§ 18. Теплоэнергетика. Способы сохранения энергетических ресурсов

Человек нуждается в энергии буквально на каждом шагу. К сожалению, энергии обычно не хватает, поэтому на протяжении всего своего существования человечество ищет способы ее получения и экономии. особенно это актуально сейчас, когда стало заметным «дно» мировых запасов органического топлива (ископаемых ресурсов). Были сформулированы некоторые общие принципы энергосбережения и разработаны технологии их воплощения в жизнь с помощью новейшего оборудования.

Узнаём о роли теплоэнергетики в жизни человека

На протяжении многих столетий практически единственным источником энергии для человечества было топливо, другие источники (ветер и вода) занимали незначительное место.

В XX в. заметную роль в энергетике стали играть альтернативные источники энергии. Примерами таких источников являются гидроэлектростанции, атомные электростанции, ветрогенераторы, солнечные батареи (рис. 18.1-18.4).

Альтернативные источники энергии, разработка и создание которых требуют значительных затрат, появились «не от хорошей жизни». Ведь именно в XX в. резко возросло использование тепловых машин — устройств, преобразующих энергию топлива в другие виды энергии (электрическую, механическую). Речь идет прежде всего об автомобилях и других транспортных средствах, использующих в качестве источника энергии продукты переработки нефти (бензин и дизельное топливо). Кроме того, практически везде для обогрева жилья и приготовления пищи применяют устройства, сжигающие природный газ. Этот газ в значительном количестве используют также в производственных процессах (металлургия, химический синтез). Газ, нефть, уголь используют для производства элетроэнергии на тепловых электростанциях.

Вы уже знаете, что указанные виды топлива являются ископаемыми ресурсами и что их запасы ограничены. Примерно за 100 лет миллионы автомобилей «съели» значительную часть мировых запасов нефти. Существует

мнение, что запасы природного газа исчерпаются примерно через 40 лет; разведанных запасов угля хватит на несколько сотен лет. К тому же при сжигании угля, нефти и газа расходуется большое количество кислорода. Так, для сжигания 1 кг угля необходимо 2,7 кг кислорода, 1 кг нефти — 3,4 кг кислорода, 1 кг природного газа (метана) — 4 кг кислорода.

Размышляем об экономии энергетических ресурсов

Приведенные данные свидетельствуют о том, что через несколько десятков лет привычные сейчас виды топлива окажутся на грани исчезновения. Что же делать?

На сегодня предлагаются три основных направления решения проблемы будущего «энергетического голода».

1.    Экономия имеющихся ископаемых ресурсов. Речь идет об использовании новых технических решений — энергосберегающих технологиях.

2.    Постепенная замена топлива из ископаемых ресурсов на топливо, получаемое из растений. Сейчас уже используются два типа технологий производства растительного топлива: добыча заменителей бензина из растений, содержащих сахар, и переработка в дизельное топливо масла, получаемого из некоторых растений (например, рапса).

3.    Использование альтернативных источников энергии. Прежде всего речь идет о ядерной и термоядерной энергиях. Ископаемых запасов урана — топлива для атомных станций — хватит на несколько сотен лет. Во многих странах (Франция, Украина, США) этот вид производства электрической энергии является одним из основных. Так, в Украине на атомных станциях вырабатывается около половины всей электроэнергии.

Неисчерпаемым источником может стать термоядерная энергия (рис. 18.5). Запасов тяжелого водорода — топлива для термоядерного синтеза — в Мировом океане хватит на много тысячелетий.

знакомимся с энергосберегающими технологиями

Современные принципы энергосбережения заключаются не только в применении новинок, пусть и уникальных. Принципиальной является задача комплексного использования нескольких технологий.

Рассмотрим, например, обычную квартиру. Наибольшее количество энергии, поступающей в нее, — это энергия, необходимая для обогрева. Замена традиционных окон на стеклопакеты, утепление дверей, нанесение специального теплозащитного покрытия на внешние стены дома позволят сэкономить значительное количество тепла, которое обычно идет на «обогрев окружающей среды».

