Согласно представлениям физической науки, энергия – это способность тела или сис- темы тел совершать работу. Существуют различные классификации видов и форм энер- гии. Назовем те ее виды, с которыми люди наиболее часто встречаются в своей повседневной жизни: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная). Последние три вида относятся к внутренней форме энергии, т. е. обуслов- лены потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих тело, или кинетиче- ской энергией их беспорядочного движения. Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды. Механическая энергия — проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгиба- нии, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах — транспортных и технологических. Тепловая энергия — энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодей- ствия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, ши- роко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.). Электрическая энергия — энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока). Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дроб- ления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получе- ния тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэррозионная обработка). Химическая энергия — это энергия, "запасенная" в атомах веществ, которая высвобож- дается 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 гальваниче- ских элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью. 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. Электромагнитная энергия — это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультра- фиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны. Таким образом, электромагнитная энергия — это энергия излучения. Излучение пере- носит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту. Ядерная энергия — энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоак- 10 тивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или син- тезе легких ядер (термоядерная реакция). Бытует и старое название данного вида энергии – атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных коли- честв энергии, чаще всего в виде тепловой и механической. Гравитационная энергия — энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) мас- сивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, мо, на- пример, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести. Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макро- мира – гравитационную, энергию взаимодействия тел – механическую, энергию молекуляр- ных 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 за- фиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии. В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят 1 Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен 1 ньютон метр (Н м). Если расчеты связаны с теплотой, биологической и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии приме- няется внесистемная единица - калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал = 4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт час (Вт ч, кВт ч, МВт ч), 1 Вт ч = 3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг м = 9,8 Дж. Если энергия – результат изменения cостояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической; к ней относят механическую энергию движения тел, тепло- вую энергию, обусловленную движением молекул. Если энергия – результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положе- ния однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию. Энергетические ресурсы – это материальные объекты, в которых сосредоточена энер- гия, пригодная для практического использования человеком. Энергия, непосредственно извлекаемая в природе, называется первичной, а носители первичной энергии называются первичными энергоресурсами. На рис. 1.2 представлена классификация первичной энергии. Выделены традиционные виды энергии, во все времена широко использовавшиеся человеком, и нетрадиционные виды энергии, сравнительно мало использовавшиеся до последнего времени в силу отсутствия экономичных способов их промышленного преобразования, но особо актуальные сегодня ввиду их высокой экологичности. Различают невозобновляемые и возобновляемые виды энергии и, соответственно, нево- зобновляемые и возобновляемые энергоресурсы. Невозобновляемые энергоресурсы – это те, которые ранее были накоплены в природе и в новых геологических условиях практически не образуются, например, уголь, нефть, природный газ. Возобновляемые энергоресурсы – те, восстановление которых постоянно осуществляется в природе, например, энергия ветра, био- топливо, энергия морских волн и т. д. На классификационной схеме рис. 1.2 невозобновляе- мые и возобновляемые виды энергии обозначены, соответственно, белыми и серыми прямо- угольниками. К невозобновляемым энергетическим ресурсам относят: каменный уголь; нефть; при- родный газ, уран. Топливо подразделяют на следующие четыре группы (рис. 1.2): – твердое; 11 – жидкое; – газообразное; – ядерное. К твердому виду топлива относят: - древесину, другие продукты растительного происхождения; - уголь (с его разновидностями: каменный, бурый); - торф; - горючие сланцы. Ископаемые твердые топлива (за исключением сланцев) являются продуктом разло- жения органической массы растений. Самый молодой из них торф, представляющий собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли - зем- листая или черная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется (выветривается) и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них антрацитов претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твердостью.Горючие сланцы представляют собой полезное ископаемое из группы твердых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы, близкой по составу к нефти. Жидкие виды топлива получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300 ... 370°С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре: - сжиженный газ (выход около 1 %); - бензиновую (около 15%, tK =30 ... 180°С); - керосиновую (около 17%, tK= 120 ... 135 °С); - дизельную (около 18%, tK = 180 ... 350 °С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 ... 350 °С называется мазутом. Газообразными видами топлива являются природный газ, добываемый как непосред- ственно, так и попутно с добычей нефти, называемый попутным. Основным компонентом природного газа является метан СН4 и в небольшом количестве азот N2, высшие углеводоро- ды СnНm, двуокись углерода СО2 - Попутный газ содержит меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому выделяет при сгорании больше теплоты. В промышленности и, особенно в быту, находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти. На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы. Они используются здесь же на заводах для отопления печей и технологических аппаратов. В районах расположения уголь- ных шахт своеобразным «топливом» может служить метан, выделяющийся из пластов при их вентиляции. Газы, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой пере- Рис. 1.2. Схема классификации первичной энергии 12 гонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив, в большинстве стран практически вы- теснены природным газом, однако в настоящее время снова возрождается интерес к их про- изводству и использованию. В последнее время все большее применение находит биогаз – продукт аэробной фер- ментации (сбраживание) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т. д.). Ядерным топливом является уран. Об эффективности использования его показывает работа первого в мире атомного ледокола «Ленин» водоизмещением 19 тыс. т, длиной 134 м, шириной 23,6 м, высотой 16,1 м, осадкой 10,5 м, со скоростью 18 узлов (около 30 км/ч). Он был создан для проводки караванов судов по Северному морскому пути, толщина льда по которому достигала 2 и более метров. В сутки он потреблял 260-310 граммов урана. Дизель- ному ледоколу для выполнения такого же объема работы, которую выполнял ледокол «Ле- нин», потребовалось бы 560 т дизтоплива. Анализ оценки обеспеченности ТЭР показывает, что наиболее дефицитным видом топ- лива является нефть. Ее хватит по разным источникам на 25-40 лет. Затем, через 35-64 года, истощатся запасы горючего газа и урана. Лучше всего обстоит дело с углем, запасы которого в мире достаточно велики, и обеспеченность углем составит 218-330 лет'.
