2.1.4. Порядок выполнения работы

В первой теме при изучении того, каким представляется нам окружающий физический мир, мы использовали некоторую иллюзорную точку зрения на мир, которая получила название механического детерминизма.

Детерминизм (от лат. determino - определяю) утверждает, что при развитии любого процесса нет никакой случайности, изменения и явления в природе закономерны. Закономерные изменения, как подчеркивает само их название, порождены определенными причинами, которые могут быть названы, указаны и изучены.

Механический детерминизм излишне подчеркивает закономерность в природе. У того, что происходит на основе различного рода физических законов, всегда имеется одна возможность и что все происходящее вокруг нас реализуется в соответствии с жестко заданной цепью причин и следствий (в соответствии с единственной траекторией единственным образом заданной начальными условиями). Отыскивая эти закономерности, мы исходим из убеждения, что если нечто изменилось, так это потому, что изменилось что-то другое. Мы уже говорили, что существуют системы отсчета, в которых законы механического движения имеют особенно простой вид. К ним относятся инерциальные системы отсчета, в которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют никакие силы. Знание детерминированных законов природы позволяет нам ответить, к примеру, на вопрос «С какой скоростью движется падающее тело в вакууме?», не производя реальных опытов, то есть заранее.

Вместе с тем в нашей жизни все несколько иначе, более сложно, чем может показаться на первый детерминистский взгляд. Всегда с закономерными изменениями имеют место случайности. И отнюдь не во всех ситуациях интересующий нас результат полностью и жестко определяется законами.

Первый пример. Движение управляемых объектов (морских судов, самолетов, автомобилей и др.) обычно бывает целесообразным. Иначе говоря, оно заблаговременно планируется, то есть заранее рассчитываются траектории, скорости, ускорения и направления движения, а также моменты совершения соответствующих маневров и достижения конечной цели перемещения объекта в пространстве. Но такое запрограммированное и вроде бы детерминистское движение всегда представляет собой приближенный процесс, на который в реальных условиях воздействуют различные силы, как детерминированные, так и случайные. Из-за наличия случайных факторов неопределенности вычислить текущие координаты объекта, скорость, направление его движения можно лишь приближенно, с определенной точностью. Под воздействием различных неучтенных факторов часть параметров движения относится к разряду случайных величин и остается вообще неизвестной.

Другой пример- газ, в 1 см³ которого содержится 2.6 х 10¹⁹ молекул. Точное описание поведения совокупности большого числа рассматриваемых частиц, которые могут взаимодействовать между собой и другими телами, на детерминистском языке закономерностей чрезвычайно сложно, если вообще возможно.

Наконец, невозможно, используя детерминизм, предвидеть число посетителей магазина и количество товаров, которое они купят.

Для описания явлений с непредвиденным исходом используется идея случайности. Согласно этой идее, результат явления с неопределенным исходом как бы определяется неким случайным испытанием, случайным экспериментом. Иначе говоря, считается, что для выбора исхода в неопределенной ситуации природа словно бы бросает кости.

Явления (ситуации) в которых результат полностью определяется влияющими на него факторами, называется детерминированными или закономерными, а те, в которых это не выполняется –недетерминированными или стохастическими (слово стохастический происходит от греческого слова, что в дословном переводе означает угадывать).

Глубокое понимание различий между закономерными и стохастическими явлениями является важнейшей предпосылкой для понимания многих явлений окружающего нас мира.

Оказывается, что для выявления общих закономерностей развития сложных систем, многих процессов и явлений, имеющих множества случайных частностей, для объяснения причинно-следственных связей, возникающих при решении достаточно сложных научных и технических проблем удобно использовать стохастические представления и некоторые обобщенные показатели.

Первый и наиболее успешный опыт такого подхода, как Вам известно, со школы, был развит в термодинамике, когда газ рассматривался как единая система из многих взаимодействующих случайным образом частиц. В термодинамическом равновесии, когда общее состояние сталкивающихся молекул менялось медленно, оказалось возможным, не входя в детальное понимание свойств атомов и молекул, составляющих газ, расчета их траекторий движения ввести такие обобщенные понятия, определяющие в целом состояние системы, как температура и давление.

В чашке кофе содержится примерно молекул, движение которых хорошо подчиняется законам физики. Чтобы получить детальное микроскопическое описание движений и взаимодействий этой сложной многочастичной системы надо численно решать систему уравнений Ньютона, что весьма сложно даже на суперкомпьютере. К тому же детальное знание 10 в 25 степени траекторий нам ничего не даст. По этой причине при изучении такой системы обычно обращаются не к ньютоновской, а к статистической механике и молекулярной динамике, которые оперируют такими обобщенными макроскопическими понятиями, как полная энергия, температура. При таком макроскопическом подходе относительно просто, не связываясь с траекториями отдельных молекул, рассчитать, как температура нагретого кофе, если оставить его в чашке, достигает комнатной и с течением времени больше не меняется.

Термодинамические равновесные системы, в которых происходят медленные, постепенные, называемые в физике адиабатические развития процессов, послужили, в частности, основой для некоторых моделей экономического роста. Если развивающаяся экономическая система находится в квазистационарном состоянии и ее изменение за характерное время мало, то механизмы рынка способствуют установлению детального экономического равновесия.

Подход, аналогичный термодинамическому, позволяет также осмыслить и понять энергетические аспекты развития окружающего нас мира, оценить, насколько разумно и насколько неизбежно вообще развитие современной цивилизации на основе растущего производства и потребления энергии.

Для дальнейшего изучения материала нам потребуется понимать, что такое энергия и как она может превращаться из одного вида в другой. При этом удобно это понятия ввести, основываясь на понятиях механики.

Эксперимент 1. Изучение посредством моделирования основных понятий, связанных с механической работой и энергией

Различные способы определения положения движущихся частиц (под термином частица обычно понимают некоторую материальную точку некоторой массы) и тел, исследованные нами в лабораторной работе 1, не дают представления о связях и взаимодействиях, вызывающих или изменяющих их движение, а также о причинах изменения состояния движения.

В первой лабораторной работе мы ввели понятие пространства, в котором для совокупности точек, задаваемых числами – координатами этих точек в евклидовом пространстве, определено скалярное произведение векторов и в котором расстояние между двумя любыми точками А и В, положение которых в выбранной системе координат определено радиус- векторами и , соответственно, можно представить в виде . Мы предполагали, что имеет место однородность и изотропия пространства, заключающиеся в том, что свойства пространства одинаковы в различных точках (однородность), а в каждой точке одинаковы во всех направлениях (изотропия).

Мы говорили также о том, что в пространстве могут быть материальные точки – малые частицы, имеющие массу, но не имеющие объема, - положение или движение каждой из которых зависит от положения или движения остальных материальных точек этой совокупности.

В пространстве определена конфигурация материальной системы, если в ней установлено соответствие материальных точек системы и точек пространства в выбранной системе координат. Если конфигурация определена в начальный момент времени, то ее называют начальной.

При таких допущениях свободная частица, не подверженная действию других частиц, движется относительно системы отсчета равномерно, то есть с постоянной скоростью , и прямолинейно, или как говорят, по инерции (в частном случае частица покоится относительно системы отсчета). Можно сказать, что в этих условиях частица находится в стационарном состоянии, то есть не зависящем от времени. Обычно такую систему отсчета называют инерциальной (неподвижной или движущейся прямолинейно с постоянной скоростью).

Утверждение о существовании инерциальных систем отсчета, составляет содержание первого закона Ньютона – закона инерции: существуют системы отсчета, называемые инерционными, в которых частица при отсутствии воздействия других частиц сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Ньютон назвал это свойство –«врождённым» свойством материи. Иными словами, материя обладает свойством непрерывного движения.

Надо сказать, что состояния обоих видов стационарного движения - покоя или равномерного прямолинейного движения - являются идеализацией реально наблюдаемых процессов. Они не учитывают взаимодействия движущейся частицы с другими телами.

Количественной мерой взаимодействия частиц служит сила. Сила — векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нём деформаций.

Из школы вам известно, что если приложить силу, то тело можно переместить на некоторое расстояние. Сила может вызывать ускорение частицы или тела и изменение формы (деформацию) тела. Говоря о силе, мы, в простейшем случае, предполагаем, что если нет других частиц, то сила, действующая на интересующую нас частицу, равна нулю. Если обнаруживаем, что сила действует, ищем ее источник в виде той или иной конкретной частицы или совокупности частиц.

Вам известно, что, в общем случае, все силы, с которыми имеет дело механика, обычно условно подразделяют на контактные силы, возникающие при непосредственном соприкосновении частиц (силы давления, трения), и силы физических полей, создаваемых взаимодействием полей и частиц (силы гравитационные, электромагнитные).

Опыт показывает, что всякая частица «оказывает сопротивление» при любых попытках изменить ее скорость как по модулю, так и по направлению. Это свойство, выражающее степень сопротивления частицы изменению скорости, называют инертностью. Мерой инертности может служить величина, называемая массой. Частица с большей массой является более инертной и наоборот.

Заметим, что в обыденном понимании, масса - «лат. мassa, – глыба, ком, кусок». То есть, обычно мы подразумеваем, что масса это наличие материального вещества. Ньютон, введя меру инертности, наделил массу новым свойством, которым материальное вещество обладает. Он тем самым обратил внимание на то, что движение материальных элементов может происходить за счёт влияния на материальные элементы сторонних сил, которые заставляют эти элементы двигаться, образуя движение по инерции. Подобное движение, как правило, возникает в процессе - ускорения движения тела, его торможения в процессе движения или вращения вокруг центра оси.

С взаимодействием также связано еще то, что мы обозначаем в самом простом, «бытовом» понимании фразой: «совершаем усилия».

Мы с вами знаем, что бег, лазанье, поднятие тяжестей – все это требует совершения усилий. Даже если просто лежим на диване, подобно камню, то мы тратим силы, – ведь мы раздвигаем грудную клетку с каждым вздохом и прогоняем пять литров крови по кровеносным сосудам с каждым ударом сердца. Наши почки и печень, как и другие органы, постоянно участвуют в деятельности, которая нуждается в совершении усилий. В то же время ни один «лежачий» камень, ни один неживой предмет не совершает усилий в том смысле, которое мы вкладываем в это слово для живого существа.

Чтобы охарактеризовать то, что происходит, описать это «совершение усилий», люди с давних времен используют разные слова: «работа», «труд», «дело», «занятие». Физики выбрали для описания усилий, прилагаемых для получения результата, самое общеупотребительное слово - «работа» (термин работа ввел в науку в 1826 году ученый Понсле).

Сейчас, наверно, можно говорить, что это был не совсем удачный выбор, потому что в обыденном языке слово работа понимается в разных смыслах. Игра в футбол требует гораздо больших затрат усилий, чем при написании строки из букв в школьной тетрадке. Однако последнее мы называем «работой», а первое – «игрой», «развлечением», но только не «работой». Различие в смыслах слова «работа» в обыденном и строго научном значении может любого сбить с толку. Но так уж сложилось, что научный и повседневный смысл термина отличаются.

Естественно, что ученым потребовалось дать термину «работа» строгое физико-математическое определение, которое было бы независимым от субъективной точки зрения. Поэтому мы приступаем к изучению того, что мы вкладываем в понятие «работа». Это слово вроде бы нам хорошо известно и понятно, и мы его используем в обыденной жизни. Мы знаем, что работу совершают огромное число разнообразных механизмов вокруг нас. Мы ходим на «работу» и получаем оплату за «работу». Вместе с тем, если мы попытаемся детально, с научной точки зрения, пояснить, в чем состоит суть этого понятия, то перед нами встанет сразу ряд проблем.

Для того, чтобы понять, что же все-таки представляет собой «работа», сделаем несколько предварительных замечаний.

Интуитивное понятно, что работа, с одной стороны, – это мера некой деятельности, приложения неких усилий для осуществления перемещения чего-то. Камень, посреди поля, лежит неподвижно и, в нашем обыденном понимании он «ничего не делает». Устрица на дне, которая тоже вроде бы неподвижна, двигается, открывает створки своей раковины, и на самом деле действует, совершает работу. Ученые посчитали, что именно это свойство - способность того или иного человека или предмета прилагать определенные усилия для совершения движения, перемещения следует использовать для характеристики работы.

Начиная с Галилео Галилея были сделаны попытки изучения и измерения работы в различных ее формах – в формах, которые человек и ранее использовал, не понимая их природы.

Одним из самых широко используемых на практике является механическое движение. Такое движение напрямую переводится в деятельность именуемую работой. После того, как английский ученый Исаак Ньютон, представил миру то, что сейчас мы знаем как три закона Ньютона, стало возможным объяснить, почему для любого изменения сложившейся ситуации требуется прилагать усилия. Движение лопаты, вгрызающейся в землю, движение топора, срубающего ствол дерева, движение транспорта, перевозящего грузы – все это давно наводило на мысль о неразрывной связи между тем, что содержится в движении и работой.

После того, как представление о количественном измерении механического движения прочно закрепилось в научном сознании, родился закономерный вывод, что работа тоже должна поддаваться измерению. Раз приложение к телу силы выводит его из «естественного состояния», то, проще всего, измерить количество проделанной работы, умножив приложенную силу на то расстояние, на которое тело было перемещено против какого бы то ни было сопротивления.

Из школы вам известно, что если сила перемещает тело на некоторое расстояние, то она совершает над этим телом механическую работу.

Механическая работа – это скалярная физическая величина, которая определяется произведением абсолютных значений постоянно действующей на тело силы и перемещения, которое совершает это тело в направлении действия силы. Если коротко, то работой называется произведение силы на перемещение :

.

Введите в командное окно MATLAB програму 1.

Изучите, какой вид будут иметь графики зависимости неизменной силы и работы в зависимости от перемещения, если сила совпадает с направлением перемещения.

Сформулируйте, что характерно для такого вида работы.

Определите, какая работа будет совершена силой = 10 Н, чтобы переместить только за счет этой силы груз на расстояние 5 м.

Програма 1.

clear;

so=0.1;

s1=7;

sn=5;

Fo=10;

n=1200;

ss=linspace(so,s1,n);

Fs=Fo.*ss./ss;

As=Fo.*ss;

subplot(211);plot(ss,Fs,'k','linewidth',2);grid on

xlabel(' Peremeschenie s, m');

ylabel('Sila F, H');

subplot(212);plot(ss,As,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('Peremeschenie s, m');

ylabel('Rabota, J');

disp( 'Величина работы на пути 5 метров')

As5=Fo*sn

Под действием силы груз поменял свое положение, то есть переместился из одной точки «А» в другую «В», осуществив при этом работу на пути АВ, совпадающем с направлением силы.

Для такого вида работы, как свидетельствуют полученные графики, характерно.

1. Величина силы остается постоянной во время перемещения.

2. Работа определяется площадью прямоугольника, образованного силой и перемещением.

3. Работа измеряется в единицах системы Си , которая получила название «джоуль» (Дж) в честь английского физика Дж. П. Джоуля. Один джоуль работы подразумевает приложение силы в один ньютон на протяжении одного метра.

Рассмотрим несколько иной случай, когда действием силы груз поменял свое положение, то есть, переместился из одной точки «А» в другую «В». Пусть в этом случае направление силы и перемещения составляют между собой угол .

Для определения работы следует перемещение умножать на составляющую силы в направлении перемещения (в математике это действие называют скалярным произведением)

.

Скалярным произведением двух ненулевых векторов и называется число (скаляр), равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними:

Обратите внимание на тот факт, что при разных значениях угла в градусах ( , , ) работа может быть положительной, отрицательной и равной нулю.

Введите в командное окно MATLAB програму 2.

Изучите, какой вид будут иметь графики зависимости неизменной силы и работы в зависимости от перемещения, если сила и направление перемещения составляют между собой угол .

Определите, какая работа будет совершена силой = 10 Н, при угле , чтобы переместить только за счет этой силы груз на расстояние 5 м.

Програма 2.

clear;

so=0.1;

s1=7;

sn=5;

Fo=10;

n=1200;

ss=linspace(so,s1,n);

alpha=atan(4/3);

disp( 'Угол между силой и перемещением в градусах')

algrad=alpha*180/pi

Fs=Fo.*ss./ss;

As=(cos(alpha))*Fo.*ss;

subplot(211);plot(ss,Fs,'k','linewidth',2);grid on

xlabel(' Peremeschenie s, m');

ylabel('Sila F, H');

subplot(212);plot(ss,As,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('Peremeschenie s, m');

ylabel('Rabota, J');

disp( 'Величина работы на пути 5 метров ')

disp( 'под углом около 53 градусов к перемещению ')

As5=Fo*sn*(cos(alpha))

figure

TO=[0+i*0 0+i*0];

TA=[10+i*0 6+i*8];

godogrAB=[TO TA];

compass(godogrAB)

В общем случае, если частица под действием силы совершает перемещение по некоторой криволинейной траектории между точками 1 и 2, вектор силы в процессе движения может изменяться по модулю и направлению. В этом случае рассматривают элементарное перемещение (где - радиус вектор частицы), в пределах которого силу можно считать постоянной. Действие силы на перемещение характеризуют величиной, равной скалярному произведению . Эту величину называют элементарной работой силы на перемещение . Ее можно представить в виде

,

где - угол между векторами и ;

-элементарный участок траектории;

- проекция вектора на направление вектора .

Суммируя все элементарные работы вдоль траектории 1-2, можно определить работу силы на перемещении от точки 1 до точки 2

.

Если изобразить график как функцию положения частицы на траектории, то работа А на пути от точки 1 ( ) до точки 2 ( ) будет определяться площадью фигуры, ограниченной графиком и осью .

Рассмотрим интересный случай- работу силы тяжести в однородном поле тяжести при любой траектории между точками 1 и 2 (рис. 1). Работу подобного вида нам приходится выполнять каждодневно.

Рис.1. Работа в однородном поле тяжести

Запишем выражение для силы в виде , где - единичный орт вертикальной оси . Элементарная работа силы тяжести на перемещение выражается формулой

.

Скалярное произведение , где - проекция вектора на направление орта (ось ). Поэтому выражение для элементарной работы приобретает вид

.

Найдем работу силы тяжести на всем перемещении, интегрируя последнее выражение от точки 1 до точки 2 .

Полученное выражение интересно в том отношении, что работа не зависит от формы траектории между точками 1 и 2, а зависит только от положения начальной и конечной точек.

Силы, у которых имеют место подобные соотношения, называют консервативными. Отсюда следует запомнить, что сила тяжести является консервативной, то есть на работу, производимую этой силой, формы траектории не влияет, а она зависит только от положения начальной и конечной точек.

Следует иметь в виду, что формула определяет величину работы, затрачиваемую на подъем «в гору» тела массой по любому пути, без трения, включая наклонную плоскость. При движении вниз сила тяжести совершает положительную работу, а при движении вверх – отрицательную.

