Перспективы энергетики с точки зрения термодинамики

Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М. Ф. Решетнева

Институт машиноведения и инноватики

Кафедра управления качеством и сертификации

Курсовая работа

по дисциплине «Теоретические основы

прогрессивных технологий»

Тема: «Перспективы энергетики с точки зрения термодинамики»

Выполнил: студент ЭЗУ-91/3

Сычева Н.Р.

Проверил: доц., к.т.н.

Снежко А. А.

Красноярск, 2010г.

КУРСОВАЯ РАБОТА

Сычева Наталья Рафаиловна, студентка группы ЭЗУ-91/3.

На тему: «Перспективы энергетики с точки зрения термодинамики». Курсовая работа по дисциплине« Теоретические основы прогрессивных технологий», -город Красноярск; Сибирский Государственный Аэрокосмический университет.

В данной курсовой работе рассматривается вопрос развития энергетики (перспектив) с точки зрения термодинамических законов. Работа состоит из двух пунктов, в которых рассмотрены основные темы, способствующие раскрытию темы данной работы.

Курсовая работа состоит из введения, основной части, заключения и списка литературы по данной проблематике.

Содержание

Содержание……………………………………………………………………3

Введение………………………………………………………………………4

1. Законы термодинамики……………………………………………………5

1.1 Первый закон термодинамики………………………………………...5

1.2 Второй закон термодинамики…………………………………………8

1.3 Третий закон термодинамики………………………………………..14

2. Перспективы энергетики………………………………………………....18

2.1 Солнечное излучение………………………………………………...18

2.2 Биомассовая энергетика……………………………………………..20

2.3 Энергия воды…………………………………………………………20

2.4 Энергия водорода…………………………………………………….21

2.5 Геотермальная энергия………………………………………………24

Заключение…………………………………………………………………..26

Список использованной литературы……………………………………….27

Введение

Современная термодинамика занимает особое место в естествознании, частности является теоретической основой всей современной энергетики.

Исторически термодинамика возникла в результате требований, предъявляемых к физике со стороны теплотехники в связи с практической необходимостью найти теоретические основы для создания тепловых машин, в частности тепловых двигателей, определения путей повышения их мощности и экономичности.

В начале своего становления термодинамика ограничивалась рассмотрением узкого круга вопросов, связанных с требованиями теплотехники, о взаимопревращениях теплоты и механической работы. Теперь термодинамика намного расширила свои пределы. Взаимные превращения теплоты в химическую и электрическую энергию, электрохимические превращения, взаимопревращения тепла и электричества в энергию электромагнитного излучения – вот новые предметы изучения термодинамики.

Современная термодинамика представляет собой обширный и разнообразный по своему применению раздел естествознания.

Актуальностью выбранной темы является то, что огромные природные резервы человечество тратило постепенно в течение тысячелетий своего существования. Технический процесс непрерывно увеличивает скорость истощения этих запасов. Вот почему все чаще начинают раздаваться голоса о перспективе энергетического голода и целесообразности экономии природных ресурсов. И это толкает ученых и инженеров на поиски новых путей, которые помогут удовлетворить будущие потребности в энергии.

Были поставлены задачи: рассказать о трех законах термодинамики, рассмотреть различные перспективы энергетики.

1. Законы термодинамики

1.1 Первый закон термодинамики

Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии к термодинамическим процессам) гласит: при сообщении термодинамической системе например, пару в тепловой машине) определенного количества теплоты в общем случае происходит при превращении внутренней энергии системы и она совершает работу против внешних сил.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии для тепловых процессов) определяет количественное соотношение между изменением внутренней энергии системы дельта U, количеством теплоты Q, подведенным к ней, и суммарной работой внешних сил A, действующих на систему.

Первый закон термодинамики - Изменение внутренней энергии системы при ее переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенного к системе извне, и работы внешних сил,

действующих на нее:

Первый закон термодинамики - количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

Частные случаи первого закона термодинамики для изопроцессов.

При изохорном процессе объем газа остается постоянным, поэтому газ не совершает работу. Изменение внутренней энергии газа происходит благодаря теплообмену с окружающими телами:

При изотермическом процессе количество теплоты, переданное газу от нагревателя, полностью расходуется на совершение работы:

При изобарном расширении газа подведенное к нему количество теплоты расходуется как на увеличение его внутренней энергии и на совершение работы газом:

Адиабатный процесс - термодинамический процесс в теплоизолированной системе.

