1. Alapfogalmak

1.1.0. Technika

A technika a természetben emberi beavatkozás nélkül (spontán) lejátszódó folyamatokkal, az állapotváltozásokkal szemben állapotváltoztatásokat valósít meg. (A hangsúly a műveltető képz őn van.)

1.1.1. Technológia

A technológia (gör. tekhné=ügyesség, mesterség, művészet+logosz=gondolat, ész, tudás, tudomány) legáltalánosabban értelmezve az állapotváltoztatás módszere, melyben egy kezdeti állapotból egy, vagy több ember számára kedvezőbb állapotba jut anyag és/vagy energia és/vagy információ (a fából bútor lesz, a vízenergiából villamos áram, a hírszerkesztőség összeállította információk pedig hallhatók a rádióban).

1.1.2. Technikai rendszerek

A technikai rendszerek számtalan definicója ismert. Ezek összehasonlító elemzése helyett a legtöbben megtalálható közös vonásokat összefoglalva elmondhatjuk, hogy a technikai rendszerek az ember által, (tehát < FONT FACE="Times New Roman">mesterségesen) létrehozott, s a környezetüktől a vizsgálat szempontjából elkülöníthető egészet képeznek, melyet funkciója jellemez.

A funkció az emberi célok elérését szolgáló egyértelműen definiált feladat megoldása, adott peremfeltételek mellett. (A funkció realizálása egy vagy töb b ember számára kedvezőbb, mintha ez nem történne meg.)

A feladat megfogalmazása a technikai rendszer funkcióleírása: a ki- és bemeneti-, valamint állapotjellemzői között előírt összefüggések megadása.

A technikai rendszer funkciójának —egyes szakirodalmakban főfunkciójának— realizálása minden esetben anyag- és/vagy energia- és/vagy információ-átalakítást, -transzformációt jelent.

(A szállítás és tárolás is transzformáció, a tér és időkoordináták megváltoztatása.)

1.2.0. Erő, energia, energia-megmaradás

Minden test megtartja egyenes vonalú, egyenletes mozgását, vagy nyugalmi állapotát mindaddig, amíg erő nem hat rá. A változás oka —Newton törvénye szerint— az erő.

A test mozgásállapotának megváltozása nemcsak az erő nagyságának a megváltozásától függ, hanem az erőkifejtő képesség kapacitásától is. Ez a kapacitás az energia.

Az univerzum egyik általános tapasztalati törvénye az energia-megmaradás: energia nem keletkezhet és nem semmisülhet meg csak átalakulhat egyik formából a másikba.

(A rendszer a térnek jól definiálhatóan —képzelt vagy valós határfelülettel— elkülönített része.)

Az energia-megmaradás alapján a rendszer és környezete energiájának összege állandó.

D E rendszer + D E környezet = 0

Az energia-megmaradás törvénye (=termodinamika első főtétele) szerint elsőfajú örökmozgó (perpetuum-mobile) készítése lehetetlen, tehát nem lehet energiafelhasználás nélkül működő gépet készíteni.

1.2.1. Belső energia

A rendszer energiája két részből tevődik össze: mechanikai energiából és belső energiából. A belső energia a rendszer mikroszkopikus építőelemeinek a tömegközéppontra vonatkoztatott ki netikus és potenciális energiáinak összegeként adódik.

D E rendszer = D E mechanikai + U

A belső energiát (U) az irodalomban gyakran három részre bontják.

1.2.2. A termodinamika második főtétele

A második főtétel az állapotváltozások irányát leíró törvény. Szigetelt rendszerben az inhomogenitások által létrehozott makroszkopikus folyamatok (spontán folyamatok) mindig csökkentik a rendszerben lévő inhomogenitárokat. Hatásukra a rendszer az egyensúlyi állapothoz közeledik. A kiegyenlítődésre törekvés a termodinamika második főtétele.

Planck megfogalmazás szerint: lehetetlen olyan periodikusan működő gépet szerkeszteni, amely egy súlyt emel és eközben egy hőtartályt hűt, más effektus nélkül.

A műszaki gyakorlatban igen fontos a belső energia átalakítása mechanikai vagy más energiaformává (pl. belsőégésű motorok).

