2 основни положения

2.4 Физически принципи в управлението на енергията

За да се разбере техническата страна на управлението на енергията, трябва да бъдат обяснени няколко основни термина от физиката. Енергийният мениджър трябва да разбере и прави разлика между тези термини. Само по този начин той може да разбере и оцени ползите от енергийните мерки.

2.4.1 Сила

Почти всичко в нашето ежедневие изисква сила под някаква форма, било то за отваряне на вратата, изкачване на стълби или носене на лаптопа в джоба ви. В класическата механика:

Сила = маса, умножена по ускорение

Ние сме запознати с това механично определение за сила от ежедневието. Когато седнем в кола и ускорим, тя ни тласка на седалката. Щом колата продължава да се движи с постоянна скорост, ние вече не усещаме тази сила, ускорението е нула и силата също. Ако колата вече е спирачка, тя ни притиска към предпазния колан и ние усещаме спирачната сила. Така че и ние сме ускорени при спиране, но в обратна посока. Физически погледнато, нещо винаги се ускорява, когато променя скоростта си, т.е.когато става по-бързо или по-бавно. Освен това нещо има скорост, когато смени мястото си. Можем да измерим разстоянието l между две места в метри (m). Ако искаме да знаем колко време ни трябва от едно място на друго, измерваме времето t, броим напр. секундите. Така че скоростта показва колко бързо можем да сменим мястото:

Скорост = промяна в местоположението за време

В известен смисъл ускорението ни казва колко бързо се променя скоростта:

Ускорение = промяна в скоростта в секунда

Силите се срещат в много форми в природата и технологиите, било то гравитация, сила на триене, електромагнитна сила или друга форма. Всички те се изчисляват малко по-различно, но винаги се измерват в нютони (N). В резултат на това силите могат да се добавят, изваждат и сравняват помежду си.

2.4.2 Енергия и работа

Енергията е ключът към живота. Затова е важно да се знае физическото значение на този термин. Понятието работа е тясно свързано с понятието енергия.

От колоезденето знаем, че е необходимо или трябва да свършите работа, например да карате покрай езерото от Цюрих до Рапперсвил. Първо трябва да ускорим, за това се нуждаем от сила, за да въртим педала и изминаваме определено разстояние. За да не се забавим, трябва да продължим да прилагаме силата си, т.е. да продължим да въртим педалите, докато пристигнем в Рапърсвил. Така че, когато работим върху мотора, използваме енергия, за да въртим педала, това кара колелата да се въртят и следователно изминаваме разстояние. Тази сила служи за преодоляване на триенето, което иначе би ни забавило отново. И обратно, не е възможно да ритате и да не изминавате разстояние. Всъщност:

Работа = мощност по пътя
Единица: джаул J = Nm = Nm

Но е възможно да се спуснете по планината, без да ритате. Така че ние покриваме път, без да се налага да използваме сила. С определението за работа лесно разбираме, че не работим, което разбира се е в съгласие с нашия опит.

За да улесним пътя си от Цюрих до Rapperswil, можем да използваме и електронно колело. Сега трябва да работим по-малко, останалата работа върши електродвигателят. За да работи електродвигателят, той се нуждае от електрическа енергия, която черпи от батерия. Ако батерията е празна, двигателят също ще спре да работи. Накратко: няма работа без енергия.

Във физически план енергията правилно се нарича „работоспособност“. Работата като физически термин може да се разбира като използване на енергия. И обратно, енергията е „складирана“ или „потенциална“ работа. Определено количество работа винаги консумира съответно количество енергия. Единицата и стойността са еднакви, при условие че няма нежелани странични ефекти, което за съжаление никога не е така в реалния свят. Ако работата се извършва за 100 джаула, тогава са необходими 100 джаула енергия. В реалния свят 100 джаула енергия съответстват на теоретичния минимален разход на енергия.

За да може батерията отново да отделя енергия, първо трябва да се презареди. Това означава, че той поема електрическа енергия чрез захранващ кабел и я съхранява, за да може да се освободи отново по-късно. Ние, хората, също сме гладни след като свършим работата си и се нуждаем от нова енергия, която приемаме под формата на храна и съхраняваме за по-късна употреба. Доставената енергия е химически свързана както в батерията, така и в тялото.

Какво се случва с енергията, която използваме, когато караме колело? Най-вероятно се усеща енергията, необходима за ускоряване в началото на пътуването: в края на пътуването той загрява спирачните накладки. Те се затоплят при спиране. Околната енергия също се нагрява с останалата енергия (триенето причинява топлина), така че теоретично жителите могат да се възползват от малко по-висока температура на въздуха до колоездачната пътека. Само повишаването на температурата остава толкова малко, че никой не го усеща и затова не получаваме никакви благодарности за това.

Тези връзки са дефинирани в първия закон на термодинамиката, както следва, който се отнася за неподвижен случай:

Сборът от цялата енергия, доставена и разредена в системата, е нула.

