Номер 21.17, страница 107 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 21. Электромагнитная индукция. Производство и передача электроэнергии - номер 21.17, страница 107.

Условие.

21.17. Каковы основные этапы производства и передачи электроэнергии? Опишите, какие преобразования энергии происходят на каждом из этих этапов.

Решение.

Решение

Процесс производства и передачи электроэнергии можно разделить на несколько основных этапов, на каждом из которых происходят определённые преобразования энергии.

1. Производство (генерация) электроэнергии на электростанциях.

На этом этапе происходит преобразование различных видов энергии в электрическую. Основным устройством для этого является электрогенератор, который преобразует механическую энергию вращения в электрическую. Способ получения этой механической энергии зависит от типа электростанции:

• Тепловые электростанции (ТЭЦ, ГРЭС): Сначала химическая энергия топлива (уголь, газ, мазут) при сгорании преобразуется в тепловую. Эта тепловая энергия используется для нагрева воды и превращения её в пар под высоким давлением (внутренняя энергия пара). Пар вращает лопасти турбины, преобразуя свою внутреннюю энергию в кинетическую (механическую) энергию вращения турбины. Турбина, в свою очередь, вращает ротор генератора, где механическая энергия преобразуется в электрическую.
Цепочка преобразований: Химическая энергия → Тепловая энергия → Внутренняя энергия пара → Кинетическая энергия турбины → Электрическая энергия.

• Атомные электростанции (АЭС): Процесс схож с ТЭЦ, но источником тепловой энергии служит не сжигание топлива, а управляемая ядерная реакция деления тяжелых ядер (например, урана).
Цепочка преобразований: Ядерная энергия → Тепловая энергия → Внутренняя энергия пара → Кинетическая энергия турбины → Электрическая энергия.

• Гидроэлектростанции (ГЭС): Используется потенциальная энергия воды, накопленной в водохранилище на большой высоте. Падая вниз, вода преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую. Поток воды вращает лопасти гидравлической турбины (кинетическая энергия воды → кинетическая энергия турбины), которая соединена с генератором, вырабатывающим электрическую энергию.
Цепочка преобразований: Потенциальная энергия воды → Кинетическая энергия воды → Кинетическая энергия турбины → Электрическая энергия.

2. Повышение напряжения перед передачей.

Сразу после генератора электроэнергия поступает на повышающий трансформатор. Здесь электрическая энергия одного напряжения преобразуется в электрическую энергию другого, гораздо более высокого напряжения (сотни тысяч вольт). Это необходимо для уменьшения потерь энергии при передаче на большие расстояния. Потери мощности в проводах пропорциональны квадрату силы тока ($P_{\text{потерь}} = I^2R$). Повышая напряжение, уменьшают силу тока, что значительно сокращает потери на нагрев проводов.

3. Передача электроэнергии по линиям электропередачи (ЛЭП).

Электроэнергия под высоким напряжением передается по проводам ЛЭП на большие расстояния от электростанций к потребителям. На этом этапе происходит частичное преобразование электрической энергии в тепловую из-за сопротивления проводов. Это неизбежные потери энергии.

4. Понижение напряжения и распределение.

Вблизи населенных пунктов и промышленных объектов на понижающих подстанциях высокое напряжение ступенчато понижается с помощью трансформаторов до более низких и безопасных значений. Сначала до десятков тысяч вольт для распределения по районам города, а затем до бытового уровня (например, 220 В) для конечных потребителей. На этом этапе также происходят преобразования электрической энергии (с одного напряжения на другое) с небольшими потерями в виде тепла в трансформаторах.

На последнем шаге, у потребителя, электрическая энергия преобразуется в другие необходимые виды: в световую (лампы), тепловую (нагреватели), механическую (электродвигатели), звуковую (динамики) и т.д.

Ответ: Основные этапы производства и передачи электроэнергии включают: 1) генерацию электроэнергии на электростанциях, где различные виды энергии (химическая, ядерная, потенциальная энергия воды) преобразуются в механическую, а затем в электрическую; 2) повышение напряжения с помощью трансформаторов для минимизации потерь; 3) передачу электроэнергии по высоковольтным линиям электропередачи; 4) понижение напряжения на подстанциях для последующего распределения потребителям. На каждом этапе происходят преобразования энергии: на станциях — из неэлектрических видов в электрическую, на трансформаторных подстанциях — изменение параметров электрической энергии (напряжения и тока), а при передаче по ЛЭП — частичное преобразование электрической энергии в тепловую (потери).