Горячая вода часто поступает в дома из котельных, расположенных на расстоянии в несколько километров. Такой длинный путь теплоснабжения связан с большими потерями энергии. Если же обогреватель (электрический или газовый котел) установить в квартире, то этот путь будет в сотни раз короче, — очевидно, что в сотни раз уменьшатся и потери тепла. Более того, котел не только нагревает батареи отопления, но и обеспечивает горячей водой кухню и ванную комнату.

Для экономии электрической энергии следует применять энергосберегающие лампы и электроприборы с небольшим потреблением энергии. Подумайте, за счет чего еще возможна экономия энергии в домах.

Мы привели простой пример комплексного подхода к энергосбережению в помещениях. Аналогичные принципы, только со значительно большим количественным эффектом, успешно применяют и в производственных процессах.

Выясняем, как теплоэнергетика влияет на природу

Пока тепловые станции не имели большой мощности, а автомобилей было немного, негативные последствия работы тепловых машин не очень беспокоили человечество. Соответствующие проблемы стали актуальными сравнительно недавно, во второй половине XX в., когда начали выпадать кислотные дожди, вызванные выбросами электростанций, когда люди начали задыхаться в автомобильных пробках, вдыхая вместе с воздухом ядовитый угарный газ, и т. д.

Ученые предлагают различные технические решения этих проблем. В качестве примера приведем ряд решений по уменьшению выбросов бензиновых двигателей:

—    удаление из состава бензина ядовитых соединений свинца;

—    «досжигание» с помощью специальных устройств угарного газа до менее вредного углекислого газа;

—    создание экологически чистых электромобилей (рис. 18.6). Электромобили практически не загрязняют окружающую среду: в них используют электрический двигатель, который питается от аккумуляторов;

—    использование «гибридных» автомобилей, оснащенных двумя двигателями — электрическим и бензиновым: экологически чистый электрический двигатель целесообразно использовать в городе (где много автомобилей), а бензиновый — за городом (где загрязнение воздуха не столь опасно).

В настоящее время у человечества есть еще одна большая проблема. Дело в том, что во время работы тепловых машин выделяется углекислый газ (СО₂), который в большом количестве становится очень опасным. По оценкам ученых, за 200 лет интенсивной работы тепловых машин в атмосферу было выброшено около одного триллиона (10¹²) тонн СО₂. Это огромное количество углекислого газа вызвало так называемый парниковый эффект — повышение температуры поверхности Земли. Почему это произошло?

Солнце, как вы знаете, не только освещает, но и обогревает Землю. Еще сто лет назад получаемое Землей тепло практически полностью излучалось (возвращалось) в космос. После того как в верхних слоях атмосферы накопилось значительное количество углекислого газа, этот газ стал своеобразным «зеркалом» для излучения с поверхности Земли. В результате часть энергии задерживается в атмосфере и нагревает ее.

Из-за парникового эффекта средняя температура поверхности Земли повысилась на 0,6 °С. Но даже это небольшое нагревание уже привело, по мнению многих ученых, к изменениям климата. Если же средняя температура поверхности Земли повысится на 2 °С, то неминуемыми станут глобальные катаклизмы: таяние ледников, подъем уровня Мирового океана, затопление портовых городов и др.

Чтобы избежать таких катастрофических последствий, в 1997 г. в г. Киото (Япония) правительства многих стран подписали так называемый Киотский протокол. Согласно этому документу, для каждой страны мира определен максимальный объем выбросов СО₂ (речь идет и о промышленных, и о бытовых источниках). Если этот объем превышен, то страна-нарушитель платит определенную сумму штрафа, которую затем используют для снижения уровня выбросов.

В 2015 г. Киотский протокол был дополнен Парижским соглашением, в котором описаны дальнейшие перспективы ограничения выбросов.

, Подводим итоги

Нефть, природный газ и уголь — это ископаемые ресурсы, запасы которых ограничены.

Основные направления преодоления энергетического кризиса:

—    экономия имеющихся ископаемых ресурсов;

—    внедрение новейших технологий с целью уменьшения использования топлива из невозобновляемых ресурсов;

—    использование альтернативных источников энергии, прежде всего ядерной и термоядерной энергий.

Использование новейших технологий позволяет уменьшить потребление тепловой энергии в несколько раз.