Теплоизолированная система - система, не обменивающаяся энергией с окружающими телами.

Формула КПД теплового двигателя:

Здесь Q1 - количество теплоты, полученное рабочим телом,
Q2 - количество теплоты, отданное холодильнику.

A - полезная работа.

Формула Карно для оценки максимального КПД теплового двигателя:

T1 - температура нагревателя, T2 - температура холодильника.1

Цикл Карно 1

Выше отмечалось, что первым, кто поставил теплоту в связь с работой, был Карно, но его работа в силу запоздалой публикации не оказала решающего воздействия на формирование первого начала термодинамики. Однако идея о том, что теплота - не субстанция, а сила ( энергия),одной из форм которой и является теплота, причем эта сила, в зависимости от условий, выступает в виде движения, электричества, света, магнетизма, теплоты, которые могут превращаться друг в друга, существовала в умах исследователей. Для превращения этой идеи в ясное и точное понятие, необходимо было определить общую меру этой силы.

Это сделали независимо друг от друга, Р.Майер, Д. Джоуль и Г. Гельмгольц. Р. Майер первым сформулировал закон эквивалентности механической работы и теплоты и рассчитал механический эквивалент теплоты (1842 г.) Д. Джоуль экспериментально подтвердил предположение о том, что теплота является формой энергии и определил меру превращения механической работы в теплоту. Г. Гельмгольц в 1847 г. Математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер. Подход всех трех авторов закона сохранения энергии был различным. Майер отталкивался больше от общих положений, связанных с аналогией между ”живой силой” (энергией), которые приобретали тела при своем падении

___________________

1 http://interlibrary.narod.ru/Доброборский Б.С.Термодинамика биологических систем. 

Глава 1.Термодинамика и «Всеобщий закон биологии» Бауэра

в соответствии с законом всемирного тяготения, и теплотой, которую отдавали сжатые газы.

Джоуль шел от экспериментов по выявлению возможности использования электрического двигателя как практического источника энергии (это обстоятельство и заставляло его задуматься над вопросом о количественной эквивалентности работы и теплоты). Г.Гельмгольц пришел к открытию закона сохранения энергии, пытаясь применить концепцию движения Ньютона к движению большого числа тел, которые находятся под влиянием взаимного притяжения. Его вывод о том, что сумма силы и напряжения (т.е. кинетической и потенциальной энергией) остается постоянной, является формулировкой закона сохранения энергии в его наиболее общей форме. Этот закон - величайшее открытие XIX века. Механическая работа, электричество и теплота – различные формы энергии. Д Бернал так охарактеризовал его значение: ”Он объединил много наук и находился в исключительной гармонии с тенденциями времени“.

Энергия стала универсальной валютой физики – так сказать, золотым стандартом изменений, происходивших во вселенной. То, что было установлено представляло собой твердый валютный курс для обмена между валютами различных видов энергии: между калориями теплоты, килограммами работы и киловатт- часами электричества. Вся человеческая деятельность в целом – промышленность, транспорт, освещение и, в конечном счете, питание и сама жизнь – рассматривалась с точки зрения зависимости от этого одного общего термина – энергия.

1.2 Второй закон термодинамики.

Второе начало термодинамики – закон возрастания энтропии. В замкнутой (т.е. изолированной в тепловом и механическом отношении) системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигаем максимума. Существуют и другие эквивалентные формулировки второго начала термодинамики, принадлежащие разным ученым: невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу, более нагретому, без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р. Клаузиус); невозможно создать периодически действующую, т.е. совершающую какой-либо термодинамический цикл, машину, вся работа которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соответствующему охлаждению теплового резервуара (В. Томсон, М. Планк); невозможно построить вечный двигатель второго рода, т.е. тепловую машину, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного “неисчерпаемого” источника (океана, атмосферы и т.д.) в работу ( В. Оствальд). В. Томсон (лорд Кельвин) Сформулировав принцип невозможности создания вечного двигателя второго рода, в 1852 году пришел к формированию концепции “тепловой смерти” вселенной. Во-вторых восстановление механической энергии в прежнем количестве не может быть осуществлено. В – третьих, в будущем Земля очутится в непригодном для жизни человека состоянии.

Через 20 лет Клаузиус приходит к тому же выводу, сформулировав второе начало термодинамики в виде: энтропия вселенной стремиться к максимуму. (Под энтропией он понимал величину, представляющую собой сумму всех превращений, которые должны были иметь место, чтобы привести систему в ее нынешнее состояние.) Суть в том, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать или оставаться постоянной. Иначе говоря, во всякой изолированной системе тепловые процессы однонаправлены, что и приводит к увеличению энтропии.

Параметр, который характеризует общее число этих состояний, и есть энтропия.

Рассмотрим это на простом примере.

Пусть изолированная система состоит из двух тел «1» и «2», обладающих неодинаковой температурой T1 > T2. Тело «1» отдает некоторое количество тепла Q , а тело «2» его получает. При этом идет тепловой поток от тела «1» к телу «2». По мере уравнивания температур увеличивается суммарное количество элементарных частиц тел «1» и «2», находящихся в тепловом равновесии.

По мере увеличения этого количества частиц увеличивается и энтропия. И как только наступит полное тепловое равновесие тел «1» и «2», энтропия достигнет своего максимального значения. Таким образом, в замкнутой системе энтропия S при любом реальном процессе либо возрастает, либо остаётся неизменной, т. е. изменение энтропии S  0. Знак равенства в этой формуле имеет место только для обратимых процессов. В состоянии равновесия, когда энтропия замкнутой системы достигает максимума, никакие макроскопические процессы в такой системе, согласно второму началу термодинамики, невозможны.

Стоит энтропии достигнуть максимума, как тепловые процессы в такой системе прекращаются, что означает принятие всеми телами системы одинаковой температуры и превращение всех форм энергии в тепловую. Наступление состояния термодинамического равновесия приводит к прекращению всех макропроцессов, что и означает состояние “тепловой смерти”. Для распространения второго начала термодинамики на другие необратимые процессы было введено понятие энтропии как меры беспорядка.

Для изолированных систем (не пропускающих тепло) второе начало термодинамики можно выразить следующим образом: энтропия системы никогда не уменьшается.

Система, находящаяся в состоянии равновесия, имеет максимальную энтропию. Понятие энтропии связывают с понятием информации. Система, находящаяся в упорядоченном состоянии, содержит много информации, а неупорядоченная система содержит мало информации. Так, например, текст книги содержит много информации, а случайный набор букв не несет информации. Информацию поэтому и отождествляют с отрицательной энтропией (или негэнтропией).

При росте энтропии информация уменьшается. Среди множества выдвинутых против этого вывода возражений наиболее известным было возражение Максвелла. Он исходил из того, что второе начало имеет ограниченную область применения. Максвелл считал второе начало термодинамики справедливым, пока мы имеем дело с телами, обладающими большой массой, когда нет возможности различать в этих массах отдельные молекулы и работать с ними. Он предложил проделать мысленный эксперимент – представить себе существо, способное следить за каждой молекулой во всех ее движениях, и разделить какой-либо сосуд на две части перегородкой с маленьким отверстием в ней. Это существо (названное “демоном Максвелла”), способное различать отдельные молекулы, будет попеременно, то открывать, то закрывать отверстие таким образом, чтобы быстро двигающиеся молекулы могли переходить в другую половину. В этом случае “демон Максвелла” без затраты работы смог бы повысить температуру в первой половине сосуда и понизить во второй вопреки второму началу термодинамики. Данный процесс асимметричен во времени – без внешнего вмешательства он не может стать обратимым. Т.е. бессмысленно ожидать в этом случае, что газы вернуться в первоначальное положение. Можно сказать, что в природе порядок стремиться уступить место беспорядку. Однако можно привести примеры, которые как будто бы противоречат данному принципу возрастания энтропии. Так, живые системы в своем развитии усложняются, вырастающие из жидкости кристаллы являются упорядоченнее этой жидкости и т.д.

Связь энтропии с молекулярным строением системы первым объяснил Л. Больцман в 1887 году. Он установил статистический смысл энтропии. Согласно Больцману (высокая упорядоченность имеет относительно низкую вероятность)

S = k lnP, 

где   k — постоянная Больцмана, P – статистический вес.

k = 1.37·10-23 Дж/К.

Статистический вес Р пропорционален числу возможных микроскопических состояний элементов макроскопической системы (например, различных распределений значений координат и импульсов молекул газа, отвечающих определённому значению энергии, давления и других термодинамических параметров газа), т. е. характеризует возможное несоответствие микроскопического описания макросостояния.

Для изолированной системы термодинамическая вероятность W данного макросостояния пропорциональна его статистическому весу и определяется энтропией системы:

W ~ exp (S/k).

Таким образом, закон возрастания энтропии имеет статистически-вероятностный характер и выражает постоянную тенденцию системы к переходу в более вероятное состояние. Отсюда следует, что наиболее вероятным состоянием, достижимым для системы, является такое, в котором события, происходящие в системе одновременно, статистически взаимно компенсируются 2.

Однако полная энтропия системы вместе с окружающей средой возрастает, ибо биологические процессы осуществляются за счет энтропии солнечного излучения и т.д. Л. Больцман, предпринявший попытку объяснить, почему порядок уступает место беспорядку, сформулировал Н – теорему, являющуюся результатом соединения двух подходов к приближению газа к состоянию равновесия – макроскопического (законов ньютоновской механики, описывающих движение молекул) и микроскопического (исходящего из

________________

2 http://interlibrary.narod.ru/Доброборский Б.С.Термодинамика биологических систем. 

Глава 1.Термодинамика и «Всеобщий закон биологии» Бауэра

представления газа как стремящегося к беспорядочному перераспределению). Из теоремы следовал вывод о том, что энтропия может только возрастать – таково поведение термодинамических систем во времени. Однако с Н – теоремой Больцмана оказался связанным пародокс, вокруг которого возникла дискуссия. Суть заключается в том, что с помощью одной основанной на механике Ньютона молекулярной теории доказать постоянный рост энтропии замкнутой системы нельзя, поскольку ньютоновская механика симметрична во времени – любое движение атомов, основанное на законах ньютоновской механики, может быть представлено, как происходящее в обратном направлении. Т.к. асимметрию нельзя вывести из симметрии, то теорема Больцмана (которая на основе лишь одной механики Ньютона утверждает, что возрастание энтропии асимметрично во времени) не может быть верной – для доказательства необходимо было к законам механики добавить и асимметрию.

Н – теорема Больцмана описывает механизм перехода газа из состояния с низкой энтропией в равновесное, но не объясняет, почему это происходит в одном и том же направлении во времени, а именно из прошлого в будущее. А раз это так, то больцмановская модель лишается временной асимметрии. Но временная асимметрия – это реальный факт. Упорядоченность реальных систем может возникать за счет внешних воздействий, а не за счет внутренних беспорядочных флуктуаций (дом, например, воздвигается строителями, а не в результате внутренних хаотических движений). В реальности все системы формируются под воздействием окружающей среды. Для различения реальных систем, которые, отделяясь от окружающей Вселенной, приходят в состояние с низкой энтропией, и больцмановских постоянно изолированных от окружающей среды систем. Г. Рейхенбах назвал первые ветвящимися структурами – в их иерархии упорядоченность каждой зависит от предыдущей. Ветвящаяся структура ведет себя асимметрично во времени по причине скрытого воздействия извне.

При этом причина асимметрии – не в самой системе, а в воздействии. В реальном мире больцмановских систем нет. Асимметричные во времени процессы существуют и в областях за пределами термодинамики. Примером таких процессов могут служить волны ( в том числе радиоволны). Так радиоволны распространяются от передатчика в окружающее пространство, но не наоборот. Аналогично обстоит дело с распространением волн от брошенного в пруд камня. Волны, бегущие от источника ( предположим, брошенного в пруд камня) в разные стороны, называют запаздывающими. В принципе возможны и опережающие волны, которые могут возникнуть тогда, когда возмущения сначала проходят через удаленную точку, а затем сходятся в месте распространения источника волны. Изолированный пруд есть симметричная во времени система, как и больцмановский сосуд с газом. Брошенный в него камень создает ветвящуюся структуру. Радиоволна же обратно не вернется, ибо распространяется в безграничном пространстве. Здесь мы имеем дело с неограниченной диссипацией (рассеянием) волн и частиц, являющей собой еще один тип необратимой временной асимметрии. Значит, образование ветвящихся структур и необратимая асимметрия бесконечного волнового движения делают необходимым учет крупномасштабных свойств Вселенной. Таким образом, дискуссия по поводу второго начала термодинамики привела к выводу, что законы микромира ситуацию с демоном Максвелла делают неосуществимой, но вместе с тем она способствовала уяснению того, что второе начало термодинамики является законом статистическим.

1.3 Третий закон термодинамики.

Третье начало термодинамики (Теорема Нериста): энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной.

Тепловой закон Нернста, согласно которому энтропия S любой системы стремится к конечному для неё пределу, не зависящему от давления, плотности или фазы, при стремлении температуры (Т) к абсолютному нулю.

Третье начало термодинамики позволяет находить абсолютное значение энтропии, что нельзя сделать на основе первого и второго начал термодинамики. В классической термодинамике (первого и второго начал) энтропия может быть определена лишь с точностью до произвольной аддитивной постоянной S0, что практически не мешает большинству термодинамических исследований, так как реально измеряется разность энтропий (S0) в различных состояниях. Согласно третьему началу термодинамики при Т  0 значение S  0.

Другие формулировки теоремы: при стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния системы не изменяют ее энтропии; при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры абсолютного нуля.

М. Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Он дал другую формулировку третьего начала термодинамики - как условие обращения в нуль энтропии всех тел при стремлении температуры к абсолютному нулю:

Отсюда S0 = 0. Это даёт возможность определять абсолютное значения энтропии и других термодинамических потенциалов.

Формулировка Планка соответствует определению энтропии в статистической физике через термодинамическую вероятность (W) состояния системы

S = klnW.

При абсолютном нуле температуры система находится в основном квантово-механическом состоянии, если оно невырождено, для которого W = 1 (состояние реализуется единственным микрораспределением). Следовательно, энтропия S при Т = 0 равна нулю. В действительности при всех измерениях стремление энтропии к нулю начинает проявляться значительно раньше, чем может стать существенной при T → 0 дискретность квантовых уровней макроскопической системы, приводящая к явлениям квантового вырождения.

Из теоремы вытекают важные следствия о свойствах веществ при температурах, близких к абсолютному нулю: приобретают нулевое значение удаленные теплоемкости при постоянных объеме и давлении, термический коэффициент расширения и давления. Кроме того, из теоремы следует недостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов. Если первое начало термодинамики утверждает, что теплота есть форма энергии, измеряемая механической мерой, и невозможность вечного двигателя первого рода, то второе начало термодинамики объявляет создание вечного двигателя второго рода. Первое начало ввело функцию состояния – энергию, второе начало ввело функцию состояния – энтропию. Если энергия закрытой системы остается неизменной, то энтропия этой системы, состоящая из энтропий ее частей, при каждом изменении увеличивается – уменьшение энтропии считается противоречащим законам природы. Существование таких независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтропия, дает возможность делать высказывания о тепловом поведении тел на основе математического анализа. Поскольку обе функции состояния вычислялись лишь по отношению к произвольно выбранному начальному состоянию, определения энергии и энтропии не были совершенными. Третье начало термодинамики позволило установить этот недостаток.

Важное значение для развития термодинамики имели установленные Ж.Л. Гей-Люссаком законы – закон теплового расширения и закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа (давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И. Менделеевым.

Таким образом, концепции классической Термодинамики описывают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно, поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникает позднее - в 30-х гг.ХХ века. В ней состояние системы определяется через плотность, давление температуру и другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как функции координат и времени.

2. Перспективы энергетики.

2.1. Солнечное излучение.

В результате интенсивного использования не возобновляемых источников энергии для отопления, транспортных средств, строительно-дорожных машин сельскохозяйственных агрегатов и различных бытовых устройств, образуется огромное количество оксидов углерода, серы и азота. Все это способствует повышению температуры земной и водной поверхности, вызывает загрязнение окружающей среды, выпадение кислотных дождей, а так же стимулирует интенсивное таяние льдов, повышение уровня океанов, затопление огромных территорий суши, зарождение циклов и ураганов, охватывающих целые континенты. Эти явления ведут к широкомасштабному разрушению сельскохозяйственных угодий, исчезновению лесов и животного мира, повышенному размножению вредных насекомых, возрастанию частоты засух, лесных пожаров, проливных дождей, наводнений и т.п.

Поэтому актуальна разработка альтернативных решений использования энергии на основе нетрадиционных подходов, а так же с использованием возобновляемых источников.3 Исследования в области использования возобновляемых источников энергии связаны с созданием и практическим применением гелио- и ветроустановок, гидроэлектростанций и различного рода преобразователей. Вырабатываемые при этом энергоресурсы, кроме использования по прямому назначению, могут также накапливаться различными аккумулирующими системами.

Среди перечисленных видов возобновляемых источников, прежде всего необходимо остановиться на энергии солнечного излучения [2, 5], поток которой составляет примерно 3,8 1026 Вт и представлен всем спектром электромагнитных волн. При этом энергетическая освещенность земной атмосферы достигает примерно 1,4 кВт/м 2, а непосредственно поверхности нашей планеты – около 1 Вт/м 2. За двое суток Солнце посылает нам столько

тепла и света, сколько способны дать при сжатии все земные запасы угля, нефти, газа и сланцев. Однако пока не создано достаточно экономичного способа преобразования солнечной энергии в электрическую, хотя уже и имеются разработки, приемлемые для практической реализации.

Например, солнечные батареи, питающие электроэнергией космические объекты. Коэффициент полезного действия таких систем, работающих по схеме фотоэлектрического преобразования, уже превышает 20% и может быть заметно увеличен в случае использования вместо химически чистых полупроводников типа кремния, арсенида галлия и сульфацида кремния, менее дорогостоящих, но более эффективных материалов. Одним из них может быть соединение сурьмы с алюминием. Можно ожидать заметного повышения коэффициента полезного действия также и от солнечной батарей, созданных на основе сплавов сурьмы с идием. Они могут быть перспективными при

освоении области инфракрасного излучения, которое составляет около половины от всей лучистой энергии Солнца.

Наряду с солнечным излучением, перспективно использование и энергии ветра. Согласно данным, последняя квалифицируется как «солнечная», поскольку возникает в результате нагрева атмосферного воздуха солнечными лучами.

Ветровая энергия давно используется в мореплавании, а также для приведения в движение мельничных колес. С недавних пор она находит применение и для выработки электроэнергии.

Ветровые установки, как правило, сооружаются на принципе использования воздушных потоков, к тому же они громоздки, сложны и даже при диаметре колеса 150 м улавливается не более половины энергии ветра и в узком диапазоне скоростей. К тому же стоимость выработанной ими электроэнергии заметно превышает стоимость энергоресурсов, получаемых по другим технологиям. Кроме того, одной из самых сложных проблем,

__________________________________________

3 Девинс Д. Энергия / Пер. с англ. – М.:Энергоатомиздат, 1985. – 369с.

препятствующих более широкому распространению ветроэнергетических установок, является непостоянство действия ветра и часто меняющаяся его скорость. В этом направлении следует обратить внимание на совершенствование ветровых установок для конвенционных электростанций и способов аккумулирования электроэнергии.

2.2. Биомассовая энергетика.

К исключительно ценным возобновляемым источникам энергии относится биогумус, состоящий из птичьего помета, навоза животных, отходов жизнедеятельности человека и разлагающейся растительности. Уже накоплен опыт переработки перечисленных отходов, в результате чего получаются экологически чистые энергетические ресурсы в виде биогаза (70% СН4 и 30% СО2) с теплотой горения 5500-6000 ккал/м 3. При этом одновременно осуществляется обеззараживание как вредных для природной среды патогенных микроорганизмов, так и выработка высококачественных удобрений и кормовых добавок в виде различных модификаций витаминов группы В. Причем после биообработки органических удобрений заметно сокращается или вовсе исключается применение ядохимикатов для борьбы с сорняками. Производство биогаза, высококачественных удобрений и кормовых добавок способствует улучшению экологической обстановки в местах образования и переработки биогумуса.

2.3. Энергия воды.

Еще один вид возобновляемых источников энергии – это энергия падающей воды. Преобразование потенциальной энергии падающей воды в механическую энергию вращения с целью приведения в действие мельничных колес и других механизмов, известно давно. Физические принципы преобразования энергии падающей воды в электрическую заключается в том, что упомянутая среда под напором, создаваемым плотиной гидроэлектростанций, направляется в водовод, который заканчивается турбиной. Благодаря этому турбина воздействует на вал, связанный с ротором генератора, вращающимся в магнитном поле статора. Здесь все зависит от потенциальной энергии падающей воды и коэффициента полезного действия ее преобразования в электрическую.

Мощность гидроэлектростанций определяется как количеством воды, так и перепадом между водной поверхностью водохранилища и уровнем размещения гидроагрегата. Для получения одинаковой мощности на высоконапорной гидроэлектростанции требуется меньший расход воды. Причем от напора воды зависят габариты турбины, что в целом способствует удешевлению стоимости гидросооружения.

Следует отметить, что строительство крупных гидросооружений может оказать негативное влияние на природную среду. Так, возведение высоких плотин и создание огромных водохранилищ ведет к истреблению уникальной флоры и фауны, затоплению больших площадей сельскохозяйственных угодий, сокращению стока рек и т.п. При этом с водой выносится значительное количество насосов, которые, оседая в водохранилищах, со временем снижают их мощность. Кроме того, строительство крупных гидроэлектростанций создает значительное давление на малый участок земной поверхности, что вызывает большие перенапряжения в подстилающих грунтах и создает благоприятные условия для инициирования землетрясений, особенно в сейсмоопасных зонах. Естественно, что в таких местах предпочтение следует отдавать строительству микро- и малых гидроэлектростанций.

2.4 Энергия водорода

Кроме описанных, к важным направлениям производства энергоресурсов на основе водной и воздушной сред относится получение кислорода, водорода и его перекиси (пероксида). Кислород и водород используется в устройствах по сварке, пайке, резке и других видах обработки материалов. В то же время, как показывает опыт, водород является идеальным энергетическим ресурсом, например, при электролизе воды. Сам по себе способ весьма прост. При прохождении постоянного электрического тока через элемент, состоящий из катода и анода, помещенных в водный электролит, на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. Как правило, устройства для получения кислорода и водорода состоят из электролизеров, разделительных колонок, работающих за счет разности плотностей газожидкостных смесей, холодильников, регуляторов давления газов, циркуляционного и подпитывающего насосов. Может быть и другой вариант устройства для получения кислорода и водорода, который состоит из электролизера, вертикально размещенных разделительных колонок упомянутых газов, их промывателей и регуляторов давления с массивными поплавками.

В последнее время ведутся разработки других способов получения водорода, в том числе биологическим, биохимическим и синтетическим методам. В первом из них для разложения воды на водород и кислород используют микроорганизмы. Количество получаемого водорода по этому способу пока не значительно, но в перспективе можно ожидать появления разработки более эффективных его модификаций. Биохимический метод предлагает при разложении водной среды в реакторе использовать ферменты, однако и в этом случае водород тоже производится в малых количествах. Основу синтетического метода составляет фотолиз при полном отсутствии биологических компонентов. Нужно отметить, что хотя некоторые из перечисленных методов в настоящее время и недостаточно производительны, следует продолжать работы по повышению их эффективности.

Учитывая, что водород служит идеальным энергоносителем, необходимо найти более надежные способы его аккумулирования и последующего хранения. Согласно литературным данным, он может находиться в газообразной или жидкой формах, а также в качестве составной части какого-либо химического соединения. Однако следует иметь в виду, что аккумулирование водорода в виде сжатого газа имеет ограничения из-за низких соотношений между его количеством и массой баллонов, в которых он содержится. Что же касается хранения водорода в жидкой форме, то здесь также имеются сложности, поскольку он сжижается при температуре -252, 87оС при расходе значительной энергии. При этом его криогенное хранение представляет сложную проблему и требует многогранных исследований. Наиболее приемлемым вариантом компактного и безопасного хранения водорода является его содержимое в составе особого класса компаудов - металлических гидридов. Последнее достигается тем, что водород под давлением принудительно вступает во взаимодействие с очищенной поверхностью какого-либо металла и, находясь в атомарной форме, растворяется в его межкристаллитном пространстве. При очень высоких давлениях отношение количества атомов водорода к атомам металла больше единицы, а часто может превышать и двойку. В этом случае образуются химические соединения – гидриды. В принципе они могут создаваться при взаимодействии с любым чистым элементом и с большой частью двойных сплавов.

По разработанному нами способу источником аккумулирования энергии, пригодным для использования при работе всех видов техники, в том числе и любых транспортных средств, может быть водород, который по сравнению с другими видами горючего, наиболее дешевый и экологически чистый. В случае перевода двигателей внутреннего сгорания в современных машинах на такое водородное горючее необходимо лишь незначительно изменить конструкцию карбюратора и отрегулировать угол опережения зажигания для приведения его в соответствие с необходимым количеством воздуха и скоростью распространения фронта пламени. В процессе эксплуатации таких двигателей внутреннего сгорания выхлопными продуктами являются водяной пар и небольшое количество азота. Причем его выделение можно регулировать при помощи реакторов каталитической конверсии нашей разработки. Кроме того, при использовании водорода в качестве горючего для транспортных средств отсутствуют не сгоревшие углеводороды, соединения свинца и окиси углерода, которые существенно загрязняют окружающую среду.

2.5. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия в дословном переводе значит: земли тепловая энергия 4.

Объем земли составляет примерно 1085 млрд.куб.км и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры, имеет очень высокую температуру.

Если учесть еще и теплоемкость пород Земли, то станет ясно, что геотермальная теплота представляет собой несомненно самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причем это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для ее получения не требуется сжигать топливо и создавать реакторы.

В некоторых районах природа доставляет геотермальную энергию к поверхности в виде пара или перегретой воды, вскипающей и переходящей в пар при выходе на поверхность. Природный пар можно непосредственно использовать для производства электроэнергии. Имеются также районы, где геотермальными водами из источников и скважин можно обогревать жилища и теплицы (островное государство на севере Атлантического океана – Исландия; и наши Камчатка и Курилы).

Однако в целом, особенно с учетом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире крайне ограничено.

Для производства электроэнергии с помощью геотермального пара от этого пара отделяют твердые частицы, пропуская его через сепаратор, и затем направляют его в турбину.

«Стоимость топлива» такой электростанции определяется капитальными затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно не высокой. Стоимость самой электростанции при этом также невелика, так как последняя не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы. В таком удобном естественном виде геотермальная энергия является

__________________________

4Э. Бермана – «Геотермальная энергия» издательство «Мир», 1978г.

экономически выгодным источником электрической энергии. К сожалению, на Земле редко встречаются поверхностные выходы природного пара или перегретых (то есть, с температурой гораздо выше 100оС) вод, вскипающих с образованием достаточного количества пара.

Заключение

В заключение можно сказать, что человечеству нужна энергия. В действительности человечеству нужно гораздо меньше энергии, чем оно сейчас потребляет – в разы, если не в порядки. Спрос создан искусственно теми, кто заинтересован ее продать. Сегодня человечество получает энергию в основном варварским способом, сжигая углеводородное или ядерное топливо для привода тепловых машин. Уже очевидны недостатки этого способа. Энергосистема уязвима, поскольку централизована. Электроэнергию и энергоносители приходится транспортировать на большие расстояния посредством ЛЭП, трубопроводов, танкеров, железнодорожного и автомобильного транспорта, что дорого, ненадежно, чревато авариями. Запасы углеводородного топлива подходят к концу. Выброс продуктов сгорания приводит к глобальным экологическим и климатическим катаклизмам. Ядерная энергетика связана с рисками техногенных катастроф и терроризма, проблемами захоронения ядерных отходов и пр. За энергию человечество платит слишком большую цену. Нужно найти альтернативный способ получения энергии.

Таким образом, в результате анализа литературно-патентных данных и результатов собственных исследований, можно сделать вывод, что нетрадиционные подходы к выработке энергоресурсов с использованием возобновляемых источников, которые состоят из энергии солнечных лучей, ветровой энергии, биогумуса, являются как никогда актуальными.

В том числе нужно искать и другие пути получения энергетики.

Список используемой литературы

А.Кудинов, Э.М.Карташов Техническая термодинамика (Учебное пособие для ВУЗов)(5-е изд.,стер.) Изд-во Высшая школа. 2007

Бондарев В.П.Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов. – М.: Альфа-М, 2003

http://ivterlibrary.narod.ru/Доброборский Б.С.Термодинамика биологических систем. Глава1.Термодинамика и «Всеобщий закон биологии» Бауэра

Девинс Д. Энергия/Пер с англ.- М.: Энергоатомиздат, 1985

Коновалов В.И. Техническая термодинамика: Учеб./ГОУ ВПО «Иван.гос.энерг.ун-т им.В.И.Ленина».2-е изд.-Иваново, 2005

Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии Издательско-полиграфическое объединение «Юпитер», г.Махачкала 1996

Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. – М.: гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1998

Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. – М.: Энергоатомиздат, 1983 -207 с.

Э. Бермана – «геотермальная энергия» издательство «Мир», 1978г.