1.3 Энергия не создается и не уничтожается. Изменение общего количества энергии в системе всегда равно разнице между количеством переданной энергии и количеством переданной энергии. Общее количество энергии во Вселенной конечно и постоянно.

1.4 Энергия, доступная для выполнения полезной работы, уменьшается по мере ее передачи от системы к системе. Во время всех передач энергии между двумя системами часть энергии теряется в окружающую среду. В практическом смысле эта потерянная энергия была «израсходована», хотя она все еще где-то рядом.Более эффективная система будет терять меньше энергии, вплоть до теоретического предела.

1.5 Энергия бывает разных форм и может быть разделена на категории. Формы энергии включают световую энергию, упругую энергию, химическую энергию и многое другое. Вся энергия делится на две категории: кинетическая и потенциальная. Кинетика описывает типы энергии, связанные с движением. Потенциал описывает энергию, которой обладает объект или система из-за его положения относительно другого объекта или системы и сил между ними.Некоторые формы энергии являются частично кинетической и частично потенциальной энергией.

1.6 Химические и ядерные реакции связаны с переносом и преобразованием энергии. Энергия, связанная с ядерными реакциями, намного больше, чем энергия, связанная с химическими реакциями для данного количества массы. Ядерные реакции происходят в центрах звезд, в ядерных бомбах, а также в ядерных реакторах деления и синтеза. Химические реакции широко распространены в живых и неживых системах Земли.

1.7 Для количественного определения энергии используется множество различных единиц. Как и в случае с другими физическими величинами, с энергией связано множество различных единиц измерения. Например, джоули, калории, эрги, киловатт-часы и БТЕ — все это единицы энергии. Учитывая количество энергии в одном наборе единиц, всегда можно преобразовать его в другой (например, 1 калория = 4,186 джоулей).

1.8 Мощность – это мера скорости передачи энергии. Полезно говорить о скорости, с которой энергия передается от одной системы к другой (энергия за время).Эта скорость называется мощностью. Один джоуль энергии, передаваемой за одну секунду, называется ваттом (т. е. 1 джоуль в секунду = 1 ватт).

Энергия — это слово, имеющее множество значений, но не имеющее универсального определения

Происхождение: фото Бена Гарни
Повторное использование: Этот товар предлагается в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы под аналогичной лицензией.

Этот принцип помогает учащимся ознакомиться с некоторыми основами энергии, многие из которых основаны на физике.Мы хотим, чтобы учащиеся освоились с концепцией того, что энергия существует во многих формах, может передаваться из одной системы в другую и может быть измерена.

Хотя определить термин «энергия» сложно, нетрудно определить, описать и измерить конкретные виды энергии.

Механическая энергия — это энергия механических систем, таких как мяч, катящийся по рампе, или шарик, выпущенный из рогатки. Механическая энергия может быть в трех формах:

• Гравитационная потенциальная энергия — это энергия объекта или системы из-за гравитационного притяжения.Например, мы можем рассчитать механическую энергию мяча, который вылетит из высокого окна, или гравитационную потенциальную энергию воды в водохранилище, используемом для гидроэнергетики.
• Кинетическая энергия — это энергия движения объекта. Мчащийся автомобиль, парящий в воздухе бейсбольный мяч и лыжник, скользящий вниз по склону, — все это примеры объектов с кинетической энергией. Маховики — это метод хранения кинетической энергии.
• Упругая потенциальная энергия — это энергия, запасенная в растянутой пружине, резиновой ленте или другом эластичном материале.

Тепловая энергия – это энергия, возникающая в результате кинетической энергии молекул вещества. Горячий чайник имеет больше тепловой энергии, чем холодный. Предметы, которые кажутся теплыми, излучают тепловую энергию, а передача тепловой энергии вызывает изменения температуры.

Лучистая энергия — это энергия электромагнитного излучения, такого как видимый свет, микроволны или рентгеновские лучи.

Химическая энергия — это энергия, запасенная в химических связях.Бензин и продукты питания являются примерами соединений с химической потенциальной энергией.

Ядерная энергия — это название, данное энергии, которая возникает в результате преобразования массы в энергию во время ядерных реакций. Это мощный и обильный источник энергии, потому что небольшое количество массы может быть преобразовано в большое количество энергии, как описано знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc ² .

Независимо от того, какую форму принимает энергия, энергия имеет числовое значение, которое мы можем измерить и присвоить объектам или системам.Когда система претерпевает некоторые изменения, энергия может быть преобразована из одного вида энергии в другой.

Понимание того, как определяются и измеряются различные виды энергии, дает основу для изучения других аспектов энергии. Понятия потери энергии, передачи энергии от одной системы к другой и способов измерения энергии являются важными понятиями для преподавания энергии. Хотя может возникнуть соблазн пропустить эти основы и начать преподавать ветряные турбины и солнечные панели, важно установить систему отсчета для понимания того, что такое энергия, прежде чем обсуждать различные виды топлива, источники энергии и использование энергии.

Что удивительно в энергии, так это то, как одна форма энергии может быть преобразована в, казалось бы, несвязанные формы энергии. Джеймс Прескотт Джоуль провел новаторские эксперименты, показавшие, что некоторое количество механической энергии может быть преобразовано в такое же количество тепловой энергии. Например, взрыв преобразует химическую потенциальную энергию в кинетическую энергию, лучистую энергию и тепловую энергию. Лучистая энергия может быть преобразована в электрическую с помощью фотогальванического элемента. Тепловая энергия может быть преобразована в электрическую с помощью термоэлектрического генератора.

Во всех случаях преобразования энергии часть энергии преобразуется в тепловую энергию. Поскольку эта энергия часто не может быть восстановлена ​​с пользой, эта тепловая энергия часто считается потраченной впустую или потерянной.

Помощь учащимся в понимании этих идей

Происхождение: Изображение из галерей изображений Microsoft
Повторное использование: Этот товар предлагается в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons. org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы под аналогичной лицензией.

Распространенным камнем преткновения является понятие мощности и единиц для описания энергии и мощности. В метрической системе единицами измерения энергии являются джоули. Джоуль — это количество энергии, необходимое для ускорения объекта массой 1 кг до скорости 2 м/с или для подъема объекта массой 1 кг примерно на 10 см по вертикали. Калории, БТЕ и киловатт-часы — это другие единицы, которые можно использовать для измерения энергии.

Мощность, то есть скорость передачи энергии, измеряется в джоулях в секунду, также называемых ваттами. В отличие от других единиц, описывающих ставки (например, мили в час для скорости, доллары в час для заработной платы), единица «Ватт» уже имеет встроенную единицу измерения «в секунду». Без знакомого «в секунду» в единицах измерения студенты часто думают, что ватт — это количество энергии, а не скорость , с которой передается энергия. Например, лампочка мощностью 100 Вт потребляет 100 Дж электроэнергии в секунду, преобразовывая ее в основном в тепловую энергию.

К этой путанице добавляется единица киловатт-час.Киловатт-час равен 1000 Вт, умноженным на 3600 секунд, или 3,6 миллиона джоулей. Это обычная единица энергии, используемая электроэнергетическими предприятиями при выставлении счетов,

Похожим и забавным примером путаницы между электроэнергией и энергией является то, что электрические коммунальные предприятия часто называют «энергетическими» компаниями, хотя продаваемым ими продуктом является энергия.

Принесите эти идеи в свой класс

Как показано в видеоролике TED, базовые математические концепции можно использовать для понимания того, как измеряется энергия, например, измерение энергии в двух разных формах с последующим преобразованием этих величин в общепринятые единицы. Такие термины, как мощность (энергия за время), работа (сила за расстояние), могут быть легко измерены и рассчитаны. Все эти термины имеют альтернативные, но связанные значения в повседневной жизни, поэтому знакомство учащихся с математическими определениями потребует от учащихся понимания немного разных значений одних и тех же слов.

Многие формы преобразования энергии можно непосредственно наблюдать в классе, поэтому демонстрации являются эффективным средством демонстрации преобразований между различными формами энергии.

Ручной генератор/моторы и лампочка показывают, как кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую энергию. Соединение двух ручных генераторов/моторов вместе показывает, как кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую, а затем обратно в кинетическую.

Соединение Пельтье (или термоэлектрический генератор) преобразует электрическую энергию в разность температур или разность температур в электрическую энергию.

Так называемые «счастливые/грустные» шарики , которые можно приобрести в научно-образовательных компаниях, показывают, как эластичность материала может влиять на передачу энергии. «Счастливый» мяч сделан из полимера, который при сжатии накапливает упругую потенциальную энергию и высвобождает такое же количество кинетической энергии, когда он не сжат. Например, когда мяч падает с высоты 1 метр, потенциальная энергия гравитации преобразуется в кинетическую энергию при падении мяча. Когда мяч ударяется об пол, мяч сжимается, и кинетическая энергия преобразуется в основном в упругую потенциальную энергию (и немного в тепловую энергию).Когда мяч отскакивает, упругий потенциал преобразуется обратно в основном в кинетическую энергию (опять же, немного в тепловую), заставляя мяч отскакивать на значительную часть высоты, с которой он был выпущен. Отношение высоты отскока к высоте выброса — это отношение конечной энергии системы к исходной энергии — оценка эффективности передачи энергии. «Грустный» мяч изготовлен из менее эластичного полимера. Когда этот мяч сжимается, почти вся механическая энергия преобразуется в тепловую энергию, и мяч не отскакивает заметно.

Пружинные игрушки и попперсы являются другими примерами подобных преобразований энергии.

Сосуд Дьюара или термос «термос» является прекрасным примером передачи тепловой энергии. Описание того, как вакуумная колба препятствует передаче тепловой энергии внутрь или наружу, помогает учащимся понять, что «холод» — это не количество или форма энергии, а скорее недостаток тепловой энергии. Студентам может быть интересна история разработки термоса и того, как он был коммерциализирован компанией Thermos, которая выиграла от того, что Дьюар не запатентовал эту идею.

Учебные материалы из коллекции CLEAN

Средняя школа

Средняя школа

• Такие инструменты, как Калькулятор преобразования единиц энергии, могут быть использованы учащимися для сравнения количества энергии в различных формах. Когда учащиеся понимают значение различных единиц энергии, они могут эффективно учитывать масштабы использования энергии, что является частью Энергетического принципа 6.
• Путеводитель по энергии Земли — это видео TED-Ed, в котором показано, как энергия циркулирует в системах Земли: атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере.

Колледж

• Проект «Солнечный водонагреватель» позволяет студенческим командам спроектировать и построить солнечные водонагреватели и лучше понять три различных типа теплопередачи, каждый из которых играет роль в конструкции солнечного водонагревателя. Обратите внимание, что это задание предназначено для старшеклассников, но оно может стать отличной лабораторной работой для начинающих студентов.
• Global Energy Flows позволяет учащимся анализировать данные о глобальных источниках и поглотителях энергии (использовании) и строить диаграммы, чтобы показать относительный масштаб и связи между ними. Обсуждения масштаба; включены исторические, социально-экологические и географические различия в этих данных и последствия для будущего использования энергии.

