Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


Az Energiahatékonyságról ( 2. Az energiáról tanultak felfrissítése )

2016.08.16

A fizikusok szerint az energia az anyag alapvető tulajdonsága. Összes mennyisége zárt ( izolált ) rendszerek esetén az időben állandó. Ezt mondja ki az energiamegmaradás törvénye. Egyszerűbb megfogalmazás szerint az energia munkavégző képesség: segítségével megváltoztatható az anyag formája, helyzete, mozgásállapota vagy minősége.

Az energetikai folyamatokat mélyebben a termodinamika vizsgálja, mely a lényeges megállapításait ún. főtételekben rögzíti. Az I. és II. főtétel tartalmazza a legalapvetőbb összefüggéseket, megismerésük mindenki számára hasznos lehet. Az olvasók megnyugtatásásra közlöm, hogy a későbbi részek a sorozatomból, maradéktalan megértése nélkül is érthetőek lesznek.

A termodinamika I. és II. főtételének megértéséhez szükség van néhány alapfogalom tisztázására. Lássuk először az energiával kapcsolatos főbb fizikai mennyiségeket. Az energiát, mint fizikai mennyiséget joule-ban ( J ) mérjük. Ezen mértékegység fizikai tartalma a következő: 1 joule-nyi energiamennyiséget kell befektetnünk akkor, ha 1 newton nagyságú erővel kell mozgatnunk egy testet 1 méter hosszú úton. Ebben a mértékegységben kifejezhetünk hőenergiát ( hőmennyiséget ), mechanikai energiát ( munkát ), kémiai energiát ( kötési energiát ), villamos energiát stb. Ugyanezt a J jelölést láthatjuk a különböző ételek és italok dobozán, ami azt jelenti, hogy az adott termék elfogyasztásakor ennyi meg ennyi energiamennyiséget viszünk be szervezetünkbe. A villanyszámlánkon is energiamennyiség áll, csak ott nem joule-ban, hanem kilowatt-orában ( kWh ) kifejezve ( 1 kWh = 3,6 x 106 J ).

A technikai gyakorlatban nagyon sokszor előfordul, hogy nem csak az energiamennyiségre vagyunk kíváncsiak, hanem arra is, hogy az adott energiamennyiséget mennyi idő alatt állítottuk elő, vagy használtuk fel. Ennek megadására a teljesítmény szolgál, melynek mértékegysége a watt ( W ). Akkor beszélünk 1 W teljesítményről, ha 1 J energiamennyiséget 1 másodperc alatt használunk fel. Ha a lámpánkban 40 W-os izzó van, az azt jelenti, hogy az 1 s alatt 40 J villamos energiát fogyaszt el. A vasaló, ami 800 W-os, másodpercenként 800 J hőenergiát termel, miközben persze ugyanennyi villamos energiát el is fogyaszt. Egy erőmű, amely 200 MW-os, másodpercenként 200 millió J villamos energiát állít elő, miközben adott esetben kb. 600 millió J hőenergiát használ fel ehhez ( hogy miért ilyen nagy a különbség a termelt villamos energia és az elfogyasztott hőenergia között, arra majd még a későbbiekben kitérek ).

Ahhoz, hogy a sok szám és energiafajta között rendet teremthessünk, nézzük meg mit is mond a termodinamika I. főtétele:

Az I. főtétel az energiamegmaradás tétele. Köznapi nyelven úgy szokták ezt a törvényt említeni, hogy "az energia nem vész el, csak átalakul". Ez a megfogalmazás többé - kevésbé igaz, csak pongyola. A pontosabb meghatározáshoz nézzük meg a következő példát!

