Источники энергии

Определения и обозначения

Энергия — способность тела или вещества совершать работу. Например, движущийся мяч может толкнуть другой предмет, а горячая вода передаёт тепло и нагревает чашку. Значит, энергия связана с изменениями: движением, нагреванием и работой устройств. Это понятие помогает объяснить, почему одним предметам удаётся приводить в действие другие.

Источник энергии — то, откуда человек получает энергию для отопления, освещения и работы машин. Таким источником может быть топливо, солнечный свет, ветер или движущаяся вода. Источник нужен, чтобы понять, за счёт чего работает устройство или откуда берётся тепло. Например, печь получает энергию от сгорающих дров.

Топливо — вещество, при сгорании которого выделяется энергия. Дрова и уголь — твёрдое топливо, нефть — жидкое, а природный газ — газообразное. При горении топливо нагревается и отдаёт тепло, которое люди могут использовать. Разделение на виды помогает понять, как топливо хранят и подают к печи или машине.

Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии различаются тем, успевает ли источник пополняться в природе за сравнительно короткое время. Солнечный свет, ветер и движущаяся вода относятся к возобновляемым источникам. Уголь, нефть и природный газ — невозобновляемые: их запасы расходуются, а образуются они очень медленно. Это различие помогает оценить, как долго люди смогут пользоваться источником.

Как это устроено

При сгорании топлива выделяется энергия, потому что горящее вещество нагревает окружающие предметы и воздух. Дрова в печи передают тепло комнате, а уголь можно сжигать в котле, чтобы нагреть воду. Нефть и природный газ также используют как топливо: с их помощью получают тепло для домов и производства. Так химическая энергия топлива становится заметной как нагревание.

Электричество удобно передавать по проводам и использовать для ламп и приборов, но само по себе оно не является первичным источником энергии. Сначала нужно получить его из другого источника — например, из топлива, воды, ветра или солнечного света. На электростанции энергию источника преобразуют в электрический ток. Поэтому, говоря об электричестве, полезно спросить, за счёт какого источника оно было произведено.

На тепловой электростанции сжигают топливо, чтобы нагреть воду. При нагревании появляется горячий пар, который движется и вращает турбину — колесо с лопастями. Турбина соединена с генератором, устройством, которое вырабатывает электрический ток при вращении. Цепочка нужна потому, что тепло от топлива само по проводам не передаётся: его сначала превращают в движение, а затем в электричество.

На гидроэлектростанции поток воды или вода, падающая с высоты, вращает турбину. Движение воды передаётся её лопастям, поэтому турбина начинает вращаться. Генератор, соединённый с турбиной, производит электрический ток. Так энергия движущейся воды превращается сначала в движение механизма, а затем — в электрическую энергию.

Солнце и ветер позволяют получать энергию без сжигания топлива. Солнечные батареи используют свет, а ветряные установки — движение воздуха, чтобы вырабатывать электричество. Но солнечного света ночью нет, а сила ветра меняется вместе с погодой. Поэтому возобновляемость не означает, что источник одинаково доступен в каждый момент.

Основные источники энергии и их использование

Сначала найдите в таблице источник, а затем сравните его возобновляемость и способ получения энергии. Последний столбец показывает, где этот способ применяют. Дрова возобновляемы только при условии, что лес восстанавливают: так видно, что использование источника тоже имеет значение.

Разбор задач

Задача 1

Назови источник энергии, который используют для приготовления пищи на газовой плите, и объясни, что происходит при его сгорании. Нужно определить, что подаётся к горелке, и связать это вещество с выделением энергии. Газ из плиты зажигают, поэтому речь идёт о горении. Проверим, какое изменение при этом замечает человек.

1. Газовая плита обычно использует природный газ, который является топливом.
2. При горении газ выделяет энергию, и пламя нагревает посуду.
3. Пища готовится благодаря теплу, которое передаётся от посуды.

Ответ: источник энергии — природный газ. При его сгорании выделяется тепло, нагревающее посуду и пищу.

