления энергосбережения:
• полезное использование (утилизация) энергетических потерь,
• модернизация оборудования с целью уменьшения потерь
энергии,
• интенсивное энергосбережение.
Примером утилизации энергетических потерь может служить использование тепловых «отходов» промышленного производства для обогрева теплиц.
При модернизации уменьшаются потери энергии в уже действующем оборудовании, но не изменяются сами принципы технологии и техники. Например, установка систем автоматического регулирования процессов горения на котлах электростанций, уплотнение окон и дверей при ремонте зданий, использование окон с тройным остеклением, и т. д.

6. Определение понятия «энергосбережение»
[2]
Интенсивное энергосбережение подразумевает полную
реконструкцию оборудования и введение новых принципов его работы, существенно сокращающих потребление энергии. Примером может служить замена двигателей внутреннего сгорания в автомобилях на электродвигатели с питанием от
солнечных элементов (электромобили).

Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое энергия?
2. Энергия и её виды.
3. Что такое энергосбережение?
4. Что такое энергетическая эффективность?
5. Основные показатели эффективности использования
энергии и энергосбережения.

Используемые учебно-методические материалы:
1. Самойлов М.В. Основы энергосбережения: Учебное пособие/ Самойлов М.В., Паневчик В.В., Ковалев А.Н. Мн.: БГЭУ, 2002. 198 с.
2. ЭНЕРГИЯ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА. Учебное пособие для средней школы. — СПб. 2008. — 88 стр., илл. (SPARE Международный школьный проект использования ресурсов и энергии).
3. http://www.physics-animations.com
4. http://www.edu.ru (Каталог образовательных интернет-ресурсов)
5. Основы энергосбережения: учебник / Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков; под ред. НИ. Данилова.
Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 564 с.