Найдите упражнения и наглядные материалы для преподавания этой темы

Поиск по уровню обучения: средняя школа средняя школа введение колледж старшие классы колледж поиск все уровни обучения

Каталожные номера

Что такое энергия? Этот блок от EIA Energy Kids охватывает основы энергетики, виды энергии, единицы энергии и калькуляторы энергии.

Моделирование PhET для обучения Энергии, Работе и Силе. Интерактивные симуляции, которые позволяют учащимся «экспериментировать» с изменяющимися переменными в различных энергетических системах.

The Physics Classroom — это бесплатный веб-сайт по физике в Интернете, разработанный в первую очередь для школьников и учителей физики. Например, анимация «Преобразования энергии для горных лыж» иллюстрирует взаимосвязь между работой и энергией.

Раздел B: Две основные формы энергии – Энергетическое образование: концепции и практика

Энергия, которую мы ощущаем вокруг себя, кажется, имеет множество форм.Огонь горит, резинки расстегиваются, фонарики включаются и светят, предметы падают, и вещи кажутся горячими, холодными или просто нужной температуры. Когда происходит так много всего, как мы можем выяснить, какие формы энергии имеют эти вещи и события? После сотен лет наблюдений и экспериментов наука разделила энергию на две основные формы: кинетическую энергию и потенциальную энергию. Кроме того, потенциальная энергия принимает несколько собственных форм.

Потенциальная энергия определяется как энергия, связанная с расположением системы объектов, которые действуют друг на друга.  Потенциальная энергия сохраняется или высвобождается, когда расположение объектов и/или силы, которые они воздействуют друг на друга, каким-либо образом изменяются.Системы объектов, от атомов до планет, могут быть организованы по-разному, что приводит к множеству форм потенциальной энергии: химической, упругой, электрической (электромагнитной), гравитационной, ядерной и тепловой энергии.

Хотя потенциальную энергию часто называют «запасенной» энергией, при таком упоминании могут возникнуть два заблуждения. Во-первых, высказывание о том, что энергия хранится в чем-то, может подразумевать, что энергия представляет собой некую невидимую субстанцию, которой она таковой не является.Во-вторых, рассмотрим учебник, который держат над полом в классе. Многие скажут, что в учебнике хранится потенциальная энергия, и часто удобно думать, что только учебник обладает потенциальной энергией. Однако у учебника есть потенциальная энергия, потому что он является частью системы, включающей Землю, в которой обе силы гравитации действуют друг на друга. Другими словами, учебник не обладал бы потенциальной энергией, если бы не Земля.

Электрическая потенциальная энергия присутствует, когда положительные и отрицательные электрические заряды отделены друг от друга, как в батарее.Когда вы включаете устройство, работающее от батареи, например фонарик или игрушку, электрическая потенциальная энергия, хранящаяся в батарее, преобразуется в другие формы энергии, такие как звук, механическое движение, тепловая энергия и свет. Для электрического прибора, который вы подключаете, электрическая потенциальная энергия поддерживается вращающимся генератором электростанции, плотины гидроэлектростанции или ветряной мельницы. Солнечная батарея накапливает электрическую потенциальную энергию подобно батарее, пока на нее светит солнце.

Энергия — Виды энергии

Виды энергии

Энергия невидима, но она повсюду вокруг нас и во всей Вселенной. Мы используем его каждый день, он есть в наших телах, и часть его поступает с других планет! Энергия никогда не может быть создана или уничтожена, но ее форма может быть преобразована и изменена. Например, химическая энергия, которую мы получаем из пищи, превращается в кинетическую и тепловую энергию (см. ниже), когда мы идем, и в звуковую энергию, когда мы кричим. Вот отличное видео ученых, показывающее множество способов передачи и преобразования энергии.

Следующие главы описывают различные формы, которые может принимать энергия, и историю людей, энергии, топлива и окружающей среды.

Виды энергии

Сначала давайте посмотрим на различные формы, которые может принимать энергия, и на то, как их можно преобразовать.

Кинетический. Все, что движется, обладает такой энергией. Чтобы бегать, кататься на велосипеде, карабкаться и двигать компьютерную мышь, мы используем кинетическую энергию.

Radiant — Лучистая энергия означает свет. Примерами вещей, обладающих лучистой энергией, являются Солнце, лампочки и экраны наших компьютеров.Растения преобразуют энергию света в химическую энергию (пищу), которая помогает им расти, это известно как фотосинтез.

Звук — Чем громче мы кричим, тем больше звуковой энергии используем. Помимо наших голосов, существует множество других примеров звуковой энергии — гитары обладают звуковой энергией, когда в них играют с помощью кинетической энергии. Так же как и тормоза на наших велосипедах, когда мы едем быстро.

Термобелье. Если вы когда-либо носили термобелье, то можете догадаться, что тепловая энергия — это тепло! Солнце излучает тепловую энергию, как и радиаторы и огонь.Даже лампочки, когда они горят уже давно — ай!

Эластичный. Растяните резинку или потяните резинку на рогатке, и вы получите упругую энергию. Этот вид энергии известен как «потенциальная энергия», поскольку она может храниться до тех пор, пока не будет высвобождена — обычно уступая место кинетической энергии!

Gravitational — Вы когда-нибудь падали с дерева? Тогда вы стали жертвой гравитационной энергии. Гравитационная энергия — это сила, которая удерживает нас на земле. Гравитационная энергия — вот почему езда на велосипеде вниз по склону быстрее, чем на велосипеде в гору, и почему прыгуны с трамплина всегда возвращаются на землю.

  Химическая. Химическая энергия бывает разных форм. Мы получаем химическую энергию из пищи, которую мы используем, чтобы бегать, двигаться и говорить (кинетическая и звуковая энергия). Химическая энергия хранится в топливе, которое мы сжигаем, чтобы высвободить тепловую энергию — это один из способов получения электричества, дополнительную информацию см. в разделе «Электричество».

Nuclear — Ядерная энергия — это энергия, хранящаяся внутри крошечных атомов. Атомы невидимы и составляют элементы всей вселенной! Эти крошечные частицы состоят из трех частей: протонов, электронов и нейтронов.Ядерная энергия высвобождается, когда атомы соединяются (слияние) или разделяются (деление). При этом энергия преобразуется в тепловую и лучистую энергию. Солнце использует ядерную энергию для производства света и тепла.

Преобразование энергии
Когда мы идем на пробежку, мы используем химическую энергию нашего тела для движения (кинетическую энергию), которая, в свою очередь, преобразуется в тепло (тепловую энергию). Велосипедный спуск задействует кинетическую и гравитационную энергию. Трение между шинами и дорогой также приводит к небольшому нагреву шин с выделением тепловой энергии.Какую форму примет часть этой энергии при торможении?

Геотермальная энергия готова к прорыву

Геотермальная энергетика — это вечная альтернатива возобновляемым источникам энергии, которая десятилетиями пыхтит на заднем плане, так и не вырвавшись полностью из своей маленькой ниши, вечно заставляя экспертов по энергетике говорить: «О, да, геотермальная энергия… что с этим делать?» ?»

Что ж, примерно после 15 лет работы над отчетами об энергетике я наконец нашел время, чтобы глубоко погрузиться в геотермальную энергию, и я здесь, чтобы сообщить: это прекрасное время, чтобы начать обращать внимание!

После многих лет безуспешных попыток запуска новые компании и технологии вывели геотермальную энергетику из застоя, и она, наконец, может быть готова к расширению и превращению в крупного игрока в области экологически чистой энергии. На самом деле, если правы его более восторженные сторонники, геотермальная энергия может стать ключом к тому, чтобы сделать 100-процентно чистое электричество доступным для всех в мире. И в качестве бонуса это возможность для испытывающей трудности нефтегазовой отрасли направить свой капитал и навыки на то, что не ухудшит планету.

Вик Рао, бывший главный технический директор Halliburton, гиганта по обслуживанию нефтяных месторождений, недавно заявил геотермальному блогу Heat Beat: «Геотермальная энергия больше не является нишевой игрой.Это масштабируемо, потенциально очень материально. Масштабируемость привлекает внимание индустрии [нефтяных услуг]».

В этом посте я расскажу о технологиях, предназначенных для извлечения тепла глубоко из недр Земли, которое затем может быть использовано в качестве прямого тепла для сообществ, для производства электроэнергии или для того и другого путем «когенерации» тепла и электричества. (Обратите внимание, что геотермальные технологии иногда включают геотермальные тепловые насосы, которые используют стабильную температуру неглубокой земли для обогрева зданий или групп зданий, но я собираюсь оставить их в стороне для отдельного поста. )

Прежде чем мы перейдем к технологиям, давайте кратко рассмотрим саму геотермальную энергию.

Что такое геотермальная энергия?

Забавный факт: расплавленное ядро ​​Земли, расположенное на глубине около 4000 миль, примерно такое же горячее, как и поверхность Солнца, более 6000°C или 10800°F.Вот почему геотермальную энергетику любят называть «солнцем под нашими ногами». Тепло постоянно пополняется за счет распада встречающихся в природе радиоактивных элементов с расходом примерно 30 тераватт, что почти вдвое превышает все потребление энергии человеком. Ожидается, что этот процесс будет продолжаться миллиарды лет.

Проект ARPA-E AltaRock Energy оценивает, что «всего 0,1% теплосодержания Земли может удовлетворить общие потребности человечества в энергии в течение 2 миллионов лет». В земной коре, всего в нескольких милях от земли, достаточно энергии, чтобы питать всю человеческую цивилизацию для будущих поколений.Все, что нам нужно сделать, это подключиться к нему.

Однако подключиться к нему оказалось довольно сложно.

Самый простой способ сделать это — напрямую использовать тепло там, где оно выходит на поверхность, в горячих источниках, гейзерах и фумаролах (выходы пара рядом с вулканической активностью). Теплую воду можно использовать для купания или стирки, а тепло – для приготовления пищи. Использование геотермальной энергии таким образом существовало с самых первых людей, восходящих, по крайней мере, к среднему палеолиту.

Чуть более сложным является использование природных резервуаров геотермального тепла близко к поверхности для обогрева зданий.В 1890-х годах город Бойсе, штат Айдахо, использовал один из них для создания первой в США системы централизованного теплоснабжения, в которой один центральный источник тепла подает тепло в несколько коммерческих и жилых зданий. (В центре Бойсе он до сих пор используется.)

После этого стали копать глубже и использовать тепло для производства электричества. Первая коммерческая геотермальная электростанция в США была открыта в 1960 году в Гейзерс, Калифорния; сегодня в США работает более 60.

В наши дни технология получения доступа к глубинным геотермальным источникам развивается головокружительными темпами.Рассмотрим его основные формы, от устоявшихся до экспериментальных.

