ЕНЕРГІЯ І ЇЇ ПРОЯВИ В ПРИРОДІ

Павука навчила людей користуватися енергією, прихованою в скарбницях землі.

Вона повинна вести людину в скарбниці неба і навчити його ловити там енергію сонячних променів.

К. Е. Ціолковський

Поняття енергії займає фундаментальне положення в структурі сучасного природознавства. Під енергією розуміють єдину міру різних форм руху матерії. Вона проявляється в безлічі різних видів.

У механіці розрізняють два види енергії: кінетичну і потенційну. Кінетичної енергією тіла називають енергію, яка є мірою його механічного руху і вимірювану тією роботою, яку мож зробити тіло при його гальмуванні до повної зупинки. потенційнаенергія визначається як властивість системи матеріальних тел здійснювати роботу при зміні положення або конфігурації тіл в системі Робота, що здійснюється консервативними силами при зміні конфігурації системи, тобто розташування всіх її частин по відношенню до систем відліку, не залежить від того, як було здійснено це зміна пр переході системи з початкової конфігурації в кінцеву, де систем мала різні значення енергії. Значить, робота може бути визначений як міра зміни енергії, а енергія - як здатність тіла здійснять роботу. Причому стосовно до механічних процесів повна енергі замкнутої консервативної системи тіл, що дорівнює сумі їх потенційної і кінетичної енергії, залишається величиною постійною. Таким чином, всяка зміна потенційної і кінетичної енергії є перетворення потенційної енергії в кінетичну, а кінетичної в потенційну. У разі механічного руху передача енергії станься в формі роботи в процесі силового взаємодії тел.

У разі, коли крім консервативної сили, яка залежить тільки від положення тіла, в системі діють і сили тертя, будь-яка робота чинена над тілом ззовні, дорівнює сумі збільшень кінетичної потенційної і внутрішньої енергії. Отже, механічна енергія при терті переходить у внутрішню енергію, що сопровождаетс зміною стану, ступеня нагретости або об'єму тіла. Величин внутрішньої енергії (II) можна збільшити двома еквівалентними способами - здійснюючи над тілом механічну роботу (А) або повідомляючи їм кількість теплоти ((2). При цьому Д і = А + ().

Отже, кількість теплоти є мірою зміни внутрішньої енергії тіла і висловлює теплову енергію. Встановлено еквівалент між кількістю теплоти і роботою. Теплота може передаватися від тіла до тіла переходити в роботу, виникати при терті, але при цьому вона не являетс зберігається величиною. Механічна і теплова енергія - це тольк дві з багатьох форм енергії. Все, що може бути перетворено в якусь ліб з цих форм, є теж форма енергії. Хімічні реакції протекаю з виділенням або поглинанням теплоти, показуючи взаємоперетворення хімічної енергії і теплоти. Роботи Фарадея і Ленца привели до відкриття взаємоперетворення електричної і магнітної енергії. Вивчення Пельтьє і Ленцем процесів, що відбуваються в контактах двох металевих провідників, свідчать про взаимопревращении електричне енергії і теплоти. Джоуль встановлює співвідношення між величинами кількості теплоти, що виділяється при проходженні електричного струму через провідник, і величиною самого струму і опору провідник (закон Джоуля - Ленца).

Електрична і магнітна енергія можуть проявлятися як єдина електромагнітна енергія. В окремому випадку електромагнітну енергі випускають нагріті тіла, прикладом служить сонячна енергія. Іноді сонячну енергію розглядають лише як пряме сонячне випромінювання яке накопичується на Землі у вигляді гідроенергії та енергії викопного палива. Інтенсивність сонячної енергії на поверхні Земл в середніх широтах в літню пору становить приблизно 1 кВт / м 2 . Есл 0,1% всієї поверхні Землі перетворює цю сонячну енергію в електричну за ефективністю 5%, то електрична енергія, що генерується щороку, буде в 40 разів більше сучасного річного рівня споживання її у всьому світі.