Контрольные вопросы    —

1. Какие источники энергии издавна использует человечество? 2. Назовите альтернативные источники энергии. 3. Перечислите основные направления преодоления энергетического кризиса. 4. Приведите примеры энергосберегающих технологий. 5. Как влияют тепловые источники энергии на окружающую среду? 6. Что такое Киотский протокол?

Упражнение № 18

1.    Один из лучших источников энергии — Солнце. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, где используют солнечную энергию сегодня и каковы перспективы ее использования в будущем.

2.    Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о перспективах развития альтернативной энергетики в Украине.

 

Институт технической теплофизики НАН Украины (ИТТФ) (Киев)

ИТТФ создан в 1947 г. на базе Института энергетики АН УССР. Сегодня ИТТФ — ведущий в Украине центр в области тепломассообмена, теплоэнергетики и энергосберегающих теплотехнологий. Работа института направлена на исследование теплофизических процессов, развитие теории теплопереноса, измерение тепловых величин. Ученые ИТТФ работают над решением актуальных проблем: повышение энергоэффективности при изготовлении, транспортировке и потреблении тепловой энергии; комплексная модернизация объектов коммунальной теплоэнергетики путем разработки и реализации региональных программ, привлечения к топливно-энергетическому потенциалу возобновляемых источников энергии и местных видов топлива.

В разные годы научный коллектив ИТТФ возглавляли выдающиеся ученые: И. Т. Швец,

Г. Μ. Щеголев, В. И. Толубинский, Г. л. Бабуха, О. а. Геращенко.В 1982-2015 гг. институтом руководил известный ученый в области тепломассопереноса академик НАН Украины Анатолий Андреевич Долинский;сейчас он почетный директор института.

С 2016 г. директор ИТТФ — член-корреспондент НАНУ Юрий Федорович Снежкин.

ПОДВОДИМ ИТОГИ РАЗДЕЛА I «Тепловые явления»

При изучении раздела I вы ознакомились с некоторыми тепловыми процессами, физическими величинами, характеризующими эти процессы а также с такими фундаментальными понятиями физики, как темпе ратура и внутренняя энергия.

1. Вы узнали, что внутреннюю энергию можно изменить двумя спосо бами.

2.    Вы узнали, что изменение внутренней энергии в процессе теплопередачи характеризует физическая величина — количество теплоты Q. Как и энергия, количество теплоты в СИ измеряется в джоулях.

3.    Вы узнали об уравнении теплового баланса, отражающем закон превращения и сохранения энергиипри теплообмене.

УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНсА

В изолированной системе тел, в которой внутренняя энергия тел изменяется только в результате теплопередачи, суммарное количество теплоты, отданное одними телами системы, равно суммарному количеству теплоты, полученному другими телами этой системы:

6. Вы убедились, что в процессе сгорания топлива выделяется энергия, и узнали, что эту энергию используют в работе различных нагревательных устройств и тепловых двигателей.

7. Вы узнали о физических величинах, характеризующих топливо, нагревательные устройства, тепловые двигатели.

Физическая величина	Символ для обозначения	Единица	Формула для определения
Удельная теплота сгорания топлива
КПД нагревателя
КПД теплового двигателя

Задания для самопроверки к разделу I «Тепловые явления»

Часть 1. Температура. Внутренняя энергия. Теплопередача

В заданиях 1-5, 7 выберите один правильный ответ.

1.    (1 балл) При охлаждении тела уменьшается:

а)    число его молекул;    в) размер его молекул;

б)    масса его молекул;    г) скорость движения его молекул.

2.    (1 балл) После отключения духовки температура воздуха в ней уменьшилась. Изменилась ли при этом внутренняя энергия воздуха, и если изменилась, то как и почему?

а)    не изменилась;

б)    уменьшилась в результате теплопередачи;

в)    увеличилась в результате теплопередачи;

г)    уменьшилась в результате выполнения работы.

3.    (1 балл) В результате какого процесса из перечисленных внутренняя энергия воздуха в воздушном шарике уменьшится?

а) шарик надули;    в) шарик внесли в теплое помещение;

б) шарик лопнул;    г) шарик медленно опустился на пол.