Четыре основных типа технологии геотермальной энергии

Достигнув поверхности, геотермальная энергия используется для самых разных целей, главным образом потому, что существует множество различных способов использования тепла. В зависимости от того, насколько горяч ресурс, его можно использовать во многих отраслях. Практически любой уровень тепла может быть использован напрямую для запуска рыбных хозяйств или теплиц, для сушки цемента или (что действительно горячо) для производства водорода.

Для производства электроэнергии требуется более высокая минимальная теплота. Старое поколение геотермальных электростанций использовало пар непосредственно из земли или «выбрасывало» жидкости из земли в пар для запуска турбины. (Загрязнение воды и воздуха, которое было связано с геотермальными проектами первого поколения, было связано с установками мгновенного испарения, которые кипятят воду из-под земли и в конечном итоге выделяют все, что в ней содержится, включая некоторые неприятные загрязняющие вещества.)

Установки мгновенного испарения требуют тепла не менее 200°C.Более новые, «бинарные» установки пропускают жидкости из земли через теплообменник, а затем используют тепло для выпаривания пара (это означает, что подземные воды не кипятятся напрямую и воздух или вода не загрязняются). Бинарные установки могут генерировать электроэнергию при температуре около 100°C.

Хитрость заключается в том, чтобы вывести тепло на поверхность. Для этой цели полезно рассматривать технологию геотермальной энергии как подпадающую под четыре широкие категории.

В некоторых избранных областях (например, в некоторых частях Исландии или Калифорнии) вода или пар, нагретые ядром Земли, поднимаются вверх через относительно проницаемую породу, полную трещин и разломов, только для того, чтобы попасть в ловушку под непроницаемой покрышкой. Эти гигантские резервуары горячей воды под давлением часто выходят на поверхность через фумаролы или горячие источники.

После обнаружения резервуара бурятся разведочные скважины до тех пор, пока не будет найдено подходящее место для эксплуатационной скважины.Температура горячей воды, которая поднимается через этот колодец, может варьироваться от температуры чуть выше температуры окружающей среды до 370°C, в зависимости от месторождения (чтобы получить более высокую температуру, чем нужно, нужно углубиться; об этом позже). После того, как из них отбирается тепло, жидкости охлаждаются и возвращаются на месторождение через нагнетательную скважину для поддержания давления.

Почти все традиционные геотермальные проекты, большинство из которых сейчас реализуются, используют высококачественные гидротермальные ресурсы.

Одна из проблем гидротермальных резервуаров заключается в том, что их видимые проявления — горячие источники и фумаролы — остаются единственным надежным способом их идентификации; разведка и определение характеристик новых месторождений дорого и ненадежно.(Это одна из областей бешеного технологического развития.)

Другая проблема заключается в том, что они чрезвычайно сконцентрированы географически. В США геотермальное электричество в основном сосредоточено в Калифорнии, Неваде, на Гавайях и на Аляске, где тектонические плиты перетираются под поверхностью.

Там, где гидротермальные ресурсы легко доступны, преимущества геотермальной энергии хорошо известны. Глобальный парк геотермальной электроэнергии имеет средний коэффициент мощности — время, затрачиваемое на работу по отношению к максимальной мощности, — 74,5 процента, а новые электростанции часто превышают 90 процентов. Геотермальная энергия может обеспечить постоянную базовую мощность; это единственный возобновляемый ресурс для этого.

По состоянию на конец 2019 года глобальная установленная геотермальная электрическая мощность, распределенная по 29 странам, достигла 15,4 ГВт, при этом лидируют США.

Последняя проблема заключается в том, что большая часть крупных, хорошо разведанных и хорошо изученных месторождений уже выработана, по крайней мере, с помощью традиционных технологий.Геотермальная энергетика, основанная на высококачественных гидротермальных ресурсах, остается нишевым решением, которое трудно стандартизировать и масштабировать. Вот почему он так долго отставал от других возобновляемых ресурсов.

Что приводит нас к…

Обычные геотермальные системы ограничены специализированными областями, где тепло, вода и пористость сходятся воедино. Но эти области ограничены.

Однако во всей этой нормальной, твердой, непористой породе хранится много тепла.Что, если бы геотермальные разработчики могли создать свои собственных резервуара ? Что, если бы они могли бурить твердую породу, нагнетать воду под высоким давлением через одну скважину, разрушать породу, чтобы вода могла пройти через нее, а затем собирать нагретую воду через другую скважину?

Вкратце это и есть EGS: геотермальная энергия, создающая собственный резервуар.

Чтобы было ясно, грань между обычным гидротермальным ресурсом и ресурсом, который требует EGS, не является резкой.Существует множество градаций и вариаций между влажным/пористым и сухим/твердым.

«На самом деле у вас есть кривая предложения, где переменными являются температура, глубина, проницаемость скважины и проницаемость резервуара», — говорит Тим ​​Латимер, основатель и генеральный директор компании Fervo Energy, занимающейся EGS. «Все между двумя крайностями существует».

Проще говоря, по мере того, как ресурс становится глубже, а порода становится более горячей и менее пористой, инженерная сложность доступа к ней возрастает.

Основная идея всегда заключалась в том, что EGS будет начинаться в пределах существующих гидротермальных резервуаров, где месторождения относительно хорошо охарактеризованы.Затем, как выяснилось, оттачивая свою технологию и снижая затраты, она перешла от «в поле» к ресурсам «ближнего поля» — твердой породе, прилегающей к резервуарам, на той же глубине. В конце концов он сможет отправиться дальше в новые поля и глубже в более горячие породы. Теоретически EGS может в конечном итоге быть расположена практически в любой точке мира.

Это был план игры на десятилетие, и он все еще остается планом игры, изложенным в авторитетном исследовании GeoVision 2019 года по геотермальной энергии, проведенном Министерством энергетики.Однако у индустрии EGS были проблемы с получением всех уток подряд. Примерно в 2010 году произошел всплеск активности, основанный на стимулирующих деньгах Обамы и бинарных электростанциях. Но к тому времени, когда технология бурения от сланцевой революции начала переходить к геотермальной, примерно в 2015 году, капитал иссяк, и внимание отвернулось.

Только в 2020 году, по словам Латимера, все, наконец, выстроилось: сильный общественный интерес и интерес инвесторов, реальный рыночный спрос (благодаря амбициозным государственным целям в области возобновляемых источников энергии) и поток новых технологий, заимствованных из нефтегазовой отрасли.Стартапы EGS, такие как Fervo, быстро растут и становятся больше, сегодня известные компании реализуют прибыльные проекты EGS.

Инженерные задачи остаются пугающими, особенно по мере того, как цели становятся все глубже и суше. Есть и проблемы с пиаром. Закачка жидкости в землю для разрушения горных пород известна в нефтегазовом бизнесе как «фрекинг», и… у нее есть определенная репутация. На самом деле есть целые штаты и страны США, где это запрещено.

Промышленность стремится дистанцироваться от фрекинга газа.Используемые жидкости безвредны, поэтому опасность загрязнения воды невелика. Опасения по поводу индуцированной сейсмической активности несколько преувеличены; в нефтегазовом бурении это крупнообъемные водоотводные скважины, связанные с сейсмичностью, а у ЭГС таковых нет. Трещины меньше, лучше контролируются и находятся под гораздо меньшим давлением, чем при гидроразрыве нефти и газа. Пока бурильщики избегают линий разломов, что у них получается лучше, риск невелик, особенно по сравнению с выгодами. (По иронии судьбы, геотермальные проекты должны соответствовать более высоким требованиям сейсмической безопасности, чем сравнительно гораздо более опасные нефтегазовые проекты.)

И, конечно же, в отличие от газового фрекинга, в конце линии не происходит сжигание ископаемого топлива. EGS извлекает выгоду из технологических достижений в области гидроразрыва пласта, но не занимается тем, что ненавидят защитники окружающей среды. Объяснение этого населению и политикам остается сложной задачей, если не сказать больше.

Тем не менее, если инженерные и маркетинговые проблемы удастся преодолеть, выигрыш будет почти немыслимо большим. Предполагая, что средняя глубина скважины составляет 4,3 мили, а минимальная температура породы составляет 150 °C, исследование GeoVision оценивает общий объем геотермальных ресурсов США как минимум в 5 157 гигаватт электрической мощности, что примерно в пять раз превышает текущую установленную мощность страны.

В качестве альтернативы, использование EGS для прямого нагрева может обеспечить США 15 миллионами тераватт-часов тепловой энергии (ТВтч). «По сравнению с общим годовым потреблением энергии в США в размере 1754 ТВтч для отопления жилых и коммерческих помещений, — пишет Министерство энергетики, — этого ресурса на основе EGS теоретически достаточно для обогрева каждого дома и коммерческого здания в США в течение как минимум 8500 лет».

Там достаточно тепла, чтобы поддерживать цивилизацию на протяжении поколений.

И еще больше тепла внизу, на 6 миль и дальше.

На дальнем горизонте EGS находится геотермальная «супергорячая порода», которая стремится проникнуть в чрезвычайно глубокую, чрезвычайно горячую породу.

При чрезвычайно высокой температуре производительность геотермальной энергии не просто повышается, а резко возрастает. Когда температура воды превышает 373°C и давление 220 бар, она становится «сверхкритической», новой фазой, которая не является ни жидкостью, ни газом.Наука о сверхкритической воде странная (это как… вода с низкой плотностью?), и я не буду пытаться ее объяснить, но она регулярно используется в промышленности, в том числе на некоторых современных угольных электростанциях, поэтому ее свойства достаточно хорошо понял.

Для наших целей в сверхкритической воде есть два важных аспекта. Во-первых, его энтальпия намного выше, чем у воды или пара, а это означает, что он содержит от 4 до 10 раз больше энергии на единицу массы. А во-вторых, он настолько горячий, что его преобразование в электричество почти удваивает эффективность Карно.

«Вы не только получаете больше энергии из своей скважины, — говорит Эрик Ингерсолл, аналитик чистой энергии из консалтинговой компании LucidCatalyst, — вы получаете больше электроэнергии из этой энергии».

Это означает, что отдельный геотермальный проект при 400°C будет иметь мощность около 50 МВт по сравнению с примерно 5 МВт проекта EGS при 200°C — на 42% горячее, в 10 раз больше мощности.

Вы можете получить больше энергии из трех скважин в проекте с температурой 400°C, чем из 42 скважин EGS при температуре 200°C, используя меньшее количество жидкости и небольшую физическую площадь.

Опыт на сегодняшний день показывает, что чем горячее становится геотермальная энергия, тем более конкурентоспособной становится ее цена на электроэнергию, до такой степени, что сверхгорячая EGS может быть самой дешевой доступной энергией для базовой нагрузки.