Введите в командное окно MATLAB програму 3.

Изучите, какой вид будут иметь графики зависимости силы натяжения каната, высоты подъема лифта и работы в зависимости от времени в начальной стадии подъема лифта в многоэтажном здании.

Определите, какая необходима работа для подъема лифта и какой величины нужна мощность мотора, чтобы осуществить начальную стадию равноускоренного подъема лифта, которая выполняется в течение 3 секунд.

Сформулируйте, выполняют данную работу консервативная или не консервативная сила.

Объясните, почему выполненная работа подъема лифта в многоэтажном здании имеет отрицательный знак.

Изучим, какую работу надо совершить по поднятию с первого этажа ( ) в течении 3 секунд пассажирского лифта, массой в 400 кг (весом 3920Н) в многоэтажном высотном здании, если лифт в начале поднимается с ускорением 0,5 м/с².

Работу по поднятию лифта совершает сила , приложенная к лифту со стороны каната. Кроме силы , направленной вертикально вверх, на лифт действует сила тяжести , направленная вертикально вниз. Обе силы, действуя одновременно, создают ускорение . Расстояние, пройденное лифтом при равноускоренном движении под действием силы , определяется по уравнению пути

.

Работа по подъему лифта в многоэтажном высотном здании, если лифт поднимается с ускорением, равна

.

Програма 3.

clear;

to=0.01;

t1=4;

t2=3;

n=1100;

g=9.8;%Задаем ускорение свободного падения

m=400;%Задаем массу лифта

ao=0.5;%Задаем ускорение движения лифта

tt=linspace(to,t1,n);%Создаем переменную времени

aa=ao.*tt./tt;

z21=0.5*ao.*tt.*tt;

A=-ao*0.5*(m.*aa+m*g).*tt.*tt;

Fk=-A./z21;

Fh=m.*aa;

subplot(311);plot(tt,Fk,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('Fh(t), H');

subplot(312);plot(tt,z21,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('Z, m');

subplot(313);plot(tt,A,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('A(t), J');

disp( 'Величина работы, в Дж')

At10=-ao*0.5*(m*ao+m*g)*t2*t2

Для определения способности совершать усилие, помимо работы, используют также понятие энергия (термин энергия ввел в науку в 1850 году ученый Юнг). Оно происходит от греческого слова «энергос», что означает деятельный. Поэтому приступим теперь к изучению того, что мы вкладываем в понятие «энергия».

Введем это понятие, следуя одному из лучших определений энергии, принадлежащему Дж. Максвеллу: «Энергия – способность (свойство) тела совершать работу».

Из определения Дж. Максвелла следует, что понятия работы и энергии, хотя и близкие, но все же разные понятия. И не случайно ученые посчитали необходимым отдельно отметить способность того или иного предмета или живого организма совершать работу и даже ввели новую физическую величину – мысленную модель этого свойства - энергию. И Вам надлежит научиться их различать.

Работа характеризует процесс, как последовательную смену состояний, а энергия всего лишь состояние механической системы. Процесс (от лат. processus — продвижение) — последовательная смена состояний объекта во времени. «Изменение во времени» означает, что у процесса есть начало и непременно наступает завершение. Отсюда термин «работа», как физическая величина, употребляется в двух смыслах: это либо процесс перемещения тела под действием силы из одной точки в другую; либо физическая величина, характеризующая этот процесс мерой изменения энергии при переходе из одного состояния в другое.

Мы хорошо знаем, что когда рука встречает на своё пути массу (от английского «глыба»), то на изменение ее первоначального состояния покоя, то есть на «разгон» этой «глыбы», требуются затраты энергии. И чем больше вещества в этой глыбе, тем больше нужно затрат на придание ей движения.

Каждому определенному состоянию предмета или тела соответствует определенная энергия. Переход из одного состояния в другое сопровождается изменением энергии. Например, если система обладала энергией покоя, то приведение ее в движение обусловит появление в ней кинетической энергии.

В случае механических процессов этот переход от одного состояния к другому осуществляется в процессе механической работы. Если единое целое тело движется, то можно говорить о его состоянии - кинетической энергии, зависящей от массы тела и от скоростей движения точек тела.

Надо иметь в виду, что, говоря об энергии, наша речь изобилует иносказательностью, которая отнюдь не способствует пониманию природы энергии.

Энергия – это характеризующая состояние численная (скалярная) физическая величина, как впрочем, и масса, и длина. То есть это не объективная реальность, напоминающая вещество, предмет или поле, а именованное число, придуманное людьми для количественного выражения этого состояния (свойства), характеристики чего-то математически.

Поэтому не совсем корректным являются словосочетания, что «пища (вещество) превращается в энергию (именованное число)» или «механическая энергия превращается в тепловую энергию». Именованные числа, характеризующие скалярную физическую величину (количественные знания о свойствах, ни во что не могут превращаться, кроме как в новые числа, когда их подставляют в формулы. Говоря, что при трении механическая энергия превращается в тепловую, это все равно, что сказать, что портной превращает длину отреза ткани в длину брюк. Еще один пример нам привычного, но не совсем корректного, словосочетания. Что производит электростанция? Каждый знает, что электростанция вырабатывает электроэнергию. А что производят кондитерские фабрики, обувные предприятия, швейные фабрики, автомобильные заводы? Соответственно: конфеты, обувь, одежду, автомобили. Итак, все предприятия, кроме электростанций, производят вещи, предметы, изделия (то есть объективную реальность). А электростанции производят физическую величину (именованное число, придуманное людьми, для того, чтобы характеризовать способность (свойство) тела совершать работу). Говорить иносказательно, что электростанции производят энергию, ничуть не лучше, что пивоваренные заводы производят объем, а текстильные предприятия – длину. Электростанции производят, конечно, не физическую величину, они производят объективную реальность – электрическое напряжение и электрический ток.

По своему строению греческое слово «энергос» состоит из «эн» -«в, внутри» и «эргон» - работа. То есть слово «энергия можно толковать и «как нечто, внутри чего содержится работа». Энергия материального объекта это и то, что в нем «сосредоточено и может быть использовано». Это некий возможный ресурс тела (ресурс — количественная мера возможности выполнения какой-либо деятельности).

Энергия – это внутреннее свойство (способность, возможность) людей и тел совершать работу. В этой связи можно говорить о количестве энергии, заключенной в неподвижном теле, но нельзя – о количестве работы в нем (нет изменений и нет процесса). Нависший на краю скалы камень обладает энергией, но до тех пор, пока он не рухнет вниз, он не способен совершить работу. Если же он начнет падать вниз, возникнет движение, процесс, он может разрушить стоящий у подножия дом, тем самым совершив работу (перемещения стен дома на некоторое расстояние и разрушения его конструкции). В этом смысле можно говорить, что Солнце обладает огромными запасами энергии. В работу эта энергия превратиться, когда Солнце своими лучами начнет что-то нагревать. Если «освободить» химическую энергию, то можно получить в качестве работы определенную теплоту. Можно получить работу в виде тепла лишь в процессе деления атомных ядер, изменения их состояния, «освобождения» ядерной энергии.

То есть об энергии можно говорить лишь как о некой функции состояния, описывающей взаимодействие элементов какой-то более общей системы. Поскольку на Земле существуют различные природные движения, состояние которых характеризуется энергией, например, воздушные течения, то в этом плане, можно говорить, что ветер – источник энергии. Кинетическая энергия воды, движущейся в реках, являет собой гидроэнергетический ресурс. В случае, если имеется состояние, когда внутри тела есть движение микрочастиц, составляющих это тело, то можно говорить о его тепловой энергии.

Потребление энергии, то есть преобразование ее в работу, необходимую человеку, является необходимым условием существования человечества. И вся история цивилизации – это история освоения все новых источников энергии и изобретения все новых и новых способов освобождения энергии (преобразования ее в работу).

Среди большого разнообразия ресурсов, встречающихся в природе, в жизни человека важную роль играют энергоресурсы – материальные объекты, в которых «сосредоточена» энергия, которую, при определенных условиях, можно использовать для нужд человека.

Для среды обитания на Земле первостепенным источником энергии является Солнце, которое обеспечивает почти неизменный уровень солнечной энергии. Солнце излучает свет поразительно стабильно - 3,9х10²⁰ МВт. Трудно себе представить, если бы Солнце представляло собой источник, который бы пульсировал. При этом заметим, что Земля находится на оптимальном расстоянии от Солнца, составляющем примерно 107 его диаметров. Если бы расстояние между ними было бы на 5 % меньше или на 1 % больше, жизнь на Земле была бы невозможна; в первом случае было бы слишком жарко, а во втором – слишком холодно и Земля постоянно бы находилась бы в условиях глобального ледникового периода.

К внешней границе тропосферы Земли подводится поток солнечного излучения примерно 4180кДж/(см² год). Из-за шарообразности Земли на поверхность Земли поступает энергия с интенсивностью 1360 Дж/м² в одну секунду.

Под влиянием «накачки» солнечной энергии «приводится в работу гигантская машина», что обусловливает перемещения воздушных и водных масс. На физический круговорот воды, прежде всего, на испарение, идет около 55 % энергии, дошедшей до земной поверхности. Помимо того, что моря непрерывно перемешиваются течениями и волнами, вода бежит к морю несчетным числом каналов, в атмосфере начинают дуть ветры, которые за счет выветривания и эрозии разрушают горы.

Получают энергию от Солнца и живые организмы. Главным энергоулавливающим механизмом является фотосинтез. В простейшем случае приемниками солнечной энергии на Земле являются фотоавтотрофы – это растения и лишайники, использующие энергию света. На суше растения представлены травами, кустарниками, деревьями и мхами, а в воде водорослями. Накопленная фотоавтотрофами энергия становится основой для существования других организмов, которые употребляют подобные микроорганизмы и растения в пищу. Синтезированные (путем соединения воды с двуокисью углеводорода) растениями-фотоавтотрофами углеводы – основной источник энергии для большинства гетеротрофных организмов.

Содержащееся в растениях и микроорганизмах вещество вновь перерабатывается. Часть его трансформируется и входит в состав организма животных. Если с этих позиций представить окружающий нас мир, то в ней будут заметны так называемые пищевые (или трофические) цепи. Эти пищевые цепи начинаются с синтеза органических молекул из неорганических, затем продолжаются серией превращений органических веществ из одной формы в другую через разборку на более простые молекулы в пищеварительном тракте животного и последующую сборку новых сложных молекул. Причем если на первом этапе синтеза органических молекул энергия для биохимических реакций черпается в основном извне организма, то на всех последующих этапах трансформации энергия извлекается из потребляемых в пищу молекул при их разложении на более простые составляющие. Так что запасенная энергия Солнца продолжает работать во множестве других организмов, обеспечивая биохимические реакции жизнедеятельности на всех уровнях организации.

На каждом следующем уровне общее количество оставшейся энергии существенно снижается. Например, из 10 000 кал солнечной энергии в рисе остается 100 кал, а человеку, питающемуся рисом, или корове, питающейся сеном, переходит 10 кал. Из мяса коровы человеку переходит 1 кал. Чем большую долю в рационе населения занимают мясомолочные продукты, тем больше требуется сельскохозяйственных угодий.

Надо отметить, что некоторая незначительная часть органического материала, прежде чем исчезнуть из разложения концентрируется, становясь горючими ископаемыми. Если учесть, что подобная их аккумуляция происходила миллионы лет, в настоящее время накопилось значительное количество растительных осадков горючих ископаемых. Сегодня мы научились использовать только три вида горючих ископаемых: уголь, нефть и природный газ, которые поставляют человечеству свыше 90% мировой энергии.

Сделаем еще одно замечание. Человек может тратить энергию, совершая работу, лишь в некоторых ограниченных пределах. Например, если ему нужно один за другим перенести двадцать камней по двадцать пять килограммов каждый на 10 метров, то он сможет выполнить задачу. Но если камни объединить в один полутонный валун, то ни один человек не сможет его сдвинуть. Заметьте, что как бы ни пыжился человек и не потел, не тратил энергию, пытаясь поднять тяжелый груз, согласно тому, о чем мы говорили ранее, определению работы, если груз не поднят и не перемещен, то никакой работы над ним не совершено.

Итак, мы видим, что у человека, хоть и имеется достаточно запаса энергии, чтобы переместить груз в полтонны весом, разбив его на части, тем не менее, возможности для совершения работы, для единовременного совершения такого действия у него не хватает. Организм человека, способный аккумулировать достаточное количество энергии, как оказывается, не может потратить ее на совершение работы настолько быстро, чтобы разом поднять камень в полтонны. Чтобы понять, почему так происходит, требуется определить еще одну физическую величину, которая характеризует быстроту совершения работы,– мощность.

Мощность – это работа, совершаемая силой за единицу времени.

С ее помощью, в частности, можно определять, кто быстрее человек или подъемный кран поднимет весь груз на определенную высоту и тем самым определить, мощность какого подъемного механизма больше.

Мощность используется для характеристики скорости, с которой совершается работа. Если за промежуток времени сила совершает работу , то учитывая, что , получаем

.

То есть мгновенная мощность, развиваемая силой , равна скалярному произведению векторов силы и скорости, с которой движется точка приложения данной силы.

Часто для оценки мгновенной мощности, характеризующей также быстроту совершения работы, пользуются отношением элементарной работы к элементарному промежутку времени :

.

В ряде случаев, когда мощность мало зависит от времени, часто используют понятие средней мощности, определяемой за все время совершения работы по формуле

.

В простейшем случае мощность (N) – физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа.

Мощность показывает, какая работа совершается за единицу времени. Единицей измерения мощности в СИ является ватт (Вт). В Международной системе (СИ) единица мощности называется Ватт (Вт) в честь английского изобретателя Джеймса Ватта (Уатта) (1736 – 1819), построившего первую паровую машину.

[ Р ] = Вт = Дж / c, 1 Вт = 1 Дж / 1с

1 Ватт равен мощности силы, совершающей работу в 1 Дж за 1 секунду.

1 Ватт примерно равен мощности силы, когда груз массой 100г поднимают на высоту 1м за 1 секунду

Заметим, что сам Джеймс Уатт (1736 - 1819) пользовался другой единицей мощности - лошадиной силой (1 л.с.), которую он ввел с целью возможности сравнения работоспособности паровой машины и лошади. 1л.с. = 735Вт.

Считается, что в среднем мощность человека при спокойной ходьбе равна приблизительно 0,1л.с. то есть 70 - 90Вт

Человек обладает большей силой и мощностью, чем мелкие зверьки, типа мышки, и меньшей, чем например лошадь или слон. Еще в доисторические времена люди понимали это и использовали для совершения работы в качестве рабочего скота лошадей и быков. Эти животные обладали: первое в пять раз, а второе в семь раз большим запасом энергии для совершения работы, чем человек. Земледельцы использовали лошадей, волов, быков в качестве тягловой силы для вспашки полей.

Для характеристики процесса преобразования энергии (состояния) в работу (процесс), или, по-другому, для описания преобразования энергетического потока в выполняемую работу в настоящее время используют понятия источника энергии (двигателя) и стока энергии (исполнительные звенья рабочей машины, рабочие органы). Часто эти понятия условны. Например, винт самолета по отношению к двигателю является стоком энергии, а по отношению ко всему самолету источником.

После этого отступления, рассмотрим, как характеризуют механические виды энергии, связанные с движением тела, с силами всемирного тяготения, с упругой деформацией тела. Мы попытаемся оценить запас энергии, который определяется работой, которую может совершить движущееся тело при остановке, поднятый груз при падении, сжатая пружина при раскручивании.

Изучим, какую работу надо совершить по поднятию пассажирского лифта, массой в 400 кг (весом 3920Н) в многоэтажном высотном здании, если лифт уже набрал требуемую скорость и в течение 3 секунд двигался равномерно м/с².

Введите в командное окно MATLAB програму 4.

Изучите, какой вид будут иметь на стадии равномерного подъема лифта в многоэтажном здании графики зависимости силы натяжения каната, высоты подъема лифта и работы в зависимости от времени.

Определите, какая необходима работа и какой величины нужна мощность мотора, чтобы осуществить стадию равномерного подъема лифта, которая выполняется в течение 3 секунд.

Сравнивая полученные при использовании программ 3, 4 графики, отметьте особенности выполнения работы по подъему лифта на этих двух стадиях.

Сформулируйте, является ли верным то, что в этом случае работа пропорциональна времени, поэтому мгновенная мощность постоянна и она будет равна средней мощности.

Работу по поднятию лифта совершает сила , приложенная к лифту со стороны каната. Кроме силы , направленной вертикально вверх, на лифт действует сила тяжести , направленная вертикально вниз. Обе силы, действуя одновременно, равны, поскольку лифт движется равномерно. Расстояние, пройденное лифтом при равномерном движении под действием силы , определяется по уравнению пути для равномерного движения

.

Работа по подъему лифта в многоэтажном высотном здании, если лифт поднимается с ускорением, равна

.

Програма 4.

clear;

to=0.01;

t1=4;

t2=3;

n=1100;

g=9.8;%Задаем ускорение свободного падения

m=400;%Задаем массу лифта

ao=0.5;%Задаем ускорение движения лифта

Vo=ao*t2;

tt=linspace(to,t1,n);%Создаем переменную времени

z21=Vo.*tt;

A=-m*g.*z21;

Fk=-A./z21;

subplot(311);plot(tt,Fk,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('Fk(t), H');

subplot(312);plot(tt,z21,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('Z, m');

subplot(313);plot(tt,A,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('A(t), J');

disp( 'Величина работы за 3 секунды, в Дж')

At10=-m*g.*Vo*t2

disp( 'Развиваемая мгновенная и средняя мощность, в Вт')

Pwat=-At10/t2

disp( 'Сила, требуемая для подъема лифта, в Н')

Fa=m*g

Полученное решение задачи нам важно с точки зрения того, что оно позволяет вам, на примере механических задач, понять, что означает широко используемые в настоящее время термины: «энергосбережение», «снижение энергоемкости», «энергоэффективность», «энергосберегающие технологии» и осознать то, что Вам придется развивать в ближайшие годы. Ведь страны Евросоюза ставят перед собой задачу к 2020 году снизить объем энергопотребления на 20 процентов. В Украине разработана и предусмотрена программа по энергосбережению до 2030 года.

Соответственно, вам, как экономистам, придется:

1. Создавать и разрабатывать программы энергосбережения, которые охватывают энергоемкие участки производства, внедрять более совершенные энергосберегающие технологии и оборудование, которые требуют меньших энергозатрат, модернизировать и реконструировать действующее оборудование, для того, чтобы происходило снижение потерь энергии и энергоносителей во всех элементах энергоснабжения.

2. Стимулировать энергосбережение, то есть создавать экономически выгодные правила поведения, обеспечивающие эффективное использование энергетических ресурсов, разрабатывать предложения по снижению энергоемкости для всех участников отношений в сфере производства и энергопотребления.