4.    (1 балл) Медная деталь при нагревании расширяется. При этом увеличивается:

а)    расстояние между атомами Купрума; в) число атомов Купрума;

б)    размер атомов Купрума;    г) плотность меди.

5.    (2 балла) Какое выделится количество теплоты, если 2 кг алюминия охладить на 50 °С?

а) 92 кДж;    б) 100 кДж;    в) 420 кДж;    г) 920 кДж.

6.    (2 балла) В жаркий летний день мальчик и девочка носят одежду из хлопка (рис. 1). Почему девочка чувствует себя комфортнее?

7.    (2 балла) Некоторому веществу массой 100 г было передано 750 Дж теплоты. В результате его температура увеличилась от 25 до 40 °С. Что это за вещество?

а) алюминий;    б) железо;    в) сталь;    г) серебро.

8.    (2 балла) Один человек находится на Крайнем Севере, другой — в пустыне. Оба одеты «тепло» (рис. 2). Объясните почему.

9. (2 бали) Что нужно сделать, чтобы сэкономить тепло? Укажите все правильные ответы.

 

10.    (3 балла) В чугунном котле массой 2 кг содержится 1,5 л воды. Какое количество теплоты получит котел с водой при нагревании от 10 до 60 °С?

 

11.    (3 балла) Какое количество теплоты необходимо для нагревания стального цилиндра (см. рис. 3) от 0 до 12 °С?

12.    (3 балла) На сколько градусов нагреется 510 г меди, если поглотит такое же количество теплоты, какое выделяется при охлаждении 2 л растительного масла от 60 до 40 °С?

13.    (4 балла) При температуре окружающей среды 20 °С каждый килограмм тела человека за 1 с излучает примерно 1,6 Дж теплоты. На сколько градусов можно нагреть 1 л воды, если передать воде теплоту, которую выделяет школьник массой 49 кг во время урока (45 мин)?

 

14.    (4 балла) С какой высоты падал свинцовый шар, если в результате удара о стальную плиту он нагрелся на 2,5 °С? Считайте, что на нагревание шара было израсходовано 80 % его механической энергии.

15.    (4 балла) Определите первоначальную температуру латунного цилиндра (рис. 4), если после его погружения вода в мензурке остыла от 37 до 20 °С. Потерями энергии пренебречь.

Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте

задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов.

Затем эту сумму разделите на три. Полученный результат будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

Часть 2. Изменение агрегатного состояния вещества. Тепловые двигатели

В заданиях 1-8, 10 выберите один правильный ответ.

1.    (1 балл) Какое из приведенных веществ при комнатной температуре сохраняет объем, но не сохраняет форму?

а) сталь;    б) кислород;    в) гелий;    г) ртуть.

2.    (1 балл) Газ легко сжать, потому что молекулы газа:

а)    легко изменяют свои размеры;

б)    притягиваются друг к другу;

в)    находятся в непрерывном хаотичном движении;

г)    расположены достаточно далеко друг от друга.

3.    (1 балл) Когда вещество переходит из одного агрегатного состояния в другое, изменяется:

а)    масса молекул;

б)    размер молекул;

в)    характер движения и взаимодействия молекул;

г)    состав молекул.

4.    (1 балл) Во время кристаллизации температура вещества:

а)    остается неизменной;

б)    уменьшается;

в)    увеличивается;

г)    для одних веществ увеличивается, для других — уменьшается.

5.    (2 балла) Газ в закрытом сосуде сжали, уменьшив его объем вдвое. В результате этого:

а)    количество молекул газа в сосуде уменьшилось вдвое;

б)    плотность газа увеличилась вдвое;

в)    масса газа уменьшилась вдвое;

г)    расстояние между молекулами газа увеличилось вдвое.

6.    (2 балла) Какое вещество можно расплавить в сосуде из свинца?

а) железо;    б) медь;    в) олово;    г) вольфрам.

 

7.    (2 балла) В лабораторных условиях при нормальном атмосферном давлении проводили исследование зависимости температуры некоторой жидкости от времени ее нагревания. Результаты исследования представили в виде графика (см. рисунок). Какую жидкость исследовали?