A természetben sok inhomogenitás van, amelyet fel tudunk használni energiaátalakításra, (a geotermikus energiaforrásoknál például a kilépő közeg nyomása és hőmérséklete nagyobb mint a környezet nyomá sa és hőmérséklete).

Kérdés azonban, hogy a belső energiát teljes egészében át tudjuk e alakítani más energiaformákká, vagy sem?

Ha például a hőmérséklet-különbséget használjuk, az energiaátalakítás folyamatát addig tudjuk fenntartani, amíg a rendszer egyensúlyba nem kerül környezete hőmérsékletével. Az egyensúly elérésével megszűnnek a számunkra hasznosítható f olyamatok és a rendszer belső energiája tovább nem alakítható át.

A belső energia soha nem alakítható át teljesen más energiaformákká.

A mechanikai, elektromos stb. energia viszont teljes egészében átalakítható belső energiává (pl. villamos ellenállás fűtés, Jule-kísérlete a mechanikai munka belső energiává alakítására stb.)

I. tananyagrész

Kötelező irodalom
 
1 SZŰCS ERVIN: Dialógusok a műszaki tudományokról 
Műszaki Könyvkiadó 
Budapest 
1976. 
Második beszélgetés:
Kölcsönhatások, Extenzív és intenzív mennyiségek
Harmadik beszélgetés:
A munka és a hő 
11-35. o. 
2 HARMATHA ANDRÁS: Termodinamika műszakiaknak 
Műszaki Könyvkiadó 
Budapest 
1982. 
Hajtóerők, áramok (31-32. o.)
A munka és a hő fogalma (32-33. o.)
Az első főtétel (49-59. o.)
A második főtétel (60-76. o.)
Ajánlott irodalom
 
1 lásd 2.  
 
Az entrópia (77-97. o.)
 
2 ATKINS PÉTER W.: Teremtés és szétesés 

Fizikai szemle 

1984 március-április, 81-87. o.

3 ATKINS PÉTER W.: A második főtétel 

Természet világa 

1985/2, 78-80. o.

Ellenőrző kérdések

1.2.3. Körfolyamatok

Az energetikában legtöbbször folyamatos energia-átalakító folyamatokra van szükség.

A folyamatos energiaátalakítás csak körfolyamatokkal valósítható meg.

A körfolyamat lényege, hogy energiaközléssel a technikai rendszer környezete és munkaközege között valamilyen inhomogenitást, a gyakorlatban általában hő- és nyomáskülönbséget hozunk létre. Az inhomogen itások hatására kiegyenlítődési folyamatok jönnek létre, amelyeket megfelelő kényszerfeltételekkel (technológiai eszközökkel) úgy irányítunk, hogy a belső energia minél nagyobb részét tudjuk más mechanikus, elektromos energiaformává átalakítani. (Ennek természetesen határt szab a környezettel való egyensúly.)

A környezettel való egyensúly elérésekor a munkaközeg állapota nem azonos kiindulási állapotával, tehát megfelelő folyamatokkal vissza kell juttatni oda, hogy a körfolyamatot megismételhessük.

Az energiaátalakításra felhasználást körfolyamatok lehetnek zártak (pl. hőerőművek vízgőz körfolyamata), vagy nyitottak, ahol az állapotváltoz(tat)ás i kör a környezeten keresztül záródik (pl. belsőégésű motorok).

1 .3.0. Energetika

Az energetika feladata: az energiaigények gazdaságos és biztonságos kielégítése.

Egy gazdasági egységre vonatkoztatva ez, az adott egység (üzem, ország stb.) technikai rendszerei energiainputjainak és -outputjainak a megfelelő műszaki paramétereken történő, gazdaságilag optimális bi ztosítását jelenti.

Az egység technikai rendszerei —direkt vagy indirekt módon— energiainputjaik és outputjaik révén kapcsolódhatnak egymáshoz, s alkotnak az egység méreteiből és technikai fejlettségi szintjétől függő b onyolultságban energiaáram-láncokból és -hálózatokból álló egységes rendszert.

Mindez lehetővé teszi az energiaáram-hálózat kapcsolódását más gazdasági egységek hasonló hálózataihoz, azaz a rendszerhatáron keresztüli energiainputot és -outputot, (-importot és -exportot) is.

l. ábra Az energetika területei

Az energiatermelés kifejezés természettudományos szempontból nem szerencsés, hiszen az energia-megmaradás törvénye értelmében "az energia nem vész el, csak átalakul." Szerencsésebb lenne az en ergiaátalakítások tervszerű sorozatáról beszélni.