Инженерные задачи сложны. (Инженеры-нефтяники и газовики, нынешние мастера бурения, не проектировали для высоких температур, им это было не нужно.) Необходимо разработать новые обсадные колонны и цементы; необходимо лучше понять химический состав воды при высокой температуре; материалы, устойчивые к коррозии и высоким температурам, нуждаются в совершенствовании; методы бурения необходимо продолжать совершенствовать.Разрабатываются даже новые методы «бесконтактного бурения», в том числе метод AltaRock, в котором используются чертовы лазеры (технически «миллиметровые волны»).

В настоящее время ни одна скважина не производит электричество из сверхкритической воды, но несколько прошлых скважин (например, на Гавайях и в Солтон-Си в Калифорнии) столкнулись со сверхкритической водой, и в Японии, Италии, Мексике и некоторых других странах проводятся исследовательские проекты, чтобы узнать больше. (Вот недавний обзор истории и исследований супергорячих камней. )

Чтобы ускорить развитие этой технологии, не потребуется много усилий. «Есть возможность потратить относительно небольшую сумму денег на стимулирование отрасли», — говорит Ингерсолл. В настоящее время в США отсутствует надежная система инноваций в области экологически чистой энергетики, но в ARPA-E (AltaRock) есть исследовательская программа по сверхгорячим породам, дочерняя группа под названием Hotrock Energy Research Organization (HERO) и несколько демонстрационных проектов, продвигающих вперед дела. Требуется больше. Награда — дешевая базовая мощность, доступная практически везде — слишком велика, чтобы отказываться от нее.

Недавно появилась четвертая категория технологий, которые обещают, что геотермальная энергия когда-нибудь будет доступна где угодно.

AGS относится к новому поколению систем «замкнутого цикла», в которых никакие жидкости не вводятся в землю и не извлекаются из нее; фрекинга нет. Вместо этого жидкости циркулируют под землей в герметичных трубах и скважинах, собирая тепло за счет теплопроводности и перенося его на поверхность, где его можно использовать для регулируемой смеси тепла и электричества.

Геотермальные системы с замкнутым контуром существуют уже несколько десятилетий, но недавно несколько стартапов дополнили их технологиями из нефтегазовой отрасли. Одной из таких компаний, созданной инвесторами, имеющими опыт работы в нефтегазовой отрасли, является компания Eavor из Альберты.

В запланированной Eavor системе, называемой «Eavor-Loop», две вертикальные скважины, находящиеся на расстоянии около 1,5 миль друг от друга, будут соединены горизонтально расположенной серией боковых скважин в виде радиатора, чтобы максимизировать площадь поверхности и поглощать как можно больше тепла. насколько это возможно.(Точное боковое бурение заимствовано из сланцевой революции и нефтеносных песков.)

Поскольку контур замкнут, холодная вода с одной стороны опускается, а горячая вода с другой стороны поднимается вверх, создавая эффект «термосифона», который обеспечивает естественную циркуляцию воды без использования насоса. Без паразитной нагрузки насоса Eavor может с выгодой использовать относительно низкую температуру, около 150°C, доступную почти в любом месте на глубине около полутора миль.

На данный момент в Альберте построен демонстрационный проект «Eavor-Lite», предназначенный для проверки основных концепций и технологий. Он показал, что боковые скважины могут быть точно ориентированы, термосифонный эффект работает, а затраты и производительность завода можно надежно прогнозировать заранее. У компании есть три или четыре коммерческих завода на разных стадиях планирования; Вероятно, следующим будет завод, который планируется запустить в 2021 году в Геретсриде, Германия. (Он воспользуется льготными тарифами Германии.) Во Франции и Нидерландах Eavor обеспечит теплом; в Японии электричество; в Германии смесь.

Когда я разговаривал с президентом Eavor Джоном Редферном и руководителем отдела развития бизнеса Полом Кэрнсом, они рассказали мне о недавнем изменении их конструкции, которое уменьшит занимаемую площадь и обеспечит еще более точное бурение. Вместо того, чтобы две вертикальные скважины располагались на расстоянии, они будут находиться рядом друг с другом. От них ответвляются боковые колодцы, оставаясь параллельными до тех пор, пока они не сойдутся на конце.Вот так:

Поскольку скважины находятся так близко друг к другу, они могут использовать «магнитную локацию» (с передатчиком в одной скважине и приемником в другой), чтобы оставаться на фиксированном расстоянии друг от друга. Встреча в конце легче, чем встреча в середине.

Что касается землепользования, после первоначального бурения единственной частью, которая технически должна быть наземной, является охладитель воздуха, который охлаждает воду перед ее опусканием. Линии электропередач, даже сам электрогенератор, могли быть под землей.И если есть охладитель воды, а не воздухоохладитель, он тоже может быть под землей. «Теоретически, — говорит Кэрнс, — у вас может быть нулевой след на поверхности».

Поскольку все, что нужно Ивору для работы, — это горячие породы, которые достаточно надежно расположены практически под любым местом в мире, это позволяет избежать дорогостоящих исследований и моделирования. «Мы не умнее, — говорит Редферн, — у нас просто гораздо более простые теоретические задачи».

Eavor-Loop может выступать в качестве базовой (всегда включенной) мощности, но он также может выступать в качестве гибкого, управляемого источника питания — он может увеличиваться и уменьшаться почти мгновенно, дополняя переменную энергию ветра и солнца. Он делает это, ограничивая или отключая поток жидкости. Поскольку жидкость дольше остается под землей, она поглощает все больше и больше тепла.

Таким образом, в отличие от солнечной энергии, снижение мощности электростанции не тратит впустую (сокращает) энергию. Жидкость просто заряжается, как аккумулятор, так что при повторном включении выдает мощность, указанную на паспортной табличке. Это позволяет заводу «формировать» свою продукцию так, чтобы она соответствовала практически любой кривой спроса.

Джейми Берд, которая руководит Организацией геотермального предпринимательства в Техасском университете в Остине, настроена оптимистично в отношении AGS (она беспокоится о проблемах с общественностью, с которыми сталкивается EGS), но она предупреждает, что Eavor — как и другие многообещающие геотермальные стартапы Fervo Energy, GreenFire Energy и Sage Geosystems — еще не во всем разобрались, несмотря на уверенные заявления.«Я хочу, чтобы у них это было в сумке, — говорит она, — но у них ее пока нет в сумке».

Направленное бурение при высоких температурах, выше 150°C или около того, остается затруднительным, поскольку оборудование подвержено плавлению (опять же, инженеры-нефтяники и газовики не разрабатывали свои технологии с учетом высоких температур). По мере того, как горная порода становится более твердой, оборудование также должно быть закалено до дополнительных вибраций. И электронику надо лучше изолировать.

Проект Eavor-lite позволяет добывать только тепло около 70°C.(Это не было коммерчески жизнеспособным.) Чтобы сделать геотермальную работу, Eavor и другим компаниям нужно будет освоить углубление и повышение температуры. «Вы не можете экономически выгодно производить геотермальную энергию при температуре 90 ° C», — говорит Бирд. «150, да, вы добираетесь туда. 250, о, да. 300, ты солидный».

Она подчеркивает, что непреодолимых барьеров не существует, если в дело вложено достаточное количество технических ноу-хау и капитала. По ее словам, проблема извлечения геотермальной энергии из глубоких, сухих и горячих пород «в значительной степени представляет собой постепенную инженерную проблему, которая, будучи решена, решает проблему энергии.

«Решает энергию» может показаться громкой болтовней, но в данном случае это не пустой звук.

Необычайные перспективы геотермальной энергетики

Основная проблема, связанная с возобновляемыми источниками энергии, заключается в том, что самые большие источники, ветер и солнце, непостоянны. В то время как электростанции, работающие на ископаемом топливе, которые работают на угле и газе, являются «диспетчерскими» — их можно включать и выключать по требованию — ветер и солнечная энергия приходят и уходят вместе с ветром и солнцем.

Создание системы электроснабжения на основе ветра и солнца означает, таким образом, заполнение пробелов, поиск источников, технологий и методов, которые можно использовать, когда ветер и солнечная энергия не работают (скажем, ночью). И электроэнергетическая система должна быть чрезвычайно безопасной и надежной, потому что обезуглероживание означает электрификацию всего, перевод транспорта и тепла на электричество, что существенно повысит общий спрос на электроэнергию.

Таким образом, большие споры в мире чистой энергии, как правило, связаны с тем, как далеко могут продвинуться ветер, солнечная энергия и батареи сами по себе — 50 процентов от общего спроса на электроэнергию? 80 процентов? 100?) и какие источники следует использовать для их дополнения.(См. эту часто цитируемую статью 2018 года в журнале Joule о необходимости «твердых низкоуглеродных ресурсов».)

В настоящее время сторонники возобновляемых источников энергии предпочитают больше аккумулировать энергию, но, по крайней мере, на данный момент аккумулирование остается слишком дорогим и ограниченным для выполнения полной работы. Другие основные возможности «укрепления» электроснабжения — ядерная энергетика или энергетика на ископаемом топливе с улавливанием и секвестрацией углерода — имеют свои собственные проблемы и страстные сторонники за и против.

Геотермальная энергия, если ее можно заставить надежно и экономично работать в более горячих, сухих и глубоких породах, является идеальным дополнением к энергии ветра и солнца. Она возобновляема и неисчерпаема. Он может работать в качестве базовой мощности круглосуточно, в том числе ночью, или «отслеживать нагрузку», чтобы компенсировать колебания возобновляемых источников энергии. Он доступен почти во всем мире, надежный источник энергии и рабочих мест, который, поскольку он находится в основном под землей, устойчив к большинству погодных (и человеческих) бедствий.Он может работать без загрязнения или парниковых газов. Тот же источник, из которого вырабатывается электроэнергия, может также использоваться для подпитки систем централизованного теплоснабжения, которые обезуглероживают строительный сектор.

Проверяет все флажки.

«Наша проблема не в том, что у нас есть враги, — говорит Латимер. «Если вы хотите поговорить с демократами, мы производим безуглеродную электроэнергию 24/7 — последняя часть головоломки для полностью обезуглероженного электроэнергетического сектора. Если вы поговорите с республиканцами, то это американская изобретательность, заставляющая наш буровой флот работать на ресурсе, который обеспечен топливом, не зависит от импорта и возвращает к работе нефтяников и газовиков. Это красивая двухсторонняя история. Проблема в том, что о нас просто не говорят».

Нефть и газ спешат на помощь?

Одна вещь, которая может заставить больше людей говорить о геотермальной энергии, — это несколько счастливая возможность, которую она предлагает нефтегазовой отрасли, которая страдает от избыточного предложения, постоянно низких цен и падения спроса, вызванного пандемией. Следовательно, это кровоизлияние рабочих мест.