3. Выстраивать эффективный процесс потребления энергоресурсов, определить направления, определять зоны высокоэффективного энергопотребления на предприятиях, целевые показатели и конкретные пути, которые бы обеспечивали энергетические потребности общества при минимальном потреблении энергоресурсов из внешней среды.

Давайте, к примеру, рассмотрим, как можно, решать задачи энергосбережения в нашей жизни.

Сначала, задумаемся над тем, насколько энергозатратны многоэтажные здания, которые сегодня обычно реализуются при строительстве жилых районов.

Вы уже рассчитали, величину работы, которую нужно совершить, всего за три секунды, чтобы, чтобы поднять пассажиров в лифте на верхние этажи здания. Теперь, проделав подобные расчеты для малоэтажных домов и сравнивая подобные цифры для многоэтажных домов, Вы уже можете представить, сколько энергии можно сэкономить, если здание всего несколько этажей и не надо поднимать лифт, не требуется перемещать воду (для питья, для отопления, чтобы помыться) на 20-30-ый этаж. Следовательно, Вы уже сегодня можете говорить о том, что при реализации проектов комплексного строительства жилых районов, многоэтажные здания слишком энергозатратны.

Это действительно так и поэтому не случайно энергоэкономная Европа потихоньку, отказывается от строительства многоэтажек. На то, что малоэтажная застройка является одной из наиболее перспективных форм обеспечения граждан жильем, в последнее время обращается внимание и в России. К 2015 году долю малоэтажного строительства в общем объеме возводимого в России жилья планируется довести до 60 процентов.

Вам станет понятно и то, что с повышением этажности, должны увеличиваться квартплата, коммунальные услуги. Из расчетов будет ясно, почему недавно, в Берлине,  новый многоэтажный дом смогли заселить только до 6 этажа.

В порядке приобретения опыта по созданию обеспечивающих эффективное использование энергетических ресурсов и экономически выгодных правил поведения, предложите рекомендации для водителя погрузчика в супермаркете по размещению груза на стеллажах и крановщику, по подъему груза на высоту с помощью крана, позволяющие экономить работу и сохранять трос крана.

Изучим теперь, как можно выстраивать эффективный процесс потребления энергоресурсов, обеспечивать энергетические потребности общества при минимальном потреблении энергоресурсов из внешней среды на примере транспортировки грузов.

Эксперимент 2. Изучение посредством моделирования затрат энергии, связанных с перемещением различных объектов и деформацией тел.

Для того, чтобы лучше понимать, куда тратится энергия при движении, при перемещении грузов, рассмотрим какую роль при совершении работы играют силы трения.

Вам известно, что при перемещении одного тела по поверхности другого всегда возникает сила, препятствующая движению. Она-то и называется силой трения. Изучением трения занимается отрасль науки, получившая название трибология (от греческого слова «трибос» - трение).

Различают следующие виды трения.

1. Трение покоя, которое проявляется в том случае, когда тело, находящееся в состоянии покоя, приводится в движение. Коэффициент трения покоя обозначают .

2. Трение скольжения, возникающее при наличии движения тела. Оно меньше трения покоя.

3. Трение качения, которое проявляется в том случае, когда тело катится по опоре. Это трение значительно меньше трения скольжения.

Законы сухого трения (скольжения и качения) сформулировал французский физик Ш. О. Кулон (1736 – 1806).

Трение - следствие многих причин, но главные из них две.

Во- первых, поверхности тел всегда неровны, и зазубрины одной поверхности цепляются за шероховатости другой. Это так называемое геометрическое трение.

Во – вторых, если трущиеся гладкие тела очень близко соприкасаются друг с другом, то на их движение оказывает влияние взаимодействие молекул (молекулярное трение).

Ш. О. Кулон опытным путем установил, что сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления , которая прижимает тело к опоре:

,

где - коэффициент трения.

Коэффициенты трения обычно определяются опытным путем (табл. 1). Надо иметь в виду, что это некие усредненные данные, поскольку коэффициент трения зависит помимо названных причин также от степени загрязнения поверхности.

Таблица 1

№ п/п	Соприкасающиеся поверхности	Коэффициент трения покоя	Коэффициент трения скольжения
1	Сталь/точильный камень		0,95
2	Шина/сухая мостовая	0,55	0,7
3	Шина/сухой асфальт	0,55	0,6
4	Шина/сухая грунтовая дорога		0,45
5	Металл/дерево	0,6	0,4
6	Дерево/дерево	0,65	0,3
7	Шина/мокрый асфальт		0,35
8	Шина/мокрая грунтовая дорога		0,2
9	Дерево/лед		0,035
10	Железо/лед		0,02
11	Поверхности тазобедренного сустава		0,003

Трение качения возникает из-за того, что при движении колесо несколько вдавливается в «дорогу» и ему приходится все время «выбираться на небольшой бугорок, образующийся перед ним. Чем тверже поверхность «дороги», тем меньше колесо «проваливается в грунт», тем меньше выступ и тем меньше, следовательно, трение качения.

Сила трения качения определяется по формуле

.

Сила трения качения зависит от радиуса катящегося предмета. В типичных случаях (при расчетах трения качения колес, поездов, машин), когда радиус колеса примерно известен и постоянен, его учитывают непосредственно в коэффициенте трения качения (табл.2). Обратите внимание на то, что если коэффициент трения скольжения был безразмерной величиной, то коэффициент трения качения имеет размерность длины.

Таблица 2

№ п/п	Описание движущегося предмета и поверхности по которой он движется	Коэффициент трения качения, м
1	Стальное колесо телеги по деревянному настилу моста	0,2
2	Шина по хорошей грунтовой дороге	0,05
3	Шина по мостовой дороге	0,035
4	Шина по асфальту	0,025
5	Стальное колесо (вагонетки, трамвая, поезда) по рельсу	0,008
6	Роликовый подшипник	0,0025
7	Шариковый подшипник	0,001
8	Стальной шарик на стальной плите	0,0005

Сила трения всегда направлена против движения, то есть всегда является силой сопротивления, поэтому выполняемая ею работа всегда отрицательна.

Введите в командное окно MATLAB програму 5.

Оценим величину работы, которая совершается двигателем при равномерном горизонтальном перемещении вагонетки массой 1,5 т. по рельсам на расстояние 600 м, если коэффициент трения качения =0,008.

Изучите, какой вид будут иметь при равномерном горизонтальном перемещении вагонетки графики зависимости силы, приложенной к вагонетке, и работы в зависимости от пройденного пути.

Определите, какой величины затрачивается работа, чтобы переместить в горизонтальном направлении по рельсам вагонетку на расстояние 600 метров.

На равномерно горизонтально движущуюся вагонетку (отсутствует трение покоя) действует в вертикальном направлении однородная сила тяжести , которая прижимает ее к опоре, и сила реакции опоры (рельсов) . Так как эти силы перпендикулярны перемещению ( ), то работу они не совершают. В горизонтальном направлении на вагонетку действуют тоже две противоположно направленные силы: сила тяги двигателя и сила трения . Так как движение вагонетки равномерное, то эти силы взаимно уравновешивают друг друга, . Работа силы тяги двигателя заключается в преодолении равной и противоположно направленной силы трения. Поэтому

.

Програма 5.

clear;

so=0.01;

s1=610;

s2=600;

Kk=0.008;

n=1100;

g=9.8;%Задаем ускорение свободного падения

m=1500;%Задаем массу вагонетки

ss=linspace(so,s1,n);%Создаем переменную пути

Fk=(m*g*Kk).*ss./ss;

A=-(m*g*Kk).*ss;

subplot(211);

plot(ss,Fk,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('s, m');

ylabel('Fk(t), H');

subplot(212);

plot(ss,A,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('s, m');

ylabel('A, DJ');

disp( 'Величина работы двигателя на пути, в Дж')

As=-(m*g*Kk)*s2

disp( 'Сила, требуемая для перемещения вагонетки, в Н')

Fk=(m*g*Kk)

Определим теперь какую надо выполнить работу, чтобы равноускоренно поднять «волоком» груз (заполненный деревянный ящик) по деревянной наклонной плоскости и требуемую среднюю мощность подъемного устройства, если масса груза 1500 кг, длина наклонной плоскости 2м, угол ее наклона к горизонту 30⁰, коэффициент трения скольжения 0,3, ускорение при подъеме 1 м/с².

Введите в командное окно MATLAB програму 6.

Изучите, какой вид будут иметь при равноускоренном поднятии «волоком» заполненного деревянного ящика по деревянной наклонной плоскости графики зависимости силы, приложенной к ящику, и работы в зависимости от пройденного пути.

Определите, какой величины затрачивается работа, чтобы переместить по деревянной наклонной плоскости деревянный ящик с грузом на расстояние 2 метра. Какой величины при этом нужна средняя мощность подъемного устройства, чтобы осуществить равноускоренный подъем ящика «волоком»?

Сравнивая результаты сделайте вывод насколько эффективнее с точки зрения затрат работы перемещение грузов с помощью вагонетки по сравнению с транспортировкой его «волоком»

Как следует из условия задачи, на груз, движущийся по наклонной плоскости действуют следующие силы: - сила тяжести, - сила нормальной реакции опоры (наклонной плоскости), -сила тяги со стороны подъемного устройства, - сила трения. Если выбрать направление осей координат так, чтобы ось ОХ была направлена по поверхности наклонной плоскости в сторону подъема, а ось ОУ – перпендикулярно поверхности наклонной плоскости, то в проекциях можно записать

Учитывая, что , находим

.

Тогда работа по подъему груза «волоком» по деревянной наклонной плоскости

.

Програма 6.

clear;

so=0.001;

s1=2.1;

s2=2;

Ktp=0.1;%Задаем коэффициент трения

n=1100;

g=9.83;%Задаем ускорение свободного падения

a=1;%Задаем ускорение

alpha=pi/6;%Задаем угол наклона к плоскости

m=1500;%Задаем массу груза

ss=linspace(so,s1,n);%Создаем переменную пути

F=m*(a+g*sin(alpha)+g*Ktp*cos(alpha)).*ss./ss;

A=-m*(a+g*sin(alpha)+g*Ktp*cos(alpha)).*ss;

subplot(211);

plot(ss,F,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('s, m');

ylabel('F(s), H');

subplot(212);

plot(ss,A,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('s, m');

ylabel('A, DJ');

disp( 'Величина работы по подъему груза, в Дж')

As=-m*(a+g*sin(alpha)+g*Ktp*cos(alpha))*s2

disp( 'Сила тяги, подъемного устройства, в Н')

F2=m*(a+g*sin(alpha)+g*Ktp*cos(alpha))

disp( 'Средняя мощность подъемного устройства, в Вт')

Pcp=-As/(sqrt(2*s2/a))

Введите в командное окно MATLAB програму 7.

Проведите сравнение двух способов перемещения груза массой 1500 кг с помощью вагонетки: горизонтального равномерного и наклонного равноускоренного.

Сделайте вывод о том, на сколько возрастают затраты работы, требуемая мощность подъемного устройства и увеличивается сила, необходимая для осуществления работы при равноускоренном наклонном перемещении груза с помощью вагонетки на расстояние 50 метров, по сравнению с его равномерным горизонтальным перемещением.

Програма 7.

clear;

so=0.01;

s1=51;

s2=50;

Kk=0.008;

n=1100;

g=9.8;%Задаем ускорение свободного падения

m=1500;%Задаем массу вагонетки

ss=linspace(so,s1,n);%Создаем переменную пути

Ktp=0.008;%Задаем коэффициент трения

a=0.5;%Задаем ускорение

alpha=pi/6;%Задаем угол наклона к плоскости

Fk=(m*g*Kk).*ss./ss;

Asg=-(m*g*Kk).*ss;

subplot(211);

plot(ss,Fk,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('s, m');

ylabel('Fk(t), H');

subplot(212);

plot(ss,Asg,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('s, m');

ylabel('Asg, DJ');

disp( 'Величина работы при перемещении по горизонтали, в Дж')

Asg=-(m*g*Kk)*s2

disp( 'Сила для перемещения вагонетки по горизонтали, в Н')

Fk=(m*g*Kk)

disp( 'Средняя мощность подъемного устройства')

disp( 'при горизонтальном перемещении, в Вт')

Pcpg=-Asg/(sqrt(2*s2/a))

F=m*(a+g*sin(alpha)+g*Ktp*cos(alpha)).*ss./ss;

A=-m*(a+g*sin(alpha)+g*Ktp*cos(alpha)).*ss;

Ag=-m*(a+g*sin(alpha)+g*Ktp*cos(alpha)).*s2;

figure

subplot(211);

plot(ss,F,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('s, m');

ylabel('F(s), H');

subplot(212);

plot(ss,A,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('s, m');

ylabel('A, DJ');

disp( 'Величина работы при наклонном перемещении, в Дж')

As=-m*(a+g*sin(alpha)+g*Ktp*cos(alpha))*s2

disp( 'Сила для наклонного перемещения вагонетки, в Н')

F2=m*(a+g*sin(alpha)+g*Ktp*cos(alpha))

disp( 'Средняя мощность подъемного устройства')

disp( 'при наклонном перемещении, в Вт')

Pcpv=-As/(sqrt(2*s2/a))

Вам известно, что все тела состоят из атомов, представляющих, в первом приближении, положительно заряженные ядра, вокруг которых вращаются отрицательно заряженные электроны. В нормальных условиях оба вида зарядов в теле уравновешены так, что все тела оказываются нейтральными. Между атомами внутри тела существует сильное электрическое взаимодействие, меняющее свое направление при изменении расстояния между атомами. При сравнительно больших расстояниях атомы притягиваются, при малых – отталкиваются друг от друга. При некотором расстоянии (примерно 10^-10 м) эти силы уравновешиваются.

Если тело растянуть – расстояние между атомами увеличивается; при этом возникнут силы притяжения, стремящиеся вернуть тело в прежнее состояние. Если тело сжать – атомы сблизятся, между ними возникнут силы отталкивания, стремящиеся вернуть атомы на прежние места. Следовательно, при растяжении и сжатии тела в нем возникнут силы, стремящиеся восстановить первоначальные размеры тела. Эти силы называются силами упругости.

Силы упругости также возникают при изгибе и кручении тела, так как и в этих случаях изменяется взаимное расположение атомов.

Изменение размеров и формы тела под действием внешней силы называют деформацией. Сила упругости, возникающая при деформации, направлена в сторону, противоположную направлению смещения частиц тела, вызванного деформацией. При деформации соприкасающихся тел сила упругости перпендикулярна к поверхности соприкосновения. Деформация называется упругой, если после прекращения действия силы деформация полностью исчезает. Упругие тела – стальная пружина.

Зависимость силы упругости от величины деформации выражается Законом Гука, по имени английского ученого З. Гука (1635 -1703). Сила упругости , возникающая при упругой деформации, пропорциональна деформации тела:

,

где - радиус вектор частицы А тела относительно точки О;

к – жесткость упругого тела.

С помощью пружины, один конец которой закреплен, а ко второму присоединяют тело, просто и удобно измерять силу, приложенную к телу, и вес тела. При некотором значении удлинения сила упругости пружины уравновесит действующую на тело силу. Зная жесткость пружины и, измерив удлинение, можно определить силу упругости, которая отличается от искомой силы, действующей на тело, только знаком. Прибор для измерения силы, основанный на этом принципе, называется динамометром. Если шкалу такого прибора проградуировать не в единицах удлинения, а в единицах силы тяжести, то таким прибором можно определять вес тела.

Если переместить частицу А, на которую действует упругая сила, по произвольной траектории из точки 1 в точку 2, то на всем пути упругая сила совершит работу

.

В частности, если имеем дело со сжатой пружиной, которая, разжимаясь, перемещает тело из точки 1 в точку 2, то величина работы силы упругости будет

,

где к – жесткость пружины.

Заметим, что работа силы упругости, как и силы тяжести, не зависит от формы и длины пути, а определяется только начальным и конечным положением тела.

Вам известно, что движущиеся тела обладают способностью совершать работу, если они действуют с некоторой силой на другое тело. В соответствии с третьим законом Ньютона, к движущему телу будет приложена такая же по величине сила, но направленная в противоположную сторону. Благодаря действию этой силы скорость тела будет уменьшаться до его полной остановки. Полностью остановившее тело не может совершить работу, поэтому вся энергия, обусловленная движением тела, равна работе, совершенной при его перемещении до полной остановки: . Если перемещение определить по формуле , а силу – по второму закону Ньютона , то подставив эти значения в выражение работы, получим

.

То есть кинетическая энергия движущегося тела равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости.

Обратим внимание на следующее. Кинетическая энергия характеризует состояние движущегося тела и не зависит от координат тела, а также от того взаимодействует ли это тело с другими телами или нет. Направление скорости также не оказывает влияние на кинетическую энергию.

Приращение кинетической энергии частицы при элементарном перемещении равно , а при конечном перемещении от точки 1 к точке 2

.

То есть приращение кинетической энергии частицы при некотором перемещении равно алгебраической сумме работ всех сил, действующих на частицу на том же перемещении. При этом для кинетической энергии совершенно не важно, о каком виде сил идет речь. Это может быть сила тяготения, упругости или трения.

Если работа силы положительна , то , то есть кинетическая энергия возрастает. Скорость тела увеличивается (эта ситуация сходна, с той, когда тело падает с высоты) и работа расходуется на то, чтобы сообщить частице дополнительную скорость.

Порох, сгорая в гильзе патрона и выделяя при этом газ, разгоняет пулю. Чем больше пороха, тем больше скорость пули и тем больше кинетическая энергия. Следовательно, в патроне совершается положительная работа.

Заметим, что охотничье ружье, может создавать энергию для пули 2000 Дж, а винтовка может обладать энергетической мощью – 10000 Дж. Знаменитый и известный по фильмам «кольт сорок пятого калибра» выдает на выходе 500 Дж. Любимое оружие Джеймса Бонда –«вальтер» ППК калибра 9 мм «выдает» примерно 300 Дж. Примерно такой же результат у пистолета Макарова.

Если работа силы отрицательна , то , то есть кинетическая энергия убывает. Скорость тела уменьшается и работа расходуется на то, чтобы преодолеть, к примеру, сопротивление упругих сил или противодействовать силе тяготения.

Производная кинетической энергии частицы по времени равна мощности результирующей силы, действующей на частицу

.

Если твердое тело вращается вокруг неподвижной оси, то его кинетическая энергия определяется формулой

,

где - момент инерции тела относительно оси вращения;

- угловая скорость тела.

Работа внешних сил при вращении твердого тела вокруг неподвижной оси (если выбрать, например, ось , совпадающей с осью вращения), при повороте твердого тела на конечный угол равна

,

где - момент сил относительно оси.

В случае, если , то .