A kifejezés a szaknyelvben meghonosodott, mert például a villamos energia előállításának, termelésének folyamatát —más ipari termelési folyamatok analógiájára— jól kifejezi.

Az energetika lényegéhez tartozik a biztonságosság és a gazdaságosság, tehát nem csak műszaki kategóriáról van szó, s így ha a fenti területeken (energiahordozók termelése, energiatermelés, -szállítás, -tár olás, -felhasználás) a tervezés, fejlesztés, gyártás, létesítés, üzemeltetés teljes rendszeréről beszélünk, akkor indokolt az energiagazdálkodás fogalom használata.

1.3.1. Energia a technikai rendszerekben

A technikai rendszerekben az energia munkatárgyként, valamint operációs- és segédenergiaként jelenik meg.

Az energia a munka tárgya, ha a technikai rendszer (fő)funkciója az energiaátalakítás, ami egyben azt is jelenti, hogy energiaoutputja (energia-kimenete) más technikai rendszer(ek) energiainputja (energia-bemenete), vagy pedig az energiát funkcionálisan, valamilyen emberi szempontból célszerű formában környezetének adja át. (Az energiahálózat energetikai outputja például egy izzó energetikai inputja, az izzó pedig az energiát funkcionálisan környezetének adja át, megvilágítja azt.)

Az energia operációs energia, ha közvetlenül a rendszer (fő)funkcióját jelentő technológiai feladat megvalósításához szükséges, azaz a munka tárgyát jelentő technológia feladat: anyag, és/vagy energi a és/vagy információ transzformálásához, (pl. esztergálásnál a forgácsleválasztáshoz szükséges energia).

A segédenergia a technológiai folyamat realizálásához szükséges körülmények létrehozásához, illetve fenntartásához szükséges, feladata tehát az összfunkció, s nem a főfunkció megvalósítása, (pl. a hű tőfolyadék keringetéséhez szükséges energia forgácsolásnál).

1.3.2. Technikailag releváns energiafajták

A technikailag releváns energiafajtákat ma a legtöbb szerző a mechanikai, kémiai, termikus, elektromos, sugárzási és a nukleáris energiákban látja.

Az ezekből összeállított JUSTI-féle mátrix (2. ábra) mezőibe valamennyi technikailag releváns energiaátalakítás besorolható, ami nem jelenti azt, hogy ne lenne —legalábbis a technika mai szintjén— néhán y üres mező is a mátrixban.
 

 
mechanikai energia
kémiai energia
termikus energia
sugárzási energia
elektromos energia
mag-energia
mechanikai energia
1.1
         
kémiai energia
 
2.2
       
termikus energia
   
3.3
     
sugárzási energia
     
4.4
   
elektromos energia
       
5.5
 
magenergia
         
6.6
2. ábra A technikailag releváns energiaátalakítások (JUSTI-féle)mátrixa.

1.3.3. Technikai rendszerek az energetikában

E technikai rendszerek (továbbiakban rendszerek) munkatárgya az energia. Funkciójuk, hogy a bemeneti energia(fajta), (azaz a bemeneti energiaáram domináns energiafajtája), megfelelő átalakítá s után további rendszerek energia-inputjaként szolgáljon, vagy
—megfelelő helyen és időben— a környezetbe kerülve emberi célokat elégítsen ki.

E rendszereknek négy, illetve bizonyos meggondolások alapján hat csoportja van.

 
II. tananyagrész

Kötelező irodalom
 
1 Lásd I/2.  
  Körfolyamatok 55-56. o.  
  A második főtétel, mint az állapotváltozások irányát leíró törvény 60-63. o.  
2 BOUSTEAD-HANCOCK: Ipari energianalízis 

Műszaki Könyvkiadó 

Budapest 

1983.

  Az energetikai vizsgálatok és a termodinamika 11-31. o.  
 
Ajánlott irodalom
 
1 lásd II/1  
  Mérlegegyenletek 53-65. o.  
2 lásd II/2.  
  Energetikai vizsgálatok és a rendszerek 41-48. o.  
 
Ellenőrző kérdések

[< Előző] | [Tartalomjegyzék] | [Következő >]