а) воду;    в) растительное масло;

б) эфир;    г) спирт.

8.    (2 балла) Какое количество теплоты необходимо затратить для плавления 5 кг алюминия, взятого при температуре плавления?

а) 3 кДж;    б) 607 кДж; в) 1965 кДж; г) 3036 кДж.

9. (3 балла) Установите соответствие между тепловым процессом, происходящим с веществом, и формулой для определения количества теплоты, которое выделяет данное вещество в ходе этого процесса.

1    Вода в луже превратилась в лед.    А Q = qm

2 Человек зажег дрова в камине.    Б Q = _rm

3 Над рекой образовался туман.    В Q = L_m

Г Q = cmM

10.    (2 балла) Сколько керосина нужно сжечь, чтобы получить 92 МДж теплоты? Считайте, что керосин сгорает полностью.

а) 450 г;    б) 500 г;    в) 2 кг;    г) 100 кг.

11.    (2 балла) Нормальная температура в подмышках человека равна 36,8 °С, а в легких — 32 °С. Чем, по вашему мнению, обусловлена более низкая температура в легких?

12.    (2 балла) Почему температура горючей смеси в цилиндре двигателя при сжатии увеличивается, а во время рабочего хода — уменьшается?

13.    (2 балла) При сгорании 2,5 кг природного газа в газовом нагревателе было получено 82,5 МДж теплоты. Определите КПД нагревателя.

14.    (3 балла) Эфир массой 20 г полностью испарился при температуре 15 °С. Какое количество теплоты поглотил эфир в ходе этого процесса?

15.    (3 балла) На сколько градусов можно нагреть 10 кг меди, использовав количество теплоты, которое может выделиться при полном сгорании 100 г дров?

16.    (4 балла) В железной коробке массой 200 г содержится 100 г свинца при температуре 27 °С. Какую массу природного газа нужно сжечь, чтобы расплавить свинец? Считайте, что на нагревание коробки со свинцом тратится 40 % энергии, которая может выделиться при полном сгорании газа.

17.    (4 балла) Автомобиль, двигаясь со средней скоростью 144 км/ч, израсходовал 8 кг дизельного топлива на 100 км пути. Определите среднюю мощность и среднюю силу тяги двигателя автомобиля на всем пути, если его КПД 30 %.

Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов. Потом эту сумму разделите на три. Полученный результат будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

Что такое тепловые трубки

Вы уже знаете, что лучшие проводники тепла — металлы, а «рекордсменами» среди них являются медь, серебро, алюминий. И когда у вас спросят: «Как быстрее всего передать тепло от одного участка к другому?» — вы, безусловно, вспомните, что если один конец медного (или алюминиевого, или серебряного) стержня расположить в горячем месте, то другой его конец быстро нагреется. А можно ли передать тепло быстрее, чем с помощью этих металлов? Казалось бы, нет, ведь эти металлы

 

не зря называют рекордсменами. Однако инженеры решили и такую задачу, а изобретенное устройство назвали тепловой трубкой.

Объясним принцип ее действия (рис. 1). Возьмем запаянную трубку с небольшим количеством воды внутри. Верхний конец трубки поместим в горячее место. Капельки воды, оставшиеся на внутренней поверхности этой части трубки, начнут превращаться в пар. Молекулы пара «полетят» во все стороны, в том числе вниз, где и сконденсируются на участке холодного конца трубки. Теплота, поглощаемая при испарении воды, очень велика, поэтому передача тепла в трубке происходит чрезвычайно эффективно.

К сожалению, данная конструкция имеет существенный недостаток — «одноразовость»: капельки воды испаряются, и процесс передачи тепла прекращается. Для решения этой проблемы инженеры воспользовались так называемым капиллярным эффектом. (Вспомните: если край рубашки или платья попадет в воду, то мокрой становится и ткань вокруг.)

Капиллярные структуры разместили вдоль внутренних стенок тепловой трубки (красная полоса на рис. 1), и трубка стала «многоразовой». В таком устройстве вода движется «по кругу»: на горячем конце трубки (вверху) вода испаряется, пар переносится вниз и конденсируется в холодной части трубки; образовавшаяся вода по капиллярам поступает вверх, снова испаряется и т. д.

Для решения конкретных задач трубки изготовляют из металла, а капилляры делают в виде или проволочного жгута (рис. 2), или напыленных микрочастиц (рис. 3).

Тепловые трубки очень распространены. Так, тепловую трубку, подобную приведенной на рис. 2, применяют для охлаждения персональных компьютеров.

Неожиданное применение тепловым трубкам нашли на Аляске. На рис. 4 показан участок газопровода, построенного в районе вечной мерзлоты. При перекачивании газа он разогревается, тепло передается трубе, а часть этого тепла нагревает опоры и идет в землю. Если тепла передается много, то участок вечной мерзлоты вокруг опоры растает и возникнет риск аварии. Конструкторы решили проблему, оснастив каждую опору тепловыми трубками (белые стержни на рис. 4), благодаря которым избыточное тепло уходит вверх, в атмосферу.

Эффект «памяти формы»

В XX в. физики обнаружили чрезвычайно интересное явление, которое со временем получило широкое применение. Речь идет о так называемом эффекте «памяти формы». В чем его суть?

 

 

Воспользуемся простым примером. Эффект «памяти формы» присущ некоторым сплавам, самым известным из которых является нитинол — сплав никеля и титана. Возьмем длинный стержень, изготовленный из нитинола, нагреем и в горячем состоянии придадим ему любую форму, например свернем в виде кольца. Потом дадим стержню остыть до комнатной температуры и придадим ему другую форму, например распрямим или свернем в виде любой другой фигуры. Если же теперь снова нагреть стержень, то он, будто живое существо, «вспомнит» свою историю и сам приобретет начальную форму, то есть в данном случае согнется в кольцо. Более того, стержень надолго «сохраняет память» о своей начальной форме и может приобретать ее при определенных условиях много раз. Именно это явление и называют эффектом «памяти формы». Его широко применяют в технике.

Например, на рис. 5 вы видите конечность робота. «Пальцы», изготовленные из сплава, которому присущ эффект «памяти формы», были согнуты в горячем состоянии. «Суставы пальцев» представляют собой электрические нагреватели, и если пропустить через них ток, то «суставы» нагреются и «кисть» сожмется в кулак.

Ориентировочные темы проектов

1.    Экологические проблемы теплоэнергетики и теплоиспользования.

2.    Энергосберегающие технологии.

3.    Уникальные физические свойства воды.

4.    Жидкие кристаллы и их применение.

5.    Полимеры.

6.    Холодильные машины.

7.    Кондиционеры, тепловые насосы.

Темы рефератов и сообщений

1.    Адаптация растений к высоким температурам.

2.    Испарение и конденсация в живой природе.

3.    Применение испарения и конденсации в технике.

4.    Конвекция в природе.

5.    Как, когда и почему происходят природные явления: дождь, туман, снег, роса, град?

6.    Почему «плачут» окна?

7.    Способы сохранения тепла в помещениях.

8.    «Чудеса кулинарии» и законы физики.

9.    Аморфные вещества.

10.    Жидкие кристаллы, их особенности и применение.

11.    История создания наноматериалов.

12.    Нанотехнологии в медицине и косметологии: «за» и « против».

13.    Вклад украинских ученых в развитие нанотехнологий.

14.    Джеймс Прескотт Джоуль — выдающийся английский физик.

15.    Влияние тепловых двигателей на окружающую среду.

16.    Глобальное потепление — угроза человечеству?

17.    Альтернативные источники энергии.

18.    Бытовые устройства, работающие за счет энергии солнечного излучения.

Темы экспериментальных исследований

1.    Изучение теплопроводности различных материалов.

2.    Выращивание кристаллов из разных видов солей.

3.    Исследование кипения воды и зависимости температуры кипения воды от внешнего давления и наличия примесей.

4.    Создание «холодильников», не использующих электроэнергию.

5.    Создание двигателя, использующего энергию свечи.

Перед началом работы над проектом, рефератом, экспериментальным исследованием внимательно ознакомьтесь с советами на с. 227-228 учебника.