То есть работа внешних сил при вращении твердого тела вокруг неподвижной оси определяется моментом этих сил относительно данной оси. Если силы таковы, что , то работу они не производят.

Перейдем теперь к рассмотрению понятия потенциальной энергии.

При изучении данного вида механической энергии изначально очень важно усвоить, что потенциальная энергия – это энергия взаимодействия, по крайней мере, двух тел. Поэтому применить это понятие к одному (к так называемому изолированному телу) нельзя.

Важно также понимать, что взаимодействие тел обычно осуществляется в так называемом поле сил или силовом поле.

Силовым полем называют область пространства, в каждой точке которого на помещенную в нее частицу действует сила, закономерно меняющаяся от точки к точке. Хорошо знакомым примером подобного силового поля может служить поле (сил) тяготения Земли.

Если сила в каждой точке силового поля не зависит от времени, то такое поле называется стационарным. В стационарном силовом поле сила, действующая на частицу, зависит только от положения частицы.

Работа, совершаемая силами поля при перемещении частицы из одной точки пространства в другую, вообще говоря, зависит от формы траектории. Однако среди стационарных силовых полей имеются поля, в которых работа не зависит от формы траектории движения частицы между точками пространства. Если в стационарном силовом поле работа сил поля на траектории перемещения частицы между двумя любыми точками пространства не зависит от формы траектории, а зависит только от положения этих точек, то такое силовое поле называется потенциальным. Как мы уже отмечали, что сами силы такого поля называются консервативными.

В потенциальном поле работа сил поля на любой замкнутой траектории равна нулю, поэтому независимость работы сил поля на любой замкнутой траектории является необходимым и достаточным условием, отличительным признаком любого потенциального силового поля.

Утверждение, что работа сил потенциального поля зависит только от начального и конечного положения частицы, дает возможность ввести чрезвычайно важное понятие потенциальной энергии.

Представим себе, что частица перемещается в потенциальном силовом поле из произвольной точки Р в фиксированную точку О. Так как работа сил поля не зависит от формы траектории, то, учитывая только ее зависимость от положения точки Р (при фиксированной точке О), то работу можно представить некоторой функцией

.

Функцию называют потенциальной энергией в данном силовом поле.

Для полей гравитационных сил потенциальная энергия определяется формулой

.

В однородном поле тяжести потенциальная энергия равна

.

Потенциальная энергия в поле упругой силы равна

.

Следует обратить внимание, что потенциальная энергия - это функция, которая определяется с точностью до некоторой произвольной постоянной С, зависящей от того, каким образом был выбран нулевой уровень состояния системы (нулевой уровень потенциальной энергии).

Это обстоятельство в ряде случаев может оказаться совершенно не существенным, если в формулы входит только разность значений в двух положениях частицы. Поскольку произвольная постоянная С является одинаковой для всех точек силового поля, то она уничтожается при вычитании.

Определим работу сил потенциального поля при перемещении частицы из точки 1 в точку 2. Так как работа не зависит от траектории, то всегда можно выбрать траекторию, которая проходит через точку О, используемую в качестве нулевого уровня состояния системы. В этом случае работа сил поля на траектории 1-2 равна разности значений потенциальной энергии частицы в начальной и конечной точках траектории, или, если сказать по-другому, убыли потенциальной энергии

.

Итак, даже если потенциальной энергии частицы, находящейся в точке О силового поля (точке начального состояния), приписать любое заранее выбранное значение С, поскольку работа определяется не самой энергией, а только изменением энергий, то работа, совершаемая силами поля на любой траектории между двумя точками может быть представлена в виде убыли энергии.

Поднятое тело, падая с высоты подъема над Землей , может совершить работу

.

Если тело падает с некоторой высоты до высоты , его потенциальная энергия, зависящая от координат, изменяется от значения до значения , а совершенная при этом работа

.

Следовательно, работа совершаемая телами, на которые действует сила тяготения, равна изменению их энергии с обратным знаком.

Можно заметить, что падающее тело совершает положительную работу, а его потенциальная энергия убывает. Если тело поднимается вверх , то однородная сила тяжести совершает отрицательную работу и потенциальная энергия при этом увеличивается.

Деформированная пружина, возвращаясь в исходное состояние, способна совершить работу , где к – коэффициент жесткости пружины.

Потенциальная энергия деформированного тела изменяется от значения до значения , а совершенная при этом работа

.

Следовательно, работа совершаемая деформированными телами, равна изменению их энергии с обратным знаком.

Можно заметить, что сжатая пружина при раскручивании совершает положительную работу, а ее потенциальная энергия убывает. Над пружинной при сжатии , совершается отрицательная работа и ее потенциальная энергия при этом увеличивается.

Мы рассмотрели, с точки зрения свойства производить работу, потенциальные силы. Потенциальные силы это такие силы, работа которых при перемещении частицы зависит только от начального и конечного положения частицы в пространстве. Работа таких сил равна убыли потенциальной энергии.

Однако существуют и так называемые непотенциальные силы, работа которых при перемещении частицы в пространстве зависит от формы траектории, соединяющей начальную и конечную точки движения. К непотенциальным силам относят так называемые диссипативные силы, в том числе силу трения и сопротивления.

Важной особенностью этих сил является то, что суммарная работа диссипативных сил рассматриваемой системы отрицательна в любой системе отсчета.

Любая диссипативная сила может быть представлена в виде

,

где - положительный коэффициент, зависящий в общем случае от скорости;

- скорость данной частицы относительно другой частицы (среды), с которой она взаимодействует. Сила всегда направлена противоположно вектору .

Следует иметь в виду, что работа силы трения ведет к убыли кинетической энергии системы, но при этом потенциальная энергия не увеличивается. Работа против сил трения превращается в тепло (тепловую энергию). Это является следствием того, что силы трения не зависят от расстояния между взаимодействующими телами, а зависят от их относительных скоростей.

Полная механическая энергия может изменяться под действием, как внешних сил, так и внутренних непотенциальных сил. Вам известно, что энергия не может исчезать бесследно или возникать из ничего и что полная энергия замкнутой системы, которая не отдает своей энергии и не получает энергии извне, остается неизменной. Это известный закон, который к применению в механике называется законом сохранения полной механической энергии.

Закон сохранения полной механической энергии гласит: в инерциальной системе отсчета полная механическая энергия замкнутой системы частиц (потенциальной, кинетической, включая энергию вращательного движения), в которой нет непотенциальных сил, остается неизменной (сохраняется в процессе движения).

Такую систему обычно называют консервативной. Следует иметь в виду, что при движении замкнутой консервативной системы сохраняется именно полная механическая энергия. При этом кинетическая и потенциальная энергия в общем случае изменяются, но всегда так, что приращение одной из них в точности равно убыли другой, то есть .

Если тело поднято и закреплено на высоте , то до начала падения его кинетическая энергия равна нулю и полная механическая энергия будет равна потенциальной энергии .

В момент падения на Землю потенциальная энергия тела равна нулю (за начало отсчета высоты принят уровень Земли), а полная энергия в этом случае будет равна кинетической . Потенциальная энергия перешла в кинетическую. В любой промежуточной точке траектории падения энергия тела состоит из потенциальной и кинетической энергии, сумме которых в течение всего падения остается неизменной и равной кинетической энергии тела у поверхности Земли или потенциальной энергии тела на высоте

.

Введите в командное окно MATLAB програму 8.

Изучите, какой вид будут иметь графики временной зависимости высоты тела, его скорости (фигура 1), а также потенциальной и кинетической и общей энергии при вертикальном падении тела, массой 100 кг с высоты =40 м (фигура 2), если пренебречь трением о воздух. Определите, какой величины работу может совершить тело при столкновении с землей.

Сделайте вывод о том, подчиняется ли тело, падающее с высоты , закону сохранения полной механической энергии.

Любое тело под действием силы тяжести будет двигаться равнопеременно с ускорением свободного падения. Если пренебречь трением о воздух, то скорость и перемещение тела, брошенного вниз с начальной скоростью , будет определяться формулами и .

Програма 8.

clear;

to=0;

t1=2.85;

Vo=0;

ho=40;

n=1200;

m=100;

g=9.8;

t3=linspace(to,t1,n);

ht=ho-(Vo.*t3+0.5*g.*(t3.*t3));

Xtu=ht(1:end-2);

delt=(t1-to)/(n);

Vx=(1/delt).*diff(ht);

Vxu=-Vx(1:end-1);

Xtu=ht(1:end-2);

t=t3(1:end-2);

ax=(1/delt).*diff(Vx);

Vt=Vo+g.*t3;

Vtu=Vt(1:end-2);

subplot(211);plot(t,Xtu,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('h(t), m');

subplot(212);plot(t,Vtu,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('V(t), m/c');

En=m*g.*Xtu;

Ek=0.5*m.*Vtu.*Vtu;

Esum=(En+Ek);

figure

subplot(311);plot(t,En,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('PotenEnergy, Dj');

subplot(312);plot(t,Ek,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('KinEnergy, Dj');

subplot(313);plot(t,Esum,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('SumEnergy, Dj');

disp( 'Величина совершенной работы , Dj')

A=m*g*ho

Введите в командное окно MATLAB програму 9.

Исследуйте, как меняется кинетическая энергия, если вагон массой в 20 т, имеющий скорость =54 км/час начинает равнозамедленное движение с замедлением а=0,3м/с². Изучите, какой вид будут иметь графики временной зависимости пути, пройденном вагоном, его скорости, а также кинетической энергии.

Скорость движения вагона и пройденное им расстояние в направлении оси ОХ найдем из уравнений кинематики

,

.

Програма 9.

clear;

to=0;

t1=50;

a=0.3;

Vo=54/3.6;

n=1200;

m=20000;

t3=linspace(to,t1,n);

xt=(Vo.*t3-0.5*a.*(t3.*t3));

vt=Vo-a.*t3;

Ek=0.5*m.*vt.*vt;

subplot(311);plot(t3,xt,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('X(t), m');

subplot(312);plot(t3,vt,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('V(t), m/c');

subplot(313);plot(t3,Ek,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('KinEnergy, Dj');

vt=Vo-a.*t3;

disp( 'Величина работы, в Джоулях')

A=0.5*m*Vo*Vo

disp( 'Время до остановки, в сек')

to3=Vo/a

disp( 'Перемещение до остановки, в метрах')

to3=0.5*Vo*Vo/a

Введите в командное окно MATLAB програму 10.

Исследуйте, как меняется кинетическая энергия автомобиля Mercedes-Benz GL-Class массой 2,5 тонны при езде в диапазоне скоростей от 5 км/час до 180 км/час. Учитывая, что автомобиль набирает скорость 100 км/ч за 6,6 секунды, определите, какую необходимо затратить мощность на разгон автомобиля.

Програма 10.

clear;

vo=5;

v1=185;

deltat=6;

n=1200;

m=2500;

vv1=70;

vv2=180;

vv3=100;

vv=linspace(vo,v1,n);

Ek=(1/(3.6*3.6))*0.5*m.*vv.*vv;

plot(vv,Ek,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('KinEnergy, Dj');

disp( 'Величина работы при скорости 70 км/час, в Джоулях')

A70=(1/(3.6*3.6))*0.5*m*vv1*vv1

disp( 'Величина работы при скорости 180 км/час, в Джоулях')

A180=(1/(3.6*3.6))*0.5*m*vv2*vv2

disp( 'Величина требуемой мощности, в Вт')

N=((1/(3.6*3.6))*0.5*m*vv3*vv3)/deltat

disp( 'Величина требуемой мощности, в л. с.')

N1=N/735.499

Заметим, что при столкновении любого объекта с движущимся автомобилем возникает так называемый неупругий удар. В результате энергия движущего автомобиля расходуется на передачу препятствующему объекту.

Чтобы Вы осознали всю «мощь энергии» движущегося автомобиля и «хрупкость человеческой жизни» при столкновении заметим, что, как показывает практика, для того, чтобы «поразить при столкновении» биологический объект, необходимо примерно 10 Дж на килограмм веса (для человека весом 80 кг необходимо 800 джоулей).

Сделайте вывод, имеется ли шанс выжить у человека на дороге, если он «встречается» при столкновении с движущимся автомобилем Mercedes-Benz GL-Class массой 2,5 тонны при езде со скоростью 70 км/час

Введите в командное окно MATLAB програму 11.

Исследуйте, как лучше тормозить качением или скольжением (так называемым юзом) на автомобиле Mercedes-Benz GL-Class массой 2,5 тонны при езде в диапазоне скоростей от 70 км/час до 210 км/час. Определите, какие в обоих случаях будут времена до остановки и длина тормозного пути. Рассчитайте энергию, которой может обладать автомобиль во время удара о препятствие во время торможения.

Сделайте первый вывод о том, что является ли правильным утверждение, что при движении на сухом асфальте безопасная дистанция в метрах равна примерно половине скорости движения в километрах в час.

Анализируя длину тормозного пути и время остановки, сделайте второй вывод о том, как для обеспечения того же уровня безопасности движения лучше осуществлять экстренное торможение на сухом асфальте замедлением без блокировки колес или юзом, когда на асфальте остается черный след резины, размазанной по асфальту.

Кинетическая энергия автомобиля пропорциональна квадрату скорости . Если не учитывать сопротивление воздуха F_в и полагать, что сила торможения постоянна, то кинетическая энергия движения расходуется на ее преодоление силы трения .

Отсюда . Если учесть, что сила трения скольжения определяется коэффициентом трения скольжения и весом тела, сила трения качения определяется по формуле то, в первом приближении, выражение для тормозного пути в случаях скольжения и качения можно получить, используя формулы:

.

То есть длина тормозного пути зависит от квадрата скорости, коэффициента трения и ускорения свободного падения, а в случае качения еще и радиусом колеса.

При расчетах дорожно- транспортных происшествий, если полагают, что в случае экстренного торможения колеса были заблокированы и автомобиль перешел на юз, иногда применяют упрощенную формулу

,

где - скорость в км/ч в начале торможения, - коэффициент сцепления с дорогой, который равен 0.7, если дорога представляет собой сухой асфальт, 0.4 - мокрая дорога, 0.2 - укатанный снег, 0.1 - обледенелая дорога.

Приведенная формула не учитывает многих факторов: состояние покрышек, их тип, износ, состояние подвески и наличие системы АБС. Однако она часто, на удивление, дает довольно правдоподобный результат при скоростях движения до 90км/ч.

Тормозной путь, то есть расстояние, которое проходит автомобиль с момента нажатия на педаль тормоза до полной остановки, определяет также время до остановки. Оно зависит от времени срабатывания тормозной системы, а также от начальной скорости движения и максимального замедления, которое может развивать автомобиль.

В первом приближении можно считать, что время до остановки определяется формулой

,

а – принудительное замедление автомобиля.

Следует при этом иметь в виду, что принудительное замедление может осуществляться различными способами: механическим, гидравлическим, электрическим. Наиболее широко используются фрикционные тормозные механизмы. На легковых автомобилях часто используются дисковые тормозные механизмы на передних колесах и барабанные колодочные на задних колесах.

Програма 11.

clear;

to=0;

Vo=70/3.6; %Скорость автомобиля

n=1200;

m=2500;

g=9.8;

k1=0.7;%Коэф. тр. скольжения шина/сухой асфальт

k2=0.02*5;%Коэф. тр.качения шина/сухой асфальт

a1=k1*g;

a2=(1/0.6)*k1*g+k2*g;

t1=Vo/a2;

t3=linspace(to,t1,n);

xt1=(Vo.*t3+0.5*a1.*(t3.*t3));

vt1=3.6*(Vo-a1.*t3);

Ek1=0.5*m.*vt1.*vt1;

xt2=(Vo.*t3+0.5*a2.*(t3.*t3));

vt2=3.6*(Vo-a2.*t3);

Ek2=0.5*m.*vt2.*vt2;

subplot(211);plot(t3,vt1,t3,vt2,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('V1(t), V2(t),km/h');

subplot(212);plot(t3,Ek1,t3,Ek2,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('KinEnergy, Dj');

disp( 'Величина работы, в Джоулях')

A=0.5*m*Vo*Vo

disp( 'Время до остановки при "юзе", в сек')

to31=Vo/a1

disp( 'Время до остановки при качении, в сек')

to32=Vo/a2

disp( 'Тормозной путь машины при "юзе", в метрах')

sot1=0.5*Vo*Vo/(k1*g)

disp( 'Тормозной путь машины при качении, в метрах')

sot2=0.5*Vo*Vo/((1/0.6)*k1*g+k2*g)

disp( 'Тормозной путь по формуле автоинспекции, в м')

sogai=3.6*3.6*Vo*Vo/(254*0.7)

Правильно сформулировать вывод о том, что при экстренном торможении надо не допускать юза и не доводить колеса до полного блокирования, могут помочь также следующие соображения.

1. Если колесо полностью заблокировано и происходит юз, то по поверхности дороги трется один и тот же участок шины. При этом резина истирается так же, как ластик, которым вы убираете карандашную линию на бумаге. Образуются резиновые катышки, по которым заблокированное колесо катится примерно так, как корабль по каткам со стапелям, скольжение превращается в качение.

2. Во время торможения сила сцепления колес в продольном направлении используется почти полностью, в то время как в боковом направлении очень мало. Поэтому достаточно небольшой боковой силы, чтобы наступила потеря сцепления в боковом направлении. Кроме того, вы видели со стороны, что когда машина тормозит, то она как бы «клюет» носом вниз, поскольку ее центр тяжести смещается на передние колеса. Следовательно, эта потеря сцепления наступает раньше на задних колесах, которые при торможении разгружаются. Одновременно с началом юза может начаться занос задних колес. Выправить положение автомобиля можно рулем бывает часто трудно. Для того, чтобы выравнивание автомобиля было эффективным, необходимо прекратить торможение юзом, чтобы на колеса перестали действовать тормозные силы, и их сцепление в боковом направлении увеличилось.

3. Чтобы не допустить юза, целесообразно подключать к процессу торможения двигатель, то есть тормозить без выжима сцепления (нажимать на педаль тормоза без выжима сцепления). В этом случае почти исключена блокировка колес и, соответственно, меньше вероятность заноса автомобиля.

4. Поскольку хорошее торможение - это то, которое удалось выполнить плавно, то часто, чтобы не допустить юза для торможения автомобиля используют антиблокировочную систему (АБС).

Антиблокировочная система работает так. Как только какое-нибудь колесо начинает блокироваться, то система АБС прекращает торможение этого колеса, оно на какой-то момент разблокируется, его скольжение прекращается. Вслед за этим все начинается сначала – тормозная система опять включается до того момента, пока снова колесо не окажется заблокированным. Примерно такого же эффекта можно достичь и без антиблокировочной системы, если освоить прием «пульсирующего торможения».