Очевидно енергията не може да се консумира, а само да се преобразува. Това също прави невъзможно (и очевидно безсмислено) пестене на енергия. И все пак знаем, че така нареченото потребление на енергия е един от големите проблеми, пред които е изправено човечеството. Можем да проследим проблема, когато осъзнаем, че непрекъснато преобразуваме форми на висококачествена енергия в отпадъчна топлина, която вече не може да се използва.

Главната клауза по-горе също може да бъде пренаписана, както следва:

Енергията може да се преобразува само от една форма в друга, но никога не се губи.

Енергията се измерва в единица джаул (J), където джаул е количеството енергия, необходимо за изминаване на един метър със силата на един нютон: 1 джаул = 1 нютон метър (1 J = 1 Nm). Джаулът е много малко количество енергия, поради което обикновено се използва килоджаула (kJ) (хиляда пъти джаул) или мегаджаула (MJ), милион пъти джаула.

Друго често и удобно количество, с което се измерва енергията, е киловатчасът или накратко kWh. Познаваме киловатчаса от сметката ни за ток, която трябва да плащаме редовно. Електричеството обаче е грешната дума за сметката. Ние не плащаме за електричество, ние плащаме за енергия, а именно киловатчас. Нашата сметка за електричество всъщност е сметка за енергия.

Джаулите (Ws) стават киловат часове с преобразуването: 1 kWh = 1000 (за килограми) 1 W 3600 s = 3 600 000 Ws (= J) = 3600 kJ = 3.6 MJ (мегаджаули) или къси:

1 kWh = 3,6 MJ

Старият начин за измерване на енергията или работата е калоричността. В ежедневието познаваме тази мярка само от информацията за калориите, съдържащи се в храната. Прилага се следното:

1 кал = 4,18 Дж. или. 1 kcal = 4,18 kJ

2.4.3 Изпълнение

След енергията (и работата) сега въвеждаме концепцията за изпълнение. Подобно на масата и теглото, силата и енергията често се бъркат или приравняват помежду си. Има връзка, но термините не означават едно и също нещо. Контекстът е времето. Изпълнението ни казва колко бързо използваме енергията или вършим работа. Можем да свършим работа бързо или бавно, работата остава същата, но представянето е различно. Не можем да работим без да изпълняваме, или обратно. Винаги е важно да знаем дали ни интересува колко бързо се прави нещо, което съответства на изпълнението или искаме да знаем какво е направено, което съответства на работата или енергията. Услугата се определя, както следва:

Мощност P = енергия E за единица време t
Единица: ват = джаул в секунда

Един ват е много малко постижение. Дори когато седим, тялото ни преобразува почти 100 вата, които излъчва под формата на топлина. При колоездене това е до 500 вата, в зависимост от скоростта (и наклона). Следователно в технологията мощността обикновено се дава в киловати (1 kW = 1000 W) (сравнете грамове g и килограми kg).

Тъй като киловатът (kW) е "удобно" количество, енергията също често се използва с помощта на тази единица, комбинирана с време. Часът (h) е подходящ като времето; резултатът е киловатчасът (kWh) за енергия. Друга единица мощност, макар и остаряла, е конски сили (PS, 1 PS = 0,736 kW). Ние познаваме тази единица само от рекламата на автомобили.

2.4.4 Връзка между енергията и производителността

Връзката между енергия и сила трябва да бъде обяснена и задълбочена тук с пример. Нека да разгледаме фурната за раклет и часовника на печката. Раклет фурната има мощност 1000 W = 1 kW. Включва се 8 пъти годишно по 1 час и 6 минути всеки път. Часовникът на готварската печка (електронен цифров часовник със светодиоден дисплей) консумира 2 вата енергия. Тъй като обаче не може да работи с напрежение 230 V от контакта, е необходим захранващ блок, който преобразува мрежовото напрежение в ниско напрежение. Това е оптимизирано само по отношение на цената и следователно има загуба на мощност от 8 вата, така че печката черпи 10 вата от мрежата през цялата година. Кое от двете устройства се нуждае от повече енергия?

Раклет фурна: 8 пъти 1 час 6 минути са 8 пъти 1,1 часа = 8,8 часа
Енергия = време за мощност = 1 kW 8,8 h = 8,8 kWh

Часовник от печката: Часовникът работи целогодишно: 365 дни от 24 часа дават 8760 часа.
Енергия = 10 W 8760 h = 87 600 Wh = 87,6 kWh

Часовникът на печката се нуждае от около 10 пъти повече енергия, въпреки много ниската си мощност!

Единицата за киловатчас (kWh) енергия всъщност е много полезна. Преобразуваното в основна единица енергийни джаули води до:

8,8 kWh = 8,8 1000 W 3600 s = 31 680 000 J или 31 680 kJ респ. 31,68 MJ.

Тъй като джаулът е много малка единица енергия, киловатчасът обикновено се преобразува директно в мегаджаули (MJ). Коефициентът на преобразуване е 3,6 MJ/kWh (виж по-горе).

По сметката ни за електроенергия, която е сметка за енергия, ние сме таксувани за киловатчаса. Цените на енергията варират в зависимост от продукта (слънчева енергия, вода, ядрена енергия или друг електрически микс) и времето на деня. За един киловат час плащаме около 0,15 швейцарски франка. След горното преобразуване един джаул струва 0,000000040 швейцарски франка. Джоулът е напълно неподходящ за изчисление. Мега джаулът с 0,040 швейцарски франка би бил много по-управляем. Но ние сме свикнали с киловатчаса и когато погледнем цифрите, също има смисъл.

Енергията (за "ежедневието", най-вече посочена в kWh и също така изчислена по този начин) и мощността (най-вече в kW) трябва да бъдат строго разделени. Голямата мощност не означава непременно много енергия, малка мощност, която остава включена за дълго време, може да означава много енергия.

Често устройството има променлива мощност (например фотокопирна машина, която има нагревател с много мощност, но който е необходим само за отопление). При копиране фотокопирната машина се нуждае от захранване за механичния транспорт на хартия и светлината, по време на престой (когато е включен, готов за копиране, в режим на готовност) ниска мощност, за да поддържа ролката на фюзера топла. Може би все още има функция за пестене на енергия. Тогава ролката на фюзера се поддържа само при по-ниска температура, производителността в режим на готовност е още по-ниска (трябва да изчакате кратко време, преди да копирате отново). Мощността на отопление остава същата, но консумацията на енергия може да бъде значително намалена благодарение на функцията за пестене на енергия, тъй като повечето копирни машини са в режим на готовност през по-голямата част от времето. Информацията за ефективността на табелката на копирния апарат не ни помага да изчислим неговата консумация на енергия. Консумацията на енергия е средната мощност по време на работа (или математически интегралът на моментната мощност във времето). Средната производителност зависи от използването на копирната машина (интензивна или рядко използвана, с помощта на енергоспестяващия бутон и т.н.) и трябва да се измерва на практика.

2.4.5 Енергия и ентропия

Вторият закон на термодинамиката описва тези взаимоотношения в опростена форма, както следва:

Разстройството винаги се увеличава.

Вместо да пести енергия, това трябва да означава: поддържане на нещата подредени .

В термодинамиката това „разстройство“ се нарича ентропия. Ентропията (символ S) може само да се увеличи или най-много да остане същата. Процесите без увеличаване на ентропията биха били обратими (обратими процеси), но на практика те не съществуват. Колкото по-малко процес е обратим, толкова по-голямо е увеличението на ентропията.

Температурата може да се разглежда и като ред: колкото по-висока е температурата, толкова по-висока е поръчката. Следователно се прилага и:

Топлината винаги преминава от по-висока към по-ниска температура, никога обратното.

Следователно същественото количество от гледна точка на физиката не е енергията, а ентропията. Колкото по-малко ентропия причиняваме, толкова по-малко става нашият "енергиен проблем". Всички енергоспестяващи мерки в крайна сметка водят до намаляване на увеличаването на ентропията, или всъщност не са ефективни. И обратно, това означава, че увеличаването на ентропията трябва да се намали, тоест да се избягва разстройството.

По същия начин, потреблението на суровини може да се разбира като производство на ентропия. Или суровините се разпределят все по-равномерно по целия свят на все по-малки части, докато вече не могат да бъдат възстановени (напр. Мед, която се изтегля във все по-тънки проводници и се разпределя все повече и повече). Или суровините се „консумират“ чрез превръщането им в други вещества, напр. след това вече не може да се използва (напр. използването на торове). Тези вещества все още присъстват, но "разстройството" току-що се е увеличило значително.

Енергия и анергия

Днес енергията често се разделя на ексергия и анергия. Под упражнение се разбира тази част от количество топлина, която може да се превърне в механична енергия посредством идеален термодинамичен цикъл. Тогава се прилага ефективността на Карно, която е по-висока, колкото по-голяма е разликата между горната и долната температура на системата в цикъла. Тогава енергията е останалата част от енергията, която не може да бъде преобразувана според ефективността на Карно. С опростени термини често се казва, че ексергията е използваемата част от енергията, а енергията - неизползваемата част. Както от физическа гледна точка, така и от практическа гледна точка обаче това подразделение е съмнително и произволно. Това зависи в голяма степен от граничните условия (например от температурите в системата) и от желания тип използване на енергия. Искате ли напр. Отопление, охлаждане или генериране на светлина? В зависимост от това използваемостта на определено количество енергия при определено температурно ниво е много различна.

Много по-продуктивно е, ако се разбират понятията енергия и ентропия. Това означава, че оптималните решения винаги могат да бъдат търсени по физически правилен начин.