Nézzük meg az energia három megjelenési formáját:

1. mechanikai energia ( ami közvetlenül munkavégzésre képes, jele legyen W )

2. hőenergia ( amivel megmelegíthetünk valamit, jele legyen Q )

3. belső energia ( a belső energia - a nevéből is látszik - az anyag belsejében van jelen, mértéke tulajdonképpen az anyag részecskéinek mozgási intenzitásától függ, az egyszerűeség kedvéért mondjuk azt, hogy nagyon szoros összefüggésben áll az anyag hőmérsékletével, ha egy adott anyag, pl. víz hőmérséklete megnő, akkor a vízmolekulák nagyobb intenzitással mozognak, és az anyag belső energiája is magasabb lesz, a belső energia jele legyen U ).

Ezek után végezzünk el egy gondolat - kisérletet, amelyben kizárólag a fenti három energiafajtát vesszük figyelembe. Vegyünk egy edényt és töltsünk bele vizet. Szigeteljük el az edényt és tartalmát gondosan a környezetétől, hogy semmilyen szándékunkon kívüli behatás ne érhesse és csak egy kis lyukat hagyjunk ezen a szigetelésen, hogy azon keresztül különböző méréseket tudjunk végezni vagy hogy valamilyen általunk szándékolt behatásnak ki tudjuk tenni az edény tartalmát. Ha mindezt elvégezzük, tegyünk be a lyukon egy kis fűtőszálat és azon keresztül vezessünk hőenergiát  ( Q ) az edénybe. Mivel az edényt és tartalmát tökéletesen elszigeteltük a környezetétől, nyilvánvaló, hogy a bevezetett hőenergia teljes egészében a vízbe kerül. Fizikailag ez azt jelenti, hogy a bevezetett hőenergia mértékének megfelelően meg kell nőnie a rendszerünk belső energiájának.

U2 - U= Q

amit mi úgy érzékelünk, hogy a víz hőmérséklete megnő. ( az 1 index a hőbevezetés előtt, a 2 az az utáni állapotot jelöli. ) Köznapi nyelven nem tettünk mást, mint hogy megmelegítettük az edényben lévő vizet. Most vegyük újra a kiindulási rndszerünket , de ezúttal valami szokatlanabb útját választjuk a víz megmelegítésének. A lyukon keresztül egy kis propellert helyezünk a vízbe és megforgatjuk ezt apropellert. Természetesen a forgatáshoz mechanikai munkát ( W ) kell végeznünk, az edénybe a propeller tengelyén keresztül mechanikai munkát vezetünk be. Ez mozgásba hozza a vizet ( a bevezetett mechanikai energiaa a folyadék mozgási energiájává alakul át ), de a folyadék mozgása a propeller kivétele után idővel megáll, hisz felemésztik azt a folyadékon belüli és a folyadékn - edényfal között fellépő súrlódások. Az így felemésztett mozgási energia természetesen nem tűnhet el, ez is a folyadék belső energiáját növelte meg, most

U2 - U1 = W 

mértékben, ami persze azt jelenti, hogy a víz ugyanúgy felmelegedett, mint amikor közvetlenül hőenergiát vezettünk az edénybe. Ha az első kísérletben bevezetett hőenergia ( Q ) és a másodikban bevezetett mechanikai energia ( W ) mennyisége azonos, akkor a víz felmelegedésének mértéke is azonos lesz a két kisérletben.

Ha ezek után újra vesszük a kindulási rendszerünket, de most egyszerre végezzük el rajta az első és a második kísérletet ( vagyis mind hőenergiát , mind pedig mechanikai energiát bevezetünk az edénybe ), nyilvánvaló, hogy a víz belső energiájának megváltozása most 

U2 - U1 = Q - W

lesz. - vagyis nem történik más, minthogy a bevezetett hőenergia és a mechanikai energia is a rendszer belső energiáját növeli meg. A termodinamika I. főtétele ezek után a következők szerint fogalmazható meg:

zárt rendszer esetén a belső energia megváltozása a be- vagy elvezetett hőenergia és a be- vagy elvezetett mechanikai munka ( előjeles ) összegének felel meg.

- vagyis, az energia átalakulási folyamatai során arra számíthatunk, hogy az energia sok formában megjelenhet, de a mennyisége ( gondosan számolva ) sosem változik.