Geothermal кишит стартапами, которым особенно нужны инновации и опыт в технологии бурения, те самые навыки, которые уже есть у многих нефтяников и газовиков. Они могли бы использовать эти навыки, чтобы сделать планету более безопасной для будущих поколений. Это совпадение навыков — вот что вдохновляет предпринимательскую организацию Берда в области геотермальной энергии и конкурс стоимостью 4,65 миллиона долларов, который Министерство энергетики запустило в этом году, чтобы объединить геотермальные инновации с партнерами в обрабатывающей промышленности.

Никогда не было лучшего времени, чтобы начать геотермальный стартап или присоединиться к нему — большинство из них потерпят неудачу, но где-то там есть будущий миллиардер.

Ветераны индустрии обратили на это внимание. Это произвело фурор, когда несколько месяцев назад «Король гидроразрыва» — Мукул Шарма, инженер по нефтегазовой отрасли в UT Austin, который сыграл ключевую роль в разработке гидроразрыва пласта, — запустил новое предприятие EGS под названием Geothermix.

«Когда мы начинали в нетрадиционных [нефтегазовых] месторождениях, было много проблем, которые нужно было решить, но со временем мы увеличили продуктивность скважин в 4–10 раз во многих сланцевых бассейнах», — сказал он. Тепловой бит.«Мы находимся очень рано на кривой обучения в контексте EGS, но я не сомневаюсь, что мы сможем применить опыт нефтегазовой отрасли за последнее десятилетие и успешно применить эти методы в EGS».

Латимер был инженером нефтегазовой отрасли до того, как переключился на геотермальную энергетику. Sage Geosystems была основана Львом Рингом и Лэнсом Куком, двумя давними ветеранами нефтегазовой отрасли. В Eavor работает несколько ветеранов O&G.

Промышленность тоже обращает на это внимание. «У нас есть хорошее небольшое преимущество, и мы бежим как черти, чтобы оставаться впереди него, — говорит Редферн, — но да, [крупные нефтегазовые компании] определенно обращают на это внимание.

Вполне вероятно, что крупные нефтегазовые компании в конечном итоге начнут скупать геотермальные стартапы. Инвестиции в геотермальную энергетику дали бы им возможность защитить часть своего портфеля от жестокого рынка нефти.

Для многих из этих компаний геотермальная энергия более естественна, чем ветровая и солнечная. «Тот факт, что компания использует основные отраслевые компетенции для производства экологически чистой энергии, — сказал Рао, — обеспечит ей устойчивость в отрасли, независимо от условий энергетического рынка.

Геотермальная промышленность остается относительно небольшой отраслью с рыночной капитализацией, исчисляемой однозначными миллиардами, в то время как нефть и газ представляют собой отрасль с оборотом в триллионы долларов. Нет никакого реального способа, которым геотермальная энергия может обещать поглотить все рабочие места, которые в настоящее время теряются в нефтегазовой отрасли.

Тем не менее, геотермальная энергия предлагает O&G то, в чем она остро нуждается: порт во время шторма. Это растущая отрасль экологически чистой энергетики, которая нуждается в умной рабочей силе, обученной разведке и бурению. Нефть и газ имеют один из тех.

Недавние технологические инновации в области нефти и газа приведут к ускорению геотермальной энергетики, особенно если политики смогут действовать сообща и предложить некоторую поддержку.Впереди крутая кривая обучения, и они только сейчас ускоряются, но следующее десятилетие, вероятно, будет более активным для геотермальной энергии, чем последние четыре.

С неисчерпаемым, управляемым, гибким возобновляемым источником энергии, который так близок к прорыву, видение мира, полностью возобновляемого источника энергии, кажется все менее и менее утопичным, все более и более соблазнительно доступным.

Энергетика — Введение в энергию и ее использование

Криса Вудфорда.Последнее обновление: 29 октября 2021 г.

Попробуйте подумать о чем-то, что не требует энергии, и вы далеко не уедешь. Даже мысли — даже мысли об энергии! немного энергии, чтобы это произошло. На самом деле все, что происходит в мир использует энергию того или иного вида. Но что такое энергия?

Энергия — это немного загадка. Большую часть времени мы не можем видеть это, но это повсюду вокруг нас. Оборотные автомобильные двигатели сжигают энергию, горячие чашки кофе удерживает энергию, уличные фонари, которые светят ночью, используют энергии, спящие собаки тоже потребляют энергию — абсолютно все, что вы может думать о том, использует энергию тем или иным образом.Энергия — это волшебство. вещь, которая заставляет другие вещи происходить. Все в мире либо энергия или материя («вещь» вокруг нас) и даже материя, когда вы действительно приступайте к делу, это своего рода энергия!

Картина: Сверхновая — это остатки взорвавшейся звезды, и это едва ли не самое впечатляющее высвобождение энергии, которое вы можете получить. Конкретно этот — гигантский взрыв пыльного газа диаметром 14 световых лет. (примерно 132 миллиарда километров) и устремляется наружу со скоростью 2000 км в секунду (или 4 миллиона миль в час).Композитное фото сверхновой звезды Кеплера предоставлено НАСА.

Потенциальная энергия и кинетическая энергия

Хотя в мире много видов энергии, все они падают на две широкие категории: потенциальная энергия и кинетический энергия. Когда энергия накапливается и ждет, чтобы что-то сделать, мы назовите это потенциальной энергией; «потенциал» просто означает, что энергия имеет способность сделать что-то полезное позже. Когда накопленная энергия используется для выполнения что-то, мы называем это кинетической энергией; «кинетический» означает движение и, как правило, когда запасенная энергия расходуется, она заставляет вещи двигаться или происходить.

Легко найти примеры как потенциальной, так и кинетической энергии. энергии в окружающем нас мире. Если вы толкнете валун в гору, вы найти это реальное усилие, чтобы добраться до вершины. Это потому что сила тяжести постоянно пытается притянуть вас (и валун) отступить. В науке мы говорим, что вы должны выполнять работу против силы тяжести толкнуть валун в гору. Выполнение работы означает вам нужно использовать энергию: мышцы вашего тела должны преобразовывать сахар и жир, чтобы получить энергию, необходимую для толкания валуна.Где же эта энергия идет? Хотя вы расходуете энергию во время лазания, ваше тело и валун также получает энергию — потенциальную энергию. Когда валун находится на вершине холма, вы можете отпустить его, чтобы он снова скатился вниз. Оно может катиться вниз, потому что он накопил потенциальную энергию. Другими словами, это имеет потенциал скатиться с холма сам по себе.

Работа: Вы должны «делать работу» против силы тяжести когда вы толкаете валун в гору и при этом теряете энергию; валун получает эту «потенциальную» энергию по мере подъема.

Когда валун начинает катиться вниз по склону, его потенциальная энергия имевшаяся наверху постепенно преобразуется в кинетическую энергию. Когда мы говорим под кинетической энергией мы обычно подразумеваем что-то имеет энергию, потому что оно движется. Все, что имеет массу (содержит некоторую материю, занимающую объем) и движется со скоростью определенная скорость (или скорость) имеет кинетическую энергию. Чем больше масса чего-то имеет, и чем быстрее он движется (чем выше скорость), тем кинетичнее энергия у него есть. Если грузовик и легковой автомобиль едут параллельно друг другу по трассе с той же скоростью у грузовика больше кинетическая энергия чем автомобиль, потому что он имеет гораздо большую массу.(Подробнее о наука о движении.)

Многие вещи, которые мы делаем каждый день, связаны с преобразованием энергии между потенциальной и кинетической. Поднимитесь на скалу по веревке, и чем выше вы подниметесь, тем больше у вас будет потенциальной энергии. Если вы спускаетесь вниз, ваша потенциальная энергия преобразуется в кинетическую по мере движения. Посредством когда вы достигаете дна, кинетическая энергия превращается в тепло (ваше восхождение оборудование и веревка неожиданно нагреются) и звук (веревка будет издавать шум, когда вы спускаетесь).

Рисунок: вы получаете потенциальную энергию каждый раз, когда поднимаетесь по лестнице. Ваши мышцы тянут ваше тело против силы тяжести, выполняя работу. Теоретически потенциальная энергия, которую ваше тело получает во время лазания, точно такая же, как и энергия пищи, которую оно теряет: одна форма энергии просто преобразуется в другую. (На практике вам нужно использовать больше энергии, чем вы думаете, потому что ваше тело тратит впустую довольно много энергии в процессе.) Наверху лестничного пролета вы можете превратить свою накопленную потенциальную энергию обратно в кинетическую энергию (движение). ) различными способами, например, соскальзывая с перил или прыгая с пожарного столба! Вы можете проследить каждый бит энергии, которую использует ваше тело, до пищи, которую вы едите, которая поступает от животных и растений и, в конечном счете, от Солнца.

Прочие виды потенциальной и кинетической энергии

Фото: Вот это я называю кинетической энергией! Космический корабль движется со скоростью около 40 000 км/ч (25 000 миль в час или 11 000 м/с). когда он снова выходит на орбиту Земли. Если предположить, что он весит около 30 000 кг, то, по моим расчетам, его энергии достаточно для питания электрический тостер постоянно уже около 30 лет! Фотография Аполлона-8, сделанная в 1968 году ВВС США с любезного разрешения НАСА на Викискладе.

Вещи могут иметь потенциальную и кинетическую энергию по другим причинам.Здесь еще несколько примеров. Грозовая туча, проходящая над головой, имеет « потенциал» для высвобождения электрической энергии в виде огромных разрядов молнии. другими словами, мы говорим, что он имеет электрический потенциал энергия. Предполагать вы хотите пустить стрелу из лука. Когда вы оттягиваете резинку тетиву, вы должны натянуть ее далеко за ее естественную форму. Как ты сделать это, вы даете ему то, что известно как эластичный потенциальная энергия (иногда его также называют механическим потенциалом энергия). Когда вы отпускаете тетиву, она использует накопленную потенциальную энергию для выстрела стрела по воздуху.

Как существует несколько видов потенциальной энергии, так и различные виды кинетической энергии. Когда грозовая туча выпускает электрическая потенциальная энергия в виде молнии, гигантские искры летят с неба наземь. Вспышка молнии — это огромный электрический разряд. текущий (поток электричества), движущегося по воздуху, — другими словами, это то, что мы может называться «электрической кинетической энергией». Мы также можем думать о звук, тепло и свет как примеры кинетической энергии, потому что они связаны с перемещением энергии из одного места в другое.

Фото: Молния — это огромный выброс электрической потенциальной энергии.

Тепловая энергия

Тепло — один из самых известных видов энергии в нашем мире, но это потенциальная энергия или кинетическая энергия? На самом деле может быть и то, и другое. Предположим, вы нагреваете железный брусок в огне, так что он раскаляется докрасна. если ты опустите его в ведро с холодной водой, вы сделаете огромное количество Стим. Энергия горячего стержня переходит в воду и нагревает ее. тоже, теряя при этом часть собственной энергии.Это означает, что Горячий брусок — брусок с тепловой энергией — обладает потенциальной энергией: он имеет возможность нагреть что-то еще.