У теорії відносності було показано, що енергія спокою є енергетичним виразом маси тіла, що знаходиться в стані спокою А Ейнштейн показав, що енергія спокою тіла з масою т 0 дорівнює Е 0 = т 0 з 2 Відповідно до цієї формули один грам речовини володіє енергією поко 910 13 Дж (10 33 еВ). У звичайних умовах колосальна енергія поко перебуває ніби в прихованому стані. Умови, при яких можливо звільнення всієї енергії спокою речовини, вельми незвичайні: кожен атом тіла повинен зустрічатися з антиатоми антитіла. При такій зустрічей відбудеться процес анігіляції, тобто перетворення енергії спокою шпалери тел в іншу форму енергії (наприклад, в енергію спокою і кінетичної енергії утворюються при анігіляції легших, ніж нуклони частинок). Зрозуміло, анігіляція елементарних частинок поки практичного значення (як джерело енергії) не має, так як для создани умов, при яких вона може відбуватися, доводиться затрачіват незмірно більше енергії, ніж її виділяється при анігіляції.

Далеко не всі речовини придатні як джерела енергії, і величина енергії, що виділяється речовинами має істотні відмінності. Наприклад, величина енергії, необхідної для того, щоб утримувати валентний електрон в атомі, становить всього кілька електрон-вольт (еВ) в той час як величина енергії, що зв'язує нуклони (протони і нейтрони) в атомному ядрі, досягає близько 10 млн на кожен нуклон отже, енергія, що вивільняється на один атом при спалюванні викопного палива, становить кілька електрон-вольт, в той час ка енергія, що вивільняється в результаті ядерних взаємодій, обчислюється мільйонами електрон-вольт (МеВ).

Хімічна реакція (хімічна енергія):

Реакція поділу ядер (атомна енергія):

Реакція синтезу ядер (термоядерна енергія):

Повна енергія, запасені в усіх діляться матеріалах, має такий же порядок величини, що й енергія, запасені в усіх родовищах викопних палив. Енергія ж, що виділяється в результаті синтез ядер, практично необмежена.

Сучасна енергетика в основному базується на горючих копалин, якими є кам'яне і буре вугілля, сланці, торф, нафта і газ. В даний час в світі видобувається близько 7 млрд т условног палива в рік. З тієї енергії, яка виробляється з органіческог палива, близько 25% витрачають транспорт (автомобільний, авіаційний залізничний, морський) і сільськогосподарські машини, 30-35% В споживають теплові електростанції, близько 30% йде в металургійної та хімічної промисловості, в машинобудування і виробництво будматеріалів і не більше 10% витрачається на побутові потреби. Природні запаси органічного палива поки що великі, але не безмежні Вважають, що з урахуванням постійного, але все зменшується поповнення цих запасів їх вистачить ще на 80 років або, але іншими даними, на 120-140 років. Тому давно і цілком природно постало питан про нові джерела енергії. Вирішується це питання в багатьох напрямках. Найбільш надійним з них вважається розширення перспектив залучення гідроресурсів, частка яких в стаціонарній енергетиці сегодн становить 17%. Але розширення мережі гідроелектростанцій возможн лише до певної межі, дозволеного екологічними нормами Ця межа стосовно великих річках нашої країни досягнуть хоча в Дагестані є ще резерви. Ставиться завдання використання енергії припливів і відливів морів, енергії вітру і хвиль. Чи не прекращаетс пошук нових запасів нафти на шельфах морського узбережжя. Але спалювання навіть і видобуваються нині 7 млрд т органічного палива веде до викид в атмосферу 15-17 млрд т вуглекислого газу з домішками СО і навіть Б0 з усіма наслідками, що випливають звідси наслідками.

У зв'язку з цим в даний час особливо привабливим є процес перетворення енергії спокою в кінетичну енергію ( «перетворення маси в енергію»). Так як при звичайних умовах будь-яке тіло має величезний резервом невикористаної енергії спокою Е 0 = т 0 з 2 , то навіть мізерно мале зменшення маси спокою повинно призводити до помітному зростанню кінетичної енергії. Атомна енергія виходить за рахун «переробки» приблизно 0,1% маси найважчої з Викорис в природі елементів - урану, термоядерна енергія - за рахунок переробки частини маси найбільш легких елементів, наприклад дейтерію. У каждо з цих напрямків є два завдання: миттєве і повільне перетворення маси в енергію. У першому напрямку повністю вирішені обидва завдання: В вчені та інженери вміють вивільняти атомну енергію як в миттєвому процесі вибухового типу (атомна бомба), так і в повільному керований процес (ядерний реактор). Сьогодні атомна енергія широко використовується в науці, промисловості і на транспорті. У другому напрямках поки вирішена тільки половина завдання - термоядерну енергію научіліс вивільняти в миттєвому процесі вибухового типу (воднева бомба) Здійснення процесу повільного керованого термоядерного синтез виявилося настільки важким завданням, що зараз не можна навіть приблизно вказати, коли вона буде вирішена. Але вона буде вирішена, так як пов труднощі, мабуть, не носять принципового характеру.