Miért van az mégis, hogy mindig új "energia adagok" vételezésére vagyunk szorulva? Miért kell újra tűzre tenni a második adag teavizet, ha a megmelegítéséhez szükséges energiamennyiség ott van a már kész első adag teában? Az ilyen és ehhez hasonló kérdésekre ad választ a termodinamika II. főtétele. Folytassuk továbbaz előbb elkezdett gondolat - kísérletet! Miután a fűtőszál segítségével megmelegítettük az edényünkben lévő vizet, azt mondjuk, most már szeretnénk, ha ez a víz újra olyan hideg lenne, mint a melegítés előtt, viszont a megmelegítéséhez felhasznált hőenergiát szeretném a régi formájában visszakapni, hogy egy újabb adag vizet ugyanúgy megmelegíthessek vele. Ehhez szükség van egy olyan szerkezetre, ami ezt a feladatot elvégzi. A probléma csak az, hogy ilyet eddig még senkinek sem sikerült csinálnia, és a II. főtétel szerint nem is szerkeszthető ilyen gép. Képzeljük el ugyanis, mi történik a víz melegítésekor: a behelyezett fűtőszál jóval melegebb, mint a víz, így az képes megmelegíteni a vizet. Amikor vissza szeretnénk jutni a kiindulási állapotba, akkor arra lenne szükségünk, hogy a vízből most ( külső segítség nélkül ) menjen vissza a hő a nála MELEGEBB fűtőszálba. Hát ilyent eddig még senki sem tapasztalt. A tisztánlátás érdekében nézzük meg a második példánkat is, amikor a propeller segítségével bevezetett mechanikai munka hatására melegedett fel a víz. Nyilvánvalóan a eredeti állapotot úgy tudnánk visszaállítani, hogy a vízbe helyezett propellert most a víz MAGÁTÓL lekezdené forgatni, így "szivattyúzva ki" maradéktalanul az előzőleg bevezetett mechanikai munkát. Hát sajnos még ilyet sem tapasztaltak ez idáig. Tulajdonképpen a fenti tapasztalati tényeket mondja ki a termodinamika II. főtétele,aminek több megfogalmazása is van: a.) hő hidegebb helyről melegebb helyre ( külső segítség nélkül ) nem áramolhat.

       b.) a hőenergia teljes egészében nem alakítható mechanikai munkává, viszont a mechanikai munka 100 %-ban hőenergiává alakítható.

Az a.) megfogalmazásban szereplő kitétel, ti. hogy "külső segítség nélkül" nem képes a hő a hidegebb helyről a melegebb helyre áramolnim a következők miatt szükséges: gondoljuk meg, mi történik egy hűtőszekrényben! Kb. 50C-os közegtől vonunk el hőt és ezt juttatjuk fel 20 - 250C-os környezeti hőmérsékletre. Ez azért nem mond ellent a termodinamika II. főtételének, mert ehhez szükség van mechanikai munka végzésére is. A hűtőszekrények hátulján van egy motor, ami azokat a berendezéseket hajtja,amelyek a fenti fizikai folyamatok megvalósításához szükségesek. A hőt végül is hidegebb helyről melegebbre juttatjuk, de külső munka segítségével.