Но у горячего стержня есть и кинетическая энергия. Внутри железного прута есть миллиарды атомов железа удерживаются вместе в жесткой структуре, называемой кристаллическая решетка. Это немного похоже на лазалку с атомами в конце. суставы. Хотя атомы в значительной степени закреплены в одном и том же месте, они постоянно шевелится. Каждый атом имеет немного кинетического энергия. Чем сильнее вы нагреваете железный прут и чем горячее он становится, тем более атомы колеблются — и тем больше у них кинетической энергии.В других Другими словами, тепло удерживается внутри стержня колеблющимися атомами и их кинетическая энергия. Идея о том, что тепло вызывается атомами и молекулами движение называется кинетическим теория материи.

Горячие объекты любят передавать свою тепловую энергию другим предметам поблизости. Если вы прикоснетесь к чему-то горячему, часть его тепловой энергии перетечет в вас — и ты обожжешься. Это называется теплопроводностью. Но ты не нужно трогать что-то, чтобы чувствовать его тепло. Если вы сидите на некотором расстоянии от ревущего огонь, вы сможете почувствовать его тепловую энергию на своих щеках, даже если в пламя на самом деле не касается вас.Это происходит потому, что огонь проходит свою энергию через пустое пространство в результате процесса, называемого теплом излучение. Излучение — это то, как Солнце передает свою энергию на расстояние около 150 миллионов километров (93 миллиона миль). пустого пространства на Землю в путешествии, которое занимает немногим более 8 минут.

Тепловая энергия также движется третьим путем, известным как тепловая энергия. конвекция. Если поставить кастрюлю с супом на плиту и нагреть ее, нагреется перемещается от плиты к кастрюле за счет проводимости. Суп на дне сковорода быстро нагревается.Это делает его менее плотным («тоньше»), чем суп над ним, поэтому он поднимается вверх. Когда теплый суп поднимается, он толкает холодный суп наверху в сторону, а холодный суп падает назад вниз занять свое место. Довольно скоро появляется своего рода невидимая петля образуется внутри супа, при этом тепловая энергия постоянно поднимается вверх от плиты и циркулируя через жидкость наверху. Этот процесс также заключается в том, как тепло проходит через воздушный шар, от горелка внизу, поэтому она планомерно нагревает весь газ внутри.

Подробнее об этой теме можно прочитать в нашей основной статье о тепле.

Производство и использование энергии

Фото: Солнце представляет собой впечатляющее скопление тепловой энергии. Большая часть нашей энергии поступает прямо или косвенно от Солнца. Это изображение было получено с помощью телескопа Extreme Ultraviolet Imaging Telescope, часть Солнечной и гелиосферной обсерватории (SOHO), которая является совместным проектом Европейского космического агентства и НАСА. Изображение предоставлено Центром космических полетов имени Годдарда НАСА.

Откуда берется энергия? Хорошо, если у вас есть чашка горячего кофе сидя на вашем столе, тепловая энергия, которую он содержит, исходила от горячая вода, которую вы использовали для его приготовления. Горячая вода получала энергию от чайник, который вы поставили на плиту или включили в розетку. И откуда взялось электричество? Скорее всего, из электростанция, которая сжигала топливо, такое как газ, уголь или нефть, для высвобождения заключенная в нем энергия. Но откуда взялась энергия в этом топливе? изначально?

Вы можете играть в эту энергетическую игру вечно, отслеживая энергию от одного вещь к другой — вплоть до ее первоначального источника.Где бы вы ни начните с и куда бы вы ни пошли, вы почти всегда оказываетесь в то же самое: Солнце. Этот гигантский огненный шар в космосе обеспечивает более 99 процентов энергии, которую мы используем на Земле. Ты можешь подумать солнечная энергия футуристично и непрактично, но на самом деле мир был солнечным работает с момента его создания. Игра в энергетическую игру показывает кое-что еще: мы никогда не сможем создать энергию или уничтожить Это. Вместо этого все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую. Этот идея, которая является одним из самых основных законов физики, известна как сохранение энергии.

Энергия, которую мы используем в повседневной жизни, делится на три основных категории: пища, которую мы едим, чтобы наше тело работало, энергия, которую мы используем в наших домах и топливо, которое мы заливаем в свои автомобили. Пища, которую мы едим, поступает из растений и животных, которые наш желудок переваривает, чтобы сделать сладкое вещество, называемое глюкозой, которое кровь переносит по нашему телу для питания наших мышц. Все животные в конечном счете получают энергию от растения, которые сами питаются солнечным светом. Растения похожи живые солнечные панели, которые поглощают солнечную энергию и преобразуют ее в еда.Энергия, которую мы используем в наших домах, как правило, обеспечивается за счет угля, газа, и масло. Эти три «ископаемых топлива» подземные поставки энергии, созданной миллионы лет назад, которую мы бурим, добываем или поверхность, чтобы удовлетворить наши энергетические потребности сегодня. Большую часть энергии мы Использование в наших транспортных средствах также происходит от масла. Проблема с ископаемым топливом заключается в том, что мы используем их гораздо быстрее, чем создаем. Другая проблема заключается в том, что при сжигании ископаемого топлива образуется газ, называемый углекислый газ, который накапливается в атмосфере Земли и вызывает проблема, известная как глобальное потепление (климат изменять).

Фото: Растения подобны живым солнечным батареям. Удивительно думать, что природа произвела что-то, что может автоматически улавливать и хранить солнечную энергию очень эффективным способом — что-то, что лучшие в мире ученые и инженеры все еще пытаются сделать!

Электричество — лучший вид энергии?

Ископаемые виды топлива, такие как нефть, газ и уголь, чрезвычайно полезны к экономическому развитию человечества. Уголь питает промышленность революции 18-19 вв., а нефть сделала возможным огромный рост личного транспорта после изобретение двигателя внутреннего сгорания.Природный газ, более чистое и эффективное топливо, становится все более важным источником энергии. власти с середины 20 века. Тем не менее, все эти виды топлива их недостатки. Уголь грязный и неэффективный. Нефть существует в ограниченном поставки в такие места, как Ближний Восток, и растущий спрос на них главный источник мировой напряженности и войн. Газ, хотя легко перейти от место к месту, может быть опасным, когда он протекает или убегает. Превращение уголь, газ, нефть и другие виды топлива в электроэнергию — это способ превратить их намного универсальнее и полезнее.

Электричество – это вид энергии обычно производится на электростанциях сжигание топлива. По данным EIA США, чуть более 60 процентов электроэнергии, производимой в Соединенных Штатах, поступает из сжигание газа (40 процентов), угля (19,3 процента) и нефти (0,4 процента). Внутри электростанции топливо сжигается в огромной печи, чтобы высвободить содержащуюся в нем энергию в виде тепла. Тепло используется для кипячения воды и производства пара, который превращает вращающийся пропеллерный механизм, называемый турбиной. Турбина подключена к производителю электроэнергии или генератору, который производит электричество, когда турбина вращает его.

Самое замечательное в электричестве то, что оно универсально. Почти любое топливо можно превратить в электричество. Как только электричество был сделан на электростанции, его легко передать из одного места в другой надземный или подземный вдоль кабелей. Внутри домов, фабриках и офисах электричество снова превращается в другие виды энергии с помощью широкого спектра приборов. Если у вас электрическая плита или тостер, он потребляет электроэнергию, поставляемую электростанцией, и преобразует обратно в тепловую энергию для приготовления пищи.Огни в вашем доме преобразовывать электрическую энергию в энергию света (и, если вы не используете энергосберегающие лампочки, очень много тепла). Ваш стерео или MP3-плеер превращает электричество обратно в свет, в то время как ваш мобильный телефон (мобильный телефон) использует его для создания радиоволн.

Энергия будущего

Фото: Подобные нефтеперерабатывающие заводы могут закрыться в будущем, поскольку запасы нефти начнут иссякать. Изображение Дэвида Парсонса предоставлено Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL).

По данным EIA США, потребление энергии в мире, по прогнозам, вырастет на 50 процентов. (снова вдвое меньше) в период с 2020 по 2050 год. Около 83 процентов энергии, которую мы используем сегодня на Земле, поступает из ископаемое топливо, [1] но это не может продолжаться намного дольше. Ископаемое топливо будет рано или поздно заканчиваются и, даже если они длятся дольше, чем ожидалось, они могут вывести глобальное потепление из-под контроля.

К счастью, поскольку большая часть энергии, которую мы используем, поступает от электричества, у нас есть альтернативы. Например, мы можем производить электричество из энергии ветра или солнечные панели. Мы можем сжигать мусор, чтобы вырабатывать тепло, которое будет приводить в действие энергию. станции (хотя и с риском загрязнения воздуха). Мы можем выращивать так называемые «энергетические культуры» (биомасса), чтобы сжигать их в наших силах. станции вместо ископаемого топлива. И мы можем использовать огромные резервы тепла, заключенного внутри Земли, известного как геотермальная энергия. Вместе, эти источники энергии известны как возобновляемые источники энергии, потому что они будут длиться вечно (или, по крайней мере, до тех пор, пока светит Солнце) без исчерпания.Запасы возобновляемой энергии на Земле огромны. Океанская волна высотой 3 м (10 футов) имеет достаточную мощность на метр (3,3 фута) его ширины для питания 1000 лампочек. [2] Если бы мы могли охватить хотя бы один процент Пустыня Сахара с солнечными батареями (площадь немного меньше, чем Юнайтед США), мы могли бы производить более чем достаточно электроэнергии для всего нашего планета. [3]

Фото: В будущем нам нужно будет лучше использовать возобновляемые источники энергии источники, такие как внутреннее тепло Земли (геотермальная энергия).Рисунок Роберта Блэкетта, Геологическая служба штата Юта, любезно предоставлено Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL).

Нам также нужно быть умнее в том, как мы используем энергию. Разрабатывая машины и приборы, выполняющие ту же работу, но потребляющие меньше энергии, мы может заставить энергию, которую мы имеем, пойти намного дальше. Это называется энергия эффективность (сбережение энергии) и это как бы совершенно бесплатный способ делать сила. Энергетические компании часто считают, что дешевле раздать тысячи энергосберегающие лампочки, чем строить новые электростанции.

А машины? В будущем большинство наших автомобилей будут электричеством от бортовых аккумуляторов или аккумулятороподобных устройств, называемых топливные элементы, которые используют газообразный водород для выработки электроэнергии и питания электродвигателей. Электромобили впервые стали популярными в таких местах, как Калифорнии и теперь, наконец, взлетают по всему миру. Гибридные автомобили также помогают масло иди дальше. В отличие от обычного автомобиля, гибридный автомобиль имеет два «двигателя»: один из них, стандартный бензиновый двигатель, используется для скоростного вождения — вниз по шоссе, например; другой, компактный электродвигатель, приводит в действие машина чисто, тихо и экономично в городах.