Задача 2

На электростанции сжигают уголь, чтобы вырабатывать электричество. Проследи цепочку превращений энергии от топлива до электрического тока. Здесь важно не перепрыгнуть от горения сразу к электричеству: между ними работают вода, пар и турбина. Вспомним, что горячее тело может нагреть воду, а движущийся пар способен вращать механизм. Затем работу механизма использует генератор.

1. При сгорании угля выделяется тепло, которое нагревает воду.
2. Вода превращается в горячий пар, и движущийся пар вращает турбину.
3. Турбина приводит в движение генератор, который вырабатывает электрический ток.

Ответ: энергия угля превращается в тепло, затем в движение пара и турбины, а после этого — в электрическую энергию генератора.

Задача 3

Сравни солнечную электростанцию и тепловую электростанцию: укажи источник энергии каждой, возобновляемость и одно различие в получении электричества. Сравнение удобно проводить по трём признакам, перечисленным в условии. Солнечная станция получает энергию от света, а тепловая — от сжигания топлива, например угля. Теперь нужно установить, какие из этих источников возобновляются и как энергия доходит до генератора.

1. Для солнечной электростанции источник — солнечный свет; он возобновляемый.
2. Для тепловой электростанции источником служит топливо; уголь невозобновляемый.
3. Солнечная станция преобразует свет без сжигания топлива, а тепловая сначала сжигает топливо и нагревает воду.

Ответ: солнечная станция использует возобновляемый солнечный свет, а тепловая — невозобновляемое топливо. Главное различие: на тепловой станции воду нагревают сжиганием топлива, а солнечные батареи используют свет.

Типичные ошибки

Ошибка — считать электричество первичным источником энергии. Её допускают потому, что электричество легко увидеть в действии: загорается лампа или включается прибор. Но на электростанции электрический ток получают, преобразуя энергию топлива, воды, ветра или Солнца. Проверь себя вопросом: откуда поступила энергия до того, как появился ток?

Нефть и природный газ иногда называют возобновляемыми, потому что они встречаются в природе. Однако образуются они очень медленно, а люди расходуют их быстрее, чем запасы пополняются. Поэтому эти источники могут исчерпаться. Чтобы проверить ответ, спроси, успевает ли природа восстановить запас за сравнительно короткое время.

Возобновляемость не означает, что источник доступен постоянно. Солнце не светит ночью, а ветер может быть слабым или совсем стихнуть. Эту ошибку легко допустить, если думать только о том, что природа снова пополняет источник. Проверяй отдельно два признака: возобновляется ли источник и можно ли использовать его прямо сейчас.

Электростанцию можно ошибочно назвать источником энергии, хотя это устройство, которое преобразует энергию. Путаница возникает потому, что именно на станции получают электричество. Но станция использует, например, уголь, воду или ветер, а сама не заменяет их. Для проверки назови отдельно природный источник и устройство, которое помогает преобразовать его энергию.

Связь с другими темами

Перед изучением источников энергии полезно знать, что тела могут двигаться, нагреваться и совершать работу. Энергия связана с такими изменениями: например, нагретое топливо может передать тепло воде, а движущаяся вода — вращать турбину. Эти наблюдения помогают понять, почему один вид энергии может переходить в другой. Их можно проверять на простых примерах из быта.

Тема пригодится при изучении электричества и тепловых явлений: она объясняет, откуда берётся ток и почему топливо нагревает предметы. Знания об источниках энергии помогают также бережно относиться к природным ресурсам. Можно сравнивать способы получения энергии и замечать, какие из них зависят от погоды, а какие расходуют ограниченные запасы топлива.

Что запомнить

• Энергия нужна для движения, нагревания, освещения и работы устройств.
• Топливо при сгорании выделяет энергию.
• Электричество получают, преобразуя энергию разных источников.
• Уголь, нефть и природный газ относятся к невозобновляемым источникам.
• Солнце, ветер и движущаяся вода относятся к возобновляемым источникам.
• Каждый источник энергии имеет особенности и ограничения.