Большинство современных автомобилей оснащено антиблокировочной системой. Главное преимущество АБС состоит в том, что она предотвращает блокировку колес автомобиля и вследствие этого обеспечивает надежную управляемость и устойчивость автомобиля при торможении. Следует иметь при этом в виду, что AБС способна сократить тормозной путь только при идеальных условиях дорожного полотна, то есть при отличном сцеплении шин с дорожным покрытием. При этом АБС снижают вероятность заноса автомобиля, но при постоянно действующих возмущающих факторах не обеспечивают контроль над устойчивостью.

Введите в командное окно MATLAB програму 12.

Исследуйте, как меняются показатели экстренного торможения, если начальная скорость автомобиля была не 70 км/час, а 140 км/час.

Сделайте вывод о том, во сколько раз, примерно, увеличивается тормозной путь автомобиля с увеличением скорости от 70 км/ч до 140 км/ч.

Сделайте, проанализировав графики кинетической энергии, вывод, как изменяется кинетическая энергия автомобиля с увеличением скорости от 70 км/ч до 140 км/ч. Сформулируйте, какая может быть совершена работа в случае резкого наезда на неподвижное препятствие, если тормозить качением или так называемым юзом.

Програма 12.

clear;

to=0;

Vo=140/3.6; %Скорость автомобиля

n=1200;

m=2500;

g=9.8;

k1=0.7;%Коэф. тр. скольжения шина/сухой асфальт

k2=0.02*5;%Коэф. тр.качения шина/сухой асфальт

a1=k1*g;

a2=(1/0.6)*k1*g+k2*g;

t1=Vo/a2;

t3=linspace(to,t1,n);

xt1=(Vo.*t3+0.5*a1.*(t3.*t3));

vt1=3.6*(Vo-a1.*t3);

Ek1=0.5*m.*vt1.*vt1;

xt2=(Vo.*t3+0.5*a2.*(t3.*t3));

vt2=3.6*(Vo-a2.*t3);

Ek2=0.5*m.*vt2.*vt2;

subplot(211);plot(t3,vt1,t3,vt2,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('V1(t), V2(t),km/h');

subplot(212);plot(t3,Ek1,t3,Ek2,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('KinEnergy, Dj');

disp( 'Величина работы, в Джоулях')

A=0.5*m*Vo*Vo

disp( 'Время до остановки при "юзе", в сек')

to31=Vo/a1

disp( 'Время до остановки при качении, в сек')

to32=Vo/a2

disp( 'Тормозной путь машины при "юзе", в метрах')

sot1=0.5*Vo*Vo/(k1*g)

disp( 'Тормозной путь машины при качении, в метрах')

sot2=0.5*Vo*Vo/((1/0.6)*k1*g+k2*g)

disp( 'Тормозной путь по формуле автоинспекции, в м')

sogai=3.6*3.6*Vo*Vo/(254*0.7)

Чтобы было понятнее, о каких величинах энергии идет речь, сравним энергию наезда на неподвижное препятствие с падением с определенной высоты. Потенциальная энергия в конце падения полностью переходит в кинетическую.

В первом приближении можно считать, что резкий удар о препятствие на скорости 30 км/ч эквивалентен падению с высоты 3 метров, на скорости 60 км/ч - с 14 метров, 90 км/ч - 31 метр, 120 км/ч - 55 метров. 14 метров - это высота 5-6 этажа. То есть резкий удар на скорости 60 км/ч эквивалентен падению с 6 этажа. Неприятно, но есть очень хороший шанс выжить, особенно если принять во внимание подушки безопасности и другие меры, предусмотренные на этот случай конструкторами. 31 метр - это уже больше высоты здания в девять этажей. Думаю, не надо объяснять, что шансы выжить при таком столкновении очень малы. Тут даже подушки безопасности вряд ли помогут. Подумайте, вы бы прыгнули с крыши девятиэтажки, подложив под себя две надувных подушки? Что уже говорить про падение с 55-метровой высоты - нет шансов выжить.

При движении на автомобиля с очень высокой скоростью надо иметь в виду также следующее. Водитель не сразу замечает препятствие и проходит некоторое время до того, как начнется торможение. Другими словами, водитель, увидев какое-либо препятствие, должен осознать опасность, принять решение об остановке или замедлении скорости, перенести ногу с педали газа на педаль тормоза и нажать ее. На это уходит от 0,3 до 1,7 с. Первое число – это показатель спортсменов, второе – неопытного водителя, в некоторых ситуациях оно может быть еще больше – например, водитель испугался, запутался в педалях и т. д.

Скажем, что время реакции составляет, 1 секунду. За это время машина проедет на скорости 60 км/ч - 17 метров, на скорости 90 км/ч - 25 метров, на скорости 120 км/ч - 33 метра. Следовательно, чтобы успеть полностью затормозить со скорости 120 км/ч, надо увидеть препятствие с расстояния более 120 метров, причем при любых обстоятельствах. Очень маловероятно, особенно ночью, при свете встречных фар, что водитель сможет увидеть любое препятствие (резко выскочившее на дорогу животное, человека, автомобиль на обочине с выключенными габаритами и т.д.) на своем пути с расстояния 120 метров. Поэтому прежде чем «гонять» на скорости 120 км/ч, особенно ночью, надо помнить, что результат этой рискованной затеи – жизнь.

Введите в командное окно MATLAB програму 13.

Исследуйте, как меняются показатели экстренного торможения автомобиля, движущегося со скоростью 70 км/час, если экстренное торможение осуществляется на мокром асфальте.

Сделайте вывод о том, во сколько, примерно, раз увеличивается тормозной путь (юзом) автомобиля на мокром асфальте по сравнению с экстренным торможением на сухом асфальте при скорости 70 км/ч.

Програма 13.

clear;

to=0;

Vo=70/3.6; %Скорость автомобиля

n=1200;

m=2500;

g=9.8;

k1=0.35;%Коэф. тр. скольжения шина/мокрый асфальт

k2=0.015*5;%Коэф. тр.качения шина/мокрый асфальт

a1=k1*g;

a2=(1/0.6)*k1*g+k2*g;

t1=Vo/a2;

t3=linspace(to,t1,n);

xt1=(Vo.*t3+0.5*a1.*(t3.*t3));

vt1=3.6*(Vo-a1.*t3);

Ek1=0.5*m.*vt1.*vt1;

xt2=(Vo.*t3+0.5*a2.*(t3.*t3));

vt2=3.6*(Vo-a2.*t3);

Ek2=0.5*m.*vt2.*vt2;

subplot(211);plot(t3,vt1,t3,vt2,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('V1(t), V2(t),km/h');

subplot(212);plot(t3,Ek1,t3,Ek2,'k','linewidth',2);grid on

xlabel('t, cek');

ylabel('KinEnergy, Dj');

disp( 'Величина работы, в Джоулях')

A=0.5*m*Vo*Vo

disp( 'Время до остановки при "юзе", в сек')

to31=Vo/a1

disp( 'Время до остановки при качении, в сек')

to32=Vo/a2

disp( 'Тормозной путь машины при "юзе", в метрах')

sot1=0.5*Vo*Vo/(k1*g)

disp( 'Тормозной путь машины при качении, в метрах')

sot2=0.5*Vo*Vo/((1/0.6)*k1*g+k2*g)

disp( 'Тормозной путь по формуле автоинспекции, в м')

sogai=3.6*3.6*Vo*Vo/(254*0.7)

Если коэффициент трения скольжения шина сухой асфальт (коэффициент сцепления) в зависимости от типа используемой резины составляет 0,7 – 0,9, то коэффициент сцепления при влажном состоянии дороги – 0.4, при снеге -0.3, при укатанном снеге – 0.25, при зеркально гладком льду -0,1. Очевидно, что тормозной путь увеличивается на скользких покрытиях; например, при торможении на гололеде тормозной путь в 9 раз больше по сравнению с торможением на сухом асфальте. Соответственно, для обеспечения того же уровня безопасности движения по наледи необходимо во столько же раз снизить скорость транспортного средства (рис). На укатанном снегу при самой обычной скорости 60-80 км/ч автомобиль будет скользить 55-100 м. А что говорить про обледенелую дорогу? Тормозя по ней, можно собрать целый «железнодорожный состав» из подвернувшихся «под горячую руку» машин.

Следует иметь в виду, что при торможении на скользкой дороге нельзя резко нажимать на педаль тормоза почти до упора. Неприемлемо так же делать какие либо резкие движения рулём и педалями газа и тормоза. Такие действия в любое время года, а особенно в зимнее, при низком коэффициенте сцепления шин с дорогой, способствуют блокировке колёс, что вызывает впоследствии снос передней оси или занос задней оси автомобиля.

Тормозить на скользкой дороге водитель должен только импульсно (ступенчато или прерывисто). Такой метод торможения позволяет притормаживать до кратковременной блокировки колёс, не вызывая занос автомобиля. С точки зрения физики движения, преимущество импульсных методов торможения состоит в том, что вес автомобиля перераспределяется более равномерно на все колеса, в результате чего суммарное сцепление зимних автомобильных шин с дорогой (пятно контакта шин с дорогой) увеличивается, поэтому автомобиль на скользкой дороге становится более устойчивым.

При достаточном месте для торможения можно так же использовать комбинированный метод, то есть одновременно с торможением включать пониженные передачи.

     

Рис. 2. Изменение тормозного пути автомобиля при различных погодных условиях в зависимости от начальной скорости

Отдельно стоит сказать об автомобилях оснащенных АБС. В критической ситуации, когда необходимо применить экстренное торможение автомобили различных производителей и различных годов выпуска на скользкой дороге могут вести себя принципиально противоположно, а именно, как существенно уменьшать на скользкой дороге тормозной путь, так и наоборот. Связано это с несовершенством антиблокировочной системы, особенно в её различных вариациях. Компьютер системы АБС призван считывать тормозные импульсы с колёс и использовать эту информацию для выработки решения. Если колесные шины попадают на скользкий участок, то система не всегда может принять решение что ей делать, поэтому тормозной путь может стать даже больше чем на автомобилях не оснащённых АБС. Если же работа АБС совершенна и на скользкой дороге, то применение её в экстренной ситуации позволит не только вовремя остановиться, но и подрулить на незаблокированных колёсах, что бы объехать препятствие. Как же экстренно тормозить на автомобилях с АБС? Необходимо резко до упора нажать на педаль тормоза и выжать сцепление и система сама начнёт тормозить импульсно, не допуская блокировки колёс.

Экстренной торможение, а тем более на автомобилях с АБС целесообразно отрабатывать на закрытых площадках, чтобы понять, как ваш автомобиль будет реагировать при управлении на скользкой дороге.

Эксперимент 3. Изучение основных тенденций в освоении энергии человеком

Вся история развития человечества и становления цивилизации – это история освоения энергии.

В соответствии со сложившимися представлениями весь длительный процесс освоения энергии человеком можно условно разбить на следующие пять этапов.

Первый – этап использования энергии мускулов и огня, уходящий вглубь тысячелетий и длящийся до V-VII веков нашей эры.

С давних времен люди понимали, что постижение феномена огня – это путь к постижению природы жизни. Вам хорошо известно, что после «овладения огнем» костра (80-150 тыс. лет назад), давшим в распоряжение человека какое-то количество энергии, произошли коренные изменения в самом образе жизни человека. Не случайно у древних греков был миф о титане Прометее, который спас род человеческий от мучительного прозябания тем, что принес людям в дар огонь, похитив его у Солнца.

Сначала люди использовали костер. Более искусное овладение огнем принесло человечеству металлы, кирпич, стекло. Однако, несмотря на это в обыденной жизни человеку приходилось заниматься все той же требующей затрат мускульной энергии механической работой – таскать, поднимать, толкать и рубить. Позже люди поняли, что для выполнения работы можно использовать силу прирученных животных. Первые тягловые животные были запряжены в плуг около 5000 лет назад.

Второй этап VII-XVII вв. относится к использованию энергии движущегося ветра и воды. Человеком были построены ветряные мельницы и мельницы с колесом, приводимым в движение энергией водяного потока. Уже в XI в. насчитывались десятки водных и ветряных мельниц. На источниках, использующих энергию ветра и воды, создавались прядильные и ткацкие станки, маслобойные машины, лесопильные установки, сельскохозяйственный инвентарь.

Третий этап (с XVIII в. до начала XXв.) связан с приручением «движущей силы огня», используемой для нагрева и испарения воды, с применением работы, осуществляемой сжатым паром.

Исследования ряда физиков позволили выяснить, что если в качестве источника взять некоторое количество древесины, которая, сгорев, вскипятит воду, в результате чего появиться пар, то можно создать механизм, в котором будет осуществляться перемещение поршня. Английский кузнец Томас Ньюкомен придумал насос, работающий за счет свойств пара при атмосферном давлении. Шотландский механик Джеймс Уатт, когда ему принесли машину Ньюкомена, усовершенствовал его и создал работающую паровую машину. Затем Джеймс Уатт разработал несколько устройств, в которых циклическое поступательное движение поршня преобразовывалось во вращательное движение колеса, и тем или иным образом паровой механизм стал использоваться для самых различных целей. Таким образом, паровая машина стала одним из первых, так называемых тепловых двигателей, которая позволила «переложить мускульную работу» на плечи машин.

Паровые машины из Англии, где две трети населения работали в промышленности, распространились по миру необычайно быстро. За Англией последовала континентальная Европа и Северная Америка. Получаемую с помощью пара механическую работу стали использовать для приведения в движение различных заводских механических агрегатов. Паровые машины повышенного давления можно было поставить на колеса и получить самодвижущиеся по рельсам повозки. В 1804 году англичанин Ричард Тревитик изобретает паровой локомотив, двигавшийся по рельсам с неслыханной в те времена скоростью 30 км/час. В 1805 г. американец Роберт Фултон сконструировал первый пароход, который совершал регулярные рейсы по реке Гудзон между Нью-Йорком и Олбани. В 1825 году начинает действовать первая железная дорога.

Несмотря на быстрый количественный рост числа паровых машин, «золотой век пара» не мог удовлетворить потребности в энергетических мощностях экспоненциально растущей экономики. Очевидными стали и существенные недостатки паровых машин, в первую очередь, такие, как низкий КПД, громадный расход топлива, передача движения станкам через сложные и ненадежные системы трансмиссий. Атмосфера городов, с тысячами заводских дымовых труб, становилась непригодной для жизни городов.

Четвертый этап (с начала XX в.), который иногда называют «золотым веком электричества», базируется на использовании в промышленном производстве электрической энергии, развитии тяжелого машиностроения и электротехнической промышленности.

Значительным недостатком получения механической работы от тепловых двигателей (от паровых машин, а впоследствии, от двигателей внутреннего сгорания) является трудность ее передачи на расстояние. Применяемые трансмиссии громоздки, неудобны и неэкономичны вследствие больших потерь на трение. В этой связи сильный толчок в использовании энергии для получения механической работы был получен в результате появления и широкого применения электрических машин (электрических приводов) и электрических двигателей, в которых механическая работа получается за счет использования электрической энергии. Электрическая энергия, благодаря своей транспортабельности, оказалось очень удобной. Она быстро и с малыми потерями передается на большое расстояние, может легко преобразовываться в другие виды энергии. При этом КПД электрических преобразователей очень высок, а источником может служить энергия падающей воды, так и химическая энергия органического топлива.

При этом оказалось возможным использование тепловых двигателей, что обеспечило широкое использование для получения механической работы громадных природных энергетических ресурсов в виде залежей различных топлив – углей, нефти, газа. Успехи в создании машин и двигателей, вырабатывающих за счет тепловой энергии электрическую, привели к быстрому развитию крупных тепловых электрических станций (ТЭС), где осуществляется основные преобразования тепловой энергии в механическую, а затем – в электрическую.

Надо отметить, что четвертый этап был не только этапом дальнейшего развития одной электроэнергетики. Конструкторская мысль привела к созданию и совершенствованию двигателей внутреннего сгорания, паровых, газовых и парогазовых стационарных турбин, авиационных и газовых турбин, реактивных и ракетных двигателей. Следовательно, рассматриваемый этап это еще и эра массового производства автомобилей, тракторов, самолетов, ракет и пр. энергетических механизмов.

Надо иметь в виду, что вследствие четвертого этапа освоения энергии человеком темпы роста потребления энергии стремительно растут. Рост этот обязан стремительному и безграничному росту объема рыночных отношений, а основными ресурсами энергоносителей являются углеводороды.

На ближайшие полвека основным видом топлива останутся углеводороды. США является абсолютным мировым лидером по производству и потреблению энергии. Поэтому США сделали ставку на то, чтобы решать энергетическую проблему на 20-30 ближайших лет за счет контроля углеводородных ресурсов Ближнего и Среднего Востока. Война в Ираке - тому пример.

Россия является пятой мировой державой в области потребления энергоносителей, пропуская вперед лишь США и Китай, Японию и страны Евросоюза. В 2005 г. потребление первичных энергоносителей в России достигло 680 млн. т н. э. (тонн в нефтяном эквиваленте), в 2006 году – около 860 млн. т.н.э.

Главный вопрос, который заботит в настоящее время Человечество: на сколько лет хватит основных углеводородов? Вопрос, на который, так или иначе, отвечают или пытаются ответить лучшие умы от геологоразведки.

Пятый этап – это этап создания и развития атомной энергетики, основанной на использовании атомной энергии.

На сегодняшний день во всем мире работает 436 ядерных реакторов, которые сосредоточены в 30 странах мира. Сейчас на долю атомных станций приходится 16% всей вырабатываемой электроэнергии. По отдельным странам эти показатели сильно разнятся: во Франции на долю АЭС приходится 78% всей потребляемой электроэнергии, а в Китае – всего 2%. Атомные электростанции вносят около 40 % электроэнергии в общий энергетический баланс Украины.

Сессия МАГАТЭ, прошедшая в конце апреля 2009 года в Пекине, подтвердила, несмотря на кризис, планы большинства государств – членов агентства, по ускоренному развитию атомной энергетики. Обозначены были и целевые ориентиры – безопасность, новые реакторные технологии, решение проблем с отходами. По прогнозу МАГАТЭ, к 2030 году глобальный спрос на атомную энергию вырастет на 66%.

В 2008 году началось строительство не меньше 10 новых блоков АЭС, и это самое большое число после 1985 года, когда закончился дочернобыльский период развития ядерной энергетики. Причем 8 из 10 новых атомных станций, заложенных в 2008 году, строятся в странах Азии, и шесть из них – в Китае. В мире на данный момент действуют 450 атомных реакторов и еще собираются строить 400. Некоторые реакторы находятся в сейсмоактивных зонах: Иран, Пакистан, Армения, районы США, Мексика и др. Планируется строительство атомных реакторов в Турции, где регулярно происходят землетрясения.

Современная атомная энергетика зиждется на экспериментально установленном факте деления тяжелых ядер таких элементов, как уран, плутоний, торий. Если в ядро атома попадает нейтрон, то благодаря ему, развивается реакция с выделение огромного количества тепла. Ядерное топливо обладает очень высокой теплотворной способностью (1 кг урана заменяет 2900 т угля). Это тепло можно использовать. Ядерное топливо применяется в реакторах в виде металлических блоков, отличающихся высокой эффективностью использования нейтронов, хорошей теплопроводностью и высокой устойчивостью (по внезапным изменениям теплового режима при включении и выключении реактора).

В настоящее время в качестве ядерного топлива используют природный уран ²³⁸U, который «обогащают». Обогащение необходимо потому, что добываемый из земной коры природный уран содержит только лишь примерно 0,7% изотопа урана , который может делиться нейтронами. То есть обогащением увеличивают его (изотопа урана ) концентрацию.

Надо иметь в виду, что в природном уране реакция может иметь место, если используются так называемые медленные тепловые нейтроны, энергия которых =0,03-0,5 эВ. При делении ядер урана образуются также быстрые нейтроны, энергия которых велика =10⁵ эВ. Однако с быстрыми нейтронами цепная реакция не развивается. Поэтому быстрые нейтроны урана замедляют до тепловых (медленных). В качестве замедлителей используют вещества, которые содержат элементы с малой атомной массой, обладающие малой поглощающей способностью к нейтронам. Основными замедлителями являются вода, тяжелая вода, графит.

Основным типом подобных реакторов атомных станций является РБМК (реактор большой мощности канальный, на тепловых нейтронах, водно-графитовый).

На рис. 3 в качестве примера представлена двухконтурная технологическая схема атомной электростанции.

Энергоблок в атомной станции формируется следующим образом: реактор сочетается с энергогенерирующим источником (обычно с двумя турбоагрегатами).

Рис. 3 Двухконтурная технологическая схема атомной электростанции.

Конструктивное исполнение энергоблока показано на рис.4

Рис. 4. Конструктивное исполнение энергоблока РБМК-1000

В Украине 4 атомных электростанции подобного типа: Запорожская – мощностью 6000 МВт, Южно-Украинская -3000 МВт, Ровенская – 1818 МВт, Хмельницкая – 1000 МВт, оснащенные паротурбинными блоками. Эти станции вырабатывают почти 50 % электроэнергии страны.

Человечество очередной раз столкнулось с проблемой возможности аварии на действующих АЭС. Вам известно о бедствии, обрушившемся на Японию 11 марта 2011 года, когда из-за мощного землетрясения пострадали не только жители Японии и инфраструктура страны, но получили повреждения и как следствие сбой в работе атомных реакторов «Фукусима-1" и "Фукусима-2", что в свою очередь спровоцировало взрывы и утечку радиоактивности. Тем не менее, Можно говорить, что эти станции достаточно надежно работают (рис. 5).

Рис. 5. Отклонения в работе атомных электростанций

Атомные электростанции не имеют выбросов дымовых газов и не имеют отходов в виде золы и шлаков.

Рис. 6. Территория атомной электростанции

Надо иметь в виду, что удельные тепловыделения в охлаждающую воду у атомных станций, больше, чем у тепловых. Поэтому на большинстве атомных станций предусматривается отвод тепла конденсата с помощью прудов – охладителей (до 6000 гектаров) или установка градирен, в которых теплота от охлаждающей воды отводится в атмосферу.

Второй важной особенностью возможного воздействия атомной электростанции на окружающую среду является необходимость захоронения радиоактивных отходов. Сейчас это делается в специальных могильниках, которые исключают возможность воздействия радиации на людей. Однако ядерные энерготехнологии нового поколения позволят вовлечь урана-238 в энергоресурсы.

Перспективным направлением является использование реакторов на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством ядерного горючего – плутония.

В этом случае в топливный цикл могут быть вовлечены запасы ²³⁸U, которые являются основной составляющей природного урана (~99,3%), и торий ²³²Th. Таких материалов в природе значительно больше, чем ²³⁵U, основного горючего для реакторов на тепловых нейтронах. В производстве энергии может быть использован, в том числе, может быть использован и так называемый «отвальный уран», оставшийся после обогащения ядерного горючего ²³⁵U.

Расчеты в России показали, что энергетический потенциал урана-238 примерно в 10 раз больше ресурсов угля и в 40 раз больше ресурсов газа и нефти. Это увеличивает общие энергоресурсы России в 6,7 раза. При этом доля урана возрастает до 87,1%, а доли остальных энергоносителей снижается – угля до 8,7%, газа – до 3,4%, нефти до 0,8%. Практически это означает неисчерпаемость ресурсов на ближайшее тысячелетие, в то время как существующие темпы потребления газа, нефти и урана прогнозируются их исчерпанием к 2100 г.

Основная ставка в будущей ядерной энергетике сейчас делается на быстрые реакторы.

В реакторах на быстрых нейтронах осуществляется двухступенчатый режим и можно использовать изотопы урана и тория . Ни одно из этих веществ не делится под действием тепловых нейтронов, но захватывая быстрые нейтроны, они превращаются в делящиеся изотопы и . Таким образом, запасы ядерного топлива теоретически увеличиваются почти в 140 раз. В расчете на это и планируется будущее ядерной энергетики. В реакторах на быстрых нейтронах как правило используется жидкометаллический теплоноситель. Обычно это или расплав натрия или эвтектический сплав свинца с висмутом. Реактором подобного типа является реактор БН (быстрые нейтроны с жидкометаллическим натриевым теплоносителем). Инженерные сложности создания быстрых реакторов связаны с целым рядом присущих им особенностей. К их числу относятся: большая энергонапряженность топлива; необходимость обеспечить его интенсивное охлаждение; высокие рабочие температуры теплоносителя, элементов конструкции реактора и оборудования; радиационные повреждения конструкционных материалов, вызванные интенсивным облучением быстрыми нейтронами.

Заметим, что «Атомэнергопроект» России в настоящее время разрабатывает проектную документацию на строительство энергоблока с реакторной установкой СВБР-100 (реактор на быстрых нейтронах со свинцово-висмутовым теплоносителем).

Рис. 7. Реакторная установка СВБР-100

Проект атомной станции с опытно-промышленным энергоблоком с реакторной установкой СВБР-100 позволит создавать малые и средние атомные комплексы мощностью кратной 100 МВт. В частности, это поможет удовлетворить потребности в энергогенерирующих мощностях районов с небольшим объемом потребления и  существующими сетевыми ограничениями.

Предполагается, что проект будет базироваться на критериях безопасности, содержащихся в действующих нормативно-технических документах МАГАТЭ и требований Европейского клуба эксплуатирующих организаций (EUR). В результате энергоблок с реактором СВБР-100 будет способен выдержать такие экстремальные внешние нагрузки как сейсмические воздействия силой не менее 7 баллов, падение летящего со скоростью 100 м/с самолета весом 5,7 тонн, воздушная ударная волна с максимальным давлением во фронте — 30 кПа. Планируется, что по разработанной проектной документации в 2013 – 2017 годах будет построена атомная станция.

Заметим, что Конгресс США выделил миллиарды долларов на ускоренное проведение работ по ториевому ядерному циклу и по программе развития ториевой энергетической технологии. Ториевую АЭС строят Осло.

Надо иметь в виду, что в течение XIX и XX вв. энергетические потребности человечества возрастали быстрее его численности. Так, с 1900 по 2000 суммарное потребление всех видов энергоресурсов (в переводе на нефтяной эквивалент) в течение ХХ в. увеличилось в мире в 10 раз, то есть почти в три раза быстрее, чем прирост народонаселения. Если XVIII в. основным источником энергии во всех странах были дрова, то в течение XIX в. на первое место вышел уголь, а ХХ в. –нефть и природный газ. И хотя к настоящему времени немало электроэнергии получают на гидроэлектростанциях (ГЭС) и атомных электростанциях (АЭС), все равно основными источниками энергии остаются горючие ископаемые: уголь, нефть, газ. Тепловые электростанции (ТЭС) дают ¾ всей электроэнергии.

Важно иметь в виду, что чем более энергетически насыщенной становится цивилизация, тем она является более хрупкой. Сегодня резко возрастает опасность исключительных по последствиям техногенных катастроф. Если отключение света в селе пятидесятых годов означало только темноту, преодолеваемую свечами, то отключение электроэнергии в современном городе означает холод в квартирах, лопнувшие водопроводные трубы, гибель продуктов в холодильнике. И, что еще опаснее - срыв операций в больницах. И многое другое. Нынешние объемы расхода энергии создают опасность засорения окружающей среды. 

Важно также отметить, что в настоящее время имеет место и экономический тупик: рост цен на энергию опережает эффекты от ее применения.

Таким образом, развитие современной цивилизации неразрывно связано с энергетикой. Для приобщения к «благам цивилизации» многие страны занимаются производством и потреблением энергии, тратя на это огромные материальные и финансовые ресурсы.

При этом имеет место резкий рост необходимого количества энергии. Это обусловливает постоянный рост цен на энергоресурсы, такие, как нефть, природный газ и, как следствие, на электрическую и тепловую энергию.

Эксперимент 4. Изучение основных понятий, связанных с получением тепла и, на этой основе, механической работы

Ученые древности не могли четко уяснить себе, что же такое тепло, кроме того, что это нечто, к чему чувствителен человеческий организм. Но впоследствии люди научились измерять силу теплоты – то есть температуру. Термином «температура» стали обозначать меру «нагретости» тела. Ученые придумали термометр. Когда температура и содержание тепла стали легко измеримыми явлениями, ученые стали по - новому смотреть и на энергию. С наступлением ХIХ века на энергию перестали рассматривать как нечто неотрывное от механического движения. Паровая машина явно продемонстрировала, что тепло может совершать механическую работу так же, как падающее тело, и что, соответственно, теплоту можно считать одной из форм энергии. Многие также стали понимать, что нечеткое выполнение закона сохранения энергии (например, в отмечавшемся ранее случае диссипации) происходит потому, что надо учитывать не только механическую форму энергии, но и другие ее формы, в первую очередь – тепло. Стало ясно, что потери механической энергии при трении сопровождаются выработкой тепла, а значит, что потери механической энергии уравновешиваются производством энергии тепловой. Благодаря исследованиям Р. Майера, Дж. Джоуля, и Г. Гельмгольца (1843-1847) было установлено, что «если в каком либо процессе энергия одной формы движения исчезает, то взамен ее появляется энергия другой формы движения в строго эквивалентном виде». В этом отношении выдающимся экспериментатором был английский физик Джеймс Прескотт Джоуль, занимавшийся изучением того, сколько тепла может произвести тот или иной объем работы. Подсчитывая количество совершенной работы и количество произведенной при этом теплоты, он установил, что, независимо от источника, одно и тоже количество работы всегда приводило к образованию одного и того же количества теплоты. Таким образом, Джоуль разработал «механический эквивалент теплоты». Оказалось, что 1 калория тепла соответствует примерно 41 800 000 эргам работы. В честь Джоуля назвали единицу энергии. Так что мы можем сейчас сказать, что 1 международной калории соответствует 4.1868 Дж.

Наверно еще древние замечали, что для получения огня от дров, как и любого другого горючего материала, требовался воздух. Сегодня уже точно можно дать ответ на вопрос, откуда берется тепловая энергия у горящих дров, угля, горящего газа. Тепло и свет, излучаемые при горении, возникают за счет потери химической энергии, причиной которых являются изменения в природе химических связей в угле (или другом материале) и атмосферном кислороде.

Для того, чтобы дальше говорить о деталях в природе химических связей, при которых производится тепло и свет, вспомним некоторые сведения из химии.

Вам известно, что у каждого химического элемента есть название и всемирно принятое краткое обозначение. Это одна или две буквы латинского алфавита. Писать букву «С» вместо слова «углерод» или «Н» вместо водород - быстрее и проще.

Состав вещества выражают химической формулой – буквенным выражением при помощи химических знаков. Химическая формула показывает, из каких элементов состоит вещество (качественный состав) и сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы вещества (количественный состав). Химическая формула отражает одну молекулу. Когда речь идет о молекулах, к обозначению элемента дописывают нижний символ, который говорит о строении молекулы. Маленькая цифра, которая стоит ниже химического элемента справа (нижний индекс), показывает, сколько атомов данного элемента входит в состав молекулы.

Например, молекула воды показывает, что она состоит из атомов водорода и кислорода, причем в молекулу входят два атома водорода и один атом кислорода. Просто символ обозначает атомарный кислород, молекулярный кислород пишется , а озон - . Большая цифра, которая стоит перед химическим элементом или формулой (коэффициент) показывает число отдельных атомов или молекул. Например, 2Н – это два отдельных атома водорода; 5Н₂ – пять молекул водорода.

Основной параметр, по которому атомы различных химических элементов отличаются друг от друга это их масса. Например, масса атома водорода 0,0000000000000000000000000167, или 1,67х10^-27 кг. Масса атома углерода 19,93х10^-27 кг. Как видно масса атома – очень маленькая величина, что создает определенные неудобства в пользовании цифрами. По этой причине чаще используют относительную атомную массу элемента – величину, равную отношению массы атома элемента к 1/12 массы атома углерода (точнее изотопа углерода ). Одна двенадцатая массы атома углерода-12, которая равна = 1,66х10^-27 кг, называется атомной единицей массы (АЕМ). Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса любого атома больше чем 1/12 часть массы углерода. Например, масса атома кислорода 26,6х10^-27 кг. Поэтому относительная атомная масса кислорода (26,6х10^-27/1,66х10^-27) равна16. Это значит, что масса атома кислорода в 16 раз больше, чем 1/12 часть. В табл. 3. показаны символические обозначения и относительные атомные массы некоторых химических элементов (то есть массы атомов, измеренные в атомных единицах массы).

Таблица 3

Элемент	Обозначение	Относительная атомная масса
Водород	H	1.00797
Углерод	C	12.0
Азот	N	14.0067
Кислород	O	15.9994
Сера	S	32.064

Кроме физических величин – массы, объема, плотности и др. – в химии применяют физическую величину количество вещества - . Количество вещества – это число структурированных частиц этого вещества (атомов, молекул). Единицей количества вещества является – моль.

Моль – количество вещества, которое содержит столько частиц (атомов, молекул), сколько содержится атомов в углероде массой 0,012 кг.

Определим, сколько атомов углерода содержится в углероде массой 0,012 кг. Для этого разделим массу 0,012 кг на массу одного атома углерода, равную 19,93х10^-27 кг. Получаем

0,012 кг/19,93х10^-27 кг=6,02 х10²³ (1/моль).

Число 6,02 х10²³ (1/моль) называют постоянной Амадея Авогадро (числом Авогадро). Его обозначают , поскольку это проще, чем писать название целиком.

Моль – это количество вещества, которое содержит 6,02 х10²³ частиц (атомов, молекул).

1 моль воды содержит 6,02 х10²³ молекул воды. 1 моль атомарного кислорода содержит 6,02 х10²³ атомов кислорода . 1 моль молекулярного кислорода содержит 6,02 х10²³ молекул кислорода .

В молях вещества имеется молекул.

Определенному количеству вещества соответствует определенная масса.

Отношение массы вещества к его количеству в молях называется молярной массой вещества:

.

Молярная масса М атомарного водорода равна 0,001 кг/моль.

Молярная масса М атомарного кислорода равна 0,016 кг/моль. Молярная масса М молекулярного кислорода равна 0,016 кг/моль. Молярная масса М воды, в которой 2 атома водорода и один атом кислорода, равна 0,018 кг/моль (0,001х 2+0,016).

В этой связи химические уравнения, то есть выражения химических реакций с помощью химических формул, можно прочитать разными способами. Видя перед собой химическое уравнение типа:

,

мы можем прочесть его трояко:

а) один атом углерода плюс одна молекула кислорода переходят в одну молекулу оксида углерода;

б) один моль углерода плюс один моль кислорода переходят в один моль оксида углерода;

в) 12 граммов углерода плюс 32 грамма кислорода переходят в 44 грамма оксида углерода (согласно закону сохранения массы, число атомов каждого элемента в левой в правой частях химического уравнения должно быть одинаковым).

Напомненных из химии сведений будет достаточно для того, чтобы говорить об изменении энергетического содержания веществ в ходе химических реакций.

При химических реакциях одни химические связи разрываются, другие образуются. Образование химических связей сопровождается выделением определенного количества работы (энергии). Энергия, которая выделяется при химических реакциях, называется химической. Химическая энергия может, вообще говоря, превращаться в тепловую, лучистую, механическую, электрическую работу. Эти превращения подчиняются закону сохранения энергии. Количество энергии, которая выделяется при экзотермической химической реакции, называется тепловым эффектом.

Измерить химическую энергию прямым методом не удается. Но если реакцию проводят в замкнутой камере и вся система теплоизолирована во избежание обмена с окружающей средой, то косвенным методом удается посчитать количество калорий тепла, вырабатываемого в ходе реакции (теплоту химической реакции). Такую камеру называют калориметром (от латинских слов «тепло» и «мерить»).

При этом следует иметь в виду два обстоятельства.

Первое. Объем калориметра в ходе реакции не меняется. Следовательно, если в ходе реакции увеличивается количество газа (а подобные эксперименты проводят чаще всего именно с газами) при неизменном объеме возрастет давление. Если количество газа уменьшается, то при неизменном объеме давление падает. Обозначение разности энергий соответствует случаю сохраненного объема.

На практике реакция происходит обычно при неизменном давлении, а меняется объем. Это можно реализовать в сосуде, верх которого представляет поршень способный сдвигаться вверх и вниз без трения, герметично прилегая при этом к стенкам сосуда. В этом случае давление меняться не будет, поскольку оно будет оставаться ровно таким, чтобы уравновесить силу тяжести поршня. Если в ходе реакции увеличивается количество газа и возрастает давление, то поршень будет двигаться вверх, пока объем той части сосуда, где произошла реакция, не вырастет настолько, что давление опять приобретет прежнее значение. Если давление упадет. То поршень двинется вниз, что приведет к уменьшению объема и увеличению давления до уравновешивающего значения. Символом обозначают изменение энергии при постоянном давлении.

Итак, в природе химические реакции происходят обычно при постоянном давлении – это атмосферное давление. Поэтому получаемую с помощью калориметра величину переводят в , имеющую большую практическую ценность.

Второе. Из предыдущего не ясно, для какого количества вещества подсчитывается . Например, если в кислороде сжечь 10 граммов водорода, то будет произведено в 10 раз больше тепла, чем если сжечь 1 грамм. Было решено, что с практической точки зрения определять тепло реакции на молярной основе, то есть сравнивать теплоту реакции одного моля вещества. В этом случае количество молекул будет одинаковым.

Таким образом, обозначаем молярную теплоту реакции при постоянном давлении. Это величина, на которую изменяется содержание одного моля вещества при вступлении его в реакцию.