Сегодня большая часть нашей электроэнергии поступает от удаленных электростанций передается по кабелю огромной длины. Для перемещения энергии требуется энергия из одного места в другое. Производство электроэнергии на удаленных электростанциях и передача его по проводам тратит впустую около двух третей его энергии. Другими словами, если вы сожжете на электростанции три тонны угля, вы тратить две тонны на получение энергии из угля, делая электричество и передача электроэнергии потребителям. Именно поэтому здания из будущее скорее всего, сделают больше из своей местной власти, например, с солнечными панелями, коммунальными ветряными турбинами, или тепловые насосы, которые «высасывают» накопленную энергию из земли под нашими ногами.

Каждую секунду Солнце излучает больше энергии, чем все люди энергии на Земле будет использоваться примерно через три четверти миллиона лет. [4] Не вся эта энергия достигает наша планета, и не все в той форме, которую мы можем захватить. Но если мы думаем об энергии, которую мы используем, и используем ее более разумно, нет причин, по которым мы должны когда-нибудь иссякнуть, или почему мы должны портить нашу планету для завтрашнего дня детей, когда мы производим энергию, которую мы используем сегодня.

Мир энергии

Какие регионы мира потребляют больше всего энергии?

Эта диаграмма показывает, что развитые страны потребляют гораздо больше энергии, чем развивающиеся страны.С 2009 года Китай в целом использовал больше энергии, чем любая другая страна в мире. (включая США).

Источник: нарисовано веб-сайтом Explainthatstuff.com с использованием данных из Статистический обзор мировой энергетики BP за 2021 год: первичная энергия (потребление), стр. 11, с данными за 2020 год. «Европа/Евразия» включает данные BP по Европе и СНГ.

Откуда берется мировая нефть?

Всего одиннадцать стран производят три четверти мировой нефти (в порядке производства: США, Саудовская Аравия, Российская Федерация, Ирак, Канада, Объединенные Арабские Эмираты, Кувейт, Китай, Иран, Бразилия и Нигерия).Хотя Соединенные Штаты являются одним из крупнейших производителей нефти в мире, на сегодняшний день это также крупнейший в мире потребитель нефти. Он импортирует больше нефти, чем любой другой стране — и почти на 50 процентов больше, чем в Китае. Хотя люди предполагают, что большая часть мировой нефти поступает с Ближнего Востока две трети поставляются другими частями мира.

Источник: нарисовано веб-сайтом Explainthatstuff.com с использованием данных из Статистический обзор мировой энергетики BP за 2021 год: добыча нефти, стр. 18 (данные за 2020 год) Статистический обзор мировой энергетики BP за 2018 год: добыча нефти, стр. 14 (данные за 2017 год).

Несмотря на это, Ближний Восток по-прежнему обладает почти половиной мировых доказанных запасов нефти:

Источник: нарисовано веб-сайтом Explainthatstuff.com с использованием данных из Статистический обзор мировой энергетики BP за 2021 год: нефть (общие доказанные запасы), стр. 16 (данные за 2020 год).

Какие виды топлива обеспечивают мир энергией?

Несмотря на все разговоры о «зеленой энергетике», ископаемое топливо по-прежнему поставляет около 83 процентов всей мировой энергии. Использование угля в настоящее время падает (по сравнению с 30 процентами в 2015 году). до 27 процентов в 2020 году), в то время как возобновляемые источники энергии растут (по сравнению с 2 процентами в 2015 году и 3 процентами в 2016 году). до 6 процентов в 2020 году).

Источник: нарисовано веб-сайтом Explainthatstuff.com с использованием данных Статистического обзора мировой энергетики BP 2021: потребление по видам топлива, стр. 11, с цифрами за 2020 год.

Сколько энергии мир будет использовать в будущем?

По данным Управления энергетической информации правительства США, мировое потребление энергии увеличится примерно на три четверти в период с 2000 по 2030 год, и удвоится в период с 2000 по 2040 год. Самый большой рост будет в развивающихся странах, таких как Китай и Индия (и других странах за пределами США). ОЭСР).

Источник: нарисовано веб-сайтом Explainthatstuff.com с использованием данных. по мировому энергопотреблению 1990–2040 гг., из Управления энергетической информации США (EIA): International Energy Outlook 2016. Цифры указаны в квадриллионах БТЕ (британских тепловых единицах).

Подробнее об энергетике смотрите здесь…

Единицы энергии и мощности: основы

[pagebreak:Energy and Power Units: The Basics]

Если вы изучаете экологические технологии, особенно возобновляемые источники энергии, вы не можете не наткнуться на подобные утверждения: Лампа накаливания на 100 ватт.

Но что такое ватты, БТЕ и лошадиные силы? Что они измеряют и как они связаны с возобновляемыми источниками энергии? Сколько ватт, например, производит ветряная турбина и сколько домов она будет обеспечивать? Сколько БТЕ требуется для обогрева среднего дома и сколько для этого требуется природного газа?

Прежде чем вы сможете ответить на такие вопросы, вы должны освоить некоторые основные понятия и словарный запас:

• Что такое энергия и сила и как они связаны друг с другом?
• Какие стандартные единицы энергии и мощности используют ученые?
• Какие традиционные единицы используются в промышленности и как они соотносятся со стандартными единицами?
• Как различные единицы применимы к таким приложениям, как освещение, отопление и транспорт?

Этот отчет представляет собой краткий обзор энергии, мощности и единиц, используемых для их измерения. Но не волнуйтесь; это опять не школьная физика. Это больше похоже на курс Berlitz по разговору об энергии — достаточно, чтобы вы прочитали меню и, возможно, подслушали туземцев.

Вот список содержания:

— Боб Беллман (Bob Bellman) — независимый писатель и консультант по маркетингу.

[pagebreak:SI: Международная система единиц]

На протяжении веков ученые шли разными путями, исследуя энергию и силу. Так каждый вид энергии — электрическая, механическая, химическая, тепловая и ядерная — обрел свою систему измерения, а каждая отрасль, связанная с энергетикой, выработала свою терминологию.Автодилеры говорят о лошадиных силах. Подрядчики HVAC устанавливают тонны и БТЕ. Электроэнергетика поставляет киловатт-часы. Ученые ссылаются на ньютоны и джоули.

В 1960 году Международная система единиц (СИ) была получена из метрической системы, чтобы обеспечить стандартный словарь для всех физических вещей. СИ построена на семи основных единицах (см. Таблицу 1), из которых могут быть получены все остальные физические величины. В таблице 2 перечислены некоторые стандартные производные единицы. Например, ньютон (производная единица силы) определяется как один килограмм (базовая единица массы), ускоренный со скоростью один метр (базовая единица длины) в секунду (базовая единица времени) в квадрате.В таблице 3 перечислены некоторые стандартные префиксы, используемые для обозначения кратных и дробных единиц. Например, мегаватт (МВт) равен миллиону (10 ⁶ ) ватт; милливатт (мВт) — это одна тысячная (10 ^-3 ) ватта.

Отрасли, связанные с энергетикой, начинают использовать терминологию СИ, но традиционные термины по-прежнему преобладают. Многие автомобильные компании теперь указывают мощность двигателя в киловаттах, но в скобках после номинальной мощности: 187 л.с. (140 кВт). Начиная с краткого руководства по энергии, мощности и силе, в следующих нескольких разделах рассматриваются единицы, наиболее часто используемые в приложениях возобновляемой энергии.

Таблица 1: Базовые единицы СИ

Таблица 2: Некоторые производные единицы СИ

Таблица 3: Некоторые множители СИ

[pagebreak:Энергия 101: Джоули, Ватты и Ньютоны] делать работу ( W ) — все, от приведения в движение автомобиля до обогрева дома и освещения комнаты. Многие формы работы связаны с преобразованием энергии. Лампочка преобразует электрическую энергию в тепловую и световую энергию. Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию в тепловую и механическую энергию.Динамо преобразует механическую энергию в тепловую и электрическую энергию.

Решения в области возобновляемых источников энергии используют источники энергии, которые не будут исчерпаны в результате этих преобразований, и снижают потребление энергии, делая преобразования более эффективными. Фотоэлектрические (PV) панели вырабатывают электричество из солнечного света вместо сжигания невозобновляемого ископаемого топлива. Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) потребляют меньше энергии, чем лампы накаливания, потому что они преобразуют больше электроэнергии в свет и меньше в тепло.

Поскольку энергия и работа — две стороны одной медали, они измеряются в одних и тех же единицах измерения. Единицей энергии/работы в системе СИ является джоулей (Дж), названная в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889). Джоуль открыл связь между теплом и механической работой, что привело к развитию законов термодинамики.

Один джоуль равен работе, совершаемой силой в один ньютон по перемещению объекта на один метр (J = N · m). Примерно столько энергии требуется, чтобы поднять маленькое яблоко на один метр против силы земного притяжения.Один джоуль также равен энергии, необходимой для перемещения электрического заряда в один кулон через разность электрических потенциалов в один вольт (J = C · V).

Мощность (P) — скорость передачи или преобразования энергии. Таким образом, мощность равна работе, деленной на время (P = W/t). Единицей мощности в СИ является ватт (Вт) в честь шотландского изобретателя Джеймса Уатта (1736 — 1819). Улучшения Уатта в паровой машине помогли начать промышленную революцию. По иронии судьбы сам Уатт ввел термин «лошадиная сила», чтобы охарактеризовать преимущества своего парового двигателя.

Один ватт равен одному джоулю в секунду (Вт = Дж/с). Человек, поднимающийся по лестнице, действительно работает с мощностью около 200 Вт. В электрических приложениях один ватт равен одному вольту, умноженному на один ампер (Вт = В · А). Лампы накаливания потребляют от 40 до 150 Вт электроэнергии.

Сила редко упоминается в разговорах о возобновляемых источниках энергии, разве что в ненаучном смысле: «Высокие цены на бензин вынуждают меня ходить на работу пешком». Тем не менее, сила является важным понятием. Физики определили четыре фундаментальные силы или взаимодействия: электромагнитная сила действует между электрическими зарядами, гравитационная сила действует между массами, а сильные и слабые силы удерживают вместе атомные ядра.Толчок и притяжение этих сил проявляются как энергия. Например, электромагнитная сила тянет электроны через проводник, создавая электрический ток. Гравитация тянет воду через турбины гидроэлектростанции.

Единицей силы в системе СИ является ньютонов (Н) в честь английского физика сэра Исаака Ньютона (1643–1727). Многие считают, что Ньютон оказал величайшее влияние на историю науки, опередив даже Альберта Эйнштейна. Ньютон, единица измерения, представляет собой силу, которая ускоряет массу в один килограмм со скоростью один метр в секунду в квадрате (Н = кг · м/с ² ).Сила земного притяжения на человека весом 70 кг (154 фунта) составляет около 686 ньютонов.