A b.) megfogalmazás közvetlen hatását láthatjuk akkor, amikor megállapítottuk, hogy egy hőerőműben villamos energia előállítása érdekében jóval több hőenergiát kell felhasználnunk, mint amekkora az előállított villamos energia mennyisége, hisz a hő teljes egészében nem alakítható mechanikai munkává. ( Egy hőerőműben hőenergia segítségével először mechanikai munkát állítanak elő, majd abból állítanak elő villamos energiát ). Ezeknek az átalakítási folyamatoknak a temodinamika II. főtétele értelmében van egy elvi maximális hatásfoka, ami jóval alacsonyabb, mint 100 %. Ezért, amikor villamos energiát használunk fel, mindig kell arra gondolnunk, hogy ezen villamos energia előállításához esetenként kétszer - háromszor ennyi hőenergiát kellett befektetni! Az a.) és b.) megfogalmazások már mutatják, hogy az energiával kapcsolatos folyamatokban, az energia különböző átalakulásai során szükségszerűen végbemennek olyan folyamatok, amelyek NEM MEGFORDÍTHATÓAK. ( Az edényben lévő víz nem képes "magától" megforgatni a belehelyezett propellert, amely előzőleg forgott a vízben, így emelve meg annak belső energiáját. ) Ennek a "megnemfordíthatóságnak" a matematikai kifejezésére definiálták az entrópiát. Általánosan fogalmazva, az entrópiaaz egyensúlyi állapottól való eltérés mértéke. Egyensúlyi állapotban ( pl. amikor az edényben lévő víz hőmérséklete minden pontban azonos és benne már semmilyen mozgás sincs ) a rendszer entrópiája eléri a maximális értéket.

20160716_100042-1-.jpg

Az entrópia felhasználásával a II. főtétel a következőképpen fogalmazható meg:

c.) zárt rendszer összes entrópiája nem csökkenhet.

- vagyis az entrópia a legjobb esetben nem változik, de a reális folyamatok során egy rendszerre nézve általában nő.  Az entrópia mibenlétét talán jobban megvilágítja, ha erre is konkrét példákat hozok. Ehhez azonban szükség van két újabb fogalom megismerésére. A mérnöki gyakorlatban vizsgált folyamatokban fellépő veszteségeket két fő csoportba soroljuk:

  • mennyiségi és
  • minőségi veszteségek.   

Mindkét fogalom elég kézenfekvő. Ha pl. egy teherautó búzát szállít és menet közben a szél lefújja a gabona harmadát, ez mennyiségi veszteség, hisz a szállítmány megérkezésekor kevesebbet nyom a mérlegen, mind induláskor. Ha viszont útközben a búza tönkremegy, ez minőségi veszteség, hisz eladhatatlanná válik. Ugyanígy van ez az energiával is. Ha pl. egy csővezetéken lakásokba melegvizet ( tulajdonképpen hőt ) szállítunk és a csővezetéken keletkező lyukon a víz ey része elfolyik, akkor mennyiségi veszteség lép fel, hisz nem érkezik meg annyi melegvíz, mint amennyit útjára indítottunk. Ha viszont a vezeték rosszul szigetelt és amire a víz megérkezik a lakásokhoz, már rég lehült, akkor minőségi veszteségről beszélünk, hisz ki mondana a tus alatt állva egy 150C hőmérsékletű vizet melegnek. Fontos megjegyezni, hogy az I. főtétel természetesen most sem sérült, hisz a meleg csővezetékből távozó hő a környezetbe kerül, a környezet hőmérsékletét emeli meg ( ha nagyon kis mértékben is ). A minőségi veszteséggel járó folyamatok tipikusan az entrópia növekedéséhez vezetnek. A fentiekben láthattuk, hogy vannak minőségi veszteségek, így ezek után talán könnyű az energiához a mennyiségen kívül egy minőségi jellemzőt is társítani. A hőenergia minőségét a hőmérséklete jellemzi! Minél magasabb hőmérsékleten áll rendelkezésre ugyanazon hőmennyiség, annál "értékesebb". Amennyiben egy adott Q hőmennyiség 20000C-on áll rendelkezésre, azzal pl. fémet olvaszthatunk, ha ugyanez a hőmennyiség 3000C-on áll rendelkezésünkre, pl. nagynyomású gőzt termelhetünk vele vagy esetleg húst süthetünk a segítségével. Ha 1500C-on áll rendelkezésre, akkor ( közel atmoszférikus nyomáson ) vizet forralhatunk vele, 700C-on szolgálhat lakásfűtésre, de már 50C-on egy 50C-os környezetben teljességgel értéktelen.

Látható, hogy minél alacsonyabb hőmérsékleten áll rendelkezésre ugyanaz a hőmennyiség, annál kevesebb dolgora alkalmazható, annál kevésbé értékes. Lehet lakásfűtésre 20000C-on rendelkezésre álló hőt is alkalmazni, de az kész pazarlás, mivel ugyanezt a feladatot 700C-os hővel is elláthatjuk! Például a a villamos energia, amivel egy hősugárzót táplálunk, alkalmas arra, hogy üveget vagy fémet olvasszon meg. A radiátorokban keringtetett langyos víz energiája ugyanakkor csak alacsony hőmérsékletű fűtési, melegítési feladatok ellátására jó.

A II. főtétel b.) megfogalmazása alapján is felállíthatunk egy energia minőségi sorrendet, hisz láthattuk, hogy a mechanikai energia maradéktalanul hőenergiává alakítható, visszafelé viszont ez nem megy 100 %-osan. - vagyis az mondható, hogy a mechanikai energia univerzálisabban használható, így bizonyos szempontból értékesebb. Ugyanígy elmondható, hogy villamos energiával is lehet szobát fűteni ( 250C-os hőfokszintre hőenergiát előállítani ), de ez tulajdonképpen az energia nagymértékű leértékelése, hisz villamos energia hajthat egy gépet is ( mechanikai munkát fejthet ki ), vagy müködtethet egy villamos izzót ( tulajdonképpen 10000C körüli hőmérsékletre hevíthet egy fémszálat ). Viszont egy 250C-os helyiség fűtésérealkalmas 400C-os melegvíz nem képes ugyanennek a gépnek a hajtására, vagy az izzószál működésbe hozására.

Az entrópia egy másik megfogalmazás serint az anyag ( mikroszkopikus ) rendezetlenségének mértéke. A termodinamika II. főtétele úgy is értelmezhető, hogy az anyagi rendszerek rendezetlensége az időben állandóan növekszik.

20160716_100208-2-.jpgRendezett állapot például egy kockacukor és egy pohár víz, rendezetlen a cukor oldat. Rendezett állapot a szén és az oxigén, rendezetlen a szén - dioxid. A termodinamika II. főtétele azt mondja, hogy magától a cukros vízből sohasem lesz kockacukor és víz, a szén - dioxidból nem lesz szén és oxigén. A folyamatok a rendezetlenebb, homogénebb állapot irányába vezetnek. Egy rendszerben csak azon az áron tudjuk a rendezettségetnövelni, ha más rendszerekben még nagyobb mértékben növeljük a rendezetlenséget.

Az érdekesség kedvéért jegyezzük meg, hogy az entrópiaelméletet más tudományágakban, így pl. a közgazdaságtanban, az információelméletben, sőt a pszichológiában is értelmezik. Az inflációt, illetve az információs rendszerekben fellépő zajt hasonlítják a termodinamikai entrópiához. Ha feltételezzük, hogy a világmindenség egy olyan zárt rendszernek tekinthető, amelyben a Földön megismert fizikai elvek érvényesülnek, akkor az összes entrópia ott is növekszik. Ennek hatására a hőmérsékletkülönbségek fokozatosan kiegyenlítődnek és akkor beáll egy olyan állapot, amelyben nincsenek jelen az energetikai folyamatokat ( az életet is beleértve ) működtető hőmérsékletkülönbségek. Ezt az állapotot nevezik a világmindenség "hőhalálának". Annak megítélése, hogy ez bekövetkezhet-e, a jelenleg rendelkezésünkre állónál alaposabb tudást igényel.

A termodinamika kimondja az energiamegmaradás elvét, de egyben meghatározza az egyes energiafajták egymásba alakításának korlátait is.

Mint szinte minden dolognak a világon, így az energiának is nem csak mennyisége, de minősége is van. Az univerzálisan használható, jó minőségű energia mennyisége minden rendszerben csökken az idővel. Egy rendszer rendelkezésére álló minőségi energia mennyisége csak más rendszerek rovására növelhető.

 

 

 

 

 

 

Hozzászólások

Hozzászólás megtekintése

Hozzászólások megtekintése

Nincs új bejegyzés.