Обычно широко пользуются значениями тепловых эффектов, отнесенных к температуре 25 ^ОС (298,15 К) и давлению 1 атм. Такие тепловые эффекты называют стандартными и обозначают .

Рассмотрим теперь, какова будет теплота сгорания (то есть тепловой эффект полного окисления неорганического вещества кислородом при изобарном процессе с образованием оксидов элементов, входящих в данное вещество) при соединении углерода и кислорода .

Молярная теплота данной реакции – 94,03 килокалории. Поэтому для полноты химического выражения это значение следует указать в химическом уравнении. Обычно значение не вписывают в само уравнение, а помещают сбоку, как отдельный параметр

.

Уравнение свидетельствует о том, что 1 моль углерода плюс 1 моль кислорода производят 1 моль оксида углерода плюс 94,03 килокалории теплоты сгорания. Обратите внимание, что значение в данном случае представлено как отрицательная величина. Дело в том, что при соединении углерода с молекулярным кислородом химическая энергия связи системы уменьшается, а тепловая увеличивается. Если рассматривать этот процесс с точки зрения химической энергии, то договорились считать, что изменения в энергетическом содержании окажутся отрицательными.

При горении водорода можно написать:

Если сравнивать моль к молю теплоту реакции горения углерода с теплотой реакции горения водорода, то несложно заметить, что один моль горящего углерода отдает больше тепла. Но моль углерода весит 12 граммов, а моль водорода всего два грамма. Если мы будем сравнивать эти вещества грамм к грамму то увидим, что 1 грамм углерода при сжигании отдает , то есть 7,8 килокалории, а грамм водорода - , то есть 34,2 килокалории. Соответственно при весовом подходе логично сделать вывод, что при сжигании водорода вырабатывается почти в 4,5 раза больше энергии, чем при сжигании углерода.

В справочниках обычно приводят теплоту сгорания – отношение количества теплоты, выделившейся при горении, к массе сгоревшего топлива (табл.4) или к его объему (табл.5)

Теплота сгорания твердых и жидких веществ

Таблица 4

Вещество	, МДж/кг	, ккал/кг
Антрацит	31	7400
Бурый уголь, брикеты	21	5000
Бурый уголь	14,7	3500
Бурый уголь не­обработанный	8,4	2000
Дерево свежее	8	1900
Дерево сухое	15	3600
Древесный уголь	31	7300
Каменный уголь	29,3	7000
Кокс	29	7000
Торф сухой	15	3600
Бензин	42	10000
Бензол	40	9600
Дизельное топливо	42,7	10200
Керосин	40,8	9750
Мазут	41	9800
Метиловый спирт	19,5	4800
Натуральная нефть	41	9800
Спирт	25	5980
Этило­вый спирт	27	6500
Эфир	34	8200
Топливо для реактивных самолетов	43	10300
Условное топливо	29,3	7000

Теплота сгорания газообразных веществ

Таблица 5

Газ	, МДж/м3	, ккал/ м3
Аммиак	14,2	3390
Ацетилен	55,9	13600
Бутан	124	29500
Бытовой газ	15,9	3890
Водород	10,8	2580
Колошниковый газ	3,98	950
Метан	35,9	8580
Окись углерода	12,6	3020
Пропан	93,4	22300

В настоящее время ведется много разговоров об использовании сланцевого газа. Благодаря такому газу США превратились из страны импортировавшей газ, в его экспортера. Заокеанскому примеру пытается следовать Европа. Сланцевый газ, который по прогнозам можно добывать рядом с районами потребления при минимальных затратах на транспортировку, ищут более 40 компаний. Обнаружены значительные месторождения сланцев в Польше. Аналитики утверждают, что в Китае грядет «великая газосланцевая революция»; к 2030 году там будут добывать более 110 миллиардов кубометров газа из нетрадиционных источников.

В Украине имеются «черные сланцы» Восточного нефтегазодобывающего региона (Донбасс, Волыно-Подолье, Львовско-Волынский угольный бассейн, Западное Причерноморье) и так называемый с начала ХIХ века светильный газ Карпатского региона. Однако, специалисты полагают, что сланцевый газ – не миф, а реальность, только для США и Канады. Это связано с тем, что одним из базовых методов добычи такого газа является горизонтальное бурение с гидроударом (гидроразрывом пластов). Гидроудар разрушает перегородки газовых карманов и затем освобождающийся газ откачивается. В США благоприятные условия для такой добычи – газоносные слои залегают на небольшой глубине 400-500 метров., причем на огромных площадях. В Украине не только нет такого размаха, но и глубина залегания составляет два – два с половиной километра. Сделать горизонтальные скважины очень технически трудно. Кроме того, использование гидроудара может привести к загрязнению артезианских питьевых вод, к повышению концентрации канцерогенных соединений в воде, почве и растительности.

Д. И. Менделеев определил «горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты», как топливо. Топливом в широком смысле называют горючее вещество, которое экономически целесообразно сжигать для получения больших количеств тепла и получения энергии других видов. В настоящее время такими основными источниками получения теплоты и энергии (природными энергетическими ресурсами) являются уголь, получаемые из нефти компоненты (бензин, дизельное топливо) и газ. По теплородной способности (выделяется при сгорании 29 330 кДж/кг) одна тонна условного топлива равна: 1 т. каменного угла; 2,5 т бурого угля; 0,7 т нефти; 780-850 м³ газа.

Все виды химического топлива относят к полезным ископаемым, которые содержаться в находящихся под земной поверхностью недрах, которые предназначались для их добычи. Горючие полезные ископаемые, имеющие значение для всего человечества, называют энергетическими ресурсами. Для ряда стран они являются основной статьей экспорта и доходов.

Если рассматривать процесс прохождения топлива от природного состояния в Земле до конечного потребителя, то говорят о четырех стадиях движения энергетических ресурсов:

а) извлечение, добыча природных ресурсов энергии;

а) переработка (облагораживание) первичных ресурсов до состояния, пригодного для использования;

в) преобразование энергии, содержащей в ресурсах в иной вид энергии (механическую работу, электрическую энергию или в тепло в котельных и теплоцентралях);

г) использование энергии.

Получением, переработкой, преобразованием, транспортировкой, хранением и использованием энергоносителей всех видов занимается отрасль, которая называется топливно-энергетический комплекс (ТЭК). Иногда всю эту большую систему, с присущим ем разнообразием предприятий, процессов, называют кратко «энергетика».

ТЭК один из самых крупных и четко выраженных комплексов любой национальной экономики. Он представляет единую систему страны, главной целью функционирования которого является эффективное и надежное обеспечение всех потребителей энергией необходимого качества (тепловой и электрической). В составе ТЭК обычно имеются тепловые электростанции (ТЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), а также значительное число малых систем генерирования теплоты и электрического напряжения, которые рассредоточены по городам, населенным пунктам и различным отраслям промышленности (районные отопительные и отопительно-производственные котельные, заводские ТЭС, ТЭЦ, котельные, промышленные печи, бытовые котлы, предназначенные для обслуживания нескольких зданий и сооружений, индивидуальных построек, коттеджей, частных домов и т. д.).

В качестве первичных энергоносителей в ТЭК используют уголь, нефть, газ.

Производство тепловой и электрической энергии, несмотря на ряд негативных факторов, в значительной степени осуществляется на твердом топливе. Уголь, начиная с периода промышленной революции, играет важнейшую роль в топливном балансе планеты.

Предпочтение, которое отдается в ряде случаев углю понятно: в настоящее время разведанные запасы каменного угля составляют 87% всех горючих ископаемых источников энергии на планете. Его энергетические возможности более чем в 6 раз превышают те же возможности нефтяных пластов. Запасы угля в отличии от нефти и газа огромны. На сегодня, его доля среди всех используемых источников энергии составляет около 23%. Общие мировые запасы каменного угля, включая и прогнозируемые месторождения, обладают энергетическим потенциалом в 25 раз превосходящим нефтяной. Если предположить, что человечество окажется от всех других источников энергии, и будет использовать только каменный уголь, то с учетом ежегодного роста потребления энергии, а также неизбежных энергетических потерь его хватит еще примерно на 200 лет. По оценкам запасов углей промышленной категории в Украине хватит еще на 250 – 300 лет. Уголь – это самый доступный энергоресурс, его потребление растет повсеместно. Например, с 2001 по 2005 год потребление угля (для разных нужд) в США выросло почти на 50%, в Индии на 70%, а в Китае оно удвоилось. Планируемое сокращение подачи газового топлива из-за подорожания газа в ближайшие годы вынуждает энергетиков начать широкомасштабную работу по замене природного газа углем.

В Украине разведанные запасы углей составляют 46,7 млрд. т, из них антрацитов - 7,0 млрд. т (15%), коксующихся – 13,5 млрд. т. (29.8 %). Угольная промышленность сосредоточена по Украине следующим образом.

Донецкий бассейн. Ресурсы каменного угля в нем 43 млрд. т. в том числе антрацитов – 7,0 млрд. т и коксующихся углей – 13,5 млрд. тонн.

Днепровский бассейн. Промышленные запасы бурого угля 2,28 млрд. т.

Львовско – Волынский бассейн. Ресурсы каменного угля в нем 1 млрд. т. в том числе коксующихся углей – 0,4 млрд.

Уголь только в теоретическом химическом плане представляет собой чистый углерод. На самом деле уголь это сложное химическое соединение. Углерод, это главная составляющая угля. Чем выше его содержание, тем большее количество теплоты выделяется при сгорании. Но в угле имеются и другие компоненты.

Снижает энергетическую ценность угля наличие в его составе кислорода и азота. Содержание кислорода в антраците 2%. Содержание азота у твердого топлива составляет 1-2% по массе.

В связи с тем, что с поверхностью угля могут быть связаны молекулы воды силами разной природы (абсорбция на поверхности и в порах, гидратирование полярных групп макромолекул, вхождение в состав кристаллогидратов минеральной части) балластом топлива является влажность. Она в рабочем состоянии топлива может превышать 50 %. При разных способах удаления влаги из угля получаются различные величины его обезвоженной массы и, соответственно, разные значения влажности. Масса угля с содержанием влаги, с которым он отгружается потребителю, называется рабочей массой угля.

Кроме того в угле содержатся другие примеси (зола), содержание которой может достигать до 60%. В ископаемых углях содержится значительное количество (2-50 мас.%) веществ, образующих после сжигания золу. Зольный остаток образуется после прокаливания угля в открытом тигле в муфельной печи при температуре 850±25 °С. Зола на 95—97 % состоит из оксидов Al, Fe, Ca, Mg, Na, Si, K. Остальное - соединения P, Mn, Ba, Ti, Sb и редких и рассеянных элементов. Зольность обозначатся буквой Аd (Asche) и выражается в мас.%.

Важной характеристикой угля является содержание серы, устанавливаемое по данным элементного анализа. Выделяющиеся летучие серосодержащие продукты, такие как Н₂S и SO₂, крайне опасны при попадании в окружающую среду, а при проектировании производств следует учитывать их высокую коррозионную активность.

Следует иметь в виду, что еще с 80-х годов прошлого века мир всерьез обсуждает проблему обогащения (снижения зольности и серосодержания и повышения теплотворной способности) угля с целью повышения его энергоэффективности. Большинство стран мира признали технологию получения «чистого» угля одной из приоритетных не только из экономических, а еще и из экологических соображений, учитывая требования Киотского протокола и ВТО. Ведь каждый лишний процент золы в сжигаемом угле означает, во-первых, меньший коэффициент теплоотдачи для потребителя электроэнергии, а во-вторых, дополнительную нагрузку на всю технологическую цепочку работы теплоэлектростанции и экологию. К примеру, уголь с 50% зольности означает, что из двух оплаченных и привезенных на ТЭС вагонов топлива использован будет только один, капитальные вложения в эту ТЭС обойдутся на 30%, а эксплуатационные расходы - на 20% дороже. И все это будет заложено в себестоимость киловатт-часа предоставляемой потребителю электроэнергии. Однако пока зольность угля, сжигаемого сегодня на украинских ТЭС, еще довольно высока и в ряде случаев составляет от 35 до 45%.

Основные характеристики украинских углей представлены в табл. 6.

Таблица 6

Вид угля	Выход летучих веществ, %	Содержание серы, %	Влажность, %	Зольность, %	Теплота сгорания, МДж/кг
Бурый уголь	>40	0,5-8	30-40	15-30	10-17
Каменный уголь	9-50	0,5-8	5-10	18-30	24-29
Антрацит	2-9	0,5-8	5-10	<5	26
Полуантрацит	5-9	0,5-8	<5	<5	26

Более 80 % используемой в мире энергии получают в процессе горения ископаемого топлива, преобразуя его энергию химических связей в тепловую и электрическую форму. Но, к сожалению, именно по этой причине теплоэнергетике принадлежит и первое место по загрязнению окружающей среды планеты, главным образом продуктами сгорания топлива. Следует признать, что именно процессы, связанные с горением, являются основными источниками антропогенного загрязнения окружающей среды.

В продуктах сгорания топлива, в первую очередь в дымовых газах ТЭС, отопительно-производственных котелен и других промышленных объектов содержится больное количество вредных токсичных и канцерогенных веществ.

В составе продуктов сгорания угля могут быть следующие токсические компоненты:

1. Оксид углерода (CO).

2.Амиак (NH₃).

3.Оксид азота (NO).

4. Диоксид серы (SO₂)

5.Сажа (C).

6. Формальдегид (CH₂O).

7.Бенз(а)пирен (C₂₀H₁₂).

В табл. 7 представлены некоторые удельные показатели загрязнения атмосферы (г/кВтч) для различных видов угля.

Выбросы	Каменный уголь	Бурый уголь
SO2	6	7,7
NO2	21	3,4
Твердые частицы	14	2,7
Фтористые соединения	0,05	1,1

Вы должны четко представлять себе, что рост потребления угля на ТЭС, особенно при традиционных методах его сжигания, неизбежно повлечет за собой негативные экологические последствия. Поэтому, одной из важнейших в настоящее время является задача снижения экологического ущерба от его использования угля.

Состав продуктов сгорания и количественные соотношения вредных компонентов в составе дымовых газов существенным образом зависит от того как осуществляется сжигание угля и от степени завершенности реакции горения.

Давно известным способом сжигания угля является слоевой способ. В этом случае сжигание угля производится на колосниковой решетке с лежащим на ней слое топлива, который продувается воздухом снизу вверх. Такой способ применяют в котельных агрегатах производительностью до 40 т/ч пара для сжигания бурых и каменных углей, полуантрацитов, кускового торфа, горючего сланца и древесных отходов. Нецелесообразно использовать слоевые топки для сжигания антрацитов, антрацитового штыба, бурых углей, фрезерного торфа и отходов углеобогащения, так как сжигание этих видов топлива происходит с большими потерями от механического и химического недожога. Разновидностью слоевой топки является шахтная топка, используемая для слоевого сжигания влажного твердого топлива (кускового торфа, дров). Она имеет развитую по высоте загрузочную горловину (шахту), в которой происходят подсушка, разогрев топлива и частичное выделение летучих веществ (за счет теплоты нижнего горящего слоя).

Механический недожог топлива возникает вследствие следующих причин: потеря от провала топлива через зазоры колосниковой решетки, потери в шлаках и с уносом. Потеря от провала при правильном конструировании полотна решетки обыкновенно незначительна и в балансе тепла колеблется в пределах, равных 0,5-2,0%. Потеря в шлаках, особенно для многозольного топлива, может достигать довольно больших размеров. Наблюдается прямая зависимость между количеством золы в топливе и потерей со шлаками. Чем выше зольность, тем большее количество твердых частиц топлива в слое не сгорит вследствие обволакивания шлаком, затрудняющим доступ к ним воздуха. У топлива, имеющего малый выход летучих веществ, горение, как  известно, сосредоточивается в слое, там развиваются высокие температуры, плавится шлак и в его массу попадает часть горючего. Если сжигается топливо с большим выходом летучих, то из-за пониженных температур в слое, охлаждаемом в таком случае воздухом, идущим для сжигания летучих в топочном пространстве, шлаки скорее затвердевают (гранулируются), не сильно облепляют кусочки топлива и потеря горючего со шлаками уменьшается.

При сжигании топлива на простых решетках с периодической чисткой шлака последний долгое время находится на решетке, что способствует лучшему выжиганию из шлака частичек горючего. На размерах потери со шлаком главным образом сказывается работа кочегара, который при чистке должен суметь отделить шлак от угля. Путем улучшения условий сжигания, выделения, например, в механических топках особого участка, предназначенного для выжигания из шлака частичек попавшего в них топлива, удается по большей части довести и эту составляющую механического недожога до сравнительно небольших размеров.

Гораздо сложнее бороться с последней потерей — уносом горючих частичек в газоходы и трубу. При неспекающемся коксе топлива (а энергетические угли по большей части обладают таким коксом) потеря от уноса топлива сильно возрастает, причем, чем больше в топливе будет мелочи, тем больше мелких кусочков будет вынесено потоком газов в газоходы установки. Мелочь топлива, обладающего неспекающимся коксом, выносится из слоя воздухом и газами. Наиболее мелкие фракции мелочи сгорают в топочном пространстве, а остальные начинают подпрыгивать на решетке, причем, чем мельче куски, тем на большую высоту куски будут подниматься при их движении вверх и вниз. Часть твердых частиц топлива залетает в междутрубное пространство котла, где вследствие уменьшившегося живого сечения скорости газов резко повышаются, захватывают с собой попавшие в газоход частицы топлива и выносят их в борова или трубу. Таким образом, подпрыгнув, может опуститься назад только частица топлива, не залетевшая в газоход, иначе она попадет в унос, составляя в дальнейшем потерю от механического недожога.

Количество выделяемого на решетке тепла пропорционально расходуемому топливу, а, следовательно, и идущему на его сжигание воздуху и скоростям его движения по слою. С изменением расхода воздуха пропорционально изменяются и скорости его движения через слой, влияющие на потерю от уноса.

Бороться с увеличением уноса из слоя топлива можно путем понижения избытка воздуха, тогда уменьшаются скорости движения газов по слою, повышаются температуры в слое и в топочном пространстве, тем содействуя лучшему сжиганию. Далее, перекрывая топку сводами, конечно, в тех случаях, где это возможно и. не вызывает чрезмерного повышения температуры слоя, можно заставить отскакивать вниз ударяющиеся о своды частички твердого топлива; наиболее радикальным мероприятием по борьбе с уносом является увеличение объема топочного пространства, в пределах которого происходит сгорание частичек топлива.

Потеря от уноса получается и при сжигании пылевидного топлива, если его помол будет недостаточно тонок, а размеры топочной камеры таковы, что частички пыли не будут успевать сгорать до момента соприкосновения факела с поверхностью нагрева первого газохода. При сгорании пылинки вокруг нее образуется облачко инертных газов (С0₂, Н₂0, N₂), затрудняющее доступ к чей кислорода и тем замедляющее процесс сгорания. Применение турбулентных горелок, завихривающих факел, способствует лучшему перемешиванию угольной пыли с воздухом, а также разрушению указанной газовой оболочки. Подобные мероприятия позволяют приблизить тепловые напряжения топочного объема к напряжениям для кускового топлива, когда в топочном пространстве сгорают по преимуществу газообразные горючие вещества.

Современной эффективной технологией энергетического использования угля является низкотемпературная вихревая (НТВ) технология его сжигания.

К главным достоинствам НТВ-технологии сжигания относятся ее улучшенные экологические показатели, гарантированное обеспечение устойчивого воспламенения и горения твердых топлив без «подсветки» газом и мазутом, устранение шлакования. НТВ технология сжигания может быть реализована в традиционной камерной топке, путем ее модернизации в период капитального ремонта котла. Для подготовки топлива (помола) используются существующие мельницы с упрощенными сепараторами или без них. В большинстве случаев НТВ-технология сжигания не требует для ее реализации изменений в тепловой схеме котла и замены тягодутьевых устройств. Модернизация котлов с переводом их на НТВ-сжигание позволяет сравнительно просто и с малыми затратами обновить существующее котельное оборудование, улучшить его технико-экономические и экологические показатели, упростить эксплуатацию и повысить надежность работы котлов. Важным достоинством НТВ технологии сжигания является низкая чувствительность к колебаниям характеристик топлива. Это унифицирует топку по топливу и дает возможность сжигать в одном котле несколько видов твердого топлива.

НТВ-технология является эффективной альтернативой «классической» технологии сжигания твёрдого органического топлива в низкотемпературном кипящем слое. Сохраняя основное достоинство технологии кипящего слоя – возможности использования низкосортного и/или мелкодисперсного твёрдого топлива, вместе с тем выгодно отличается от неё именно при реконструкции существующих объектов тепловой электроэнергетики.

При реконструкции объектов тепловой электроэнергетики с переводом их на сжигание твёрдого топлива в низкотемпературном кипящем слое требуется, как правило, замена котлоагрегата. При этом, котлы сжигания низкосортного топлива в кипящем слое имеют, как правило, очень жесткие ограничения по фракционному составу угля, требуют использования значительного количества инертного материала для образования кипящего слоя, пусковых горелок на газе или жидком топливе, мощных высоконапорных вентиляторов, крупногабаритных «горячих циклонов» для осаждения циркулирующего материала и, как следствие, влекут за собой значительные капитальные расходы и относительно высокие эксплуатационные затраты.

В основу НТВ технологии заложен принцип организации низкотемпературного сжигания груборазмолотого твердого топлива в условиях многократной циркуляции частиц в камерной топке.

Рис. 4. Схема НТВ – топки: а-топливно воздушная смесь; b- воздух нижнего дутья; 1 –прямоточный факел; 2 – вихревая часть факела

В НТВ-топке (рис. 4) организованы две зоны горения, которые разнесены по ее высоте: вихревая (2) и прямоточная (1). Вихревая зона занимает объем нижней части топки от устья топочной воронки до горелок. Прямоточная зона горения располагается над вихревой зоной в верхней части топки.

Аэродинамика вихревой зоны создается за счет взаимодействия двух организованных потоков: первый поток (а) сформирован из топливно-воздушной смеси, поступающей в топку через горелки; второй поток (b) состоит из горячего воздуха, подаваемого в топку через систему нижнего дутья. Потоки направлены навстречу друг другу и образуют пару сил, создающую вихревое движение в нижней части топки.

В отличие от традиционной технологии пылеугольного сжигания, где основная часть топлива (до 92…96 %) сгорает в так называемой «зоне активного горения», расположенной в районе горелок и занимающей относительно небольшой объем камерной топки, в вихревой топке с НТВ технологией сжигания в «зону активного горения» вовлечен значительно больший объем топочного пространства. Это дает возможность снизить максимальную температуру в вихревой топке (примерно на 100…300 ^оС) и за счет активной аэродинамики выровнять уровень температуры в объеме вихревой зоны.

Пониженный уровень температуры, ступенчатый ввод окислителя, многократная циркуляция горящих топливных частиц и угрубление гранулометрического состава золы в совокупности обеспечивают улучшенные показатели вихревых топок по вредным выбросам: оксидам азота и серы, а также повышают эффективность работы золоулавливающего оборудования котельной установки.

Снижение генерации оксидов азота в НТВ-топке обусловлено условиями топочного процесса: низким уровнем температуры в зоне активного горения и ступенчатым подводом окислителя к топливу. Максимальная температура продуктов сгорания в классической НТВ-топке не превышает 1100…1250 ^оС. Вихревая зона топки является практически изотермичной. При таком температурном уровне образуются в основном «топливные» оксиды азота и количество «воздушных» оксидов азота ничтожно мало. Коэффициент избытка воздуха в горелках при НТВ-сжигании зависит от марки топлива и составляет порядка 0,5…0,8. В результате применения НТВ-сжигания удается снизить генерацию оксидов азота в 1,2…2,0 раза в сравнении с традиционной технологией сжигания в прямоточном факеле.

В НТВ-топке созданы благоприятные условия для связывания оксидов серы. Низкий уровень температуры определяет активное связывание оксидов серы основными оксидами (CaO, MgO) минеральной части топлива. Этому процессу способствует увеличение времени пребывания связывающих компонентов в вихревой зоне, а также меньшая оплавленность (то есть большая поверхность реагирования) частиц золы. Применение НТВ технологии сжигания позволяет повысить степень связывания оксидов серы в пределах газового тракта котла на 20…50 % (в зависимости от марки топлива) в сравнении с технологией прямоточного факела. Кроме того, как показывает опыт, условия вихревой топки позволяют эффективно использовать различные сорбенты на основе СаО для повышения степени связывания оксидов серы.

Укрупнение помола топлива при НТВ-сжигании приводит к укрупнению летучей золы уноса. Испытания золоулавливающего оборудования котлов, переведенных на НТВ-сжигание, показали повышение эффективности работы как установок циклонного типа, так и электрофильтров.

НТВ-топка отличается высокой устойчивостью воспламенения топлива, что особенно актуально при сжигании низкосортных топлив. Несмотря на пониженный уровень температуры, благодаря организованной многократной циркуляции горящих коксовых частиц топлива и ступенчатому подводу воздуха в вихревой зоне топки создан устойчивый и надежный механизм, стабилизирующий воспламенение и обеспечивающий выгорание топлива. Важную роль при этом имеет конструктивное исполнение горелочно-сопловых устройств и аэродинамические приемы, обеспечивающие взаимодействие горелочных и сопловых потоков между собой. НТВ-топка позволяет обеспечить эффективное сжигание низкосортных топлив.

Применение НТВ-сжигания позволяет практически полностью исключить шлакование поверхностей нагрева котла и повысить надежность его работы. Пониженный уровень температуры в зоне активного горения снижает количество расплавленных частиц золы, что в сочетании с активной аэродинамикой снижает вероятность возникновения отложений на поверхностях нагрева котла.

Возможны различные варианты систем подготовки и подачи грубоизмельченного топлива в топку котла при НТВ-сжигании. Выбор схемы подготовки топлива зависит от технических характеристик, реакционных свойств и гранулометрического состава (крупности) топлива.

Для каменных, некоторых бурых углей (с влажностью на рабочую массу W^r_t ≤ 45 %) и горючих сланцев рекомендуется схема подготовки и сжигания топлива, приведенная на рис. 5 с использованием молотковых мельниц с воздушной сушкой и упрощенным сепаратором, обеспечивающая умеренное угрубление помола.

Рис.5. Схема подготовки топлива для НТВ технологии сжигания бурых и каменных углей: 1-бункер топлива; 2- питатель топлива; 3-устройство подачи топлива; 4- горелка; 5- котел; 6-воздухоподогреватель; 17-дутьевой вентилятор; 8- горячий воздух; 9-первичный воздух; 10-вторичный воздух;11- нижнее дутье; 13- пылепровод;

Установлено, что концентрация оксидов азота в дымовых газах возрастает с увеличением температуры кипящего слоя. В то же время присутствие серы в топливе заметно снижает выход оксидов азота, так как одновременно с их образованием они расходуются на доокисление оксидов серы:

2 NO + 2 SO₂ = N₂ + 2 SO₃;

2 NO + SO₂ = N₂O + 2 SO₃.

Использование технологии низкотемпературного кипящего слоя позволяет в значительной степени решить проблему снижения выбросов оксидов серы в атмосферу. Для этого в кипящий слой вводят соответствующие присадки (известняк или доломит), связывающие серу в сульфат по реакциям:

CaCO₃ = CaO + CO₂; CaO + SO₂ + 0,5 O₂ = СaSO₄.

Были рассмотрены возможности с помощью кипящего слоя подавить образование диоксинов. Средние выбросы диоксинов от тепловых электростанций, по данным авторов, составляют 2,5 нг/м3, что в 2,5 раза выше допустимых. Однако необходимо отметить, что по общим объемам выбросов диоксинов тепловые электростанции стоят на четвертом месте среди различных источников (устройств индивидуального отопления, старых мусоросжигательных установок и автотранспорта) и доля их составляет 0,13% (без учета энергопредприятий, сжигающих различные отходы). По мнению авторов доклада, низкий уровень содержания диоксинов в продуктах сгорания можно получить при одноступенчатом сжигании топлива (и отходов) в топках с кипящим слоем, но для этого необходимо обеспечить такой режим, при котором увеличилось бы время пребывания продуктов горения в пределах слоя.

Важной качественной характеристикой угля, влияющей на эффективность его сжигания, является его фракционный состав. При повышенном содержании в топливе мелочи она, уплотняясь, закрывает прозоры в горящем топливном слое, что приводит к кратерному, горению, имеющему неравномерный характер по площади слоя. По этой же причине хуже по сравнению с другими видами топлива сжигаются бурые угли, имеющие свойство растрескиваться при нагреве с образованием значительного количества мелочи.

С другой стороны, использование чрезмерно крупных кусков угля (более 100 мм) также приводит к кратерному горению.

Влажность угля, вообще говоря, не ухудшает топочного процесса; однако она снижает удельную теплоту сгорания, температуру горения, а также осложняет хранение угля, так как при минусовых температурах происходит его смерзание. Для предотвращения смерзания влажность каменных углей не должна превышать 8%.

Метод сжигания в кипящем (псевдоожиженном) слое (СКС), главным образом, используется в промышленности для сжигания различных видов твердого топлива, включая каменный уголь, бурый уголь, торф и, в особенности, биомассу. Существует два основных варианта этой технологии: сжигание в стационарном (пузырьковом) кипящем слое и сжигание в циркулирующем кипящем слое. Котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) чаще используются на крупных предприятиях, где важно обеспечить устойчивое воспламенение топлива. Сжигание в стационарном (пузырьковом) кипящем слое – современная технология сжигания, которая особенно хорошо приспособлена для сжигания неоднородного биотоплива. В качестве наполнителя (инертного материала) используются такие материалы, как песок, зола, доломит, известняк, находящиеся на воздухораспредлительной решетке. При этом высота засыпки составляет 0,5-1,5 м. Плотность материала слоя составляет около 1000 кг/м3, а скорость псевдоожижающего потока воздуха - 1 м/с. Размер частиц наполнителя, как правило, находится в пределах 0,5-1,5 мм. Частицы меньшего размера уносятся газовым потоком, а большего – оседают на распределительную решетку.

Сжигание в циркулирующем кипящем слое (СЦКС) отличается от сжигания в стационарном слое в двух отношениях. Частицы наполнителя в этом случае меньше (0,1-0,6 мм), а скорость псевдоожижающего потока – больше (4-5 м/с). Благодаря этому поток воздуха выносит частицы из слоя и проносит их через топку во вторую ступень котла. В дальнейшем частицы, покинувшие топку, отделяются от дымовых газов при помощи циклона или каким-либо иным методом и возвращаются в кипящий слой. Отделение частиц может осуществляться в середине второй ступени или, частично, на выходе из котла, где также могут применяться электрофильтры или тканевые фильтры.

Угольная электростанция (рис. 6) является разновидностью теплоэлектростанций, в которой из первичного энергоносителя - угля

получают вторичную энергию - ток.

Для реализации технологической цепочки в рамках угольной электростанции работают различные промышленные установки, связанные между собой функциональными зависимостями. На рис. 6 показаны технологические установки каменноугольной электростанции и взаимосвязь между ними, причем буквами обозначены установки, а цифрами точки проведения технологических измерений.

Рис.6. Схема тепловой электростанции, работающей на каменном угле

Уголь в случае необходимости очищается, грубо измельчается и загружается в угольные бункера. При этом используется как каменный, так и бурый уголь. Напомним, что помимо времени образования (каменный уголь более, чем на 200 млн. лет старше, чем бурый), оба сорта различаются составом и, прежде всего, теплотой сгорания, которая у каменного угля в 3 раза выше.

Затем после сушки уголь перемалывается в угольной мельнице и вместе с предварительно нагретым воздухом вдувается как смесь угольной пыли и воздуха в топочную камеру котла, где сжигается при температуре около 1000 °C. Воздух для сжигания топлива поступает из воздухоподогревателя, куда закачивается первичный воздух и нагревается с использованием топочных газов. Топочную камеру окружает парогенератор. Он состоит из плотной системы труб, через которые проходит питательная вода котла. Тепло сгорания разогревает питательную воду до тех пор, пока она не превращается в пар, находящийся под давлением около 200 бар; полученный таким образом пар подводится к турбине. Твердые остатки оседают на дне котла. Дымовые газы, содержащие вредные вещества, поднимаются вверх и направляются в очистители дымовых газов.

В турбине посредством уменьшения давления пара с одновременным охлаждением тепловая энергия пара преобразовывается в кинетическую (энергию вращения). Расширившийся пар покидает турбину, имея температуру около 35 °C. Он попадает в конденсатор, где под воздействием водяного охлаждения (как правило, речной водой) сжижается и преобразуется в питательную воду. В генераторе (который жестко соединен с турбиной) по принципу индукции вырабатывается электрическая энергия. Во избежание потерь при передаче электроэнергии перед подачей энергии в сеть напряжение повышают с помощью трансформаторов до 200 кВ или выше .

При сгорании угля образуются выбросы, которые могут вызвать значительное загрязнение окружающей среды; это относится, прежде всего, к углекислому газу (CO2), оксиду серы (SO2), оксидам азота

(NOx) и пыли.

Реализуемые на электростанциях мероприятия по очистке дымового газа предусматривают использование следующих установок:

1.Установки для очистки дымового газа от сернистых соединений (REA).

2.Установки для очистки дымового газа от азота (DENOX),

3. Пылеулавливающие установки.

При очистке от сернистых и азотных соединений существует 2 альтернативных подхода:

первый предусматривает методы, которые действуют уже в процессе горения (первичные методы), а второй - методы, которые направлены непосредственно на очистку образовавшегося дымового газа (вторичные методы).

Для очистки дымового газа от сернистых соединений (REA) наиболее широкое распространение получил принцип промывки. Этот метод относится к группе вторичных методов и используется для обработки образовавшегося дымового газа. Основным компонентом REA является промывная башня, в которой неочищенный дымовой газ интенсивно обрызгивается суспензией для промывки (в большинстве случаев с этой целью используется измельченный известняк в воде). При этом в ходе химических реакций диоксид серы в значительной степени абсорбируется раствором для промывки. Газообразный диоксид серы сначала переходит в раствор, а затем связывается в сульфит кальция и в заключение в дигидрат сульфат кальция (гипс).

Для очистки дымового газа от азота используются различные методы. В качестве первичных методов, прежде всего, на электростанциях, использующих в качестве топлива бурый уголь, используются специальные горелки в комбинации с оптимизированной подачей воздуха, что позволяет уменьшить содержание оксида азота уже во время сгорания. В этом же направлении действует принцип сжигания угля в вихревой топке. Как вторичный метод получил распространение метод SCR (Selective Catalytic Reduction - избирательное каталитическое восстановление), в процессе которого

происходит избирательное восстановление оксидов азота. При этом дымовой газ обогащается смесью аммиака и воздуха, и в ходе химической реакции оксиды азота преобразуются в молекулярный азот и воду. Для очистки дымовых газов от азота, как правило, используются каталитические процессы, в ходе которых оксиды азота и использующийся в качестве восстановителя аммиак превращаются при высокой температуре в азот и водяной пар. Аммиак подводится через распылительное сопло, причем дозированный объем должен соответствовать фактической концентрации NO. С одной стороны, величина «проскока», то есть не расходуемого количества аммиака, попадающего в очищенный газ, должна поддерживаться на минимально возможном уровне (<2 mg/m3), с другой стороны, однако, очистка от азота не должна быть неполной из-за недостатка NH₃. Для решения обеих задач требуется непрерывное измерение аммиака в очень незначительной концентрации на выходе из установки DeNOX

При этом очень важна точная дозировка аммиака, для чего необходимы точные измерения.

Для пылеулавливания используются тканевые фильтры или (преимущественно) электростатические пылеулавливатели (электрофильтры). Последние для осаждения пыли используют действие сил на заряженную частицу в электрическом поле. Заряженные отрицательными ионами частицы пыли собираются на осадительном электроде. При использовании электростатического пылеулавливания существует опасность взрыва, обуславливаемого образованием соответствующей газовой смеси в электрическом поле.

Для предотвращения взрыва производится контроль концентрации СО перед фильтром.

При проведении требуемых измерений необходимо учесть основополагающее различия.

Принцип измерения с отбором пробы основан на анализе пробы, взятой из потока и соответствующим образом подготовленной (прежде всего, путем сушки посредством охлаждения), причем измерения производятся за пределами технологического процесса. В этом случае измерения производятся при оптимальных условиях, но с некоторым запаздыванием.

Принцип измерения In-Situ (без отбора пробы) предусматривает

измерения непосредственно в газовом канале одновременно с протеканием технологического процесса и, как следствие, обеспечивает очень быструю реакцию. Разумеется, что при этом компоненты измерительных приборов непосредственно подвержены влиянию жестких условий процесса. Кроме того, измерения производятся, как правило, во влажном газе, что должно учитываться при сравнении результатов измерения с данными, полученными при использовании других методов. Каждый из принципов измерения имеет свои области применения. Они дополняют друг друга, и поставщик, располагающий обоими принципами измерения, может предложить заказчику наилучшее решение для любого конкретного случая.

Итак, чтобы сжигать на отечественных ТЭС уголь и получать из него электроэнергию необходимо внедрять специальные интенсивные режимы сжигания и способы очистки дымовых газов, требующие автоматики и жесткого соблюдения технологии. Это требует дополнительные инвестиции в модернизацию ТЭС: примерно 100 долларов на каждый киловатт установленной мощности станции.