[pagebreak:Механическая энергия: футо-фунты и лошадиные силы]

Из всех форм энергии механическую энергию, вероятно, легче всего понять — просто попробуйте поднять тяжелый чемодан. Таким образом, традиционной единицей механической энергии является фут-фунт (фут-фунт), количество работы, необходимой для перемещения объекта весом в один фунт на расстояние в один фут. Один футо-фунт равен примерно 1,36 Дж. Метрическая аналогия футо-фунта — ньютон-метров (Н·м).Один ньютон-метр равен одному джоулю.

Вероятно, наиболее известной единицей механической мощности является лошадиных сил (л. с.), придуманная Джеймсом Уаттом в 1782 году, чтобы позиционировать свою паровую машину против конкурентов. Ватт определил, что «идеальный» шахтерский пони может поднять ведро с углем весом 33 000 фунтов на один фут за одну минуту, и соответственно определил механическую мощность в лошадиных силах.

Хотя 33 000 ft-lb/min звучит как много, мощность в лошадиных силах — относительно небольшая единица, равная примерно 746 Вт. Тостер потребляет около 1000 Вт (1.3 л.с.), а на вращение лезвия газонокосилки с электроприводом требуется не менее 5 л.с. Четырехцилиндровый двигатель седана Honda Accord 2007 года выпуска развивает мощность 166 л.с.; 12-цилиндровый двигатель нового Rolls-Royce Phantom выдает 453 л.с.

Компании Greentech решают проблемы механической энергии по нескольким направлениям. Биотопливо, гибридные бензиновые/электрические двигатели, подключаемые гибриды и другие технологии сокращают количество парниковых газов, образующихся при производстве механической энергии. Они также помогают отучить автомобили и другую технику от ископаемого топлива.Гибридный двигатель Toyota Prius потребляет меньше бензина, чем обычный двигатель, потому что его сторона внутреннего сгорания выдает всего 76 л.с.

Исследование материалов способствует дальнейшему снижению затрат на механическую энергию. Помните, что работа равна весу, умноженному на расстояние. Целых 50 процентов Boeing 787 Dreamliner изготовлен из легких композитных материалов. Это, наряду с повышенной эффективностью двигателя, позволяет Боингу 787 использовать на 20 процентов меньше топлива, чем другим самолетам аналогичного размера.

[pagebreak:Электроэнергия: вольты, амперы и киловатты]

Электрическая энергия менее интуитивна, чем механическая, потому что действует невидимо.Ближайшим аналогом подъема тяжелого чемодана является сила, которую вы чувствуете, когда играете с магнитами.

Электрическая энергия основана на притяжении и отталкивании заряженных частиц, т. е. на электромагнитной силе. Сила зарядов и расстояние между частицами в совокупности создают разность электрических потенциалов или напряжение. В электрических приложениях напряжение тянет электроны через проводник, создавая ток, мало чем отличающийся от гравитации, вытягивающей молекулы воды через трубу.

Стандартной единицей электрического заряда является кулон (Кл). Шарль-Огюстен де Кулон (1736–1806) — французский физик, открывший связь между электрическими зарядами, расстоянием и силой. Кулон — это количество заряда, переносимого током в один ампер за одну секунду (C = A·s), и это удивительно большая единица измерения. Сила отталкивания между двумя зарядами +1 кулон, находящимися на расстоянии одного метра друг от друга, составляет 9 х 10 9 Н, или более миллиона тонн! Таким образом, заряд чаще всего измеряется в микро- или нанокулонах.

Стандартной единицей электрического потенциала является вольт (В), в честь графа Алессандро Вольта (1745 — 1827), известного своим изобретением электрической батареи. Вольт эквивалентен одному джоулю энергии на кулон заряда (V = J/C). Бытовое электроснабжение в США обычно составляет 110 В, хотя для тяжелых приборов можно использовать 220 В. Обычная батарея для фонарика дает 1,5 В, а молния может быть около 100 МВ. Линии электропередачи дальнего следования работают от 110 до 1200 кВ.

Стандартной единицей электрического тока является ампер (А) или ампер. Французский физик Андре-Мари Ампер (1775–1836) был одним из главных первооткрывателей электромагнетизма. Один ампер равен смещению заряда в один кулон в секунду (А = Кл/с). Большинство бытовых цепей потребляют менее 15 А.

Большая часть электроэнергии производится путем сжигания ископаемого топлива. Солнечные электростанции, ветряные турбины и другие технологии предлагают чистые, возобновляемые альтернативы, но им еще предстоит пройти долгий путь, чтобы заменить существующие электростанции.В 2006 году электростанции, работающие на ископаемом топливе, в США произвели 2 874 миллиарда кВтч, а атомные электростанции произвели 787 миллиардов кВтч. Все возобновляемые источники энергии вместе взятые произвели 385 миллиардов кВтч, что составляет менее 10 процентов от общего объема производства в США.

Частично проблема связана с масштабом. Крупная электростанция, работающая на нефти, газе или угле, выдает от 2 до 3 ГВт на полную мощность. Большинство концентрирующих солнечных установок вырабатывают десятки мегаватт, а современные ветряные турбины вырабатывают около 3 МВт. Предлагаемый проект Cape Wind требует 130 турбин, чтобы обеспечить только три четверти электроэнергии Кейп-Кода.Типичная домашняя фотоэлектрическая система, подключенная к сети, производит менее 6 кВт.

С другой стороны, возобновляемых источников энергии достаточно, если только мы сможем понять, как их использовать. Количество энергии солнечного света, падающего на один квадратный метр поверхности Земли, составляет примерно один кВт в секунду или 3600 кВт в час. Холодильники и тостеры потребляют от 1,0 до 1,5 кВт каждая. Лампы накаливания потребляют от 40 до 150 Вт, в то время как компактные люминесцентные лампы дают такое же количество света при мощности от 10 до 40 Вт. S. home использует около 1000 кВтч в месяц, что составляет ничтожную долю солнечной энергии, падающей на его крышу.

[pagebreak:Тепловая энергия: БТЕ, калории и тонны]

Тепловая энергия – это содержание энергии в системе, связанное с повышением или понижением температуры объекта. Тепло – это поток тепловой энергии между двумя объектами, вызванный разницей температур. Возьмите чашку горячего кофе в холодный день, и вы испытаете тепловую энергию в действии.

Британская тепловая единица (БТЕ или БТЕ) обычно используется для описания энергоемкости топлива и мощности систем отопления и охлаждения.Одна БТЕ — это количество энергии, необходимое для повышения температуры одного фунта воды на один градус по Фаренгейту. Существует несколько различных определений БТЕ, основанных на начальной температуре воды, но в целом одна БТЕ равна примерно 1055 Дж, примерно 780 футо-фунтам и примерно 0,3 ватт-часа.

При сгорании химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию или тепло. Сжигание топочного мазута № 2 дает около 138 000 БТЕ на галлон. Сжигание фунта угля дает около 15 000 БТЕ; сжигание кубического фута природного газа, около 1000 БТЕ.Чтобы обогреть дом площадью 2000 квадратных футов в Новой Англии, требуется примерно 95 000 БТЕ/ч.

Одной из проблем, с которыми сталкиваются сторонники биотоплива, является более низкое содержание энергии в этаноле по сравнению с бензином. Галлон бензина содержит около 115 000 БТЕ, а галлон этанола содержит около 80 000 БТЕ. Таким образом, сжигание этанола производит меньше механической энергии, чем сжигание бензина, и автомобили проезжают меньше миль на галлон. При использовании топлива E10 (10 процентов этанола, 90 процентов бензина) сокращение пробега незначительно.С E85 (85 процентов этанола, 15 процентов бензина) водители видят сокращение пробега как минимум на 15 процентов. Некоторые производители автомобилей устанавливают топливные баки большего размера, так что запас хода их автомобилей с гибким топливом аналогичен бензиновым автомобилям.

Другие единицы тепловой энергии включают калорию, терм и квад. малых или грамм калорий (кал) — это количество энергии, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия. большая или килограммовая калория (ккал) — это энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма воды на 1 °C.Как и БТЕ, калория имеет разные значения в зависимости от начальной температуры воды. В среднем один кал равен примерно 4,18 Дж, а один ккал равен примерно 4,18 кДж или почти 4 БТЕ. Пищевые калории основаны на килограммовых калориях.

Терм (thm) равен 100 000 BTU и примерно равен количеству энергии, выделяемой при сжигании 100 кубических футов природного газа.

quad равен квадриллиону (1015) BTU и используется при обсуждении энергетического бюджета целых стран.В 1950 году США потребляли 34,6 квад энергии. К 1970 году общее потребление выросло до 67,8 квадроциклов; к 1990 г. — 84,7 квадроцикла; а к 2006 г. — 99,9 квадр. Сумма, приходящаяся на возобновляемые источники энергии — гидроэнергию и биомассу — в 1950 г. составила 8,6%. К 2006 году потребление возобновляемой энергии – гидроэнергии, биомассы, геотермальной энергии, солнца и ветра – упало до 6,9 процента от общего объема.

Тепловая мощность измеряется в БТЕ в час (БТЕ/ч), часто сокращенно просто БТЕ. Большинство показателей нагрева и охлаждения в БТЕ на самом деле представляют собой БТЕ/ч.Один ватт равен примерно 3,41 БТЕ/ч. Одна лошадиная сила равна более 2500 БТЕ/ч.

Холодопроизводительность часто измеряется в тонн . Одна тонна охлаждения — это количество энергии, необходимое для растапливания одной тонны льда за 24 часа и равное 12 000 БТЕ/ч. Типичная домашняя центральная система кондиционирования воздуха рассчитана на от 4 до 5 тонн (от 48 000 до 60 000 БТЕ / ч). Комнатные кондиционеры работают от 5000 до 15000 БТЕ/ч.

Министерство энергетики США в настоящее время применяет стандарт сезонного рейтинга энергоэффективности (SEER) 13 для новых бытовых центральных кондиционеров. SEER определяется как общая мощность охлаждения в BTU, деленная на общую потребляемую энергию в ватт-часах (SEER = BTU / Вт·ч). Повысив стандарт SEER с 10 до 13, Министерство энергетики ожидает, что США сэкономят 4,2 квадрацикла энергии в период с 2006 по 2030 год с параллельным сокращением выбросов парниковых газов.

[pagebreak:Сравнение единиц и переводных коэффициентов]

Из-за своего разнообразного происхождения единицы энергии и мощности сильно различаются по размеру. На рис. 1 показаны графики единиц энергии, а на рис. 2 — графики единиц мощности.Обратите внимание, что вертикальная шкала на обоих графиках логарифмическая; каждая горизонтальная линия представляет собой десятикратное увеличение по сравнению с линией ниже.

Рисунок 1: Сравнение единиц энергии

Рисунок 2: Сравнение единиц мощности

В таблицах 4 и 5 приведены коэффициенты преобразования между выбранными единицами энергии и мощности.

Таблица 4: Выбранные единицы энергии и коэффициенты пересчета

Таблица 5: Выбранные единицы мощности и коэффициенты пересчета