Будь-яке атомне ядро складається з певної кількості протонів (2М) і нейтронів (А - X), утримуваних разом ядерними силами тяжіння (сильні взаємодії). Ядерні сили відрізняються дуже великий вибір інтенсивністю на відстанях ~ 10 13 см і надзвичайно швидко слабшають з ростом відстані. Так як для поділу ядра на нуклони (протони і нейтрони) треба зробити роботу з подолання ядерпих сі тяжіння, то енергія атомного ядра менше енергії тих нуклонів з яких ядро складається. Оскільки енергія і маса пов'язані співвідношенням Е = т . з 2 , то маса атомного ядра також менше сумарної маси все складових його нуклонів. Різниця їх значень, виражена в енеше-тичних одиницях, називається енергією зв'язку Д1Т. вона дорівнює

212

Енергія зв'язку будь-якого ядра позитивна, і вона повинна складати помітну частину, приблизно рівну 1% від його енергії спокою. Якщо ж необхідно визначити точні значення для різних ядер і подсчітат їх за наведеною формулою, то можна переконатися, що вони досить сильн коливаються, особливо у легких ядер. Частка, яку становить енергія взаємодії нуклонів від енергії спокою, залежить від числа взаємодіючих нуклонів. З ростом числа нуклонів вона спочатку зростає а потім зменшується. Іншими словами, нуклони особливо міцно пов'язаний в середніх (по вазі) ядрах, слабкіше - у важких і дуже легких ядрах. Головна причина відмінності в енергії зв'язку різних ядер полягає в наступному. Все нуклони, з яких складається ядро, можна умовно розділить на дві групи: внутрішні та поверхневі. Внутрішні нуклони оточені сусідніми нуклонами з усіх боків, поверхневі ж - тольк з внутрішньої сторони. Тому внутрішні нуклони взаємодію з іншими нуклонами сильніше, ніж поверхневі. Але відсоток внутрішніх нуклонів особливо малий у легких ядер (у найлегших ядер нд нуклони можна вважати поверхневими) і поступово увелічіваетс в міру їх обважнення. Тому енергія зв'язку повинна рости вмест з ростом числа нуклонів в ядрі. Однак це зростання не може продолжатьс дуже довго, тому що починаючи з деякого досить великого числ нуклонів (А = 50-60) кількість протонів в ядрі стає настільки великим, що робиться помітним їх взаємне відштовхування навіть на фон сильного ядерного тяжіння. Це відштовхування і призводить до зниження р енергії зв'язку у важких ядер. Тому ядра одних атомів стійкі, стабільні, а інших атомів хімічних елементів - нестійкі і нестабільні.

Зі сказаного зрозуміло і те, звідки береться енергія при синтезі легких ядер; так само як при розподілі важких, виходять більш міцні (більш стійкі) ядра (з більшою взаимосвязанностью нуклонів), ніж вихідні. Тому при злитті легких ядер повинна виділятися енергія.

Кількість енергії синтезу, що припадає на одиницю маси, може в кілька разів перевищувати питому енергію ділення.

Добре відомо, що цілий ряд атомних ядер елементів з числа зустрічаються в природі, наприклад радій, уран, торій та ін., Мають здатність мимовільно випускати а-частинки, електрони і у-кванти Такі ядра і елементи називаються радіоактивними. Про них говорять, чт вони володіють природною радіоактивністю. Крім того, штучні шляхом було отримано безліч радіоактивних ядер. Явище самовільного перетворення одних атомних ядер в інші, сопровождаемости випусканням елементарних частинок, називають радіоактивністю. Таки перетворення зазнають тільки нестабільні ядра.

До числа радіоактивних процесів відносяться:

  • 1. а-Розпад.
  • 2. р-Розпад (в тому числі електронний захоплення).
  • 3. у-Випромінювання ядер.
  • 4. Спонтанне ділення ядер.
  • 5. Протонна радіоактивність.

У 1934 р Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі виявили, що у деяких речовин (А1, В, М§) здатність випускати позитрони зберігається на деякий час і після того, як опромінення а-частками вже припинено Вивчення цього явища показало, що за своїми властивостям воно аналогичн природної радіоактивності важких елементів. Радіоактивність, що спостерігається у ядер, що існують в природних умовах, називається природною. Радіоактивність ядер, отриманих за допомогою ядерних реакцій називається штучною. Між штучною і природною радіоактивністю немає принципової різниці. Процес радіоактивного перетворення в обох випадках підпорядковується однаковим законам. У всіх видах радіоактивного перетворення виконуються закони збереження енергії, імпульсу моменту кількості руху, електростатичного, баріонів і лептон-ного зарядів. Механізм радіоактивного розпаду наведено на рис. 10.2.

Механізм радіоактивного розпаду

Мал. 10.2. Механізм радіоактивного розпаду

Однією з найбільш чудових ядерних реакцій є реакція поділу - реакція розщеплення атомного ядра на дві приблизно рівні але масі частини (осколки поділу). Важкі ядра (2> 90) діляться ка мимовільно (спонтанне ділення), так і примусово (вимушене розподіл). На відміну від спонтанного вимушене розподіл відбувається практично миттєво (? <10 -14 с). Для вимушеного поділу отруті з 2> 90 досить їх попередньо слабо порушити, наприклад опромінені нейтронами з енергією близько 1 МеВ. Деякі ядра, наприклад уран-235 діляться навіть під дією теплових нейтронів.

Маса (а значить, і енергія) ділиться ядра значно перевищує суму мас осколків. У зв'язку з цим при розподілі звільняється очен велика енергія - (2 «200 МеВ, значну частину якої (« 170 МеВ) В забирають осколки у вигляді кінетичної енергії. Осколки поділу маю великий надлишок нейтронів. Тому вони мають р-радіоактивним ланцюжками з продуктів поділу , а також випускають миттєві (два-тр на один акт урану) і запізнілі ( «1% миттєвих) нейтрони.

Велике енерговиділення, випускання кількох нейтронів, можливість поділу при невеликому порушенні ядра дозволяють здійснити цінну реакцію ділення. Ідея ланцюгової реакції поділу полягає в використанні вилетіли в процесі ділення нейтронів для ділення нових ядер з утворенням нових нейтронів і т.д. Для наростання цепног процесу необхідно, щоб відношення числа нейтронів в двох послідовних положеннях (так званий коефіцієнт розмноження нейтронів К) було більше одиниці > 1).

Значення коефіцієнта розмноження залежить від числа нейтронів, що випускаються в одному акті поділу; від ймовірності їх взаємодії з ядрами урану і інших елементів при різних енергіях; від конструкції і размеро реакторної установки. Зокрема, активна зона реактора (область, гд розвивається ланцюгова реакція) повинна мати розміри не менше деякого критичного розміру.

Ланцюгова реакція, що протікає в уран-графітовому реакторі на теплових нейтронах при До «1,005, відноситься до класу повільних керованих ланцюгових ядерних процесів. Природний уран не придатний для здійснення швидкого ланцюгового ядерного процесу вибухового типу на швидкі нейтронах. Такий процес був здійснений в 1945 році на чистому ізотоп урану-235 і на що володіє аналогічними властивостями ізотопі плутонію-239 - трансуранового елемента плутонію.

Принцип роботи атомної бомби полягає в дуже швидкому зближенні кількох порцій ядерного пального, загальна кількість яких після їх об'єднання перевершує за масою і розмірами критичні значення. Енергетична ефективність атомної бомби приблизно в мільйон разів перевищує ефективність звичайної бомби.

Після закінчення Другої світової війни основні зусилля вчених-атомників були спрямовані на освоєння атомної енергії для мирних цілей. У 1954 р у нас в країні пущена перша в світі атомна електростанція, в 1957 р спущений на воду атомний криголам. У сьогодення атомна енергія застосовується практично у всіх областях народног господарства і науки та вносить все більший внесок в світову енергетику Побудовано та працює багато ядерних реакторів різних типів (на теплових, проміжних і швидких нейтронах) з різними сповільнювач (графіт, вода, важка вода, берилій та ін.) і зовсім без сповільнювач (на швидких нейтронах), з різним ядерним пальним (природний уран збагачений уран, плутоній і ін.). Вони використовуються і для получени енергії (атомні електростанції, суду та ін.), І для різних наукові досліджень. І хоча чорнобильська трагедія різко заглушила ейфорії від успіхів атомної енергетики, її розвиток обіцяє надалі широкі можливості в електрифікації, теплофікації і навіть хімізації Проблеми надійності роботи атомних електростанцій і їх безаварійності більш за все пов'язані з вирішенням питань захисту атомних реакторо від зовнішніх екстремальних впливів (наприклад, в умовах пожежі) у і захоронення радіоактивних відходів. Але в найближчій перспектив у міру розвитку ядерної енергетики і радіохімії сховища ізотопів тобто осколків ядерного ділення, можуть перетворитися в осередки виробництв найцінніших елементів, зокрема платиноїдів. Сьогодні ізотопи легкі платинових металів, що утворюються в процесі ділення ядер урану і плутонію на атомних станціях, доставляють клопоти: куди б їх подалі заховати і ізолювати. Але радіохімія, що вивчає хімічні властивостей і хімічні перетворення радіоактивних речовин, вже найближчим часом повинна вирішити задачу виділення цих цінних металів і очищені їх від радіоактивних домішок.

І все-таки сучасні електростанції не можна вважати найбільшим досягненням атомної енергетики та енергетики взагалі, хоча вони сегодн вносять близько 12% вкладу в загальний енергетичний баланс. Їх недолік -В не тільки в небезпеці, подібної чорнобильську катастрофу, а ще й в тому що в якості ядерного палива використовується ізотоп урану-235, частка якого в природному урані становить усього 0,7%. Тому розвиток атомно енергетики на основі сучасного покоління АЕС визначається ресурсів урану, які з енергетичного запасу можна порівняти із запасами нафти.

Крім реакції поділу важких ядер, існує ще один спосіб звільнення внутрішньоядерної енергії - реакції синтезу легких ядер. Величина енерговиділення в процесі синтезу настільки велика, що при велико концентрації взаємодіючих ядер її може виявитися досить дл виникнення ланцюгової термоядерної реакції. У цьому процесі швидко тепловий рух ядер підтримується за рахунок енергії реакції, а сам реакція - за рахунок теплового руху. Для досягнення необхідної кінетичної енергії температура реагує речовини повинна бути очен високою (10 7 -10 8 К). При такій температурі речовина знаходиться в стані гарячої, повністю іонізованої плазми, що складається з атомних ядер і електронів. Абсолютно нові можливості відкриваються пере людством із здійсненням термоядерної реакції синтезу легких елементів. Можна уявити собі три способи здійснення цієї реакції:

  • 1. Повільна термоядерна реакція, мимовільно проісходяща в надрах Сонця та інших зірок.
  • 2. Швидка самопідтримується термоядерна реакція некерованого характеру, яка відбувається під час вибуху водневої бомби.
  • 3. Керована термоядерна реакція.

Некерована термоядерна реакція - це воднева бомба, вибух якої відбувається в результаті ядерного взаємодії:

приводить до синтезу ізотопу гелію Чи не 3 , що містить в ядрі два протони і один нейтрон, і звичайного гелію Чи не 4 , що містить в ядрі два протони і два нейтрони. Тут п - це нейтрон, а р - протон, Д - дейтерій і Т - тритій. При обох реакціях Д + Д і Д + Т виділяється величезна кількість тепла: один грам газу, «згораючи», утворює стільки енергії скільки виходить при згорянні приблизно 12 т вугілля! Реакції протекаю при температури 10 7 -10 8 К. Тому утримувати настільки високо розігріту масу, що складається з ядер, протонів і нейтронів (вона отримала названі плазми), неможливо ні в якому котлі, виготовленому з як завгодно жароміцного матеріалу. Ця обставина виявилася головною перешкодою на шляху здійснення керованої термоядерної реакції.

Але вже в 1950-х рр. вітчизняні фізики першими висунули і експериментально обгрунтували принцип магнітної ізоляції ядерної плазми, яка дозволяє зменшити теплопередачу від плазми до стінок реактора. Згодом була сконструйована установка «токамак» - тороїдальна камера магнітного утримання ядерної плазми як ступен до вирішення завдання - управління термоядерної реакцією.

Однак чим далі заглиблювалися дослідження щодо вирішення цієї задачі, тим більше з'явилося нових труднощів. І хоча вчені - фізики наше країни, США, Англії та інших держав просунулися в цьому напрямку досить далеко, кінцева мета, як вони тепер вважають, може побут досягнута не раніше ніж через 100 років.

Але існують і інші перешкоди на шляху термоядерної енергії, головним з яких є можливий перегрів поверхні Земл в результаті виділення тепла термоядерними реакторами. Власне, реч йде про розумних екологічних обмеженнях виробництва термоядерної енергії в межах не більше ніж 5% від сонячної енергії, поглощаемости Землею (рис. 10.3). Але навіть і в цих межах виробництво термоядерної енергії підвищує розігрів земної поверхні на 3,7 °. Вважають, що розігрів вище цієї граничної температури може призвести до суттєвого зміни клімату всієї нашої планети, навіть до всесвітнього потопу за рахун танення льодів Антарктиди і Гренландії. Так що потрібні заходи з пошуку екологічно бездоганних і практично невичерпних джерел енергії.

Розподіл сонячної енергії на Землі

Мал. 10.3. Розподіл сонячної енергії на Землі

Найраціональнішої з таких заходів є використання сонячної енергії. Цей захід ніколи не призведе до перегріву Землі п до забруднення її атмосфери, поверхні і океанів. Сонце щомиті посилає на Землю 4 трлн калорій тепла. Близько половини його рассеіваетс і поглинається атмосферою і близько 10% затримується в крапельно-рідкі і пилових хмарах. І все ж залишається частка доходить до поверхні сонячної енергії виявляється грандіозної, в десятки разів перевищує гранично допустимий виробництво термоядерної енергії.

Відомі в наш час способи перетворення сонячної енергії в ті види, які можна використовувати в енергетиці, умовно ділять на чотири типи: теплотехнічні, фізичні, хімічні та біологічні. Сьогодні найпоширенішими є теплотехнічне способи. Але вони знаходяться в залежності від кліматичних умов а їх ККД при перетворенні теплової енергії в електричну і механічну не перевищує 5%. Фізичні перетворювачі сонячної енергії, в основі яких знаходяться напівпровідникові фотоелементи, пок не знайшли широкого застосування. Вони використовуються в космічних кораблях. А побудовані на базі крем'яних фотоелементів як досвідчені наземні електростанції видають енергію, яка приблизно в 100 ра дорожче електроенергії, одержуваної на атомних станціях.

Біологічне перетворення сонячної енергії відбувається в результаті фотосинтезу, що відбувається в рослинах. Завдяки цьому на Землі утворилися копалини палива. Хоча на фотосинтез витрачається менше 1% всієї сонячної енергії, що падає на Землю, урожай зеленої мас рослин за рік по своїй калорійності приблизно дорівнює видобувається за одного з надр Землі пальним копалиною.

В даний час стала актуальною задача хімічного перетворення сонячної енергії, тобто акумулювання і запасання сонячної енергії методом фотосинтезу. В цьому відношенні представляє інте отримання на основі перетворення сонячної енергії водню з води Розробляються нині штучні молекулярні фотокаталітіче-ські системи все більше наближаються до природних фотосінтезірующі об'єктів не тільки але принципом їх дії, а й але самої організаці систем. Тому, можливо, в недалекому майбутньому вдасться відтворити в штучних умовах здатність фотосинтезуючого апарату рослин запасати сонячну енергію у вигляді енергії хімічного палив з одночасним виділенням кисню і ККД, близьким до 40-50% У всякому разі, широкомасштабне перетворення сонячної енергі в енергію хімічних палив поставлено на чергу дня. Водень є висококалорійним та екологічно чистим паливом. Він зручний і для стаціонарної, і для транспортної енергетики. Безперечно, це -В універсальне паливо енергетики майбутнього.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >