Кпд тепловых двигателей примерно составляет: | Самые интересные факты о планете Земля. Новости науки и ответы на сложные вопросы. EarthZ.ru – всё о Земле!

Содержание

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И ЕГО МАКСИМАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ОХРАНА ПРИРОДЫ.

Второе начало термодинамики определяет условия, при которых возможны превращения энергии из одних видов в другие, т. е. Указывает направленность процесса.

· невозможен самопроизвольный переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому;

· невозможно создание вечного двигателя второго рода, т. е. Периодически действующее устройство, которое позволяло бы полностью превращать количество теплоты, сообщаемое системе, в механическую работу.

Циклически действующий тепловой двигатель – установка, в которой нужно путем использования повторяющихся циклов осуществлять превращение внутренней энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую. При этом необходимо наличие тела с температурой Т1 – нагревателя, тела с температурой Т2 < Т1 – холодильника и рабочего вещества, которое, отнимая за один цикл от нагревателя количество теплоты Q1, передает холодильнику количество теплоты Q2 и разность

Q1-Q2 преобразует в работу.

 В холодильной машине за один цикл более нагретому телу передается Q, которое больше Q, взятого у менее нагретого тела, на величину, равную работе внешних сил. Рабочим веществом в холодильной машине служат обычно пары легкокипящих жидкостей (аммиака, фреона). Роль внешния сил, осуществляющих перенос внутренней энергии из холодильной камеры в окружающую среду, играет компрессор, приводимый в движение электродвигателем. Холодильный коэффициент приведен в формуле а), КПД в формуле б) и в).


Французский инженер С. Карно показал, что самым выгодным был бы тепловой двигатель, работающий по циклу, состоящем из двух изотерм и двух адиабат, причем все процессы обратимы, т. е. его можно провести как в прямом, так и в обратном направлении через одни и те же промежуточные состояния и при этом не происходит изменений в окружающих телах.

Обратимых процессов в природе не существует. КПД любого теплового двигателя, работающего в том же диапазоне температур, всегда меньше ηм

По теме « Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей» — Студопедия.Нет

 

Цель: Развить умения устанавливать причинно — следственные связи при закреплении понятия КПД теплового двигателя в процессе решения задач, н а примере знаний законов термодинамики показать взаимосвязь физики и математики. Научить студентов применять полученные теоретические знания к решению практически задач.

Теория:

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Первая часть — нагреватель. Нагревателем в ТД является процесс сгорания топлива. Именно в этот процесс включается образование газа. Нагреватель характеризуется температурой нагревателя Тн, т.е. температура того, газа, который образовался. И конечно количеством теплоты, который передается этому газу.

Газ, образовавшийся в результате, того что сгорело топливо, называется рабочим телом. Рабочее тело и совершает работу. И оставшееся, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.

 Холодильником, как правило, является окружающая среда. Именно температура холодильника в данном случае нам говорит о том, до какой температура мы должны понизить температуру рабочего тела, чтобы перевести машину в первоначальное состояние.

 Работу, которое совершает рабочее тело, газ при расширении, мы определяем следующим образом: A=| Q 1|– |Q 2|. Важное значение имеет цикличность работы. Работа двигателя будет оправдана в том случае, если работа по сжатию газа будет меньше, чем работа, произведенная самим газом. В этом случае работа газа совершается при расширении, т.е. тогда, когда давление газа будет больше атмосферного. А в случае охлаждения газа, сжатие газа будет производиться внешними силами, тогда работа газа будет считаться отрицательной.

КПД теплового двигателя – важнейшая его характеристика. ТД подчиняется первому закону термодинамики и конечно же второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах. h =  ·100%  h = ·100%

Qн– теплота, полученная от нагревателя, Дж Qх — теплота, отданная холодильнику, Дж

Этот КПД является реальным

, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ для определения (через термодинамическую температуру): η = ·100%

Тн – термодинамическая температура нагревателя,  К

Тх — термодинамическая температура холодильника,  К.

И этот коэффициент полезного действия получил название максимального.

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Тн, и холодильником с температурой Тх, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю,

η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

 

Задача 1

На спир­тов­ке на­гре­ва­ют воду. Взяли воды и на­гре­ли от до . При этом масса спир­тов­ки умень­ши­лась с до . Найти КПД теп­ло­вой уста­нов­ки.

Ре­ше­ние:

Вна­ча­ле вы­пи­шем фор­му­лу для КПД:

.

В дан­ном слу­чае мы за­ме­ни­ли ра­бо­ту по­лез­ным ко­ли­че­ством теп­ло­ты, то есть тем ко­ли­че­ством теп­ло­ты, ко­то­рое пошло непо­сред­ствен­но на на­грев воды.

 

Прежде чем решать задачу, необходимо определиться с процессами, которые происходят в данной задаче. Первый процесс – это сгорание топлива. Второй – нагревание воды.

Полезное количество теплоты, то есть то тепло, которое пошло непосред­ственно на нагревание воды, можно вычислить по формуле:

Количество теплоты, выделенное нагревателем, то есть, в данном случае, тепло, выделившееся при сгорании спирта:         

Массу сгоревшего спирта найти легко: это та масса, на которую уменьши­лась масса спиртовки, то есть: .

Получаем: .

Осталось вычислить КПД установки:

.

Заметим, что КПД может вычисляться не только в процентах, но и в долях. К примеру, для данной задачи ответ может быть: .

Если анализировать данную задачу, то можно увидеть, что только четвёртая часть (приблизительно) тепла, которое выделяется при сгорании спирта, идёт на нагревание воды. С одной стороны, это кажется достаточно малым значе­нием, но, с другой стороны, для многих тепловых машин такое значение КПД оказывается даже большим.

Ответ: .

Задача 2

Тепловой двигатель совершил полезную работу и израсходовал при этом 2кг бензина. Найти КПД теплового двигателя.

Дано: СИ  
   
Найти:  

Решение:

Вначале выпишем формулу для КПД: .

По таблице  находим, что: . Для того чтобы найти КПД, достаточно найти .

Как и в про­шлой задаче, воспользуемся следующей формулой: .

Находим КПД:

.

Ответ: .

 

Задача 3. Тепловая машина получает от нагревателя за цикл количество теплоты 480 Дж. Определите работу, совершаемую машиной за цикл, если КПД машины 20%.

Дано:

Q 1 = 480 Дж

η = 20%

Найти

А- ?

Решение:

η = А/ Q 1 ∙100%; А=η.Q 1/100% ; А=20∙480/100=96 Дж.

Ответ: A=96 Дж

Задача 4. Тепловая машина совершает за цикл работу А = 120 Дж. Определите количество теплоты, которое машина отдает холодильнику за цикл, если её КПД 30%.

Дано:

А = 120 Дж

η = 30 %

Найти

Q2 — ?

Решение:

η =А / Q1 ·100% ; Q1 =А ·100% / η = 120 ·100% /30 %= 400 Дж ;

А = Q1 — Q2 ; Q2 = Q1 – А = 400 – 120 = 280 Дж

Ответ: Q2 = 280 Дж

Принцип действия и КПД тепловых двигателей. Физика. 10 класс. — Паровая турбина.КПД теплового двигателя.

Комментарии преподавателя

Прин­цип дей­ствия теп­ло­во­го дви­га­те­ля

Темой про­шло­го урока был пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки, ко­то­рый за­да­вал связь между неко­то­рым ко­ли­че­ством теп­ло­ты, ко­то­рое было пе­ре­да­но пор­ции газа, и ра­бо­той, со­вер­ша­е­мой этим газом при рас­ши­ре­нии. И те­перь при­шло время ска­зать, что эта фор­му­ла вы­зы­ва­ет ин­те­рес не толь­ко при неких тео­ре­ти­че­ских рас­чё­тах, но и во вполне прак­ти­че­ском при­ме­не­нии, ведь ра­бо­та газа есть не что иное как по­лез­ная ра­бо­та, какую мы из­вле­ка­ем при ис­поль­зо­ва­нии теп­ло­вых дви­га­те­лей.

Опре­де­ле­ние. Теп­ло­вой дви­га­тель

– устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту (рис. 1).

Рис. 1. Раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей (Ис­точ­ник), (Ис­точ­ник)

Как видно из ри­сун­ка, теп­ло­вы­ми дви­га­те­ля­ми яв­ля­ют­ся любые устрой­ства, ра­бо­та­ю­щие по вы­ше­ука­зан­но­му прин­ци­пу, и они ва­рьи­ру­ют­ся от неве­ро­ят­но про­стых до очень слож­ных по кон­струк­ции.

Все без ис­клю­че­ния теп­ло­вые дви­га­те­ли функ­ци­о­наль­но де­лят­ся на три со­став­ля­ю­щие (см. рис. 2):

  • На­гре­ва­тель
  • Ра­бо­чее тело
  • Хо­ло­диль­ник

Рис. 2. Функ­ци­о­наль­ная схема теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

На­гре­ва­те­лем яв­ля­ет­ся про­цесс сго­ра­ния топ­ли­ва, ко­то­рое при сго­ра­нии пе­ре­да­ёт боль­шое ко­ли­че­ство теп­ло­ты  газу, на­гре­вая тот до боль­ших тем­пе­ра­тур. Го­ря­чий газ, ко­то­рый яв­ля­ет­ся ра­бо­чим телом, вслед­ствие по­вы­ше­ния тем­пе­ра­ту­ры, а сле­до­ва­тель­но, и дав­ле­ния, рас­ши­ря­ет­ся, со­вер­шая ра­бо­ту . Ко­неч­но же, так как все­гда су­ще­ству­ет теп­ло­пе­ре­да­ча с кор­пу­сом дви­га­те­ля, окру­жа­ю­щим воз­ду­хом и т. д., ра­бо­та не будет чис­лен­но рав­нять­ся пе­ре­дан­ной теп­ло­те – часть энер­гии  ухо­дит на хо­ло­диль­ник, ко­то­рым, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся окру­жа­ю­щая среда.

Проще всего можно пред­ста­вить себе про­цесс, про­ис­хо­дя­щий в про­стом ци­лин­дре под по­движ­ным порш­нем (на­при­мер, ци­линдр дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния). Есте­ствен­но, чтобы дви­га­тель ра­бо­тал и в нём был смысл, про­цесс дол­жен про­ис­хо­дить цик­ли­че­ски, а не ра­зо­во. То есть после каж­до­го рас­ши­ре­ния газ дол­жен воз­вра­щать­ся в пер­во­на­чаль­ное по­ло­же­ние (рис. 3).

Рис. 3. При­мер цик­ли­че­ской ра­бо­ты теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

Для того чтобы газ воз­вра­щал­ся в на­чаль­ное по­ло­же­ние, над ним необ­хо­ди­мо вы­пол­нить некую ра­бо­ту (ра­бо­та внеш­них сил). А так как ра­бо­та газа равна ра­бо­те над газом с про­ти­во­по­лож­ным зна­ком, для того чтобы за весь цикл газ вы­пол­нил сум­мар­но по­ло­жи­тель­ную ра­бо­ту (иначе в дви­га­те­ле не было бы смыс­ла), необ­хо­ди­мо, чтобы ра­бо­та внеш­них сил была мень­ше ра­бо­ты газа. То есть гра­фик цик­ли­че­ско­го про­цес­са в ко­ор­ди­на­тах P-V дол­жен иметь вид: за­мкну­тый кон­тур с об­хо­дом по ча­со­вой стрел­ке. При дан­ном усло­вии ра­бо­та газа (на том участ­ке гра­фи­ка, где объём рас­тёт) боль­ше ра­бо­ты над газом (на том участ­ке, где объём умень­ша­ет­ся) (рис. 4).

 

Рис. 4. При­мер гра­фи­ка про­цес­са, про­те­ка­ю­ще­го в теп­ло­вом дви­га­те­ле

Раз мы го­во­рим о неко­ем ме­ха­низ­ме, обя­за­тель­но нужно ска­зать, каков его КПД.

В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.

Ротор паровой турбины

Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке 28. На вал 5 насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.

Схема паровой турбины

В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии.

На электростанциях с турбиной соединён генератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 3000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движение генераторов электрического тока.

В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт.

Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях.

Постепенно находят всё более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа.

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).

КПД теплового двигателя определяют по формуле

где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 — Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .

КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.

Домашняя работа

Задание 1. Ответить на вопросы.

  1. Какие тепловые двигатели называют паровым

Тепловые машины. Цикл Карно. Максимальный КПД тепловой машины.


⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 19Следующая ⇒

Теплова́ямаши́на — устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела — на практике обычно пара или газа.

Идеальная тепловая машина — машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны. Работа идеальной машины описывается циклом Карно.

При работе часть тепла Q1 передается от нагревателя к рабочему телу, а затем часть энергии Q2 передается холодильнику, который охлаждает машину КПД тепловой машины считается по формуле (Q1-Q2/Q1)х100

Периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла, называется тепловой машиной.Понятно, что КПД машины всегда меньше единицы, поскольку не все количество полученного тепла переходит в полезную работу.

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2изотермических процессов.

Цикл Карно назван в честь французского военного инженера Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Описание цикла Карно

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой TH, холодильника с температурой TX и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

1. Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуруTH, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается.

2. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

3. Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру TX, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты QX.

4. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия:

при δQ = 0.

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).

КПД тепловой машины Карно

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику

.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.

Из последнего выражения видно, что КПД тепловой машины Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины, будет меньше или равен КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Например, КПД идеального цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно.

КПД реальных тепловых машин Формула (2) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, КПД равно 1. В реальных тепловых двигателях процессы протекают настолько быстро, что уменьшение и увеличение внутренней энергии рабочего вещества при изменении его объема не успевает компенсироваться притоком энергии от нагревателя и отдачей энергии холодильнику. Поэтому изотермические про цессыне могут быть реализованы. То же относится и к строго адиабатным процессам, так как в природе нет идеальных теплоизоляторов. Осуществляемые в реальных тепловых двигателях циклы состоят из двух изохор и двух адиабат (в цикле Отто), из двух адиабат, изобары и изохоры (в цикле Дизеля), из двух адиабат и двух изобар (в газовой турбине) и др. При этом следует иметь в виду, что эти циклы могут также быть идеальными, как и цикл Карно. Но для этого необходимо, чтобы температуры нагревателя и холодильника были не постоянными, как в цикле Карно, а менялись бы точно так же, как меняется температура рабочего вещества в процессах изохорного нагрева и охлаждения. Другими словами, рабочее вещество должно контактироваться с бесконечно большим числом нагревателей и холодильников — только в этом случае на изохорах будет равновесная теплопередача. Разумеется, в циклах реальных тепловых двигателей процессы являются неравновесными, вследствие чего КПД реальных тепловых двигателей при одном и том же температурном интервале значительно меньше КПД цикла Карно. Вместе с тем выражение (2) играет огромную роль в термодинамике и является своеобразным «маяком», указывающим пути повышения КПД реальных тепловых двигателей.
В цикле Отто сначала происходит всасывание в цилиндр рабочей смеси 1—2, затем адиабатное сжатие 2—3 и после ее изохорного сгорании 3—4, сопровождаемого возрастанием температуры и давления продуктов сгорания, происходит их адиабатное расширение 4—5, затем изохорное падение давления 5—2 и изобарное выталкивание поршнем отработанных газов 2—1. Поскольку на изохорах работа не совершается, а работа при всасывании рабочей смеси и выталкивании отработавших газов равна и противоположна по знаку, то полезная работа за один цикл равна разности работ на адиабатах расширения и сжатия и графически изображается площадью цикла.
Сравнивая КПД реального теплового двигателя с КПД цикла Карно, нужно отметить, что в выражении (2) температура Т2 в исключительных случаях может совпадать с температурой окружающей среды, которую мы принимаем за холодильник, в общем же случае она превышает температуру среды. Так, например, в двигателях внутреннего сгорания под Т2 следует понимать температуру отработавших газов, а не температуру среды, в которую производится выхлоп.
На рисунке изображен цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с изобарным сгоранием (цикл Дизеля). В отличие от предыдущего цикла на участке 1—2 всасывается.атмосферный воздух, который подвергается на участке 2—3 адиабатному сжатию до 3•10 6 —3•10 5 Па. Впрыскиваемое жидкое топливо воспламеняется в среде сильно сжатого, а значит, нагретого воздуха и изобарно сгорает 3—4, а затем происходит адиабатное расширение продуктов сгорании 4—5. Остальные процессы 5—2 и 2—1 протекают так же, как и в предыдущем цикле. Следует помнить, что в двигателях внутреннего сгорания циклы являются условно замкнутыми, так как перед каждым циклом цилиндр заполняется определенной массой рабочего вещества, которая по окончании цикла выбрасывается из цилиндра.
Но температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится. Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т1 = 800 К и T2 = 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно: Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели внутреннего сгорания. Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать максимально возможного значения где T1 — абсолютная температура нагревателя, а Т2 — абсолютная температура холодильника. Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача. Коэффициент полезного действия тепловой машины Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q1от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q1 — |Q2|. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины: Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать КПД как можно более высоким, т. е. использовать для получения работы как можно большую часть теплоты, полученной от нагревателя. Как этого можно достигнуть? Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г. 42.Энтропия. Второй закон термодинамики.   Энтропи́я в естественных науках — мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике — мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации — мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит и количество информации; в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса). Энтропия в информатике — степень неполноты, неопределённости знаний. Понятие энтропии впервые было введено Клаузиусом в термодинамике в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, тогда как внеобратимых — её изменение всегда положительно. , где dS — приращение энтропии; δQ — минимальная теплота подведенная к системе; T — абсолютная температура процесса; Употребление в различных дисциплинах § Термодинамическая энтропия — термодинамическая функция, характеризующая меры неупорядоченности системы, то есть неоднородности расположения движения её частиц термодинамической системы. § Информационная энтропия — мера неопределённости источника сообщений, определяемая вероятностями появления тех или иных символов при их передаче. § Дифференциальная энтропия — энтропия для непрерывных распределений § Энтропия динамической системы — в теории динамических систем мера хаотичности в поведении траекторий системы. § Энтропия отражения — часть информации о дискретной системе, которая не воспроизводится при отражении системы через совокупность своих частей. § Энтропия в теории управления — мера неопределённости состояния или поведения системы в данных условиях. Энтропия — функция состояния системы, равная в равновесном процессе количеству теплоты, сообщённой системе или отведённой от системы, отнесённому к термодинамической температуре системы. Энтропия — функция, устанавливающая связь между макро- и микро- состояниями; единственная функция в физике, которая показывает направленность процессов. Энтропия — функция состояния системы, которая не зависит от перехода из одного состояния в другое, а зависит только от начального и конечного положения системы. Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не должна равняться 0. Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения. 43.Эффективное сечение рассеяния. Средняя длина свободного пробега молекул. Средняя длина свободного пробега молекул
Под средней длиной свободного пробегапонимают среднее расстояние, которое проходит молекула между двумя последовательными соударениями. За секунду молекула в среднем проходит расстояние, численно равное ее средней скорости . Если за это же время она испытает в среднем столкновений с другими молекулами, то ее средняя длина свободного пробега , очевидно, будет равна  
  (3.1.1)

Предположим, что все молекулы, кроме рассматриваемой, неподвижны. Молекулы будем считать шарами с диаметром d. Столкновения будут происходить всякий раз, когда центр неподвижной молекулы окажется на расстоянии меньшем или равном d от прямой, вдоль которой двигается центр рассматриваемой молекулы. При столкновениях молекула изменяет направление своего движения и затем движется прямолинейно до следующего столкновения. Поэтому центр движущейся молекулы ввиду столкновений движется по ломаной линии (рис. 1).

 

рис. 1

Молекула столкнется со всеми неподвижными молекулами, центры которых находятся в пределах ломаного цилиндра диаметром 2d. За секунду молекула проходит путь, равный . Поэтому число происходящих за это время столкновений равно числу молекул, центры которых попадают внутрь ломаного цилиндра, имеющего суммарную длину и радиус d. Его объем примем равным объему соответствующего спрямленного цилиндра, т. е. равным Если в единице объема газа находится n молекул, то число столкновений рассматриваемой молекулы за одну секунду будет равно

  (3.1.2)

В действительности движутся все молекулы. Поэтому число столкновений за одну секунду будет несколько большим полученной величины, так как вследствие движения окружающих молекул рассматриваемая молекула испытала бы некоторое число соударений даже в том случае, если бы она сама оставалась неподвижной.Предположение о неподвижности всех молекул, с которыми сталкивается рассматриваемая молекула, будет снято, если в формулу (3.1.2) вместо средней скорости представить среднюю скорость относительного движения рассматриваемой молекулы. В самом деле, если налетающая молекула движется со средней относительной скоростью , то молекула, с которой она сталкивается, оказывается покоящейся, что и предполагалось при получении формулы (3.1.2). Поэтому формулу (3.1.2) следует написать в виде:

  (3.1.3)

Предположим, что скорости молекул до столкновения были и Тогда Из треугольника скоростей имеем (рис. 2)

  (3.1.4)

Так как углы и скорости и , с которыми сталкиваются молекулы, очевидно, являются независимыми случайными величинами, то среднее

рис. 2

от произведения этих величин равно произведению их средних. Поэтому

  (3.1.5)

С учетом последнего равенства формулу (3.1.4) можно переписать в виде:

  (3.1.6)

так как Cредняя квадратичная скорость пропорциональна средней скорости,

  (3.1.7)

т. е. .

Поэтому соотношение (3.1.6) можно представить так:

  (3.1.8)

С учетом последнего выражения формула для средней длины свободного пробега приобретает вид:

  (3.1.9)

Для идеального газа . Поэтому

  (3.1.10)

Отсюда видно, что при изотермическом расширении (сжатии) средняя длина свободного пробега растет (убывает).Как было отмечено во введении, эффективный диаметр молекул убывает с ростом температуры. Поэтому при заданной концентрации молекул средняя длина свободного пробега увеличивается с ростом температуры.Вычисление средней длины свободного пробега для азота (d = 3•10-10 м), находящегося при нормальных условиях (р = 1,01•105 Па, Т = 273,15 К) дает: , а для числа столкновений за одну секунду: . Таким образом, средняя длина свободного пробега молекул при нормальных условиях составляет доли микрон, а число столкновений – несколько миллиардов в секунду. Поэтому процессы выравнивания температур (теплопроводность), скоростей движения слоев газа (вязкое трение) и концентраций (диффузия) являются достаточно медленными, что подтверждается опытом.

Длина свободного пробега молекулы — это среднее расстояние (обозначаемое λ), которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего.

Длина свободного пробега каждой молекулы различна, поэтому в кинетической теории вводится понятие средней длины свободного пробега (<λ>). Величина <λ> является характеристикой всей совокупности молекул газа при заданных значениях давления и температуры.

Формула

, где σ — эффективное сечение молекулы, n — концентрация молекул.


Рекомендуемые страницы:

Последнее изменение этой страницы: 2017-03-14; Просмотров: 3791; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 — 2021 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.011 с.) Главная | Обратная связь

Е) Что такое КПД теплового двигателя? Может ли КПД быть больше или равным единице? Что называют циклом Карно? Из каких процессов он состоит? Начертите и

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 6Следующая ⇒

А)

Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.

Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины.

Работа, совершаемая двигателем, равна:

, где:

· — количество теплоты, полученное от нагревателя,

· — количество теплоты, отданное охладителю.

Двигатель Стирлинга (Периодический тепловой двигатель)

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от создания разницы температур его цилиндров.

Рабочее тело в теплотехнике и термодинамике условное несменяемое материальное тело, расширяющееся при подводе к нему теплоты и сжимающееся при охлаждении и выполняющее работу по перемещению рабочего органа тепловой машины. В теоретических разработках рабочее тело обычно обладает свойствами идеального газа.

Б) Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

 

В)ОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС в термодинамике процесс, который возможно осуществить в обратном направлении, последовательно повторяя в обратном порядке все промежуточные состояния прямого процесса. Обратимым процессом может быть только равновесный процесс. Реальные процессы, строго говоря, являются необратимыми процессами.

Нагреватель — устройство для нагревания (обогрева) чего-либо.(рабочего тела )

Для функционирования тепловой машины обязательно необходимы следующие составляющие:нагреватель, холодильник и рабочее тело. При этом, если необходимость в наличии нагревателя и рабочего тела обычно не вызывает сомнений, то холодильник как составная часть тепловой машины в её конструкции зачастую отсутствует. В качестве холодильника выступает окружающая среда.

 

Г)

 

Д) формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:

  • Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому (постулат Клаузиуса).
  • Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в работу.
  • Невозможно построить машину, все действия которой сводились бы к производству работы за счет охлаждения теплового источника (вечный двигатель второго рода).

Е)В соответствии с первым началом термодинамики (1.4), при осуществлении кругового процесса, из-за возвращения рабочего тела в исходное состояние, его внутренняя энергия за цикл не изменяется. Поэтому совершенная рабочим телом механическая работа равна разности подведенной и отведенной теплоты:

 

. (3.1)

Тепловой коэффициент полезного действия (к.п.д.) цикла любой тепловой машины можно рассчитать как отношение полезной работы к количеству теплоты , переданной от нагревателя:

 

. (3.2)

Из выражения (3.2) следует, что к.п.д. любой тепловой машины всегда меньше единицы, так как часть полученной от нагревателя теплоты должна передаваться холодильнику.

Цикл Карно

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

 

Рис. 3.7. Термодинамический цикл Карно. Принцип действия.

При первом изотермическом процессе 1-2 происходит передача рабочему телу теплоты , причем эта теплота передается бесконечно медленно, при практически нулевой разнице температуры между нагревателем и рабочим телом. Далее рабочее тело подвергается адиабатическому расширению без теплообмена с окружающей средой (процесс 2-3). При последующем изотермическом процессе 3-4 холодильник забирает у рабочего тела теплоту . Процесс 4-1 представляет собой адиабатическое сжатие, переводящее рабочее тело в первоначальное состояние.

 

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику

.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.

Полученное выражение позволяет определить коэффициент полезного действия цикла Карно обратимой тепловой машины, если в ней в качестве рабочего тела используется идеальный газ. КПД такой тепловой машины всегда меньше единицы и полностью определяется температурами нагревателя и холодильника.

 

12.а) Адиабатный процесс. Как осуществляют адиабатный процесс на практике?

б) Формулы и график адиабатного процесса в V-p координатах. Сравнение с

Изотермическим процессом.

 

Адиаба́тный проце́сс — термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается тепловой энергией с окружающим пространством.

Если термодинамический процесс в общем случае являет собой три процесса — теплообмен, совершение системой (или над системой) работы и изменение её внутренней энергии, то адиабатический процесс в силу отсутствия теплообмена ( ) системы со средой сводится только к последним двум процессам[6]. Поэтому, первое начало термодинамики в этом случае приобретает вид

где — изменение внутренней энергии тела, — работа, совершаемая системой.

 

Для идеальных газов, чью теплоёмкость можно считать постоянной, в случае квазистатического процесса адиабата имеет простейший вид и определяется уравнением

где — его объём, — показатель адиабаты, и — теплоёмкости газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объёме.

График адиабаты (жирная линия) на диаграмме для газа.
— давление газа;
— объём.

С учётом уравнения состояния идеального газа уравнение адиабаты может быть преобразовано к виду

где — абсолютная температура газа. Или к виду

Поскольку всегда больше 1, из последнего уравнения следует, что при адиабатическом сжатии (то есть при уменьшении ) газ нагревается ( возрастает), а при расширении — охлаждается, что всегда верно и для реальных газов. Нагревание при сжатии больше для того газа, у которого больше коэффициент .

Вывод уравнения

Согласно закону Менделеева — Клапейрона[6] для идеального газа справедливо соотношение

где R — универсальная газовая постоянная. Вычисляя полные дифференциалы от обеих частей уравнения, полагая независимыми термодинамическими переменными , получаем

(3)

Если в (3) подставить из (внутр энерг) , а затем из , получим

или, введя коэффициент :

.

Это уравнение можно переписать в виде

что после интегрирования даёт:

.

Потенцируя, получаем окончательно:

что и является уравнением адиабатического процесса для идеального газа.

При адиабатическом процессе показатель адиабаты равен .

 

 

Адиабатический процесс может быть реализован в газе либо путём его термоизоляции, либо за счёт быстрого протекания процесса, когда процесс теплопередачи не успевает произойти. Первый способ применялся в опытах Джоуля, где было принципиально необходимо достижение газом состояния, близкого к равновесному. Поэтому каждый из опытов требовал продолжительного времени (около часа) и возникала необходимость введения поправок на тепловые потери.

Примером быстропротекающего процесса является распространение звука в воздухе. Несмотря на то, что такой процесс нельзя считать равновесным, опыт показывает, что для его описания возможно применение уравнения Пуассона, полученного в рамках равновесной термодинамики.

Осуществить адиабатный процесс можно, окружив систему теплоизолирующей оболочкой. Пример такой оболочки —термос. Но адиабатным может быть и процесс, протекающий так быстро, что теплообмен с окружающей средой не успевает произойти или настолько мал, что им можно пренебречь.

 

11 а)Теплоемкость тела. Удельная теплоемкость вещества. Молярная теплоемкость вещества. Единица измерения.

б) Теплоемкость газа в изопроцессах; в адиабатическом процессе.

в) Зависит ли теплоемкость тел от температуры?

Приращение температуры тела прямо пропорционально количеству теплоты, сообщенного ему. Для количественного описания этого соотношения вводится коэффициент пропорциональности между количеством теплоты, сообщаемого телу, и изменением его температуры, называемым теплоёмкостью:

 

. (2.55)

Этот коэффициент позволяет определить количество теплоты , которое необходимо сообщить телу для повышения его температуры на величину .

Единица измерения теплоёмкости в системе СИ — Дж/К.

 

В самом общем случае для произвольного тела его теплоемкость может зависеть от параметров состояния этого тела, например, от его температуры или объема. Очевидно, что теплоемкость термодинамической системы изменяется при изменении количества вещества в ней. Для систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, их теплоемкость пропорциональна количеству вещества. Это позволяет ввести для описания свойств тела удельную теплоемкость:

 

(2.56)

 

 

и, соответственно, молярную теплоемкость:

 

, (2.57)

где: — масса тела, — количество вещества в нем. Эти теплоемкости связаны между собой через молярную массу следующим соотношением:

 

. (2.58)

Теплоемкость, так же как и количество переданной телу теплоты, зависит от того, каким образом, а точнее при осуществлении какого процесса, теплота передавалась этому телу.

Если в процессе изменения состояния идеального газа теплоёмкость его не изменяется, то такой процесс называется политропическим. Частными случаями политропического процесса являются рассмотренные ранее изопроцессы, протекающие при постоянных значениях температуры, давления или объема.

Проведем определение теплоёмкости идеального газа в процессе, при котором его объём остаётся неизменным. При таком процессе работа не совершается: , так как нет изменения объема газа.Поэтому, в соответствии с первым началом термодинамики, имеем равенство подведенной к телу теплоты и изменения его внутренней энергии :

 

. (2.59)

Считая, что внутренняя энергия идеального газа пропорциональна количеству вещества:

 

, (2.60)

его теплоемкость в изохорическом процессе можно определить с помощью формулы:

 

. (2.61)

Здесь: — внутренняя энергия одного моля газа, а молярная теплоемкость при постоянном объем равна:

 

, (2.62)

или, как обычно принято записывать в термодинамике

 

. (2.63)

Символ после закрывающей скобки указывает на то, что дифференцирование происходит при неизменном значении объема .

В соответствии с формулой кинетическая, а, следовательно, и внутренняя энергия идеального газа, линейно зависят от его температуры. Из этого следует, что молярная теплоемкость идеального газа в изохорическом процессе постоянна: , и не зависит от температуры идеального газа. Тогда выражение для его внутренней энергии с точностью до произвольной постоянной, которую обычно принимают равной нулю, можно записать в следующем виде:

 

. (2.64)

Из этого выражения следует, что внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от других параметров его состояния, в частности от его объема.

Отсутствие зависимости внутренней энергии идеального газа от его объема было экспериментально подтверждёно в опытах Гей-Люссака и Джоуля, схема которых показана на рис. 2.6.

Теплоемкость газа в адиабатическом процессе:

Рис. 2.6. Схема опытов Гей-Люссака и Джоуля 1 — отделения сосуда, разделенные перегородками, 2 — извлекаемые перегородки, 3 — калориметр

В опытах Гей-Люссака адиабатически изолированный жёсткий сосуд имел несколько отделений 1, разделённых перегородками 2, которые можно было медленно извлекать, причём трение в системе практически отсутствовало. В одном из отделений первоначально находился газ, который, по мере открывания перегородок постепенно заполнял другие отделения сосуда, причём каждый раз после открытия перегородки система приходила в состояние термодинамического равновесия. При этом процессе, так как сосуд был адиабатически изолированным, внутренняя энергия газа не изменялась. Опыты показали, что температура газа при этом также не изменяется. Это подтверждало независимость внутренней энергии идеального газа при постоянстве температуры от его объёма.

Опыты Джоуля являлись усовершенствованным продолжением опытов Гей-Люссака. Джоуль поместил сосуд в калориметр 3, и тем самым избавил себя от необходимости использовать адиабатически изолированный сосуд. Это дало возможность более тщательно добиваться установления термодинамического равновесия и повысить точность эксперимента. Температуру газа в сосудах Джоуль контролировал посредством измерения температуры воды в калориметре. Опыты Джоуля подтвердили, что внутренняя энергия идеального газа не зависит от занимаемого им объёма. Однако дальнейшие более точные опыты Джоуля, проведённые им совместно с Томсоном (лордом Кельвином) показали, что если газ не является идеальным, его внутренняя энергия зависит от объёма, занимаемого им (эффект Джоуля-Томпсона).

Так как внутренняя энергия идеального газа с точностью до произвольной постоянной равна кинетической энергии теплового движения его молекул, то формула для молярной теплоемкости такого газа:

 

, (2.65)

где число степеней свободы зависит от физико-химической структуры молекулы газа.

Из формулы (2.65) следует, что для одноатомного газа молярная теплоемкость , а для газа, молекулы которого состоят из двух жестко связанных атомов . Соответственно для газов из жестких, многоатомных молекул .

При использовании выражения для практических расчетов реальных газов необходимо помнить, что оно является приближенным. Для кинетической энергии многоатомного газа, существует зависимость количества учитываемых при расчете степеней свободы от температуры. Это приводит к тому, что при значительных изменениях температуры теплоемкость газа может существенно изменяться.

Например, для молекул водорода, при температуре порядка 50 К вращательные степени свободы как бы «вымерзают» и его молярная теплоёмкость становится близкой к . А при температурах порядка 300 — 400 К вращательные степени свободы «включаются» и его теплоёмкость приобретает значение . При дальнейшем, значительном по сравнению с комнатной, повышении температуры начинают проявляться колебательные степени свободы. Для двухатомного газа, например водорода, это приводит к увеличению энергии его молекулы на величину , и соответственно к возрастанию молярной теплоемкости на . Поэтому при очень высоких температурах молярная теплоёмкость водорода стремится к значению .

Теплоемкость идеального газа в процессе, происходящем с изменением объема, отличается от полученного выше выражения . Это связано с тем, что при изменении объема газа им совершается работа и, в соответствии с первым началом термодинамики, подведенная теплота и изменение внутренней энергии становятся не равными друг другу. При расширении газа часть подведенной теплоты затрачивается на совершение им работы.

Поэтому для произвольного политропического процесса при определении молярной теплоемкости необходимо вместо выражения (2.62) использовать формулу:

 

, (2.66)

где: — объем одного моля газа. Последнее слагаемое в числителе этой формулы описывает работу, совершенную одним молем газа в рассматриваемом процессе.

Если процесс происходит при постоянном давлении, то с учетом выражения имеем

 

. (2.67)

Использование уравнения Клапейрона-Менделеева, записанного для одного моля газа

 

, (2.68)

дает:

 

. (2.69)

Тогда из выражения (2.67) следует формула для нахождения молярной теплоемкости при постоянном давлении:

 

, (2.70)

которая называется соотношением Майера. Из этой формулы с учетом выражения (2.65) имеем:

 

. (2.71)

Анализ выражения (2.70) показывает, что теплоемкость при постоянном давлении больше теплоемкости при постоянном объеме. Это связано с тем, что при изобарическом процессе, в отличие от изохорического, совершается работа, на выполнение которой затрачивается часть подведенной теплоты.

Таким образом, молярная теплоёмкость идеального газа зависит от вида процесса, в котором он участвует, и от внешних условий, обеспечивающих протекание этого процесса. Например, в соответствии с определением теплоёмкости , для адиабатического процесса, когда теплообмен с окружающей средой отсутствует и , она равна нулю, а для изотермического при — бесконечности.

Произведение удельной (на единицу массы вещества) теплоёмкости на атомную массу элемента, из которого состоит твёрдое тело, есть величина почти постоянная.

Закон Дюлонга и Пти был установлен ими эмпирически путём проведения большого количества опытов. В этих опытах измерялась скорость охлаждения различных веществ, находящихся при одинаковых внешних условиях, при которых передача теплоты определялась только разностью температуры вещества и окружающей среды. Если для различных веществ разности температур одинаковы, то отношение их теплоёмкостей будет равно обратному отношению скоростей изменения температуры.

В то время, когда Дюлонг и Пти проводили свои эксперименты, атомные массы многих элементов ещё не были установлены. Сейчас, с учетом того факта, что молярная масса пропорциональна атомной массе элемента, закон Дюлонга и Пти может быть сформулирован как закон постоянства молярной теплоёмкости (при постоянном объёме) для большинства твёрдых тел, состоящих из простых соединений. Величина этой теплоемкости равна 24,9 Дж/моль*К.

Закон постоянства молярной теплоёмкости может быть объяснён равнораспределением энергии по степеням свободы. Считая твёрдое тело состоящим из атомов, каждый из которых представляет собой гармонический осциллятор с тремя степенями свободы, имеем на каждую степень свободы атома среднюю кинетическую энергию и такую же среднюю потенциальную энергию. Тогда внутренняя энергия одного моля вещества может быть определена с помощью формулы:

 

, (2.72)

а, соответственно, его молярная теплоемкость примет вид:

 

, (2.73)

что хорошо согласуется с указанным выше значением.



Читайте также:

 

О перспективе увеличения КПД поршневых тепловых машин

По всей планете ученые и изобретатели ищут новые подходы к созданию мощных, экономичных и экологических моделей тепловых машин, однако, эти поиски пока не увенчались успехом. Общим технологическим недостатком известных тепловых машин (паровые поршневые двигатели, двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, ракетные двигатели) является необходимость передачи в окружающую среду большей части тепла, подведенного в цикл тепловой машины, поэтому они имеют низкий КПД и экономичность.

Напомню читателю, что газ или пар (рабочее тело) при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается, в результате принудительного сжатия, например, в цилиндре при помощи поршня рабочее тело нагревается, а во время расширения охлаждается. Однако, при расширении газа в пустоту (вакуум) его температура не меняется, потому что в процессе этого расширения внутренняя энергия газа не расходуется на совершение работы. Следует еще отметить, что только обратимые термодинамические процессы являются наиболее экономичными и приводят к максимальному значению термического коэффициента полезного действия тепловых двигателей.

Обратимый процесс (то есть равновесный) – термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния. При этом система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, а в окружающей среде не происходит микроскопических изменений. Естественно, что такой цикл работы тепловой машины осуществить в реальности невозможно, но можно проводить процессы в разных направлениях. Если нагревание и расширение рабочего тела считать прямым термодинамическим процессом, то его охлаждение и сжатие можно назвать обратным.

В известных поршневых тепловых машинах (паровые двигатели, ДВС) используется процесс, который проходит только в прямом направлении, да и то не в полной мере. Например, отработавший пар  в паровых двигателях под сравнительно высоким давлением выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор (холодильник). Остаточное тепло, отведенное из конденсатора, может быть использовано для обогрева помещений или транспортных средств, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котел двигателя. Однако во время выпуска пара безвозвратно тратится часть энергии на преодоление сопротивления давления окружающей среды. Кроме того, происходит охлаждение цилиндра и поршня, что также приводит к потере тепловой энергии, так как при дальнейшей работе двигателя значительное количество теплоты затрачивается на нагрев вышеназванных деталей.

Я считаю, что если производить тепловые машины, использующие в цикле работы не только прямой, но и обратный термодинамический процесс, то удастся сэкономить 20-30%  топлива и значительно уменьшить количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу. У меня возник ряд технических решений, с которыми я хочу ознакомить читателей.

1. Регенеративный преобразователь энергии газообразного теплоносителя в механическую работу.

Устройство содержит (Рис. 1,2,3) цилиндр 1 с поршнем 2, шарнирно связанным посредством приводного механизма 3 с коленчатым валом 4, на котором установлен маховик 5. Полость цилиндра 1 соединена с источником газообразного теплоносителя (на рис. не показан) посредством входной трубы 6 с клапаном 7. В нижней части цилиндра 1 выполнено выпускное окно 8, которое посредством патрубка 9 соединяется с полостью камеры 10 охладителя, отвод теплоты из которой производится при помощи теплообменника 11. Данная камера соединяется с атмосферой при помощи выхлопной трубы 12 через клапан 13 сброса.

Преобразователь работает следующим образом. Цикл работы имеет два такта – расширение и сжатие, которые осуществляются во время хода поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) и обратно. Допустим, что источником горячего теплоносителя является резервуар, заполненный рабочим телом, в качестве которого используется горячий сжатый воздух. Когда поршень 2 находится в ВМТ, открывается впускной клапан 7, сжатый воздух поступает в полость цилиндра 1 и оказывает давление на поршень 2, который двигается вниз, приводя во вращение коленчатый вал 4 с маховиком 5 посредством приводного механизма 3 (Рис.1). В это время при помощи теплообменника 11 продолжается отвод теплоты от рабочего тела, который находится в камере охладителя 10 после окончания предыдущего цикла. При приближении поршня 2 к НМТ впускной клапан 7 закрывается, а при дальнейшем движении поршня 2 открывается окно 8, которое перекрывалось ранее корпусом поршня.

Затем сжатый воздух через открытое окно 8 и через патрубок 9 направляется в полость камеры 10 охладителя и продолжает там расширяться. Следует заметить, что объем данной камеры рассчитан на полное расширение рабочего тела, находящегося в полости цилиндра 1 в сжатом состоянии. Сначала горячий воздух расширяется в вакуум, который образуется к этому времени в полости камеры охладителя, поэтому температура внутри данной термодинамической системы остается почти неизменной.

Когда давление в полости камеры 10 охладителя становится выше атмосферного давления, открывается клапан 13 сброса (Рис.2), через который осуществляется выброс охлажденного воздуха в атмосферу через выхлопную трубу 12. В ходе этого процесса часть тепловой энергии расходуется на преодоление сопротивления давления окружающей среды, однако, большая часть теплоты остается в системе. В то время, когда давление в полости камеры 10 охладителя становится равным атмосферному давлению, клапан 13 сброса закрывается. Далее, за счет вращения коленчатого вала при помощи маховика 5 поршень 2 движется от НМТ к ВМТ, поэтому окно 8 перекрывается корпусом поршня, а тепло, которое остается в камере 10 охладителя, начинает отводиться от оставшегося там воздуха при помощи теплообменника 11. Во время приближения поршня 2 к ВМТ температура рабочего тела в камере 10 охладителя понижается, а горячий воздух, оставшийся в цилиндре 1, сжимается поршнем 2 в верхней части цилиндра, поэтому он нагревается (Рис. 3). Степень сжатия рассчитывается так, что температура рабочего тела к концу такта становится приблизительно равной температуре воздуха во впускной трубе 6. Во время нахождения поршня в ВМТ открывается впускной клапан 7 и цикл повторяется.

Таким образом, в данном устройстве осуществляется не только прямой, но и обратный термодинамический процесс, в результате чего в полости камеры охладителя (холодильника) образуется вакуум, за счет которого в термодинамической системе сохраняется большое количество теплоты, часть которой регенерируется и используется для нагрева основных деталей устройства. Кроме того, при помощи теплообменника из системы отводится много тепла (в разы больше, чем в традиционном двигателе), которое можно использовать для обогрева помещений и предварительного прогрева рабочего тела.

2. Компаундный двигатель внутреннего сгорания с регенерацией теплоты.

Для увеличения КПД тепловых машин ученые и изобретатели предлагают использовать цикл с продолженным расширением, что позволяет значительно повысить степень расширения продуктов сгорания по сравнению со степенью сжатия рабочего тела. Для осуществления данного цикла советуют использовать компаундные двигатели (англ. compound– составной), которые имеют два (или более) рабочих цилиндра разного диаметра. Например, на выставке «EngineEXPO 2009» британская фирма «IlmorEngineering» представила публике трехцилиндровый компаундный ДВС, в котором инженеры задействовали классическую схему работы двигателя с продолженным расширением. Два крайних цилиндра такого устройства работаю по обычному четырехтактному циклу, средний (расширительный) имеет больший диаметр, чем крайние, а его поршень совершает рабочий ход за счет остаточного давления отработавших газов в малых цилиндрах. Я считаю, что автор идеи и разработчики данной конструкции допустили ошибку, установив в расширительном цилиндре выпускные клапаны. В данном устройстве во время выпуска отработавших газов остывают не только расширительный цилиндр и его поршень, охлаждаются соединительные патрубки, а это ведет к большим потерям тепловой энергии. Уверен, что по этой причине инженерам фирмы не удалось достичь поставленной цели – создать двигатель, у которого коэффициент полезного действия значительно выше, чем у традиционного ДВС, думаю, что поэтому до сих пор не налажено массовое производство такого устройства.

Я нашел конструктивное решение, которое позволит в значительной степени повысить тепловое КПД двигателей такого типа. Устройство содержит (Рис. 4,5,6,7) рабочий цилиндр 1 с поршнем 2, расширительный цилиндр 3 с поршнем 4, рабочий цилиндр 5 с поршнем 6, коленчатый вал 7 отбора мощности, с которым связаны поршни 2, 4 и 6 при помощи, например, шатунов, соответственно, 8, 9 и 10. При этом вал 7 выполнен со смещением колен рабочих цилиндров 1 и 5 на 180º относительно колена расширительного цилиндра 3 для установки поршней 2 и 6 в противофазе с поршнем 4. Поршни 2 и 6 установлены синфазно, что позволяет осуществлять в рабочих цилиндрах 1 и 5 четырехтактный рабочий процесс ДВС со сдвигом по тактам относительно друг друга на 360º угла поворота коленчатого вала 7. Рабочие цилиндры 1 и 5 снабжены впускными клапанами 11 и 12 и выпускными клапанами 13 и 14. Расширительный цилиндр 3 связан с рабочими цилиндрами 1 и 5 посредством перепускных каналов, соответственно, 15 и 16 с установленными в них перепускными клапанами 17 и 18. Устройство содержит также камеру 19 охладителя с теплообменником 20, которая соединена с расширительным цилиндром 3 посредством соединительного канала 21 и окна 22, выполненного в нижней части расширительного цилиндра 3. Кроме того, камера 19 охладителя связана с атмосферой при помощи выхлопной трубы 23 с установленным в ней клапаном 24 сброса.

Двигатель работает следующим образом. В то время, когда в одном из рабочих цилиндров, например, в цилиндре 1 заканчивается такт «рабочий ход», а в рабочем цилиндре 5 подходит к концу такт «впуск», в верхней части расширительного цилиндра 3 и перепускном канале 15 посредством поршня 4 осуществляется сжатие оставшихся там горячих продуктов горения (Рис. 4). Степень сжатия в расширительном цилиндре рассчитывается таким образом, чтобы температура газа в конце такта сжатия была приблизительно равной температуре рабочего тела в рабочем цилиндре 1 в конце такта расширения. Когда поршни 2 и 6 рабочих цилиндров приближаются к НМТ, впускной клапан 12 рабочего цилиндра 5 закрывается, а выпускной клапан 13 рабочего цилиндра 1 открывается (Рис. 5). Далее, в рабочем цилиндре 5 начинается такт «сжатие», а продукты горения из рабочего цилиндра 1 перепускаются в полость расширительного цилиндра 3 через выпускной клапан 13, перепускной канал 15 и перепускной клапан 17, в результате давление внутри данных цилиндров уравновешивается. Так как диаметр расширительного цилиндра больше диаметра рабочего цилиндра, сила давления на поршень 4 оказывается большей, чем сила давления на поршень 2. Поэтому поршень 4 расширительного цилиндра под действием этой силы движется к НМТ, вращая при помощи шатуна 9 коленчатый вал 7, при этом в рабочем цилиндре 5 происходит такт «сжатие»

Следует заметить, что во время работы двигателя от продуктов горения, находящихся в полости камеры 19 охладителя, постоянно отводится тепло посредством теплообменника 20, в результате чего в камере происходит сжатие и разрежение газов (образуется вакуум). Когда поршень 4 начинает приближаться к НМТ, открывается окно 22, которое ранее перекрывалось корпусом последнего (Рис. 6). Через это окно и соединительный канал 21 продукты горения проникают в полость камеры 19 охладителя, продолжая там расширяться (происходит расширение газа в пустоту). Как только давление внутри камеры становится выше атмосферного давления, открывается клапан 24 сброса, через который в выхлопную трубу 23 выбрасываются отработавшие газы.

При достижении равности давлений внутри и снаружи камеры 19 охладителя клапан 24 сброса закрывается, поршень 4 начинает двигаться к ВМТ и перекрывает своим корпусом окно 22, выпускной клапан 13 и перепускной клапан 17 закрываются, а впускной клапан 11 рабочего цилиндра 1 и перепускной клапан 18 открываются (Рис. 7). При дальнейшей работе двигателя в рабочем цилиндре 5 осуществляется такт «рабочий ход», в рабочем цилиндре 1 – такт «впуск», а продукты горения, оставшиеся в расширительном цилиндре 3 начинают сжиматься поршнем 4 в верхней части данного цилиндра и в перепускном патрубке 18.

Далее цикл повторяется с участием рабочего цилиндра 5, как источника остаточного давления.

Такой двигатель можно строить на основе существующего четырехцилиндрового ДВС путем его модификации, которая заключается в том, что полости средних цилиндров соединяются между собой при помощи канала 1 (Рис. 8). Свечи зажигания и выпускные клапаны из данных цилиндров удаляются, а в нижней их части выполняется как минимум одно окно 2, которое посредством соединительного канала 3 подключается к камере охладителя 4. Главным отличием этих двигателей от существующих тепловых машин является то, что в них имеется устройство, при помощи которого осуществляется утилизация тепловой энергии, которая обычно выбрасывается в атмосферу вместе с отработавшим рабочим телом.

Вакуум, образующийся в камере охладителя вследствие отвода теплоты от газов, можно использовать еще, например, для работы вакуумного двигателя, если установить дополнительный цилиндр с поршнем (см. пат. 2526605 и 2527000). Еще можно, например, повысить тепловой КПД существующих поршневых энергетических установок, конструкция которых такова, что отвод теплоты для обогрева помещений осуществляется как от цилиндров двигателя, так и от системы выпуска при помощи теплообменников. Я предлагаю изменить систему выпуска двигателя так, как показано на Рис. 9, где: 1 — цилиндр, 2 — поршень, 3 — впускной клапан, 4 — выпускной клапан, 5 – соединительный канал, 6 — камера охладителя, 7 – теплообменник, 8 – клапан сброса, 9 – выхлопная труба.

ДВС такой конструкции работает в обычном четырехтактном режиме с той разницей, что выпуск продуктов горения из цилиндра 1 осуществляется в полость камеры охладителя 6 через выпускной клапан 4 и соединительный канал 5. Так как в камере охладителя установлен теплообменник 7, от газов, находящихся в камере охладителя, постоянно отводится тепло, продукты горения охлаждаются и за счет этого сжимаются. В результате данного процесса в полости последней образуется вакуум, поэтому в такте «выпуск» происходит расширение газов в пустоту.

Такое конструктивное решение позволит в значительной мере увеличить тепловой КПД установки.

На основе вышеописанных устройств можно производить мини-ТЭЦ, которым найдется широкое применение. Такие энергетические установки можно будет размещать, например, в станциях для зарядки электромобилей, а также использовать их для обеспечения электроэнергией и теплом небольших поселков микрорайонов. Главное, что в этом случае значительно снизится прямой выброс теплоты и вредных веществ в атмосферу, а также уменьшится потребление горючего.

                                                                                                       В.РУМЯНЦЕВ,

                                                                                                  [email protected]

15.3 Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность — College Physics

15.3 Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность — College Physics | OpenStaxSkip к ContentCollege Physics 15.3 Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность
  1. Предисловие
  2. 1 Введение: природа науки и физики
    1. Введение в науку и область физики, физических величин и единиц измерения
    2. 1.1 Физика: Введение
    3. 1.2 Физические величины и единицы
    4. 1.3 Точность, прецизионность и значащие числа
    5. 1.4 Приближение
    6. Глоссарий
    7. Краткое содержание раздела
    8. Концептуальные вопросы
    9. Задачи и упражнения
  4. Введение Одномерная кинематика
  5. 2.1 Смещение
  6. 2.2 Векторы, скаляры и системы координат
  7. 2.3 Время, скорость и скорость
  8. 2.4 Ускорение
  9. 2.5 Уравнения движения для постоянного ускорения в одном измерении
  10. 2.6 Основы решения проблем для одномерной кинематики
  11. 2.7 Падающие объекты
  12. 2.8 Графический анализ одномерного движения
  13. Глоссарий
  14. Краткое изложение концепции
  15. Вопросы
  16. Задачи и упражнения
  • 3 Двумерная кинематика
    1. Введение в двумерную кинематику
    2. 3.1 Кинематика в двух измерениях: введение
    3. 3.2 Сложение и вычитание векторов: графические методы
    4. 3.3 Сложение и вычитание векторов: аналитические методы
    5. 3.4 Движение снаряда
    6. 3.5 Сложение скоростей
    7. Глоссарий
    8. Краткое содержание раздела
    9. Задачи и упражнения
  • 4 Динамика: сила и законы движения Ньютона
    1. Введение в динамику: законы движения Ньютона
    2. 4.1 Разработка концепции силы
    3. 4,2 Первый закон движения Ньютона: инерция
    4. 4,3 Второй закон движения Ньютона: концепция системы
    5. 4,4 Третий закон движения Ньютона: симметрия сил
    6. 4,5 Нормаль, напряжение и другие примеры of Forces
    7. 4.6 Стратегии решения проблем
    8. 4.7 Дальнейшие применения законов движения Ньютона
    9. 4.8 Расширенная тема: Четыре основных силы — Введение
    10. Глоссарий
    11. Краткое содержание раздела
    12. Концептуальные вопросы
    13. Задачи и упражнения
  • 5 Дальнейшие применения законов Ньютона: трение, сопротивление и упругость
    1. Введение: дополнительные применения законов Ньютона
    2. 5.1 Трение
    3. 5.2 Силы сопротивления
    4. 5.3 Эластичность: напряжение и деформация
    5. Глоссарий
    6. Краткое содержание раздела
    7. Концептуальные вопросы
    8. Задачи и упражнения
  • 6 Равномерное круговое движение и гравитация Введение в гравитацию
    2. 6.1 Угол вращения и угловая скорость
    3. 6.2 Центростремительное ускорение
    4. 6.3 Центростремительная сила
    5. 6.4 Фиктивные силы и неинерциальные системы координат: сила Кориолиса
    6. 6.5 Универсальный закон тяготения Ньютона
    7. 6.6 Спутники и законы Кеплера: аргумент в пользу простоты
    8. Глоссарий
    9. Резюме раздела
    10. Концептуальные вопросы
    11. Задачи и упражнения
  • 7 Работа, энергия и энергетические ресурсы
      — Введение в
        Работа, энергия и энергетические ресурсы
      1. 7.1 Работа: научное определение
      2. 7.2 Кинетическая энергия и теорема об энергии работы
      3. 7.3 Гравитационная потенциальная энергия
      4. 7.4 Консервативные силы и потенциальная энергия
      5. 7,5 Неконсервативные силы
      6. 7.6 Сохранение энергии
      7. 7,7 Энергия
      8. 7,8 Работа, энергия и мощность у людей
      9. 7.9 Мировое использование энергии
      10. Глоссарий
      11. Краткое содержание раздела
      13. Задачи и упражнения
    1. 8 Линейный импульс и столкновения
      1. Введение в линейный импульс и столкновения
      2. 8.1 Линейный импульс и сила
      3. 8.2 Импульс
      4. 8.3 Сохранение импульса
      5. 8.4 Упругие столкновения в одном измерении
      6. 8.5 Неупругие столкновения в одном измерении
      7. 8.6 Столкновения точечных масс в двух измерениях
      8. 8.7 Введение в ракетное движение
      9. Глоссарий
      10. 000 Краткое содержание раздела Концептуальные вопросы
      11. Задачи и упражнения
      1. Введение в статику и крутящий момент
      2. 9.1 Первое условие равновесия
      3. 9.2 Второе условие равновесия
      4. 9.3 Стабильность
      5. 9.4 Приложения статики, включая стратегии решения проблем
      6. 9.5 Простые механизмы
      7. 9.6 Силы и моменты в мышцах и суставах
      8. Глоссарий
      9. Резюме раздела
      11. Концептуальные вопросы Задачи и упражнения
    3. 10 Вращательное движение и угловой момент
      1. Введение в вращательное движение и угловой момент
      2. 10.1 Угловое ускорение
      3. 10.2 Кинематика вращательного движения
      4. 10.3 Динамика вращательного движения: вращательная инерция
      5. 10.4 Кинетическая энергия вращения: новый взгляд на работу и энергию
      6. 10,5 Угловой момент и его сохранение
        7. Два
      7. 10,6 Столкновения 9000 протяженных тел 4
      8. 10.7 Гироскопические эффекты: векторные аспекты углового момента
      9. Глоссарий
      10. Резюме раздела
      11. Концептуальные вопросы
      12. Задачи и упражнения
      1. Введение в статику жидкостей
      2. 11.1 Что такое жидкость?
      3. 11.2 Плотность
      4. 11.3 Давление
      5. 11.4 Изменение давления по глубине в жидкости
      6. 11,5 Принцип Паскаля
      7. 11,6 Измерение манометрического давления, абсолютного давления и давления
      8. 11,7 Принцип Архимеда
      9. 11,8 : Поверхностное натяжение и капиллярное действие
      10. 11.9 Давления в теле
      11. Глоссарий
      12. Резюме раздела
      13. Концептуальные вопросы
      14. Задачи и упражнения
    5. 12 Динамика жидкости и ее биологические и медицинские приложения
      1. Введение в динамику жидкости и ее использование Биологические и медицинские приложения
      2. 12.1 Расход и его связь со скоростью
      3. 12.2 Уравнение Бернулли
      4. 12.3 Наиболее общие приложения уравнения Бернулли
      5. 12.4 Вязкость и ламинарный поток; Закон Пуазейля
      6. 12.5 Начало турбулентности
      7. 12.6 Движение объекта в вязкой жидкости
      8. 12.7 Явления молекулярного переноса: диффузия, осмос и связанные процессы
      9. Глоссарий
      10. Краткое содержание раздела
      11. Концептуальные вопросы
      12. Концептуальные вопросы
    6. 13 Температура, кинетическая теория и законы газа
      1. Введение в температуру, кинетическую теорию и законы газа
      2. 13.1 Температура
      3. 13.2 Термическое расширение твердых тел и жидкостей
      4. 13.3 Закон идеального газа
      5. 13.4 Кинетическая теория: атомное и молекулярное объяснение давления и температуры
      6. 13,5 Фазовые изменения
      7. 13,6 Влажность, испарение и кипение
      8. Краткое содержание раздела
      9. Концептуальные вопросы
      10. Задачи и упражнения
    7. 14 Методы теплопередачи
      1. Введение в методы теплопередачи
      2. 14.1 Тепло
      3. 14.2 Изменение температуры и теплоемкость
      4. 14.3 Фазовое изменение и скрытая теплота
      5. 14.4 Методы теплопередачи
      6. 14,5 Проводимость
      7. 14,6 Конвекция
      8. 14,7 Излучение
      9. Глоссарий
      10. Краткое содержание раздела
      11. Вопросы по концепции
        12. И упражнения
      1. Введение в термодинамику
      2. 15.1 Первый закон термодинамики
      3. 15.2 Первый закон термодинамики и некоторые простые процессы
      4. 15.3 Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность
      5. 15.4 Совершенный тепловой двигатель Карно: пересмотр второго закона термодинамики
      6. 15.5 Приложения термодинамики: тепловые насосы и холодильники
      7. 15,6 Энтропия и второй закон термодинамики: Беспорядок и недоступность энергии
      8. 15.7 Статистическая интерпретация энтропии и второй закон термодинамики: основное объяснение
      9. Глоссарий
      10. Краткое содержание раздела
      11. Концептуальные вопросы
      12. Задачи и упражнения
      1. 16 Колебания и движения Введение в колебательное движение и волны
      2. 16.1 Закон Гука: новый взгляд на напряжение и деформацию
      3. 16.2 Период и частота колебаний
      4. 16.3 Простое гармоническое движение: особое периодическое движение
      5. 16.4 Простой маятник
      6. 16.5 Энергия и простой гармонический осциллятор
      7. 16.6 Простое круговое движение и простое равномерное движение Гармоническое движение
      8. 16,7 Затухающее гармоническое движение
      9. 16,8 Принудительные колебания и резонанс
      10. 16,9 Волны
      11. 16,10 Суперпозиция и интерференция
      12. 16.11 Энергия в волнах: интенсивность
      13. Глоссарий
      14. Резюме раздела
      15. Концептуальные вопросы
      16. Задачи и упражнения
      1. Введение в физику слуха
      2. 17.1 Звук
      3. 17.2 Скорость звука, частота
      4. 17.3 Интенсивность звука и уровень звука
      5. 17.4 Эффект Доплера и звуковые удары
      6. 17.5 Звуковые помехи и резонанс: стоячие волны в столбе воздуха
      7. 17.6 Слух
      8. 17.7 Ультразвук
      9. Глоссарий
      10. Краткое содержание раздела
      11. Концептуальные вопросы
      12. Проблемы и упражнения
    10. 18 Электрический заряд и электрическое поле
      1. Введение в электрический заряд и электрическое поле
      2. 18.1 Электробезопасность. заряда
      3. 18.2 Проводники и изоляторы
      4. 18.3 Закон Кулона
      5. 18.4 Электрическое поле: новая концепция поля
      6. 18.5 линий электрического поля: множественные заряды
      7. 18.6 Электрические силы в биологии
      8. 18.7 Проводники и электрические поля в статическом равновесии
      9. 18.8 Приложения электростатики
      10. Глоссарий
      11. Краткое содержание раздела
      12. Концептуальные вопросы
      14. Задачи и упражнения 19 Электрический потенциал и электрическое поле
        1. Введение в электрический потенциал и электрическую энергию
        2. 19.1 Электрическая потенциальная энергия: разница потенциалов
        3. 19.2 Электрический потенциал в однородном электрическом поле
        4. 19.3 Электрический потенциал из-за точечного заряда
        5. 19.4 Эквипотенциальные линии
        6. 19,5 Конденсаторы и диэлектрики
        7. 19,6 Последовательные и параллельные конденсаторы
        8. 19,7 Энергия, накопленная в конденсаторах
        11. Глоссарий Резюме
        12. Концептуальные вопросы
        13. Задачи и упражнения
      15. 20 Электрический ток, сопротивление и закон Ома
        1. Введение в электрический ток, сопротивление и закон Ома
        2. 20.1 Ток
        3. 20,2 Закон Ома: сопротивление и простые схемы
        4. 20,3 Сопротивление и удельное сопротивление
        5. 20,4 Электроэнергия и энергия
        6. 20,5 Сравнение переменного и постоянного тока
        7. 20,6 Опасности поражения электрическим током и человеческое тело
        8. 20,7 Нервная проводимость — 9000 кардиограмм
        9. Глоссарий
        10. Краткое содержание раздела
        11. Концептуальные вопросы
        12. Проблемы и упражнения
      16. 21 Цепи и приборы постоянного тока
        1. Введение в схемы и приборы постоянного тока
        2. 21.1 Последовательные и параллельные резисторы
        3. 21.2 Электродвижущая сила: напряжение на клеммах
        4. 21.3 Правила Кирхгофа
        5. 21.4 Вольтметры и амперметры постоянного тока
        6. 21,5 Измерение нуля
        7. 21,6 Цепи постоянного тока, содержащие резисторы и конденсаторы Раздел
        8. 0003000 Глоссарий Вопросы
        9. Задачи и упражнения
        1. Введение в магнетизм
        2. 22.1 Магниты
        3. 22.2 Ферромагнетики и электромагниты
        4. 22.3 Магнитные поля и линии магнитного поля
        5. 22.4 Напряженность магнитного поля: сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле
        6. 22,5 Сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле: примеры и приложения
        7. 22,6 Холла Влияние
        8. 22.7 Магнитная сила на токопроводящий проводник
        9. 22.8 Крутящий момент на токовой петле: двигатели и измерители
        10. 22.9 Магнитные поля, создаваемые токами: закон Ампера
        11. 22.10 Магнитная сила между двумя параллельными проводниками
        12. 22.11 Другие применения магнетизма
        13. Глоссарий
        14. Краткое содержание раздела
        15. Концептуальные вопросы
        16. Задачи и упражнения
      18. 23 Электромагнитная индукция, цепи переменного тока и электрические технологии
        1. Введение в электромагнитную индукцию , Цепи переменного тока и электрические технологии
        2. 23.1 Индуцированная ЭДС и магнитный поток
        3. 23.2 Закон индукции Фарадея: Закон Ленца
        4. 23.3 ЭДС в движении
        5. 23,4 Вихревые токи и магнитное демпфирование
        6. 23,5 Электрогенераторы
        7. 23,6 Противоэдс
        8. 23,7 Трансформаторы
        9. 23,8 Электробезопасность: системы и устройства
        10. 23,9 Индуктивность
        11. 23,104 Индуктивность
        12. и индуктивность
        13. 23,104
        14. Емкостный
        15. 23.12 Цепи переменного тока серии RLC
        16. Глоссарий
        17. Сводка раздела
        18. Концептуальные вопросы
        19. Проблемы и упражнения
        1. Введение в электромагнитные волны
        2. 24.1 Уравнения Максвелла: предсказанные и наблюдаемые электромагнитные волны
        3. 24.2 Производство электромагнитных волн
        4. 24.3 Электромагнитный спектр
        5. 24.4 Энергия электромагнитных волн
        6. Глоссарий
        7. Краткое содержание раздела
        8. Концептуальные вопросы
        11. Задачи и упражнения
        13. Введение в геометрическую оптику
        14. 25.1 Лучевой аспект света
        15. 25.2 Закон отражения
        16. 25.3 Закон преломления
        17. 25.4 Полное внутреннее отражение
        18. 25.5 Дисперсия: радуга и призмы
        19. 25.6 Формирование изображения линзами
        20. 25.7 Формирование изображения зеркалами
        21. Глоссарий
        22. Резюме раздела
        23. Концептуальные вопросы и упражнения
      20. 26 Видение и оптические инструменты
        1. Знакомство с визуальными и оптическими приборами
        2. 26.1 Физика глаза
        3. 26.2 Коррекция зрения
        4. 26.3 Цветное и цветовое зрение
        5. 26.4 Микроскопы
        6. 26.5 Телескопы
        7. 26,6 Аберрации
        8. Глоссарий
        9. Сводка раздела
        10. Концептуальные вопросы
        11. Проблемы и упражнения
        12. 0003
      21. Проблемы и упражнения 27.1 Волновой аспект света: интерференция
      22. 27.2 Принцип Гюйгенса: дифракция
      23. 27.3 Эксперимент Юнга с двойной щелью
      24. 27.4 Дифракция на множественной щели
      25. 27,5 Дифракция на одной щеле
      26. 27,6 Пределы разрешения: критерий Рэлея
      27. 27,7 Интерференция тонких пленок
      28. 27,8 Поляризация
      29. 27,9 * Расширенный раздел Краткое содержание раздела
      30. Концептуальные вопросы
      31. Задачи и упражнения
      1. Введение в специальную теорию относительности
      2. 28.1 Постулаты Эйнштейна
      3. 28.2 Одновременность и замедление времени
      4. 28.3 Сокращение длины
      5. 28.4 Релятивистское сложение скоростей
      6. 28.5 Релятивистский импульс
      7. 28.6 Релятивистская энергия
      8. Глоссарий
      11. Краткое содержание
        1. Введение в квантовую физику
        2. 29.1 Квантование энергии
        3. 29.2 Фотоэлектрический эффект
        4. 29.3 Энергии фотонов и электромагнитный спектр
        5. 29,4 Импульс фотона
        6. 29,5 Дуальность частица-волна
        7. 29,6 Волновая природа материи
        8. 29,7 Вероятность: принцип неопределенности Гейзенберга
        9. 29,8 Дуальность частицы-волны
          10. Обзор
        11. Краткое содержание раздела
        12. Концептуальные вопросы
        13. Задачи и упражнения
        1. Введение в атомную физику
        2. 30.1 Открытие атома
        3. 30.2 Открытие частей атома: электроны и ядра
        4. 30.3 Теория Бора атома водорода
        5. 30,4 Рентгеновские лучи: происхождение и применение атома
        6. 30.5 Приложения атомных возбуждений и девозбуждений
        7. 30.6 Волновая природа материи вызывает квантование
        8. 30.7 Паттерны в спектрах обнаруживают большее квантование
        9. 30.8 Квантовые числа и правила
        10. 30.9 Принцип исключения Паули
        11. Глоссарий
        12. Краткое содержание раздела
        13. Концептуальные вопросы
        14. Концептуальные вопросы
        15. 31 Радиоактивность и ядерная физика
          1. Введение в радиоактивность и ядерную физику
          2. 31.1 Ядерная радиоактивность
          3. 31.2 Обнаружение и детекторы излучения
          4. 31.3 Субструктура ядра
          5. 31.4 Законы о ядерном распаде и сохранении
          6. 31.5 Период полураспада и активность
          7. 31.6 Энергия связи
          8. 31.7 Туннелирование
            9. Глоссарий
          9. Глоссарий
          10. Концептуальные вопросы
          11. Задачи и упражнения
        16. 32 Медицинские приложения ядерной физики
          1. Введение в приложения ядерной физики
          2. 32.1 Медицинская визуализация и диагностика

        Преобразование энергии и тепловые двигатели

        (Немного термодинамики)

        Будь то уголь, нефть, газ или атомная энергетика, 80% электроэнергии в мире получают из источников тепла, и почти все используемые процессы преобразования энергии преобразуют тепловую энергию в электрическую энергию, включая промежуточный этап преобразования тепловой энергии в электрическую. механическая энергия в некоторой форме теплового двигателя.Чтобы удовлетворить эту потребность, был разработан широкий спектр систем преобразования энергии для оптимизации процесса преобразования в доступный источник тепла.

        Несмотря на более чем 250-летнюю разработку с момента первого запуска парового двигателя Джеймса Ватта, лучший коэффициент преобразования, достигнутый сегодня, составляет всего около 60% для паровых и газотурбинных систем с комбинированным циклом.КПД в диапазоне от 35% до 45% чаще встречается для паровых турбин, от 20% до 30% для поршневых двигателей и всего 3% для океанских тепловых электростанций. На этой странице описаны некоторые термодинамические аспекты различных типичных тепловых двигателей. Более подробные описания этих движков можно найти на других страницах этого сайта по ссылкам ниже.

        Эффективность тепловых двигателей была впервые исследована Карно в 1824 году и расширена Клапейроном, который предоставил аналитические инструменты в 1834 году, и Кельвином, который сформулировал второй закон термодинамики в 1851 году, и, наконец, Клаузиусом, который ввел понятие энтропии в 1865 году.

        Термодинамическая система

        Каждая термодинамическая система существует в определенном состоянии, которое определяется свойствами ее компонентов, такими как тепло, температура, давление, объем, плотность, энтропия и фаза (жидкость, газ и т. Д.) В данный момент времени. Термодинамика касается преобразования тепла и других форм энергии в системе и связанных с ней потоков энергии.

        В термодинамическом цикле энергия применяется в одной форме для изменения состояния системы, а затем энергия извлекается в другой форме, чтобы вернуть систему в исходное состояние. В тепловом двигателе энергия применяется в виде тепла для изменения состояния рабочего тела, а затем извлекается в виде механической работы, чтобы вернуть рабочее тело в исходное состояние. Другими словами, тепловой двигатель — это система, в которой энергия обменивается между системой преобразования энергии и окружающей средой.

        Важно отметить, что хотя рабочая жидкость в тепловом двигателе может работать в замкнутом цикле, «система» и «состояние системы» определены как включающие как физический «двигатель», так и рабочую среду. или окружение.

        Тепловые двигатели

        Тепловые двигатели используют ряд методов для передачи тепла и преобразования изменений давления и объема в механическое движение.

        Из законов о газе PV = кН T

        , где P — давление, V — объем и T — температура газа

        и k — постоянная Больцмана, а N — количество молекул в газовом заряде.

        Вложение энергии в виде тепла в газ увеличивает его температуру, но в то же время газовые законы означают, что давление или объем газа, или и то, и другое должны увеличиваться пропорционально.Газ можно вернуть в исходное состояние, снова забрав эту энергию, но не обязательно в виде тепла. Изменение давления и / или объема можно использовать для выполнения работы путем перемещения механического устройства соответствующей конструкции, такого как поршень или лопатка турбины.

        Чем больше изменение температуры, тем больше энергии может быть извлечено из жидкости

        Тепловой двигатель как часть системы

        Тепловые двигатели позволяют преобразовывать тепловую энергию в кинетическую через среду рабочего тела.

        На диаграмме напротив показан тепловой поток системы. Тепло передается от источника через рабочую жидкость в тепловом двигателе в сток, и в этом процессе часть тепла преобразуется в работу.

        Теория теплового двигателя касается только процесса преобразования тепла в механическую энергию, а не метода получения тепла, процесса сгорания.Сжигание — это отдельный процесс преобразования, который сам по себе снижает эффективность. В некоторых практических системах, таких как паровые турбины, эти два процесса физически разделены, но в двигателях внутреннего сгорания, которые составляют большинство двигателей, эти два процесса происходят в одной камере в одно и то же время.

        Энтропия

        Концепция энтропии полезна для понимания преобразования энергии в системе, потоков энергии и работы тепловых двигателей.Слово «энтропия» происходит от греческого «преобразование». Хотя энтропия впервые была определена для термодинамических приложений, эта концепция использовалась в других областях науки, особенно в электрохимии и коммуникациях. Таким образом, существует множество определений энтропии, некоторые из которых противоречивы или сбивают с толку. Следующие три примера согласованы и используются в контексте тепловых двигателей.

        • Энтропия мера беспорядка системы.
        • Энтропия мера количества энергии, которая недоступна для выполнения работы.
        • Энтропия S — это переменная состояния для обратимого (без потерь) процесса, изменение которого в любой точке цикла определяется как:

          • dS = dQ / T

          Где Q — тепло в Джоулях, поступающее в систему в любой момент цикла

          и T — температура в ° K в точке входа тепла

        Примером может служить температура замкнутого объема газа, повышаемая за счет тепла от источника энергии или резервуара.

        По мере увеличения температуры газа беспорядок или кинетическая энергия его молекул увеличивается, что означает, что его энтропия увеличивается. Это сопровождается изменением состояния газа, объем или давление которого увеличивается в зависимости от типа оболочки.

        Второй закон термодинамики

        Второй закон касается изменения энтропии. В разных формах это можно сформулировать следующим образом;

        • Энтропия изолированной системы, которая не находится в равновесии, будет иметь тенденцию увеличиваться с течением времени, приближаясь к максимальному значению, когда система находится в равновесии
        • В любом циклическом процессе энтропия либо возрастет (или в идеальной системе останется прежней).

        Неравенство Клаузиуса

        Теорема Клаузиуса — это еще один способ сформулировать Второй закон. Таким образом:

        ∫dQ / T < 0 (интегрально около одного полного цикла)

        Интеграл представляет собой чистое изменение энтропии рабочего тела в течение одного полного теплового цикла, когда рабочее тело в тепловом двигателе возвращается в исходное состояние.На первый взгляд может показаться, что это нарушит второй закон, поскольку он показывает, что изменение энтропии всегда будет нулевым или отрицательным, и мы знаем, что энтропия может только увеличиваться или оставаться неизменной.

        Объяснение заключается в том, что уравнение относится к потоку энергии между тепловым двигателем и окружающей средой во время цикла.

        В идеальном (обратимом) тепловом цикле изменение энтропии будет нулевым, однако для реальной (необратимой) системы энтропия в рабочей жидкости будет увеличиваться во время процессов преобразования энергии, но рабочая жидкость завершит цикл в В том же состоянии, что и в начале, этот избыток энтропии должен быть передан из «двигателя» в окружающую среду (холодный резервуар).Интеграл Клаузиуса относится к выбросу этой избыточной энтропии из теплового двигателя в окружающую среду. Это согласуется со вторым законом, поскольку любой реальный цикл двигателя приведет к тому, что в окружающую среду будет передано больше энтропии, чем взято из нее, что приведет к общему чистому увеличению энтропии всей системы.

        Одним из последствий потери энтропии тепловым двигателем является то, что для выполнения полезной работы будет меньше доступной энергии.

        Процессы теплового двигателя

        Тепловой цикл включает три или более основных термодинамических основных процесса, обычно четыре, для преобразования состояния рабочего тела и возврата его в исходное состояние.Эти; сжатие, добавление тепла, расширение и отвод тепла, и каждый из этих процессов может осуществляться при одном или нескольких из следующих условий:

        • Изотермический — При постоянной температуре, поддерживаемой за счет добавления или отвода тепла от источника или радиатора
        • Изобарический — При постоянном давлении
        • Изометрический / Изохорный / Изообъемный — При постоянном объеме
        • Адиабатический — При постоянной энтропии.Никакое тепло не добавляется и не удаляется из системы. Никакой работы не сделано.
        • Изэнтропический При постоянной энтропии. Обратимые адиабатические условия Без добавления или потери тепла. Никакой работы не сделано.

        Анализ теплового цикла

        Характеристики теплового цикла, связанного с тепловым двигателем, обычно описываются с помощью двух диаграмм изменения состояния: PV-диаграмма, показывающая зависимость давления от объема, и TS-диаграмма, показывающая зависимость температуры-энтропии.

        При постоянной массе газа тепловая машина работает в повторяющемся цикле, и ее фотоэлектрическая диаграмма будет иметь вид замкнутой фигуры

        Примеры, иллюстрирующие процессы преобразования энергии, используемые в некоторых идеальных, закрытых и открытых системах, показаны ниже.

        Работа, выполненная в течение одного цикла нагрева

        Механическая работа, производимая системой, определяется уравнением:

        W = — ∫P.dV (интегрально для одного полного цикла)

        На фотоэлектрической диаграмме этот интеграл эквивалентен прилагаемой площади. по кривой.

        КПД теплового двигателя

        Карно показал, что максимальный КПД η , который может быть достигнут от тепловой машины, определяется выражением:

        η = (T h — T c ) / T h или η = 1 — T c / T h

        Примечания по эффективности

        • Эффективность может быть повышена за счет максимального увеличения разницы между температурами горячего входа и холодного выхлопа рабочего тела во время цикла нагрева.
        • Эффективность всех систем открытого цикла страдает из-за потери тепла в высокотемпературных выхлопных газах.
        • Эффективность также снижается из-за потерь на трение при использовании вращающегося оборудования, из-за энергии, потребляемой на стадии сжатия, и из-за энергии накачки в I.C.E.
        • Большинство систем преобразования энергии представляют собой многоступенчатые системы, поэтому общая производительность системы также зависит от других факторов, таких как эффективность сгорания топлива, используемого для выработки тепла, и эти факторы эффективности или потерь не зависят от и являются дополнительными к: основной тепловой цикл (Карно) рабочего тела.
        • КПД Карно представляет собой совершенство и не является хорошим показателем для сравнения производительности реальных систем преобразования энергии. Реальные системы настолько разнообразны, что не существует простого теоретического стандарта для сравнения, кроме соотнесения фактического выхода энергии системы с теплотой сгорания используемого топлива.

        Варианты теплового двигателя

        Широкий спектр конструкций тепловых двигателей, основанных на различных тепловых циклах, был разработан для оптимизации конструкции для различных приоритетов, таких как следующие:

        • Максимальная термодинамическая эффективность за цикл.
        • Максимальная частота повторения цикла (максимальная мощность)
        • Максимальная мощность (максимальный крутящий момент)
        • Минимальный расход топлива
        • Возможность использования альтернативных видов топлива
        • Механическая простота

        Ниже приведены некоторые примеры.

        Краткое описание процессов, используемых во всех этих циклах, приведено в таблице ниже.

        Цикл Карно

        Тепловой двигатель Карно — это гипотетический идеальный двигатель, работающий по обратимому циклу Карно. Он используется в качестве эталонного цикла, хотя, по иронии судьбы, о создании настоящих двигателей Карно не известно. Это замкнутый цикл с использованием внешнего нагрева.

        Цикл Карно при работе в качестве тепловой машины состоит из следующих этапов:

        Изменить

        Государственный

        Процесс теплового цикла Карно es

        от A до B

        Обратимое изотермическое сжатие холодного газа. Изотермический отвод тепла. Газ запускается при «холодной» температуре. Тепло уходит из газа в низкотемпературную среду.

        от B до C

        Обратимое адиабатическое сжатие газа. При сжатии температура газа повышается до «горячей» температуры. Ни тепла, ни тепла.

        От C до D

        Обратимое изотермическое расширение горячего газа.Изотермический подвод тепла. Поглощение тепла от источника высокой температуры. Расширяющийся газ, доступный для работы с окружающей средой (например, перемещение поршня).

        от D до A

        Обратимое адиабатическое расширение газа. Газ продолжает расширяться, выполняя внешние работы. Расширение газа вызывает его охлаждение до «холодной» температуры. Никакого тепла не происходит.

        Если цикл нагрева работает по часовой стрелке, как показано на приведенной выше диаграмме, двигатель использует тепло для работы в сети. Если цикл работает в обратном направлении (против часовой стрелки), он использует работу для передачи тепловой энергии от более холодной системы к более теплой, тем самым действуя как холодильник или тепловой насос. Смотри ниже.

        Еще одно явное нарушение второго закона? Диаграмма TS (энтропия) показывает, что энтропия в замкнутом цикле уменьшается!

        Объяснение заключается в том, что диаграмма TS показывает потоки энтропии в замкнутом цикле, но хотя цикл рабочей жидкости замкнут, тепловой двигатель является частью более крупной замкнутой системы, которая включает в себя окружение.В обратимой системе между тепловым двигателем и окружающей средой происходит обмен энтропией, и общая энтропия системы не изменяется. В необратимой системе происходит такой же обмен, но общая энтропия системы фактически увеличивается.

        Цикл Стирлинга

        Цикл Стирлинга подробно описан в разделе о двигателях Стирлинга. Как и двигатель Карно, это также двигатель внешнего сгорания с замкнутым циклом, воздушный двигатель.

        ΔT = 0 (Постоянная температура — изотермическая)

        ΔV = 0 (Постоянный объем — изометрический)

        Двигатель Стирлинга использует следующие процессы

        Изменить

        Государственный

        Процессы теплового цикла двигателя Стирлинга

        от A до B

        Изотермическое сжатие .Отвод тепла в холодный сток и сжатие холодного воздуха в цилиндре

        от B до C

        Изометрическая теплопередача Тепло, передаваемое от регенератора воздуху в цилиндре, увеличивает давление

        От C до D

        Изотермическое расширение . Добавляется тепло, и воздух в цилиндре расширяется.

        от D до A

        Изометрический отвод тепла Тепло, поглощаемое регенератором

        Цикл Эрикссона

        Двигатель Эрикссон, похожий на двигатель Стирлинга, но использующий открытый цикл, представляет собой двигатель внешнего сгорания с регенератором, который использует механическую конфигурацию двойного действия. Эрикссон также производил версии своих двигателей с замкнутым циклом.

        Цикл Ренкина (цикл пара)

        Цикл Ренкина описывает системы с замкнутым циклом, использующие внешние источники тепла и двухфазные рабочие жидкости, которые поочередно конденсируются в жидкую форму и испаряются в газообразную форму по мере того, как они расширяются и сжимаются во время теплового цикла. Этот процесс подробно описан в разделе о паровых турбинах, которые являются основными крупномасштабными приложениями, зависящими от цикла Ренкина.

        Примечание: Поскольку работа, выполняемая системой в течение одного цикла, равна площади, заключенной на диаграмме теплового цикла, информацию, отображаемую на диаграммах, можно использовать для выбора подходящей рабочей жидкости с оптимальными характеристиками и установки ее оптимальные рабочие пределы и условия.

        Цикл Ренкина использует следующие процессы

        Изменить

        Государственный

        Процессы теплового цикла Ренкина

        1 по B

        Рабочая жидкость (вода) нагревается до насыщения (фазовый переход / точка кипения) в процессе постоянного давления.

        B до 2

        По достижении насыщения происходит дальнейшая теплопередача при постоянном давлении до полного испарения рабочей жидкости (качество 100% / сухой пар)

        от 2 до 3

        Пар изоэнтропически расширяется (без добавления или потери тепла) через ступень турбины, чтобы произвести работу по вращению вала.Давление пара (пара) падает, когда он проходит через турбину и выходит под низким давлением.

        от 3 до 4

        Рабочая жидкость проходит через конденсатор, где она конденсируется (фазовый переход) в жидкость (воду).

        от 4 до 1

        Рабочая жидкость закачивается обратно в котел.

        Перегрев пара до очень высоких температур используется в большинстве установок для увеличения разницы температур между горячей и холодной фазами жидкости с целью максимизации эффективности Карно.

        Цикл Ренкина также используется в низкотемпературных установках, для которых невозможно получение высокотемпературного пара, например пара.Примерами являются генераторы и генераторы OTEC, работающие от солнечного тепла.

        Цикл Стоддарда

        Двигатель Стоддарда — это двигатель внешнего сгорания, подобный двигателю Стирлинга, использующий однофазные рабочие жидкости, такие как воздух или другие газы. Расположение клапана уменьшает мертвое пространство рабочего тела, обеспечивая большую эффективность.

        Цикл Ленуара

        Двигатель Ленуара был первым двигателем внутреннего сгорания.Все двигатели внутреннего сгорания — это двигатели с открытым циклом, которые получают свежий заряд рабочего тела с каждым тепловым циклом. В этих двигателях рабочим телом является топливно-воздушная смесь, которая сжигается в двигателе. Мощность механической работы двигателя возникает за счет расширения горячих горящих газов.

        Цикл Отто

        Цикл Отто — это стандартный открытый цикл, используемый в четырехтактных бензиновых (бензиновых) двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием.Подробно он описан в разделе «Поршневые двигатели».

        ΔS = 0 (Постоянная энтропия — адиабатическая)

        ΔV = 0 (Постоянный объем — изометрический)

        Цикл Отто использует следующие процессы

        Изменить

        Государственный

        Процессы теплового цикла Отто

        от A до B

        Ход сжатия .Адиабатическое сжатие топливовоздушной смеси в цилиндре

        от B до C

        Зажигание смеси сжатый воздух / топливо в верхней части такта сжатия, в то время как объем практически постоянен.

        От C до D

        Ход расширения (мощности) .Адиабатическое расширение горячих газов в цилиндре.

        от D до A

        Exhaust Stroke Выброс отработанных горячих газов.

        Индукционный ход Впуск следующего заряда воздуха в цилиндр. Объем выхлопных газов такой же, как и заряд воздуха.

        Цикл Аткинсона

        Цикл Аткинсона — это вариант цикла Отто, который эффективно увеличил степень расширения двигателя по сравнению со степенью сжатия за счет использования сложной связи коленчатого вала.Это позволяет сделать такт выпуска больше, чем ход всасывания, и, следовательно, рабочий объем будет другим. Большее расширение позволяет извлекать больше энергии из топливного заряда и позволяет двигателю работать с меньшей температурой. Это обеспечивает лучшую эффективность за счет удельной мощности.

        Цикл Миллера

        Цикл Миллера — это еще одна вариация цикла Отто, обеспечивающая асимметричные степени сжатия и расширения за счет расположения клапанов.Такты впуска и выпуска идентичны в этом двигателе, но фаза фаз газораспределения эффективно снижает расход топлива / воздуха на впуске. Он имеет те же преимущества и недостатки, что и двигатель Аткинсона.

        Дизельный цикл

        Дизельный двигатель подробно описан в разделе, посвященном поршневым двигателям. В дизельном цикле тепло подается при постоянном давлении, тогда как в цикле Отто тепло подается в постоянном объеме.Подобно двигателю Отто, дизель также является двигателем внутреннего сгорания с замкнутым циклом, но вместо использования искры для воспламенения топлива воспламенение достигается за счет быстрого сжатия топливно-воздушной смеси до более высокого давления, чем в двигателе Отто. Более высокая степень сжатия позволяет дизелю достигать большей эффективности.

        ΔS = 0 (Постоянная энтропия — адиабатическая)

        ΔV = 0 (Постоянный объем — изометрический)

        Дизельный цикл использует следующие процессы

        Изменить

        Государственный

        Процессы теплового цикла Dieasel

        от A до B

        Ход сжатия .Адиабатическое сжатие воздуха в цилиндре. Топливо еще не добавлено.

        от B до C

        Зажигание Изобарическое добавление тепла. Топливо вводится в сжатый воздух в верхней части такта сжатия. Топливная смесь загорелась при практически постоянном давлении.

        От C до D

        Ход расширения (мощности) .Адиабатическое расширение горячих газов в цилиндре.

        от D до A

        Exhaust Stroke Выброс отработанных горячих газов.

        Индукционный ход Впуск следующего заряда воздуха в цилиндр. Объем выхлопных газов такой же, как и заряд воздуха.

        Цикл Брайтона, также известный как цикл газовой турбины

        Этот цикл описывает цикл непрерывного сгорания, который впервые был использован в поршневом двигателе Brayton.Хотя двигатели Брайтона больше не производятся, цикл Брайтона описывает тепловой цикл, используемый в современных газотурбинных двигателях.

        ΔS = 0 (Постоянная энтропия — адиабатическая)

        ΔS = 0 (Постоянное давление — изобарическое)

        Цикл Брайтона использует следующие процессы

        Изменить

        Государственный

        Процессы теплового цикла Брайтона

        от A до B

        Адиабатическое сжатие .Воздух втягивается в турбину и сжимается в ступени компрессора.

        от B до C

        Изобарическое зажигание Топливо смешалось с воздухом под высоким давлением и сгорело при постоянном давлении.

        От C до D

        Адиабатическое расширение Горячие газы расширяются в ступенях турбины.

        от D до A

        Изобарический выхлоп Выброс отработанных горячих газов в окружающую среду под постоянным давлением.

        Сводка

        Процессы теплового двигателя Сводка

        Тип горения

        Цикл / процесс

        Компрессия

        Добавление тепла

        Расширение

        Отвод тепла

        Внешний

        Горение

        (замкнутый цикл)

        Карно

        изоэнтропический

        изотермический

        изоэнтропический

        изотермический

        Стирлинг

        изотермический

        изометрический

        изотермический

        изометрический

        Эрикссон

        изотермический

        изобарический

        изотермический

        изобарический

        Ренкин (Steam)

        адиабатический

        изобарический

        адиабатический

        изобарический

        Стоддард

        адиабатический

        изобарический

        адиабатический

        изобарический

        Внутреннее сгорание

        (открытый цикл)

        Ленуар

        нет

        изометрия

        изоэнтропический

        изобарический

        Otto (бензин)

        адиабатический

        изометрический

        адиабатический

        изометрический

        Аткинсон

        адиабатический

        изометрический

        адиабатический

        изометрический

        Миллер

        адиабатический

        изометрия

        адиабатический

        изометрия

        Дизель

        адиабатический

        изобарический

        адиабатический

        изометрический

        Брайтон (Джет)

        адиабатический

        изобарический

        адиабатический

        изобарический

        Тепловые насосы и холодильники — Системы сжатия пара

        Парокомпрессионные тепловые насосы и холодильники имеют много общего с тепловыми двигателями.Разница в том, что тепловой цикл работает в обратном направлении.

        • Тепловой насос предназначен для подачи тепла теплой среде
        • Холодильник предназначен для отвода тепла от холодной среды

        Эти два процесса дополняют друг друга и работают по одним и тем же принципам. Оба они используют внешний источник энергии для передачи тепла «вверх» от холодной среды к теплой, которые изолированы или изолированы друг от друга.Единственная разница в том, является ли приоритет приложения эффектом нагрева или охлаждения.

        Поскольку тепловой насос может обеспечивать как обогрев, так и охлаждение, стоимость системы управления климатом с тепловым насосом может быть распределена как на периоды нагрева, так и на сезоны охлаждения.

        Системы сжатия пара и используют эффект Джоуля-Томсона и версию цикла ( Ранкина ) с различными рабочими жидкостями или хладагентами.

        Рабочими жидкостями, используемыми в ранних системах сжатия, были токсичные газы, такие как аммиак (NH 3 ), хлористый метил (CH 3 Cl) и диоксид серы (SO 2 ), но после нескольких смертельных аварий в 1920-х годах, вызванный утечкой хлористого метила, поиск менее опасного хладагента привел к разработке фреона хлорфторуглерода (CFC). Спустя десятилетия было обнаружено, что ХФУ ответственны за истощение озонового слоя, делая планету более подверженной изменению климата.В ответ на это был разработан ряд альтернативных хладагентов, не содержащих хлора, гидрофторуглеродов (ГФУ).

        История

        На схеме ниже показаны компоненты системы, а также потоки тепла и рабочей жидкости.

        История

        На приведенных ниже диаграммах показаны соответствующие диаграммы теплового цикла.

        В таблице ниже показаны процессы, используемые в системах сжатия пара

        Изменить

        Государственный

        Компрессия пара Тепловой насос и Холодильник Системы

        1-2

        Рабочая жидкость (хладагент) в парообразном состоянии сжимается, повышая ее температуру.

        от 2 до 3

        Перегретый пар охлаждается до насыщенного пара. Тепло отводится от хладагента при постоянном давлении и отводится в окружающую среду.

        от 3 до 4

        Пар конденсируется при постоянной температуре в жидкость, выделяя больше тепла.

        от 4 до 5

        Расширительный клапан (дроссельная заслонка) создает внезапное снижение давления, которое понижает точку кипения жидкости, которая превращается в жидкость + пар, забирая тепло из среды, окружающей испаритель.

        5 до 1

        Жидкость испаряется и расширяется при постоянном давлении, удаляя тепло из окружающей среды

        Поглощение газа Холодильное оборудование Системы

        Альтернативой парокомпрессионным холодильным установкам является система абсорбции газа, которая в своем простейшем варианте не имеет движущихся частей.Энергия для круговорота рабочей жидкости и превращения горячего пара под высоким давлением обратно в жидкость парадоксальным образом обеспечивается за счет приложения большего количества тепла, а не с помощью компрессора, который используется в системе сжатия. Рабочая жидкость в типичной системе представляет собой аммиак, но для него необходимы две другие вспомогательные жидкости на разных стадиях цикла: газообразный водород для регулирования давления процесса испарения и вода, используемая в качестве поглотителя, для отделения аммиака от водорода. Система идеальна для мест, где нет электричества.

        Процессы, связанные с использованием тепла для достижения охлаждения, описаны ниже.

        Изменить

        Государственный

        Поглощение газа Холодильное оборудование Системы

        1-2

        Испаритель — этап 1. Рабочая жидкость (безводный аммиак) в жидком состоянии выпускается в испаритель, содержащий вспомогательный газ (водород), при повышенном давлении в системе, которое обычно достаточно высоко, чтобы удерживать аммиак в жидкости. состояние при комнатной температуре.(Водород не реагирует с аммиаком) (Аммиак кипит при -33 ° C при нормальном атмосферном давлении)

        от 2 до 3

        Испаритель — этап 2. При смешивании газов эффективное давление отдельных газов уменьшается, поскольку сумма парциальных давлений газов должна равняться давлению в системе, которое остается неизменным. (Закон Дальтона) Пониженное парциальное давление аммиака снижает его точку кипения до температуры ниже комнатной, так что он испаряется, удаляя тепло из окружающей среды.(Эффект Джоуля-Томсона)

        Сепаратор. Затем аммиак отделяется от газовой смеси водород / аммиак для рециркуляции в двухстадийном процессе.

        от 3 до 4

        Абсорбер. Сначала смесь пропускают через поток или емкость с водой, которая абсорбирует аммиак из смеси. (Водород не растворяется в воде)

        от 4 до 5

        Генератор. Аммиак в растворе с водой затем направляется через газовый нагреватель (называемый генератором) для испарения аммиака, который пузырится из воды.

        5 до 1

        Конденсатор. Радиатор охлаждает горячий пар аммиака, который конденсируется в безводный жидкий аммиак (без содержания воды), готовый к следующему циклу.

        См. Историю газовых холодильников

        См. Также Система прямого преобразования энергии AMTEC

        Страница не найдена | MIT

        Перейти к содержанию ↓
        • Образование
        • Исследование
        • Инновации
        • Прием + помощь
        • Студенческая жизнь
        • Новости
        • Выпускников
        • О MIT
        • Подробнее ↓
          • Прием + помощь
          • Студенческая жизнь
          • Новости
          • Выпускников
          • О MIT
        Меню ↓ Поиск Меню Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
        Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Увидеть больше результатов

        Предложения или отзывы?

        Энергия: научные принципы

        Энергия: научные принципы

        Основные принципы энергетики

        Энергия — движущая сила Вселенной.Энергия — это количественное свойство системы, которое может быть кинетическим, потенциальным или другим по форме. Есть много разных форм энергии. Одна форма энергии может быть передана в другую. Законы термодинамики определяют, как и почему передается энергия. Прежде чем обсуждать различные типы энергоресурсов и их использование, важно немного понять основные законы энергии.

        Три закона термодинамики

        Есть три закона термодинамики.Первый закон термодинамики, также называемый сохранением энергии, гласит, что общее количество энергии во Вселенной постоянно. Это означает, что вся энергия должна куда-то попасть, либо в исходной форме, либо в отличной от нее. Мы можем использовать эти знания для определения количества энергии в системе, количества потерянного тепла и эффективности системы.

        Второй закон термодинамики гласит, что беспорядок во Вселенной всегда увеличивается. После уборки в комнате всегда есть тенденция снова становиться беспорядком.Это результат второго закона. По мере того как беспорядок во Вселенной увеличивается, энергия преобразуется в менее пригодные для использования формы. Таким образом, эффективность любого процесса всегда будет меньше 100%.

        Третий закон термодинамики говорит нам, что все молекулярные движения останавливаются при температуре, которую мы называем абсолютным нулем, или 0 Кельвина (-273 o C). Поскольку температура является мерой движения молекул, не может быть температуры ниже абсолютного нуля. При этой температуре в идеальном кристалле нет беспорядка.

        В совокупности эти законы гласят, что для выполнения полезной работы необходимо использовать концентрированный источник энергии.

        Работа

        Многие из нас обычно думают об энергии как о способности системы выполнять работу. Работа — это сила, прикладываемая к объекту на определенном расстоянии, например, вытягивание или толкание деревянного блока по столу. Ваши мышцы действительно работают, когда они облегчают движение тела. Единицы работы и энергии — джоули (Дж). Один джоуль равен одному Ньютон-метру (Н * м) .

        По определению, работа требует энергии. Итак, как вы описываете энергию? Энергия — это не субстанция, которую можно удерживать, видеть или ощущать как отдельную сущность. Мы не можем создать новую энергию, которой еще нет во Вселенной. Мы можем брать только различные типы материалов, в которых хранится энергия, изменять их состояние и использовать энергию, которая ускользает из системы, чтобы использовать ее для работы за нас. Если высвободившаяся энергия не используется, она улетучивается и расходуется, как правило, в виде тепла.

        Тепло

        Тепло — это количество энергии, сохраняемое или передаваемое тепловыми колебаниями молекул. При абсолютном нуле система не имеет тепловой энергии. Тепло аддитивно. Если сложить две массы с тепловой энергией 5 джоулей и 10 джоулей, добавленные массы будут иметь общую тепловую энергию 15 джоулей. Не следует путать тепло и температуру.

        Температура

        Температура системы — это средняя колебательная энергия всех молекул в системе.Температура не складывается. Соединение двух металлических блоков, имеющих температуру 75 o C вместе, оставит новую систему при той же температуре. Если положить две массы, которые составляют 50 o C и 100 o C, получится новая система где-то между 50 o C и 100 o C. Температура, которая будет зависеть от массы и теплоемкости каждой добавленный элемент.

        Когда быстро движущаяся молекула сталкивается с другими молекулами, она теряет часть своей кинетической энергии по отношению к окружающим молекулам.У этих молекул теперь больше энергии, чем было раньше. Эта дополнительная энергия проявляется в виде колебаний внутри молекулы. Таким образом, температура поражаемого вещества повысится.

        Преобразование энергии

        Представьте себе взрыв бензина в вашей машине. Искра воспламеняет газ, вызывая возгорание. Сжигание газа — это перегруппировка атомов углерода и водорода в бензине и кислорода в воздухе в более стабильные формы, диоксид углерода и водяной пар.Энергия, оставшаяся от образования CO 2 и H 2 O, заставляет эти молекулы двигаться быстрее, заставляя газ расширяться. Расширение газа вызывает движение поршней в двигателе вашего автомобиля, который вращает коленчатый вал, который вращает колеса. Быстро движущиеся молекулы газа сталкиваются со стенкой цилиндра и передают ей свою энергию. Эта энергия заставляет атомы металла в цилиндре вибрировать быстрее или, другими словами, нагреваться. Стенки двигателя необходимо охладить, иначе двигатель расплавится.Масло и вода из радиатора охлаждают стенки цилиндра. Воздух из вентилятора охлаждает воду в радиаторе, которая выбрасывается в окружающую среду в качестве потерянной энергии. Эта потеря энергии приводит к тому, что КПД намного меньше 100%.

        КПД

        Энергоэффективность — это количество полезной энергии, извлеченной из системы, деленное на общую энергию, вложенную в систему. Это также можно рассматривать как эффективность, с которой мы способны использовать ресурс.Если мы не используем энергию, выделяемую химическими связями в ресурсе, энергия переходит в отходящее тепло, звук, тепловые колебания или свет. Чем больше этапов преобразования энергии в процессе, тем больше энергии вы теряете в виде отработанного тепла. Например, для того, чтобы запустить ваш автомобиль, химическая потенциальная энергия в газе должна быть сначала преобразована в тепловую энергию (или тепловую энергию ) путем воспламенения топлива. Тепловая энергия преобразуется в механическую, чтобы двигатель работал.Этот трехэтапный процесс имеет общую максимальную эффективность около 30%. Это означает, что 70% энергии, изначально запасенной в бензине, было потеряно в виде отработанного тепла, в основном в виде тепловых колебаний на окружающие материалы. Это демонстрирует важность изучения энергии и попытки найти более эффективные способы ответственного использования доступных нам ресурсов.

        Измерение энергии

        Чтобы определить эффективность процесса, необходимо использовать способ измерения энергии.Вы не можете поднять энергию, повернуть ее в руках, чтобы описать ее, или положить под подушку, чтобы посмотреть, как долго она там продержится. Мы не используем механические измерения (например, сколько определенного ресурса необходимо, чтобы ваш автомобиль проехал столько миль с такой скоростью), потому что разные пути и разные машины имеют очень разную эффективность. Если мы попытаемся количественно определить его механически, мы, возможно, никогда не узнаем, сколько абсолютной энергии содержится в самом ресурсе. Поэтому мы используем «теплотворную способность» топлива: как использование такого количества определенного ресурса (перевод его связей в более стабильное состояние) преобразуется в такое количество тепла (движение молекул).

        Все мы каждый день слышим о подсчете калорий. Что такое калорийность? Калория (cal) определяется как количество тепла, необходимое для получения одного грамма воды с 1 до C. Пищевая калория фактически состоит из одной килокалории или 1000 калорий. Почему мы беспокоимся о калориях в зависимости от нашего веса? Энергосбережение! Если вы накормите свое тело большим количеством калорий, чем оно может использовать, оно будет накапливать энергию в стабильном состоянии, например, в жировой ткани, которую вы можете использовать и терять позже.

        Энергия также измеряется в других единицах измерения.Распространенным является британская тепловая единица или BTU . Одна БТЕ — это количество энергии, необходимое для подъема одного фунта воды 1 o F. Один галлон бензина содержит около 125 000 БТЕ. Связанная единица — THERM, или 100 000 БТЕ. Еще одна знакомая физикам единица — джоуль (Дж), что эквивалентно 0,239 калории или 9,47 x 10 -4 БТЕ. Большинство систем измерения во всем мире используют джоули для измерения энергии, даже в пище. Когда мы говорим об энергии, мы часто используем единицы Quads , что равно 10 15 BTU.Другой способ количественной оценки энергосодержания — преобразование количества энергии из различных источников в количество в одном барреле (42 галлона) сырой нефти. Поскольку значения обычно довольно велики, эквивалент обычно сравнивают с таким количеством миллионов баррелей нефти в день (MBPD). Сжигание 500 миллионов тонн угля в год будет примерно 6 млн баррелей в сутки нефти в год. В настоящее время Соединенные Штаты используют около 18 млн баррелей в сутки, или 6,5 миллиарда баррелей в год!

        Таблица 2: Средняя энергия, содержащаяся или потребляемая некоторыми обычными предметами.* Обратите внимание, что 10 15 BTU = 1 QUAD

        Средняя энергия в БТЕ …

        Соответствие 1
        Яблоко 400
        Приготовление чашки чая 500
        Динамитная палка 2,000
        Буханка хлеба 5,100
        Фунт дерева 6000
        100 часов телевидения 28000
        галлон бензина 125000
        20-дневная газовая плита 1000000
        Еда на 1 человека в год 3,500,000
        Тепл. Ул.Дом Луи за год 90,000,000
        Аполлон 17 на Луну 5,600,000,000
        Атомная бомба Хиросимы 80,000,000,000
        1000 трансатлантических полетов на реактивных самолетах 250,000,000,000
        1 год Oklahoma Energy 1,000,000,000,000,000 *
        Энергия за 1 год 30 африканских стран 1,000,000,000,000,000
        Энергия, используемая U.S.1993 83,960,000,000,000,000
        Энергия, используемая в мире 1993 343,000,000,000,000,000

        Формы энергии

        Энергия существует во многих формах. В таблице 1 приведены различные типы энергии вместе с их определениями.

        Таблица 1: Формы энергии

        Энергетическая форма Определение
        Химическая энергия Энергия, хранящаяся в химических связях молекул.
        Тепловая или тепловая энергия Энергия, связанная с теплом объекта.
        Механическая энергия
        Потенциальная энергия Энергия, запасенная в системе.
        Кинетическая энергия Энергия, возникающая в результате движения материи.
        Электрическая энергия Энергия, связанная с движением электронов.
        Лучистая или солнечная энергия Энергия солнца.
        Ядерная энергия Энергия, обнаруженная в ядерной структуре атомов

        Основы химической энергетики

        Когда мы используем такой ресурс, как уголь, для производства энергии, мы разрываем химические связи внутри вещества и превращаем их в более стабильные связи. Это изменение приводит к образованию различных продуктов, таких как углекислый газ и вода в случае горения, и выделению энергии.

        Это может показаться сложным, но эта аналогия делает все очень простым. Представьте себе старинный колодец. Молекула находится на дне лунки. Требуется энергия, чтобы довести его до верха колодца (наматывание ведра). Представьте, что теперь молекула распадается на атомы — энергия, которая была затрачена на это, является ее энергией связи или энергией, удерживающей атомы вместе в молекуле. Одним из способов измерения энергии связи является теплота образования. Теперь эти независимые атомы (в верхней части ямы) объединяются в другие молекулы, которые еще более стабильны.Объединение означает, что они снова падают в пару новых колодцев. Эти ямы глубже исходной — в этих новых молекулах больше энергии связи. Когда атомы «падают» в новые ямы, становясь новыми молекулами, высвобождается энергия. Ручная рукоятка дико крутится, когда ведро падает на дно. Чтобы выяснить, сколько чистой энергии выделяется, просто сравните глубину новой скважины со старой.

        Числовой пример может помочь объяснить это. Горение метана до диоксида углерода и воды представлено следующей химической реакцией:

        CH 4 + 2 O 2 + искра -> CO 2 + 2H 2 O + тепло

        Теплота образования CH 4 составляет -17.88 ккал / моль. Теплота образования O 2 определяется как 0 ккал / моль. Сумма теплоты образования реагентов (-17,88 ккал / моль + 0 ккал / моль) является суммой глубин исходных скважин в предыдущем примере. Добавление искры в левую часть реакции аналогично запуску ковша наверху колодца и расходованию энергии.

        Атомы углерода, водорода и кислорода теперь находятся наверху колодца. Затем они объединяются в другие молекулы, а именно CO 2 и H 2 O.При объединении молекулы попадают в новые «ямы», глубина которых соответствует теплотам образования новых молекул. Скважина для CO 2 имеет -94,1 ккал / моль, а скважина для h30 имеет 2 (-57,8 ккал / моль), потому что на каждый моль сожженного метана образуется два моля воды. Общая глубина этих двух новых лунок для продуктов составляет -209,7 ккал / моль, что больше, чем глубина лунок, из которых пришли молекулы.

        С числами приведенное выше уравнение выглядит так:

        -17.88 ккал / моль + 0 ккал / моль = -94,1 + 2 (-57,8) ккал / моль + тепло

        Теперь переставим:

        тепло = -17,88 ккал / моль + 94,1 ккал / моль + 2 (57,8) ккал / моль

        = +191,82 ккал / моль сожженного метана

        Это означает, что 191,28 ккал на моль теперь выражается как тепло и движение продуктов, CO 2 и H 2 O.

        Ископаемое топливо

        Ископаемое топливо: уголь, нефть и природный газ.Мы называем их ископаемым топливом, потому что все они так или иначе возникли в результате разложения органического вещества на Земле или на ней. Каждый из них обеспечивает уникальный источник энергии, которым люди воспользовались на протяжении тысяч лет. Примерно 90% нашего потребления энергии приходится на ископаемое топливо. Примерно 50% ископаемого топлива, потребляемого людьми на протяжении всей истории, было использовано за последние 20 лет . Страшный факт в том, что мы не можем сделать больше. Другими словами, наши запасы ископаемого топлива ограничены.Люди использовали большую часть наших запасов за 200-летний период. В ближайшие сто лет нам нужно будет преобразовать наше потребление энергии в самые изобильные источники ископаемого или неископаемого топлива, чтобы удовлетворить растущие мировые потребности в энергии.


        Рисунок 1: Мировое потребление энергии и потребление энергии в США (1900–1993) представляет собой приблизительное количество энергии в квадроциклах, потребляемое в мире (верхняя строка) и США (нижняя строка).

        Как видите, с 1900 года потребление энергии в мире резко возросло.Падение кривой в 30-е годы прошлого века свидетельствует о снижении энергопотребления из-за Великой депрессии. В 1973 году в Соединенных Штатах также наблюдалось сокращение использования из-за роста цен на нефть в результате арабского нефтяного эмбарго и снова в 1983 году из-за повышения цен на нефть. Мировое потребление энергии не пострадало так сильно и растет более высокими темпами, потому что теперь многие страны третьего мира увеличивают потребление энергии по мере индустриализации. Потребление в Соединенных Штатах более стабильно, потому что большая часть нашего промышленного развития уже произошла.

        Уголь

        Уголь состоит в основном из углерода. Он образуется из мертвого растительного вещества, которое на болотах за миллионы лет разлагается на торф. Торф постоянно засыпается другими веществами, грязью и песком в неморской среде. Это захоронение заставляет его разлагаться, поскольку его связи рекомбинируют и перестраиваются. С повышением давления и температуры образуются угольные пласты. В зависимости от глубины и расположения пласта можно найти несколько различных видов угля.Четыре основных типа угля, которые различаются по содержанию углерода, показаны в следующей таблице.

        Таблица 3: Типы угля по содержанию серы (Hinrichs p458)

        Тип угля Углерод% Энергосодержание (БТЕ / фунт)
        лигнит 30 5000-7500
        Суббитуминозный 40 8000-10,000
        Битумные 50-70 11000 — 15000
        Антрацит 90 14000

        Лигниты — самые «молодые» угли, которые имеют высокое содержание воды и низкую теплотворную способность.Теплотворная способность топлива используется для количественной оценки полезной энергии различных видов топлива. Бурый уголь часто содержит много примесей и поэтому не является предпочтительным типом для использования. Суббитуминозный уголь дешевле добывать, потому что он не такой глубокий, как битуминозный, и содержит меньше серы, чем лигнит. Битуминозный уголь — самый распространенный вид угля. Он имеет высокую теплотворную способность, но также имеет высокое содержание серы. Антрацитовый уголь — это очень твердый уголь, который горит дольше, с большим количеством тепла и с меньшим количеством пыли и сажи, чем другие виды угля.Эти качества делают антрацит популярным топливом для отопления домов.

        Не весь растительный материал превращается в уголь; часть в конечном итоге становится графитом, а небольшое количество спрессовывается в алмазы. Уголь сжигается на электростанциях для производства тепла, которое используется для преобразования воды в пар. Этот пар вращает большую веерообразную структуру, называемую турбиной, которая вырабатывает электричество.

        Запасы угля

        Запасы угля расположены по всему миру. Хотя Соединенные Штаты обладают примерно 22% мировых запасов угля, уголь обеспечивает лишь около 24% наших потребностей в энергии.Использование угля во всем мире увеличивается из-за высоких цен на нефть и стремительно растущего спроса на нефть в транспортном секторе. Электроэнергетические компании потребляют около 87% всего производимого угля, и около 55% электроэнергии, вырабатываемой из ископаемого топлива, поступает из угля. Прогнозируется, что запасов угля хватит на 400-450 лет. Уголь измеряется в коротких тоннах, по 2000 фунтов каждая, что эквивалентно примерно 3,5 баррелей нефти. Одна короткая тонна может обеспечить примерно 26 x 10 6 БТЕ.

        Горное дело

        Уголь обычно извлекают из земли двумя способами. Открытые или вскрытые разработки предпочтительнее из-за стоимости и факторов безопасности. Открытая добыча обычно происходит на равнине. Холмистая или крутая местность требует контурной разработки. Глубокая добыча подразумевает рытье шахт и туннелей для доступа к угольному пласту. Затем уголь может быть извлечен из пласта, оставив только несколько столбов земли для поддержки. Глубокая добыча непривлекательна из-за угроз безопасности в туннелях и опасностей для здоровья, таких как болезнь легких.Однако глубокая добыча стала более приемлемой благодаря автоматизации. С другой стороны, отрицательные последствия добычи полезных ископаемых — это серьезный необратимый ущерб, наносимый окружающей среде.

        Газификация угля

        Газификация угля — это процесс преобразования угля в синтетическое топливо, природный газ. Этот процесс в основном добавляет водород к углероду в угле. Чтобы изменить атомное отношение углерода к водороду с 12 до 1 в угле на 1 до 4 в природном газе, необходимо выполнить несколько шагов.Сначала уголь контактирует с паром под высоким давлением и высокой температурой в газификаторе . Тепло для реакции угля в «синтез-газ» обеспечивается введением некоторого количества кислорода, который вызывает горение части угля. На втором этапе соотношение C: H увеличивается за счет дополнительного добавления пара, что увеличивает теплотворную способность топлива. Затем полученную смесь очищают и превращают в метан в присутствии никелевого катализатора. Метанизация — это экзотермическая реакция, при которой теряется много низкотемпературного тепла, что делает процесс неэффективным.В результате получается синтетический метан. См. Рисунок 2 для схемы газификатора угля.

        Сжижение угля

        Сжижение угля превращает уголь в синтетическую сырую нефть или синкруд. Этот процесс также включает добавление водорода к нагретому углю и последующее разделение газообразного и жидкого продукта. Водород добавляют к углю в виде суспензии при повышенных температурах и давлениях. Высокая температура разрывает углеродные связи, что приводит к образованию жидкофазного продукта из-за высокого давления.

        Экономические соображения препятствуют дальнейшему развитию систем газификации и сжижения угля. Производство синтетического топлива из угля в больших масштабах было ни экономичным, ни эффективным. Эксплуатация и обслуживание производственных мощностей обходятся дороже, чем просто покупка самой нефти или природного газа. Однако важно, чтобы процессы поддерживались и улучшались даже медленными темпами. Поскольку наши запасы сырой нефти истощаются, цена на нефть, вероятно, резко вырастет, что сделает использование синтетического топлива более экономичным.

        Рисунок 2: Базовая схема газификации угля.

        Масло

        Нефть в основном представляет собой смесь углеводородов и образуется в результате отложения мертвых растений, животных и морских микроорганизмов в морских оседлых бассейнах или вблизи них. Как только вещество находится под землей на высоте около 450 метров, температура и давление начинают вызывать перестройку вещества. Вновь образованные молекулы жидкости мигрируют через пористые горные образования, такие как известняк и песчаник, пока не будут захвачены непористым каменным барьером.Сырая нефть представляет собой смесь углеводородов с примесью кислорода, азота и серы. Содержание серы в сырой нефти варьируется и обозначается либо «сладким» (менее 1% серы), либо «кислым» (более 1% серы). Один баррель нефти эквивалентен 42 галлонам США и может обеспечить около 6 миллионов БТЕ, или около 143000 БТЕ на галлон.

        Запасы

        Запасы сырой нефти расположены по всему миру, но только на Ближнем Востоке имеется около 63% известных запасов.Саудовская Аравия содержит на сегодняшний день больше всего нефти с доступными доказанными ресурсами в размере 1545 квадратов. Несмотря на то, что в Соединенных Штатах осталось всего около 161 квадрата доказанных ресурсов, у нас больше скважин, чем в любой другой стране мира. Мы используем около 25% мирового потребления нефти, в то время как у нас есть только 3% мировой нефти. Мы импортируем около 40% используемого масла. В 1994 году 65% нефти, используемой в Соединенных Штатах, использовалось на транспорте. Только 3% было использовано для производства электроэнергии, а остальные 32% пошли на промышленное, коммерческое и бытовое использование.Мы очень сильно полагаемся на нефтепродукты в целях транспортировки, потому что это легко транспортируемая жидкость, у нас уже есть эффективная система распределения, и на дорогах есть целый парк транспортных средств, которые используют бензин для работы.

        Восстановление

        Нефть обычно добывается путем бурения скважин через непористый барьер горной породы, под которым задерживается нефть. Есть три типа добычи нефти. Первичный сбор нефти происходит, когда нефть вытекает из скважины под собственным давлением или откачивается.Это удаляет около 30% масла. Еще 10% удаляется путем заводнения скважины водой или газом под высоким давлением, методом вторичной добычи . Были разработаны некоторые методы доочистки, при которых масло нагревается (сжиганием некоторых подземных моющих средств или самого масла) для его очистки. Однако это удаляет только 10%, и для этого требуется энергия. Таким образом, около половины нефти остается в этой породе без каких-либо экономических средств для ее извлечения.

        Нетрадиционная нефтеотдача предполагает получение нефти из горючего сланца.Горючий сланец — это материал, содержание водорода в котором находится между углем и сырой нефтью из-за того, что он никогда не закапывался достаточно глубоко и не нагревался достаточно для образования сырой нефти. Концентрация нефти в этом материале довольно низкая, и он химически связан со сланцами. Максимальное количество извлекаемой нефти составляет один баррель на 2,4 тонны песка или 1,5 тонны породы. Огромные проблемы возникают также при извлечении масла из горючего сланца. Преимущество в том, что 20% территории США содержат горючие сланцы.Потенциальное количество нефти, содержащейся в горючем сланце, больше, чем известные и недоказанные ресурсы сырой нефти в мире, что добавит примерно 40 лет к прогнозируемому времени до исчерпания запасов нефти. Дилемма состоит в том, что для извлечения нефти требуется около половины энергии, содержащейся в сланце. Цены на баррели нефти из горючего сланца могут колебаться от 40 до 80 долларов за баррель, тогда как обычная сырая нефть стоила около 18,75 долларов за баррель в июне 1995 года. Таким образом, извлечение нефти из горючего сланца в настоящее время экономически нецелесообразно.

        Нефтепереработка

        Нефть сырая очищается фракционной перегонкой. Это означает, что процесс дистилляции происходит с последовательным разделением, проводимым при все более высоких температурах. Конденсированные пары собираются несколькими порциями или фракциями, причем первые фракции наиболее богаты компонентами с низкой температурой кипения. К ним относятся бензин, керосин, топочный мазут, нафта (жидкие углеводородные смеси) и смазочные масла. Оставшиеся тяжелые остатки используются в качестве асфальта и остаточного масла.Второй этап нефтепереработки — это преобразование или крекинг молекул с целью выжать более высокий процент более легких продуктов с низкой температурой кипения, таких как бензин, из каждого барреля нефти. Последний этап, обработка или улучшение, повышает качество продукта с помощью таких средств, как удаление серы из керосина, бензина и печного топлива. Распределение продуктов показано на следующем графике, Рисунок 3.

        Сырая нефть, которую мы добываем, перерабатывается в полезные продукты для производства электроэнергии, а также для использования в машинах и оборудовании, таких как автомобили.Многие продукты, которые мы используем каждый день, производятся из нефти, такие как чернила, мелки, жевательная резинка, жидкости для мытья посуды, дезодорант, очки, пластинки, шины, сердечные клапаны и многое другое!


        Диаграмма 3: Нефтепродукты в процентах.

        Нефть в двадцатом веке

        Мы в значительной степени полагаемся на нефть, и она обеспечивала большую часть мирового потребления энергии после Второй мировой войны. Прошлые тенденции определялись как экономическими, так и политическими событиями.Великая депрессия ознаменовала сокращение общего количества топлива, используемого в Соединенных Штатах, и соответственно снизился расход масла. Тем не менее, спрос на нефть в США значительно вырос из-за наших потребностей в энергии. В 1950 году на нефть приходилось менее одной трети мирового потребления энергии, но сегодня она составляет почти половину. Последние два десятилетия были поистине решающими для мирового потребления нефти и цен. В 1960 году нефтедобывающие государства Алжира, Эквадора, Габона, Индонезии, Ирана, Ирака, Кувейта, Ливии, Нигерии, Катара, Саудовской Аравии, Венесуэлы создали картель под названием Организация стран-экспортеров нефти или ОПЕК. и Объединенные Арабские Эмираты.Влияние ОПЕК на цены на нефть неуклонно росло, пока в 1970-х годах ОПЕК не смогла установить свои собственные цены на свой экспорт и забрать контроль над нефтью у иностранных компаний.

        Несколько событий ознаменовали резкое повышение цен на нефть, которое остается в силе еще долгое время после разрешения политических ситуаций. Арабо-израильская война спровоцировала арабское нефтяное эмбарго 1973 года, во время которого арабские страны ОПЕК сократили добычу и отказались экспортировать свою нефть в несколько западных стран, включая Соединенные Штаты.В результате цена на нефть за баррель выросла втрое с 8 до 25 долларов. Затем в 1978 и 1979 годах иранская революция привела к перебоям в производстве, и цены выросли вдвое с 22 до 44 долларов за баррель. Эти события отражены в диаграммах потребления энергии в мире и США (рис. 1, стр. 9). В ответ страны мира сделали больший акцент на сокращении и энергосбережении. Таким образом, мировая зависимость от ОПЕК упала, и цены начали снижаться примерно в 1981 году, продолжаясь до вторжения Ирака в Кувейт в 1990 году, которое вызвало внезапный рост цен на нефть на мировом рынке.Затем цены снова начали падать, поскольку другие страны увеличили производство, чтобы компенсировать падение производства в Кувейте. В июне 1995 года стоимость нефти составляла примерно 18,75 доллара за баррель.

        Низкая стоимость масла и возможность его использования во многих сферах применения делают его ключевым топливом для растущей экономики. Однако сегодня Соединенные Штаты меньше зависят от нефти в своем топливном балансе и больше от угля, природного газа, ядерных и возобновляемых технологий. Наша транспортная отрасль по-прежнему в значительной степени зависит от нефти как основного источника энергии.Чтобы значительно сократить использование, американскую общественность нужно будет поощрять меньше зависеть от своих автомобилей и больше — от общественного транспорта. Использование автомобилей для работы и общественного транспорта, особенно в крупных городах, может снизить количество потребляемого масла.

        Природный газ

        Природный газ на 99% состоит из метана (CH 4 ) и на 1% из других легких углеводородов, таких как этан, (C 2 H 6 ), пропан (C 3 H 8 ) и бутан. , (C 4 H 10 ), а также некоторые ароматические углеводороды.Природный газ — это газообразный компонент угольных и нефтяных пластов. Использование природного газа варьируется от промышленного и коммерческого отопления и электричества до отопления, охлаждения и создания голубого пламени в наших кухонных горелках (газовых плитах). Места в земле, где находятся крупные залежи, называются резервуарами.

        Запасы

        Природный газ либо смешивается с нефтью, либо выделяется из угля. Он измеряется в кубических футах , футах 3 .Энергетическая ценность 6 000 футов 3 природного газа эквивалентна одному баррелю нефти. Самые большие мировые запасы находятся в России, за которой следуют Иран и США. По оценке Annual Energy Outlook 1994 г., мировые запасы газа превышают 30 триллионов кубических футов, что примерно эквивалентно 5 000 квадратов энергии. Евразия и Ближний Восток имеют около трех четвертей мирового природного газа. Остальные довольно равномерно распределены среди других регионов мира, таких как Северная Америка, Центральная и Южная Америка, Западная Европа, Африка и Азиатско-Тихоокеанский регион.Предполагается, что известные запасы будут увеличиваться по мере изучения ранее не исследованных регионов. Прогнозы долговечности природного газа колеблются от 80 до 135 лет. Помните, что каждый прогноз того, как долго будет хватать любого ископаемого топлива, зависит от фактических темпов роста стран-потребителей и тенденций потребления и экономики других источников топлива.

        Восстановление

        Скважины на природный газ пробурены в подземных коллекторах пористой породы.После извлечения из резервуара природный газ можно перекачивать на станцию ​​обработки для удаления жидких углеводородов, серы, диоксида углерода и других компонентов или хранить в больших подземных пещерах до тех пор, пока он не понадобится. Трубопроводы — основной способ транспортировки природного газа. Поскольку в первой половине этого столетия природный газ не ценился высоко, расширение и развитие трубопроводной системы не происходило примерно до 1940 года. Кроме того, залежи природного газа часто сжигались, когда их находили в смеси с нефтяными залежами.Сегодня газопроводы охватывают США, Канаду, Западную Европу и Россию. Транспортировка за границу стала более экономически выгодной из-за технологии сжижения, но это все еще довольно дорого. Цена на нефть была ключевым фактором, определяющим развитие транспортных мощностей для природного газа.

        Заботы об окружающей среде

        Многие экологические проблемы связаны со сжиганием ископаемого топлива для получения энергии. Реакция горения ископаемого топлива с кислородом выделяет воду, диоксид углерода и любые примеси, содержащиеся в ресурсе, в окружающую среду.В этом разделе обсуждаются некоторые из основных экологических проблем, связанных с использованием ископаемого топлива.

        Уголь

        Хотя угля много, его примеси представляют потенциальную опасность для окружающей среды в виде кислотных дождей, нарушения плодородия верхнего слоя почвы и / или глобального потепления. С 1960-х годов все большее значение приобретает необходимость более чистого использования угля по экологическим причинам.

        Кислотный дождь

        Высокое содержание серы в угле является основной причиной кислотных дождей.При сжигании серосодержащего угля сера обычно выделяется в виде диоксида серы, SO 2 (1).

        SO 2 затем реагирует с воздухом, окисляясь до триоксида серы SO 3 (2) , а затем вступает в реакцию с водой с образованием капель серной кислоты, H 2 SO 4 (3 ) .

        S + O 2 -> SO 2 (1)

        2SO 2 + O 2 -> 2SO 3 (2)

        SO 3 + H 2 O -> H 2 SO 4 (3)

        Серная кислота абсорбируется мелкими частицами в воздухе вместе с водяным паром.Мелкие частицы, часто образующиеся из золы сгоревшего угля, обеспечивают отличную поверхность для протекания каталитических реакций с образованием большего количества H 2 SO 4 . Затем кислота выпадает в виде кислотного дождя или даже в виде сухого осаждения, известного как кислотная пыль.

        Кислотные дожди негативно сказываются как на людях, так и на окружающей среде. Повышение кислотности озер может привести к гибели водных растений и животных. Кислотный дождь также наносит вред растительности четырьмя способами:

        • Похищение питательных веществ из почвы.
        • Вызывает повреждения фотосинтетических листьев.
        • Повышение восприимчивости растений к болезням и насекомым.
        • Загрязнение водопровода.

        На здоровье человека также оказывает непосредственное влияние кислотный дождь, проявляющийся от незначительного раздражения кожи до серьезного повреждения легких и, возможно, смерти. Кислотный дождь также влияет на нашу жизнь менее серьезно. Большинство людей, которые катаются на роликах, знают, как раздражает катание по тротуару с ямками на поверхности.Эти ямы в значительной степени являются результатом кислотных дождей. Проблема кислотных дождей не ограничивается Соединенными Штатами. В Европе многие мраморные памятники Греческой и Римской империй разрушаются под воздействием кислотных дождей. При сжигании ископаемого топлива с примесями азота (NO x ) азот реагирует с водой с образованием азотной кислоты. Это особая проблема в городских центрах, где ежедневно эксплуатируются многие автомобили, выбрасывающие оксиды азота.

        Пытаясь регулировать количество серы и азотистых соединений в воздухе, правительство издало множество нормативных актов для электростанций в форме законов о чистом воздухе.В результате количество кислотных дождей также уменьшилось. Что сделали угольные электростанции для сокращения выбросов серы? Многие предприятия используют комбинацию методов для снижения выбросов серы и азотистых соединений:

        • Отстойные камеры или гравитационные коллекторы выделяют более тяжелые частицы.
        • Электрофильтры притягивают частицы высокого напряжения.
        • В тканевых фильтрах используются мешки из волокон, которые задерживают частицы так же, как вакуумный мешок.
        • Скрубберы используют капли воды для улавливания частиц, а сера химически превращается в извлекаемое твердое вещество.
        • Используется уголь с более низким содержанием серы.

        Глобальное потепление

        Помимо кислотных дождей, угольные электростанции создают еще одну проблему для окружающей среды, известную как парниковый эффект. При сжигании угля образуются три основных продукта: зола, h30 и CO 2 . В атмосфере эти газы улавливают инфракрасное излучение Земли, которое в нормальных условиях испускается в космос.Следствием накопления парниковых газов является глобальное потепление, которое может отрицательно повлиять на климат Земли. Повышение общей температуры может вызвать потепление в океанах или таяние полярных ледяных шапок. Эти изменения могут сильно повлиять на жизнь растений и животных. Хотя оценки различаются, эксперты прогнозируют возможное повышение температуры Земли на 2 o C к 2050 году. Эта скорость увеличения примерно в 7 раз превышает обычную историческую скорость, составляющую примерно 0,04 o C за десятилетие за последние несколько сотен лет. .Вопрос в том, насколько и насколько быстро поднимутся температуры. Этому способствует уничтожение тропических лесов, потому что деревья являются отличным поглотителем или утилизатором CO 2 , так как это требуется для фотосинтеза.

        К сожалению, скрубберы угольных электростанций не могут справиться с выбросами CO 2 . Посадка большего количества деревьев была бы очевидным способом привлечь пользователей CO 2 . Однако, поскольку диоксид углерода является естественным продуктом сгорания ископаемого топлива с кислородом, единственный реальный способ уменьшить количество выделяемого диоксида углерода — это снизить потребление ископаемого топлива.

        Нефть и природный газ

        Как и в случае любого ископаемого топлива, при использовании нефтепродуктов возникают такие экологические проблемы, как загрязнение и вредные выбросы. Смог в первую очередь создается углеводородами, а также оксидом углерода (CO) и другими сложными токсичными молекулами в результате переработки нефти, которые выбрасываются из выхлопных труб автомобилей. Поскольку проблема с выбросами увеличилась с ростом использования автомобилей, правительственные постановления о допустимом количестве выбросов соответственно увеличились.Автомобильные инженеры пытались разработать автомобили, которые сжигают бензин более чисто и эффективно и включают более совершенные системы фильтрации. Производители автомобилей разработали автомобили, способные снизить выбросы углеводородов от 97 до 99%. Они также делают успехи в разработке «экологически чистых» автомобилей, которые имеют модифицированные устройства контроля загрязнения. Производители также экспериментируют с более чистыми видами топлива, такими как метанол и природный газ. Другие инженеры разработали солнечные и электрические автомобили.Однако каждый источник топлива представляет собой уникальный набор проблем.

        Распределение и торговля сырой нефтью во всем мире осуществляется в основном морем. Это представляет собой потенциальную проблему в виде разливов нефти в океанах, угрожающих прибрежным и морским растениям и дикой природе, в дополнение к деградации коралловых рифов из-за стоянки танкеров.

        В последнее десятилетие наблюдается движение за расширение использования природного газа по нескольким причинам. Есть большие внутренние запасы природного газа, и это наиболее экологически чистое горючее ископаемое, поскольку оно содержит наименьшее количество углерода и практически не содержит серы.Поскольку природный газ является экологически чистым топливом, некоторые новые автомобили предназначены для его использования. Природный газ стоит примерно две трети стоимости бензина за БТЕ, и его относительно много. Однако, чтобы перейти на использование природного газа для транспортировки, топливные баки должны быть под давлением, что сделает их тяжелее и больше. Автомобили также нужно будет заправлять каждые 100 миль, потому что природный газ имеет более низкую плотность энергии, чем бензин.

        Оборудование и технологии разрабатываются для использования природного газа в энергоемких секторах производства электроэнергии, транспортировки, а также охлаждения жилых и коммерческих помещений.Производство электроэнергии с помощью природного газа было расширено с развитием систем комбинированного цикла, в которых турбина внутреннего сгорания, работающая на природном газе, в сочетании с парогенератором-утилизатором и паровая турбина работают для эффективного производства электроэнергии двумя способами. Эти системы производят менее половины CO 2 на киловатт-час, чем современные угольные электростанции.

        Возобновляемые источники энергии

        Возобновляемый ресурс — это источник топлива, который может вечно обеспечивать человека энергией, если человек о нем позаботится.Есть много видов возобновляемых ресурсов, которыми человек научился пользоваться, от солнечной энергии до биомассы и геотермальной энергии до энергии ветра. Обладая этими ресурсами, человек использовал силу солнца, ветра и самой земли. Однако эффективность зависит от ресурса.

        Пассивная солнечная энергия

        Одним из довольно распространенных способов использования возобновляемых источников энергии является пассивное солнечное отопление дома. Пассивная солнечная система отопления собирает энергию от солнца и использует эту энергию для непосредственного обогрева помещения, например солнечной комнаты, или для нагрева жидкости.Если жидкость нагревается, она считается источником тепловой массы для системы, которую позже можно использовать для излучения тепла в окружающую среду. Пять основных компонентов пассивного солнечного отопления — это коллектор, абсорбер, накопительная масса, система распределения и система управления. В случае солярия коллектор представляет собой двойной слой стекла в тепловых оконных стеклах, которые задерживают тепло и уменьшают потери тепла за счет конвекции. Поглотитель состоит из нескольких частей: поверхности стен, пола и любых емкостей, заполненных водой внутри солярия.Накопительная масса или тепловая масса — это строительный материал, такой как бетон, кирпич и любая вода. Тепловая масса обычно обладает высокой теплоемкостью, чтобы удерживать тепло, поглощаемое в дневные часы, и излучать его ночью. Один из методов увеличения тепловой массы дома — это строительство дома частично под землей. Распределительная система вентиляторов или вентиляционных отверстий должна быть установлена ​​для отвода тепла за счет естественной конвекции. Системы управления или устройства регулирования температуры, такие как подвижная изоляция, свесы крыши, вентиляторы с термостатическим управлением и регулируемые вентиляционные отверстия, используются для контроля температуры в определенных помещениях.Системы водяного отопления могут нагревать первичную жидкость, которая не замерзнет зимой, и перекачивать эту жидкость в теплообменник для нагрева воды для использования внутри здания. Многие инновационные пассивные солнечные системы отопления были разработаны для оптимизации эффективности пассивного солнечного дома.

        Активная солнечная энергия

        Другой метод улавливания солнечной энергии — использование активных солнечных систем или фотоэлектрических систем . Фотоэлектрические системы используют солнечные элементы для непосредственного производства электроэнергии из солнечного излучения.Фотоэлемент изготовлен из двух полупроводниковых материалов, которые имеют разные типы носителей заряда, поэтому, когда они размещаются вплотную друг к другу, можно измерить разность потенциалов. Граница между двумя проводниками называется областью истощения . Если фотон или «пучок» электромагнитной энергии от Солнца ударяет по электрону около границы между этими элементами, этот электрон перемещается на более высокий энергетический уровень. Разность потенциалов перемещает этот свободный электрон, покидая незанятое пространство или «дыру».«Весь процесс вызывает разделение зарядов. Когда электрон и отверстие движутся через фотоэлектрический элемент и проходят через провод, подключенный к источнику питания (например, солнечному калькулятору), в цепи возникает электрический ток.

        Эта система очень рентабельна в ситуациях, когда электроэнергия недоступна, а требования к мощности относительно низкие. По приблизительным оценкам, около 10 000 квадратных миль солнечных элементов могут производить достаточно энергии для всей страны! Итак, почему мы не перевели нашу энергию на активную солнечную? 10 000 квадратных миль солнечных элементов — это много солнечных элементов! Их нужно будет построить, потребуется система технического обслуживания, чтобы максимизировать эффективность, погода должна быть надежной, а это будет дорого.Разрабатывать этот источник было неэкономично, потому что стоимость ячеек слишком высока. Возможно, по мере того, как замена ископаемого топлива станет необходимой, эта технология может получить лучшее развитие. Многие дома и предприятия используют солнечные батареи, чтобы уменьшить свои счета за электричество. Солнечные автомобили также были разработаны в результате соревнований между крупными университетами.


        Рисунок 4: Калькулятор на солнечной энергии является примером полной активной солнечной системы.Когда фотон попадает в ячейку, электрон возбуждается и получает возможность двигаться, оставляя «дыру». Это заставляет один электрон за другим заполнять дыру. Электрон движется в одну сторону, а «дырка» или отсутствие электрона движется в другую сторону. Это создает ток, который направляется через провод к вычислителю. Теперь схема завершена, и ваш калькулятор включается.

        Солнечные пруды

        Солнечные пруды также используются для улавливания солнечной энергии.Солнечный пруд использует принципы передачи энергии путем конвекции для нагрева воды в пар для производства тепла. Дно пруда темного цвета, чтобы поглощать солнечные лучи. Пруд заполнен соленой водой, содержащей NaCl, MgCl 2 , карбонат натрия или сульфат натрия. Градиент поддерживается при различной плотности. Дно самое плотное и используется как зона хранения . Это конвективный и может сохранять рабочую температуру до 80-85, o C.Выше нижнего слоя находится неконвективная зона или зона изоляции с градиентом плотности, который также способствует градиенту температуры. Этот слой действует как изоляция. В градиентном слое нет конвекции, потому что, хотя теплая вода обычно поднимается, высокая концентрация соли на более низких уровнях не позволяет воде быть достаточно легкой, чтобы всплыть при нагревании. Это предотвращает попадание тепла внизу пруда в верхнюю часть пруда. Верхний слой или поверхностная зона является конвективной из-за индуцированного ветром перемешивания и ежедневного нагрева и охлаждения.Эти слои представлены на рисунке 5 на следующей странице. Горячий рассол или соленая вода на дне может быть извлечена и использована для прямого нагрева и низкотемпературных промышленных применений, таких как сушка сельскохозяйственных культур и обогрев сельскохозяйственных убежищ. Проблема с солнечными прудами заключается в том, что важно иметь контролируемый градиент плотности соленого раствора, который довольно сложно поддерживать. Кроме того, в водоеме не должно быть грязи и других светопоглощающих материалов. Таким образом, для крупномасштабных операций сложности слишком велики, чтобы полагаться на солнечные пруды для эффективного производства тепла.

        Вот одна из возможных систем преобразования тепловой энергии соленой воды в электричество. Органическая жидкость нагревается и кипятится при прокачке через трубы в испарителе. Горячий рассол перекачивается со дна солнечного пруда через испаритель (где он передает тепло органической жидкости) и возвращается в пруд. Органическая жидкость, которая теперь представляет собой пар, имеет давление, достаточное для вращения турбины и генератора. Пар передал турбине часть своей кинетической энергии.Более холодный пар перекачивается в конденсатор, где он конденсируется в жидкость, поскольку он передает энергию холодной воде, перекачиваемой по трубкам конденсатора. Органическая жидкость теперь перекачивается в испаритель для продолжения процесса. По мере того, как градиентный слой с течением времени распространяется, новая пресная и соленая вода может закачиваться в пруд для поддержания достаточного градиентного слоя.


        Рисунок 5 : Схема солнечного пруда

        Энергия ветра

        Солнце не только снабжает Землю прямой лучистой энергией, но и нагревает атмосферные газы, которые порождают ветер.Энергия ветра использует энергию движущегося воздуха для вращения больших лопастей ветряных мельниц. Раньше движение лопастей использовалось для измельчения муки или перекачивания воды, но теперь лопасти вращают турбины, которые вращают генераторы для выработки электроэнергии. Для того, чтобы эта система работала, необходимы широкие открытые ветреные пространства. Энергия ветра не загрязняет воздух или воду, не содержит токсичных или опасных веществ и не представляет угрозы для общественной безопасности. Основная проблема с ветроэнергетикой — ограниченная способность участков с устойчивым ветром и срок службы ветряных генераторов.

        Гидроэнергетика

        Текущая вода также может использоваться для выработки электроэнергии. Гидроэнергетические системы используют энергию проточной воды для механических целей или для производства электроэнергии. Напор и расход — две переменные, которые по существу определяют потенциальную эффективность участка для гидроэнергетической системы. Высота падающей воды называется напором. Чем больше напор, тем выше будет скорость падения воды и, следовательно, тем больше давление, с которым она ударяется.Поток — это общее количество движущейся воды. Преимущества использования воды в качестве источника энергии заключаются в том, что этот ресурс является бесплатным, его можно эффективно хранить и быстро использовать. Вода для гидроэнергетики может храниться в резервуаре или над плотиной, образующей озеро. Механика гидроэнергетической системы очень похожа на систему ветроэнергетики, с той лишь разницей, что вода вращает лопасти, а не ветер. Поворотное колесо также может приводить в движение вал для выработки механической энергии, которая может использоваться для выполнения простых задач, особенно для сельскохозяйственных работ, таких как пиление древесины или шлифование зерна.

        Большинство площадок для крупных гидроэлектростанций уже разработаны. Таким образом, новые разработки в области гидроэнергетики носят небольшой масштаб. Маломасштабные гидроэнергетические системы достаточно эффективны, когда используются для обеспечения местных нужд. Плотина Гувера является примером крупномасштабной гидроэлектростанции, которая все еще используется в Соединенных Штатах. Наибольшее количество гидроэлектростанций расположено в США и Канаде. Практически в каждой другой стране мира есть гидроэлектростанции. Гидроэлектроэнергия — предпочтительный источник энергии для многих развивающихся стран. Однако развитие гидроэлектроэнергии довольно дорогое, а также зависит от местности. Есть некоторые опасения по поводу пагубного воздействия гидроэнергетики на окружающую среду. Экологические проблемы включают заиление и эрозию, нарушение свободного прохода между океанами и реками, рост сорняков, распространение болезней небольшими организмами, живущими в стоячей воде, и наводнения из-за прорыва плотин.

        Геотермальная энергия

        Геотермальная энергия исходит из внутреннего ядра Земли.Геотермальная энергия проявляется на поверхности земли в виде вулканов, гейзеров и горячих источников. Несмотря на то, что количество энергии на Земле в основном бесконечно, наша способность использовать ее ограничена условиями местности. Благоприятные места для добычи геотермальной энергии встречаются редко и встречаются там, где магма, или горячая расплавленная порода мантии Земли, была вытолкнута вверх к поверхности земли через разломы и трещины в коре. Образовавшиеся «горячие точки» в 2–3 км от поверхности естественным образом нагревают протекающую воду.Оттуда пар и горячая вода могут использоваться непосредственно для вращения турбин или отопления домов. Когда пар и горячая вода удаляются из горячей точки, более холодная вода стекает обратно, и цикл продолжается.

        Биомасса

        Биомасса — это остатки животного или растительного мира, которые не подвергались огромному воздействию тепла и давления, которые сформировали ископаемое топливо. Материалы биомассы, такие как древесина, сушеный навоз, отходы животных и даже мусор, могут использоваться в качестве возобновляемых источников энергии для обогрева домов, приготовления пищи и даже производства электроэнергии.Энергия, вырабатываемая при сжигании древесины, изначально накапливалась в связях глюкозы, образовавшейся во время фотосинтеза в листьях дерева. При сжигании древесины требуется энергия, чтобы разорвать связи в целлюлозе. По мере образования диоксида углерода и воды выделяется больше энергии, чем первоначально требовалось для разрыва связей. Таким образом высвобождается чистая энергия. (Вспомните аналогию с «колодцем».) Примерами широко используемых систем получения энергии из биомассы являются этанол в бензине, анаэробное сбраживание городских сточных вод или свинины с получением газообразного метана и сжигание мусора.

        Есть несколько других применений топлива из биомассы. Этанол в настоящее время используется в бензине (10% этанола, 90% бензина), что приводит к более чистому горению топлива, которое выделяет в среднем на 20% меньше окиси углерода, чем несмешанный бензин. Свиноводы собирают навоз и добавляют в контролируемую среду производящие метан бактерии, называемые метаногенами. Метан собирается и сжигается для производства электроэнергии для помещений для содержания свиней. На муниципальных очистных сооружениях используется двухступенчатый процесс разделения отходов на две части.Один преобразует отстой в различные органические кислоты и диоксид углерода; другой реагирует с метаногенами с образованием метана. В настоящее время лесная промышленность сжигает большую часть отходов для производства тепла и электричества.

        Важные замечания

        К сожалению, использование возобновляемых ресурсов может превышать скорость их обновления. Например, ресурс биомассы, такой как кукуруза для производства этанола, зависит от урожайности кукурузы.В случае ветряной энергии ветер должен дуть с определенной скоростью и в определенном направлении для оптимальной эффективности. Гидроэнергетика возобновляема, пока идет дождь. Эффективность зависит от глубины воды за плотиной, которая также зависит от участка. Кроме того, в гидроэлектростанции на базе водохранилища может происходить заиливание, которое постепенно снижает потенциал электростанции.

        Даже пассивные или активные солнечные системы зависят от погодных условий и количества светового дня.Для оптимальной эффективности фотоэлектрические системы должны быть установлены на подвижном основании, чтобы поверхность солнечного элемента была перпендикулярна солнечным лучам. Кроме того, электрическая энергия, производимая при дневном свете, должна храниться в батареях для использования ночью. Эффективность пассивных солнечных систем, таких как солнечные пространства и солнечные водонагреватели, сильно зависит от климата, времени года и ориентации здания по отношению к солнцу. Системы солнечного отопления, в которых используются жидкости и теплообменники, должны быть спроектированы таким образом, чтобы выдерживать температурный диапазон объекта.Например, в более холодном климате необходимо добавлять в воду антифриз, чтобы предотвратить замерзание и последующий разрыв труб. В случае солнечных пространств, комната должна быть обращена на юг с тенью от выступа крыши, внешних конструкций или деревьев, чтобы предотвратить перегрев летом.

        Пока светит солнце, оно будет производить ветер, дождь и биологический рост. Количество энергии, поступающей во внешнюю атмосферу Земли от Солнца, вполне предсказуемо и надежно.Сложность состоит в том, что количество полезной солнечной энергии, получаемой в определенный день на определенном участке, очень непредсказуемо и ненадежно. Если небо облачно, солнечная радиация называется диффузной радиацией, которую нельзя эффективно использовать, даже если она есть. Погодные условия и условия участка, включая стихийные бедствия, такие как наводнения, землетрясения и ливни, значительно ограничивают надежность солнечной энергии. Таким образом, солнечные электростанции не могут быть волшебным альтернативным источником для замены ископаемого топлива для крупномасштабного использования.Однако маломасштабное использование возобновляемых ресурсов для удовлетворения потребностей в энергии может снизить зависимость от ископаемого топлива.

        Ядерная энергия

        Поскольку запасы ископаемого топлива продолжают сокращаться, развиваются альтернативные источники энергии. Атомная энергетика — один из примеров альтернативных источников энергии. Однако соображения общественного здоровья и безопасности в отношении атомных электростанций многочисленны. Цель этого раздела — описать механику ядерной энергетики, а также ответить на некоторые часто задаваемые вопросы о ядерной энергетике.

        Основные ядерные принципы

        Атом состоит из субатомных частиц, называемых протонами, , нейтронами и электронами, .

        Рисунок 6: Принципиальная схема атома. Протоны и нейтроны расположены в центре, а электроны вращаются вокруг ядра. Электроны расположены в электронном облаке, окружающем ядро, которое представлено овальными орбитами.

        ПРИМЕЧАНИЕ. Атом нарисован не в масштабе: размер атома примерно в 100 000 раз больше ядра.

        Помните, что подобные заряды отталкивают. Так как же положительно заряженные протоны могут вместе существовать в ядре? Существует сила, называемая сильной силой, которая удерживает протоны и нейтроны вместе на очень малых расстояниях. Электроны «связаны» с ядром электрическим зарядом, потому что разные положительные и отрицательные заряды протонов и электронов, соответственно, притягиваются.

        Два изотопа элемента содержат одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов в ядре.Изотоп с большим количеством нейтронов называется «тяжелым» по сравнению с «более легким» изотопом (того же элемента) с меньшим количеством нейтронов. Возьмем, например, 235 U и 238 U (читай «Уран 235» и «Уран 238»). Оба состоят из 92 протонов и электронов, что делает их ураном. Разница в том, что 235 U содержит 143 нейтрона (235-92), тогда как 238 U содержит 146 нейтронов (238-92). Следовательно, 238 U тяжелее 235 U.

        Ядерная энергия может быть определена как энергия, обнаруженная внутри атомного ядра, или как ядерная энергия связи .Если взять ядро ​​гелия, то масса его частей (двух протонов и двух нейтронов) меньше массы самого ядра. Используя уравнение Эйнштейна E = mc 2 (где c — скорость света), мы можем видеть, что крошечный кусочек массы может производить огромное количество энергии.

        В ядерной реакции нестабильное ядро ​​станет более стабильным за счет испускания частиц и преобразования нейтронов и протонов в более стабильные ядра. Стабильное атомное ядро ​​не подвергается ядерным реакциям, если оно не подвергается бомбардировке ядерными частицами, такими как протоны, нейтроны или альфа-частицы. Этот процесс называется ядерной бомбардировкой.

        Основы радиоактивности

        Будучи студентом естественных наук, вы, несомненно, знакомы с периодической таблицей элементов. Когда вы читаете атомный вес элемента на диаграмме, например, углерода при 12,01 г / моль, вы не читаете абсолютный атомный вес элемента. Вместо этого вы читаете в среднем изотопов углерода природного происхождения, некоторые из которых включают радиоактивные изотопы. Помните, что изотоп элемента имеет такое же количество протонов и электронов, что и другие изотопы, но имеет другое количество нейтронов в ядре.Иногда это приводит к тому, что изотоп становится нестабильным и излучает энергию или становится радиоактивным. Период полураспада радиоактивного вещества — это количество времени, которое требуется веществу, чтобы испустить половину своей радиоактивности.

        Радиоактивность окружает вас повсюду, от пищи, которую вы едите, до кирпичей в зданиях вокруг вас. Радиоактивные элементы, встречающиеся в природе, считаются частью радиационного фона. Фоновое излучение исходит от всего, что является частью природного мира, а это около человек. Из этого можно легко сделать вывод, что вся радиоактивность неплохая. Скорее, ваше тело подвергается радиоактивной бомбардировке каждую минуту каждого дня, особенно если вы много находитесь на солнце. Ежедневно несколько обычных пищевых объектов слегка радиоактивны, в том числе заменитель поваренной соли и бананы. Проверьте это в следующий раз, когда возьмете счетчик Гейгера в продуктовый магазин! Еще один распространенный радиоактивный объект, продаваемый в магазинах, — это мантия Coleman Lantern, содержащая торий.

        «Опасное» излучение возникает при употреблении в пищу или иным образом проглатывания радиоактивных элементов, которые встречаются в больших концентрациях, или от внешних источников, дающих высокие дозы.

        Измерение излучения

        Излучение обычно измеряется в единицах рад , или поглощенной дозе излучения, что эквивалентно 0,1 Дж энергии, испускаемой на кг изотопа. Другой распространенной единицей измерения является бэр, или радиационный эквивалент для млекопитающих, который в большинстве случаев равен рад.Чтобы дать вам некоторое качественное представление, стоматологический рентген дает эквивалент 1 миллибэр . Естественный фоновый уровень радиации, которую вы получаете, составляет примерно 200–300 миллибэр в год, в зависимости от того, где вы живете. «Естественный фон» состоит из излучения космических лучей, земли, кирпичей, камня в зданиях, газа радона, медицинских процедур и калия в вашем теле. Правительственный предел допустимой радиации для населения составляет 500 миллибэр в год, не считая того, что вам может прописать врач.Первый медицинский признак лучевой болезни проявляется после однократного приема однократной дозы 25 бэр (25 000 мбэр), хотя более низкие уровни могут повысить риск развития рака в какой-то момент жизни.

        Типы спонтанного радиоактивного распада

        Происходит несколько типов радиоактивного распада, чтобы сделать нестабильное ядро ​​более стабильным. Альфа-излучение — это потеря ядра гелия (2 протона и 2 нейтрона), которое уносит массу в четыре атомных единицы массы, или а.е.м.Заряд альфа-частицы +2.

        Имя Символ Заряд Атомный номер Ядерная потеря Способность проникать
        Alpha + 2 2 2 p и 2 n самый низкий
        Бета — 1 0 1 n или 1p низкий
        Гамма Бесплатно 0 Без изменений Высокая

        Во время альфа-излучения атомная масса уменьшается на четыре, а атомный номер на два.Альфа-распад обычно происходит в элементах с атомными номерами больше 82, которые не содержат достаточно энергии связи, чтобы удерживать вместе массивное ядро. Типичное альфа-излучение — это распад тяжелого изотопа, такого как плутоний-239, до урана-235.

        Избыточная энергия связи возникает из-за кинетической энергии альфа-частицы, а иногда и из-за испускания гамма-энергии. Гамма-энергия излучается в виде фотонов и представляет собой тип электромагнитного излучения.

        Элементы с атомным номером ниже 40 обычно имеют стабильные ядра с равным числом протонов и нейтронов (соотношение 1: 1).Когда атомный номер увеличивается с 40 до 108, стабильное отношение нейтронов к протонам увеличивается до 1,5 нейтронов на 1 протон. Бета-распад — это потеря электрона из ядра. Обычно в ядре нет электронов. Во время бета-распада один из многочисленных нейтронов превращается в протон и электрон. Этот электрон из ядра называется бета-частицей и выбрасывается из ядра. Во время бета-распада количество нейтронов уменьшается на один, а количество протонов увеличивается на один.Атомная масса осталась прежней. Также обратите внимание, что общий заряд сохраняется.

        n o = p + + e —

        Распад углерода-14 на азот-14 и бета-частицу является примером этого типа распада.

        Другой формой радиоактивного распада является излучение позитронов, потеря позитрона (положительного электрона) из ядра, которое имеет избыточное количество протонов. Элементы, у которых отношение протонов к нейтронам выше, чем обычно, могут распадаться за счет излучения позитронов.Здесь протон распадается на нейтрон и позитрон (e + ). Во время излучения позитронов атомный номер уменьшается на единицу, а количество нейтронов увеличивается на единицу, поскольку протон превращается в позитрон и нейтрон. Атомная масса остается прежней, и общий заряд снова сохраняется.

        p + = e + + n o

        Распад углерода-10 до бора-10 является примером реакции этого типа.

        Гамма-излучение относится к разряду высокоэнергетического электромагнитного излучения от атома.Потеря энергии в виде гамма-излучения происходит, когда ядро ​​находится в возбужденном состоянии и возвращается в свое основное или нормальное состояние, испуская гамма-частицу или фотон высокой энергии. Во время гамма-излучения ни атомная масса, ни атомный номер не меняются.

        Примером этой реакции является испускание гамма-излучения барием -137m. «M» означает «метастабильность», что означает, что она стабильна только в течение ограниченного времени.

        Индуцированный радиоактивный распад

        Тип радиоактивного распада, который происходит в ядерных реакторах, вызывается бомбардировкой частицами и называется трансмутацией.Мы смогли создать сотни изотопов и новых элементов, бомбардируя существующие изотопы субатомными частицами или даже ядрами легких элементов. Эта концепция лежит в основе деления, расщепления ядра; и слияние, соединение двух ядер.

        Нейтронная бомбардировка — это процесс «удара» ядра свободным тепловым нейтроном (нейтроном с правильным количеством энергии), чтобы разделить его на более легкие продукты. При расщеплении ядра атома возможно несколько продуктов.Типичный пример — деление 235 U в ядерном реакторе. Свободные нейтроны почти всегда находятся среди продуктов, которые распространяют реакцию с другими ядрами, называемую цепной реакцией . Когда 235 U бомбардируют свободными нейтронами очень низкой энергии, происходит реакция деления, в которой продуктами могут быть криптон-92, барий-141, три нейтрона и, возможно, гамма-излучение.

        В результате описанной выше поломки могло произойти множество различных продуктов.Критерий состоит в том, что количество а.е.м., протонов и нейтронов продуктов в сумме равно количеству реагентов, что очень похоже на химическую реакцию. Обратите внимание, что суммируются амуниции: 235 + 1 = 92 + 141 + 3, а также количество протонов: 92 + 0 = 36 + 56 + 0 и нейтронов: 143 + 1 = 56 + 85 + 3.

        Рисунок 7: На этой диаграмме представлена ​​цепная реакция 235 U. Нейтрон ударяется об атом урана, который распадается на продукты деления и выделяет 2 нейтрона.Новые нейтроны проводят цепную реакцию, как показано.

        Другой способ вызвать распад — это ударить по ядру ядром гелия или альфа-бомбардировкой . Когда альфа-частица реагирует с атомом азота-14, образуется атом кислорода-17 и выделяется энергия в виде атома водорода-1 и гамма-излучения.

        Бомбардировка атома алюминия-27 альфа-частицей дает фосфор-30 и нейтрон.

        Протонная бомбардировка — это бомбардировка ядра протоном.Когда литий-7 реагирует с протоном, образуются два атома гелия-4.

        Ядерный синтез

        Другой тип индуцированной ядерной реакции — это ядерный синтез. Термоядерный синтез соединяет два небольших ядра. Реакции синтеза обеспечивают энергию, необходимую для того, чтобы светить нашему солнцу. Принцип синтеза состоит в том, что при слиянии двух небольших ядер, таких как дейтерий ( 2 H, или один нейтрон и один протон), высвобождается большое количество энергии. Дейтерий ( 2 H) и тритий ( 3 H) являются изотопами водорода, которые можно получить в обычной воде.Реакция дейтерия и трития следующая:

        Обратите внимание, что на 1 4 He выделяется 17,6 миллионов электрон-вольт энергии. Это связано с разницей в атомных энергиях реагентов и продуктов. Условия, необходимые для плавления: высокая концентрация плавких элементов, высокая температура и высокая плотность. Было подсчитано, что при реакции только 1 грамма дейтерия высвободится количество энергии, эквивалентное 2400 галлонам бензина.

        Ядерная энергия (от деления, а не синтеза) обеспечивает около 7% всей энергии, потребляемой в Соединенных Штатах, и 22% электроэнергии, используемой в Соединенных Штатах в год. Энергия ядерных реакторов считается «чистой» энергией, поскольку оксиды углерода и азота, а также дым и сажа не выбрасываются в атмосферу. К недостаткам ядерной энергетики можно отнести высокую стоимость строительства атомных электростанций, поиск политически приемлемых способов утилизации радиоактивных отходов, включая отработанные топливные стержни, риск радиоактивного выброса и стоимость остановки атомной электростанции на конец срока полезного использования.

        Типы ядерных реакторов

        Ядерные реакторы используют процесс деления или расщепления атома, чтобы высвободить энергию из ядра топлива. Как правило, 235 U используется в качестве топлива на большинстве атомных электростанций, потому что это делящийся материал, который подвергается делению при столкновении с любым нейтроном, особенно с очень медленным. Добавленный нейтрон приводит к тому, что ядро ​​становится нестабильным, и оно расщепляется на ядерные фрагменты.

        Ядерные реакторы используют в качестве источника топлива обогащенный уран (3% урана-235 и 97% урана-238).Поскольку нормальный уран, обнаруженный в земле, составляет всего 0,7% 235 U и 99,3% 238 U, мы подвергли его процессу обогащения, чтобы увеличить этот процент до 3%. Топливо находится в активной зоне ядерного реактора. Цепная реакция инициируется бомбардировкой топлива медленными нейтронами, потому что более медленные нейтроны с меньшей тепловой энергией имеют примерно в 1000 раз больше шансов вызвать реакцию деления, чем более быстрые нейтроны. Чтобы вызвать цепную реакцию, нейтроны должны замедляться водными или графитовыми замедлителями.Процесс повторяется быстро или медленно в зависимости от наличия регулирующих стержней. Управляющие стержни сделаны из кадмия или бора, которые поглощают нейтроны, чтобы контролировать или останавливать цепную реакцию. Тепло от цепной реакции и результирующая скорость продуктов деления, таких как Kr и Ba в последнем примере, поглощается водой в реакторе. Также выделяются очень быстрые нейтроны или тепловые нейтроны. Если нет модератора, замедляющего их, цепная реакция остановится сама собой. В американских реакторах в качестве замедлителя используется охлаждающая вода.Если теплоноситель теряется или реактор становится слишком горячим и выкипает, замедлитель также теряется, и реакция останавливается. К сожалению, российский Чернобыльский реактор был спроектирован с графитовым замедлителем. Когда теплоноситель был потерян, реактор стал еще горячее и загорелся. Поскольку вода является одновременно замедлителем и теплоносителем в американских реакторах, авария, подобная Чернобылю, физически произойти не может.

        В настоящее время используется несколько типов ядерных реакторов. Первые два типа ядерных реакторов, которые мы обсудим, — это легководные реакторы , или LWR.На LWR приходится около 80% мирового производства ядерной энергии. Один тип — реактор с кипящей водой, или BWR . В BWR вода прокачивается через активную зону реактора, где она выполняет две функции: замедлитель и теплоноситель. Тепловая энергия, выделяемая в ядерных реакциях, поглощается водой, которая превращается в пар. Пар проходит через турбины, которые запускают генераторы для производства электроэнергии.

        Рисунок 8: Схема реактора с кипящей водой (BWR).Вода в корпусе реактора нагревается за счет ядерной реакции в активной зоне. Затем вода превращается в пар, который направляется в турбину, а затем в генератор для производства электроэнергии. Затем горячая вода проходит через конденсатор, который заливается холодной водой из озера или градирни для обмена теплом. Теплая вода уходит в озеро, а холодная — в корпус реактора.

        Другой тип LWR — это реактор с водой под давлением, или PWR .В PWR вода находится под давлением, чтобы предотвратить ее кипение, даже при температурах, приближающихся к 315 o C. Вода в активной зоне проходит через первичный контур, который проходит через теплообменник. Теплообменник отводит тепловую энергию из первичного контура и передает ее воде во вторичном контуре. Вода во вторичном змеевике превращается в пар из-за пониженного давления, когда он проходит через ряд турбин, приводящих в действие электрические генераторы. Важно отметить, что независимо от топлива все электростанции используют пар для привода турбин для выработки электроэнергии.

        Третий тип ядерных реакторов — это реактор-размножитель, названный так потому, что он производит больше делящегося топлива, чем использует. В реакторе-размножителе часть обычно нерасщепляющегося 238 U превращается в 239 Pu, который является делящимся, посредством серии бета-распадов в следующей реакции:

        Этой реакции способствует использование быстрых нейтронов, поскольку они с большей вероятностью будут захвачены 238 U, чем 235 U.Обычная ядерная реакция обычно высвобождает быстрые нейтроны, поэтому реакторы-размножители по своей сути эффективны. Они также выделяют тепло и требуют охлаждающей жидкости. Жидкий натрий обычно используется в качестве теплообменной среды или хладагента, поскольку он не замедляет высокоскоростные нейтроны, как вода.

        Главное преимущество реактора-размножителя заключается в том, что он производит больше ядерного топлива, 239 Pu, чем он использует. Он преобразует 238 U, неделящийся или стабильный изотоп в большом количестве, в расщепляющийся, что делает этот источник топлива практически неисчерпаемым.Запасов 238 U хватит на следующие 40 000 лет. У реакторов-размножителей есть и недостатки. Если плутоний попадает в окружающую среду, он несет высокий риск для здоровья из-за его токсичности. Плутоний также используется для изготовления атомного оружия. Хотя 235 U также можно использовать для изготовления оружия, для его очистки требуются такие огромные усилия, что его нелегко использовать. Реакторы-размножители также могут плавиться в случае возникновения проблем.Эта проблема была недавно решена Аргонской национальной лабораторией путем разработки реактора-размножителя на быстрых нейтронах. Ядерная реакция прекратится автоматически, если температура топлива в реакторах этого типа станет слишком высокой. К сожалению, Конгресс США отменил финансирование этого проекта, который стал надежным ответом на наши потребности в энергии.

        В настоящее время в США не используются реакторы-размножители для производства ядерной энергии. Франция использовала реакторы-размножители, а Япония планирует использовать реакторы-размножители для выработки как электроэнергии, так и большего количества ядерного топлива.

        Ядерные отходы

        Одним из препятствий к использованию ядерной энергии является то, что образующиеся ядерные отходы нельзя просто выбросить в мусорный бак, они радиоактивны! Высокоактивные радиоактивные отходы, продукты деления в отработавших топливных стержнях, будут опасны в ближайшие сто или тысячи лет. Инженеры разработали способы хранения этих отходов в надежде защитить окружающую среду. Отработанные топливные стержни сначала хранятся в больших резервуарах или бассейнах на территории электростанции, чтобы удалить тепло, оставшееся от реакции.После того, как они перестают быть термически горячими, отработанные топливные стержни, обычно в виде небольших металлических трубок, помещаются в керамические или стеклянные контейнеры, которые могут выдерживать радиоактивный распад. Эти небольшие контейнеры затем помещаются в контейнеры из нержавеющей стали, которые хранятся под землей в больших пещерах. Поскольку все отходы находятся в твердой форме, ничто не может вытекать изнутри. Чтобы предотвратить просачивание воды, вокруг мусора размещены материалы, которые будут поглощать любую просачивающуюся грунтовую воду.Эти «пещеры» всегда находятся в очень стабильных геологических формациях. Этот тип системы сдерживания называется системой сдерживания с несколькими барьерами.

        К счастью, на один реактор образуется очень мало высокоактивных отходов. В отличие от угольной электростанции, которая производит около 15 тонн диоксида углерода, 200 фунтов диоксида серы и около 1000 тонн твердой золы за минут, высокоактивных отходов за один год эксплуатации АЭС производит около 1.5 тонн и занимал бы объем около полкубометра, который легко поместился бы под вашим журнальным столиком!

        Однако другие вещи становятся радиоактивными в процессе эксплуатации атомной электростанции. Такие объекты, как фильтры для воды и воздуха для улавливания радиоактивных материалов, тряпки, перчатки, лабораторное оборудование, трубы и швабры, считаются низкоактивными радиоактивными отходами. Они использовались рядом с реактором или внутри него и подвергались воздействию нейтронов. Около 25% всех низкоактивных отходов поступает из больниц, исследовательских лабораторий и промышленности.Хотя радиоактивность низкоактивных отходов примерно в миллион раз ниже, чем радиоактивность высокоактивных отходов, они занимают примерно в 1000 раз больше, чем высокоактивные отходы. Поскольку радиоактивность настолько мала, низкоактивные отходы захоронены на глубине около 20 футов под землей в контролируемых зонах и подвержены разложению.

        Основная проблема с радиоактивными отходами не в количестве и даже не в том, что с ними делать. Настоящая проблема — это общественное восприятие. Большинство людей, похоже, согласны с тем, что нам нужно что-то делать с этими отходами, но никто не хочет этого в их районе, независимо от того, насколько безопасна конструкция сдерживания.Вот еще один пример, когда энергия становится, возможно, более серьезной политической проблемой, чем научной.

        Катастрофические аварии

        Одним из важнейших событий в истории американских ядерных реакторов была авария на атомной электростанции PWR на Три-Майл-Айленд в 1979 году. Многие называют аварию «близкой к расплавлению», в то время как другие считают, что это слишком много. — преувеличение. Причиной аварии была неудачная клапан, который позволил воде течь из сосуда высокого давления.Конечно, без модератора цепная реакция прекратилась. Однако активная зона все еще была горячей, и ее необходимо было охладить, чтобы топливо не расплавилось и не разрушило реактор. Инженеры думали, что клапан был закрыт из-за неисправного индикатора на приборной панели, но смогли определить причину проблемы и закрыть вспомогательный клапан, чтобы вода не вытекала. Если бы вода продолжала вытекать еще 30-60 минут, потеря охлаждающей жидкости могла бы вызвать расплавление. Расплавление происходит, когда топливные стержни становятся настолько горячими, что плавятся, позволяя радиоактивности проникать в корпус реактора.Однако многие люди не осознают, что защитная оболочка реактора спроектирована так, чтобы удерживать всю радиоактивность внутри и отфильтровывать ее из внутренней атмосферы в случае аварии. Конструкции сдерживания проверяются на восприимчивость к торнадо, землетрясениям, самолетам, влетающим в них (действительно), и взрывчатым веществам. В случае с Три-Майл-Айлендом конструкция защитной оболочки работала, и в окружающую среду было выброшено очень мало радиоактивных материалов.

        Самая серьезная авария на атомной электростанции в мире произошла в 1986 году, когда взорвалась АЭС в Чернобыле, Россия.Чернобыльский реактор — это реактор типа РМБК, в котором в качестве теплоносителя используется вода, а в качестве замедлителя — графит с природным ураном. В результате плохо проведенного испытания теплоноситель оказался на низком уровне в корпусе реактора, что потребовало снятия некоторых регулирующих стержней. Когда мощность увеличилась до нормального уровня, времени на их замену не было. Таким образом, охлаждающая жидкость оказалась на очень низком уровне и начала закипать. Из-за конструкции реактора графитовый замедлитель остался цел, и цепная реакция продолжалась.Высокая температура и тепло привели к двум химическим взрывам (типа динамита), , а не ядерным, которые оторвали часть крыши здания реактора. Обратите внимание, что вокруг корпуса реактора не было сложной конструкции защитной оболочки, как в США. В результате большое количество радиоактивного вещества, которое когда-то было в активной зоне реактора, было рассеяно по окружающим территориям в виде радиоактивной пыли. В конечном итоге пожары были потушены путем сброса песка на реактор с вертолета.

        Общие вопросы и заблуждения

        Вот несколько общих заявлений ядерной энергетики и ответы на них.

        S. Атомные электростанции излучают радиоактивность.
        R. Неверно. Радиоактивный материал, используемый в ядерных энергетических установках, содержится в топливных стержнях активной зоны реактора. В некоторых реакторах водяной теплоноситель также становится слегка радиоактивным, но имеет короткий период полураспада и также содержится внутри.

        С.Ядерная энергия опасна, потому что ею нельзя управлять.
        R. Неверно. Управляющие стержни находятся в активной зоне реакторов с элементами (кадмием или бором), которые поглощают свободные нейтроны, распространяющие цепные реакции. Кроме того, если вода выкипит в реакторах LWR (реакторы США и Европы), реакция останавливается из-за отсутствия замедлителя.

        S. Атомные электростанции экологически вредны из-за отходящего тепла, выделяемого в окружающую среду водой.
        Р.Правда. Горячая вода, выпускаемая из реакторов (которая часто хранится в прудах рядом с реактором), действительно выделяет больше тепла в окружающую среду, что может вызвать проблемы в непосредственной близости от станции. Однако электростанции, работающие на ископаемом топливе, выделяют примерно в два раза больше нагретой воды для производства того же количества электроэнергии и, следовательно, имеют те же экологические проблемы. Градирни могут облегчить это.

        S. Ядерная энергетика позволяет избежать ряда экологических проблем, связанных с ископаемым топливом.
        Р. Верно. Поскольку ядерные реакции не основаны на горении, парниковые газы не выделяются, и поэтому атомные электростанции не вносят вклад в парниковый эффект. Точно так же нет вредных выбросов SO 2 , вызывающих кислотные дожди. Атомные электростанции также обычно требуют меньше земли, чем станции, работающие на ископаемом топливе, что снижает воздействие на окружающую среду, окружающую станцию.

        S. Атомная электростанция небезопасна, потому что она может взорваться, как бомба.
        R. Неверно. Атомная бомба состоит из чрезвычайно концентрированных 235 U и 239 Pu. Взрывчатые вещества сбивают их вместе, и цепная реакция протекает так быстро, что за очень короткое время выделяется чрезвычайно большое количество энергии. В ядерном реакторе процентное содержание 235 U в топливе, обогащенном , составляет всего 3%, в отличие от 95% в бомбе. Таким образом, физически невозможно взорвать атомную электростанцию, как ядерную бомбу.

        С.Производится так много радиоактивных отходов, что использование ядерной энергии для получения большей части нашей энергии неэффективно.
        R. Неверно. Количество высокоактивных радиоактивных отходов, производимых электростанцией для выработки количества энергии, которое человек будет использовать в течение 70 лет жизни, составляет примерно размер банки из-под газировки. Сравните это с тоннами золы, производимой угольной электростанцией! Отходы с низким уровнем содержания немного увеличивают их количество, но обычно они имеют короткий период полураспада и могут экономично храниться до тех пор, пока не будут безопасно утилизированы.

        S. Высокоактивные отходы не подлежат очистке.
        Р. Верно. Не существует известных технологических или биологических средств быстрого удаления радиоактивности из высокоактивных отходов.

        S. Ядерная энергетика очень противоречива, и прямо сейчас этот спор не может быть разрешен.
        Р. Верно. Хорошие и плохие моменты, связанные с ядерной энергетикой, не позволяют никому сказать, что ее следует или не следует использовать. Пока не будут найдены более эффективные способы утилизации или уменьшения количества отходов, некоторые люди будут против этой формы энергии.

        Следующая тема: Ссылки

        Energy Содержание

        Домашняя страница MAST

        .

    • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *