Лекция 11

Проблемы современной энергетики.

Статистический характер второго закона термодинамики. Флуктуации.

Парадокс «тепловой смерти» Вселенной и его разрешение.

Энтропия и информация. Парадокс Максвелла и его разрешение.

Открытые системы. Процессы переноса тепла и массы. Принцип локального равновесия. Локальное производство энтропии. Конвективная неустойчивость Бенара.

Диссипативные системы. Явление самоорганизации.

Модель хищник-жертва как пример периодических процессов.

Круговорот биогенов в экосистемах и поток энергии через них.

Проблемы современной энергетики.

ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТОПЛИВ

Уголь, нефть и природный газ, которые в настоящее время являются нашими главными источниками энергии, называют горючими ископаемыми.

Предполагается, что они образовались миллионы лет назад в результате разложения растений и животных.

В настоящее время они расходуются гораздо быстрее, чем происходит их дальнейшее накопление.

Природный газ состоит из газообразных углеводородов (соединений углерода и водорода). Состав природного газа неодинаков, он содержит метан СН₄ с небольшими добавками этана С₂Н₆, пропана С₃Н₈ и бутана С₄Н₁₀.

ТАБЛИЦА 4.4. Теплотворная способность и состав некоторых рас­пространенных видов топлив

Нефть представляет собой жидкую смесь сотен различных соединений.

Большая их часть является углеводородами, а остальная часть представляет собой главным образом органические соединения, содержащие серу, азот или кислород

Уголь-это твердое вещество, содержащее углеводороды с большой молекулярной массой а также соединения серы, кислорода и азота. Наличие серы в угле и нефти имеет большое значение при обсуждении проблемы загрязнения воздуха.

Водород Н₂ представляет собой весьма перс­пективное топливо, поскольку имеет очень вы­сокую теплотворную способность, а при его сгорании образуется только вода, следовательно, он является «чистым» горючим, не вызы­вающим загрязнения воздуха. Однако его ши­рокому использованию в качестве источника энергии мешает то обстоятельство, что в приро­де содержится слишком мало Н₂ в свободной форме. Большую часть водорода получают раз­ложением воды или углеводородов. Такое раз­ложение требует расхода энергии, причем на практике из-за тепловых потерь на получение водорода приходится затрачивать больше энергии, чем ее можно получить при последующем использовании водорода в качестве горючего.

Однако если удастся создать большие и де­шевые источники энергии в результате развития техники получения ядерной или солнечной энергии, часть ее можно будет использовать на получение водорода. Этот водород можно будет затем применять как удобный носитель энергии. Экономически выгоднее транспортировать во­дород по существующим газопроводам, чем передавать электроэнергию; водород удобен как для транспортировки, так и для хранения. По­скольку современная промышленная технология основана на использовании горючих топлив, во­дород сможет заменить нефть и природный газ, когда эти виды топлива истощатся и станут бо­лее дорогими.

Потребление энергии: тенденции и перспективы

Среднесуточное потребление энергии на душу населения в США составляет около

1,3- 10⁶ кДж.

Это количество энергии приблизительно в 100 раз превышает наши энергетические потребности в пище.

В настоящее время почти 30% ежегодно производимой в мире энергии потребляется в США.

Относительная роль различных источников энергии со временем изменяется. Эти изменения (применительно к США) схематически представлены на рис. 4.12 .

Рис. 4.11. Ежегодное потребление энергии в США (1 Btu = 1,05 кДж).

Рис. 4.12. Картина ежегодного потребления различных видов энергии в США (Из статьи S F Singer, "Human Energy Production as a Process in the Biosphere", в журнале Scientific American, 1970)

До середины XIX века около 90% потребляемой энергии получали из древесины. Постепенно повышалась роль угля, который к 1910 г давал уже 75% потребляемой энергии.

В на­стоящее время на долю природного газа приходится 31%, на долю нефти 46%,

на долю угля 19% потребляемой энергии; около 2% энергии дают гидроэлектростанции и несколько больше 2%-атомные электростанции.

Возрастающая потребность в энергии является важнейшим фактором, который вы­зывает в США все новые энергетические кризисы, поскольку она приводит к все возра­стающей зависимости от импорта нефти. Но есть еще по крайней мере два других фактора: 1) интерес к созданию «чистых» источников энергии и 2) быстро уменьшаю­щиеся поставки отечественного природного газа и нефти. Самая большая проблема, связанная с использованием горючих ископаемых, заключается в том, что в конце концов мы полностью истощим их. При этом нам придется пользоваться все более дорогостоящими источниками этих видов топлива.

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) - существенный эле­мент экономики России, значимая часть мировой системы энерго­обеспечения. ТЭК занимает свыше 30% в промышленном производ­стве страны и более 60% в экспорте (2005 г.).

В XX в. в мире произошло 15-кратное увеличение уровня по­требления энергетических ресурсов с 0,82 млрд т.у.т.¹ в 1900 г. до 12,3 млрд т.у. т. в 2000 г. при опережающем росте использования углеводородов. Потребление коммерческой энергии на душу насе­ления увеличилось почти в 4 раза, превысив 2 т.у.т./чел. в год. Про­изошли крупные сдвиги в технологиях добычи (производства), транс­портировки и использования энергоносителей, имела место интер­национализация поставок при обострении конкуренции за доступ к источникам сырья. В первые годы XXI в. производство и потребле­ние энергетических ресурсов продолжало возрастать, достигнув в 2004 г. 14,3 млрд т.у.т.

В целом суммарное потребление энергетических ресурсов в мире в 1970-2004 гг. (более 360 млрд т у.т.) превысило объем их использо­вания за всю предшествующую историю развития человеческой ци­вилизации. В этот же период сформировались устойчивые законо­мерности функционирования системы энергообеспечения, в значитель­ной мере определяющие современное экономическое развитие.

¹ В качестве единицы условного топлива принимается 1 кг (для газообразных веществ -1 м³) топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг). 1 т.у.т. = 29,59183975427-10⁶ британских тепловых единиц (БТЕ); в среднем 1 т сырой нефти = 1,4т.у.т.; 1 тыс. м³ природного газа = 1,215017; 1 т автомобиль­ного бензина = 1,501706т.у.т.; 1т мазута (высокосернистого) = 1,337884; 1т кокса - 0,93; 1 т каменного угля = 0,750853; 1 т бурого угля = 0,535836;

1 т тор­фа = 0,4; 1 т дров (березовых) = 0,348123 т у.т.

Численность населения и потребление первичной энергии в мире в 1900-2005 гг.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ БУДУЩЕГО

Согласно некоторым оценкам, к концу XX века существующие запасы нефти и при­родного газа должны полностью истощиться, если не появятся другие источники энер­гии или не уменьшится ее потребление в расчете на душу населения. Этим определяет­ся значительный интерес к созданию новых источников энергии.

В настоящее время много усилий сосредоточено на исследовании возможностей использования ядерной и солнечной энергии и на разработке способов более эффективного использования угля. Проявляется также интерес к использованию геотермальной энергии (тепловой энергии, поступающей из недр земли), энергии ветра и морских приливов. Эксперты предсказывают, что каждый из этих трех источников энергии может внести неболь­шой, но важный вклад в общий баланс энергии, но в целом они не окажут решающего влияния на обозримое будущее, и поэтому мы не обсуждаем их подробнее.

Запасы угля превышают запасы всех остальных горючих ископаемых; на его долю приходится 80% запасов горючих ископаемых в США и 90% во всем мире.

Ис­пользование угля сталкивается с целым рядом проблем. Из всех видов топлив уголь вызывает максимальное загрязнение атмосферы. Его добыча нередко бывает дорогой и небезопасной. Месторождения угля могут находиться далеко от районов его потребления, так, в США большая часть неиспользованных богатых залежей угля находится в западной части страны, а потребители энергии сосредоточены большей частью вдоль восточного побережья; транспортировка угля на большие расстояния еще боль­ше повышает его стоимость. Некоторые специалисты утверждают, что уголь можно было бы использовать более эффективно, если превратить его в газ, который назы­вают синтетическим газом («сингаз»). В процессе превращения из угля можно удалить серу, что должно уменьшить загрязнение воздуха при последующем сжигании синте­тического газа. Синтетический газ легко транспортировать по трубам, и он может вос­полнить наши уменьшающиеся запасы природного газа.

Газификация угля требует добавления к нему водорода. Для этого уголь измельчают в пыль, которую обрабаты­вают перегретым паром. Продукт содержит смесь СО, Н₂ и СН₄, и все эти вещества можно использовать в качестве топлив. Однако условия процесса подбирают таким образом, чтобы получить максимальный выход СН₄.

Солнечная энергия является самым большим источником энергии в мире Солнеч­ная энергия, падающая только на 0,1% сухопутной территории США, эквивалентна всей энергии, потребляемой в США в настоящее время. Трудность использования сол­нечной энергии заключается в том, что она очень рассеяна, непостоянна во времени и зависит от погодных условий. Устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую, в настоящее время еще недостаточно эффективны. Один из воз­можных способов использования солнечной энергии заключается в создании «планта­ций энергии». На таких плантациях можно быстро выращивать большие урожаи раз­личных растений, сжигая затем эти растения для получения энергии. Солнечная энергия в настоящее время может служить как вспомогательное средство для обогре­ва жилищ совместно с традиционными; использование солнечных водонагревательных устройств и продуманное расположение стен и окон домов помогает создавать и под­держивать в жилищах необходимую температуру.

В заключение обсуждения отметим, что наше основное внимание было сосредото­чено на предотвращении энергетического кризиса путем создания новых источников энергии.

Однако к решению этой проблемы можно подойти и с другой стороны -сни­жая уровень потребления энергии на душу населения и непроизводительные затраты энергии. Такой путь экономии энергии, возможно, представляет собой наиболее раз­умный выход из положения.

Американцев недаром называют нацией "выбрасывателей". Действительно, около 30% общего производимого количества различных материалов предназначены для того, чтобы быть выброшенными сразу после использования.

Только в 1980 году в США было выброшено материалов на 4 миллиарда долларов. На их производство было затрачено десять процентов общего производства электроэнергии.

Иногда говорят, что в США слишком большое внимание уделяют упаковке продовольственных и других товаров. Например, перечислим одноразовую посуду, используемую в кафе быстрого обслуживания. В используемый набор входит пластиковая или бумажная коробка для гамбургера, стакан, покрытый пластмассой с пластиковой крышкой, пластиковая трубочка для питья, бумажный пакетик для жареного картофеля, пластиковый пакетик с кетчупом, бумажные пакетики с солью или перцем, бумажная салфетка, а также бумажная коробка для всей еды!

Иногда упаковка необходима. Она может предохранять вещества от смешивания или не позволяет им рассыпаться. Часто упаковка обеспечивает чистоту и безопасность. Но нередко даже простой стержень для шариковой авторучки упаковывается в отдельный пластиковый или бумажный футляр. (При этом этот стержень сконструирован так, что после использования его практически очень трудно вернуть в рабочее состояние.)

Промышленность, производящая все эти продукты, быстро росла.

В результате Соединенные Штаты, например, потребляют 50% всех добываемых на Земле природных ресурсов, хотя в этой стране проживает всего 5% общего населения планеты. За последние 40 лет США использовали больше ископаемого топлива и руд различных металлов, чем все население Земли за все предшествующие годы.

Посмотрим, что означает такой объем потребления на конкретном примере.

Согласно оценкам, за свою жизнь типичный житель США потребляет 26 миллионов галлонов воды, 52 тонны железа и стали, 6,5 тонны бумаги, 1200 баррелей нефти, 21 000 галлонов бензина, 50 тонн различных пищевых веществ и еще массу других природных ресурсов

(1 баррель = 158,76 л, 1 галлон = 3,78 л. - Пер.).

Все это громадное количество легче себе представить по уровню потребления энергии.

Египетские фараоны для построения пирамид использовали труд 100 тысяч рабов.

При сооружении Великой Китайской стены императорам требовался труд миллионов рабочих.

Чтобы жителю США было тепло дома и на улице, чтобы вырастить и приготовить для него пищу, транспортировать его и все необходимое для него, развлекать в часы отдыха, требуется энергия, равная труду 200 людей в течение полного трудового дня.

Статистический характер второго закона термодинамики.

Второе начало термодинами­ки говоря несколько упрощенно, гласит, что тепло не может увеличиваться самопроизвольно; иными словами, если более нагретое тело привести в контакт с менее нагретым, то будет наблюдаться выравнивание температур, а не увеличение их разности.

Это явление (выравнивание температур) долгое вре­мя не имело никакого теоретического объяснения. Впер­вые сформулированное немецким физиком Рудольфом Юлиусом Эммануэлем Клаузиусом (1822-1888), второе начало термодинамики носило чисто эмпирический ха­рактер. Правда, указывалось на аналогию между измене­нием температуры контактируемых тел и потоком воды, текущей вниз под действием собственной тяжести, но ситуация осложнялась тем, что не удавалось установить, какие же внешние силы управляют этим тепловым про­цессом. Поэтому, хотя эксперимент всегда обнаруживал уменьшение температуры, вплоть до последней четвер­ти прошлого столетия высказывались сомнения относи­тельно всеобщности второго начала термодинамики. Бо­лее того, некоторые ученые пытались опытным путем доказать, что существуют случаи, нарушающие справед­ливость этого начала.

Проекты некоторых вечных механизмов не противоречили перво­му началу термодинамики, поскольку ни трение, ни элек­трическое сопротивление не влияли на их работу. Тем не менее эти перпетуум-мобиле также не были реализо­ваны, потому что их создатели пытались обойти второе начало термодинамики, согласно которому определен­ное количество механической работы может всегда быть превращено в эквивалентное количество тепла. А вот об­ратный переход, то есть превращение некоторого количества тепла в то же самое количество работы, невозмо­жен по той простой причине, что часть тепловой энергии неизбежно теряется. В паровой машине основные поте­ри тепла (тепловой формы энергии) происходят из-за трения, нагрева самой машины и передачи тепла в окру­жающее пространство.

Карно тщательно изучил замкнутый цикл работы па­ровой машины, в течение которого вода нагревается до превращения в пар, пар движет поршень, затем конден­сируется, превращаясь в воду, вновь поступающую в ко­тел машины. Он пришел к заключению, что в процессе охлаждения и конденсации пара происходят неизбеж­ные потери тепловой энергии, и поэтому преобразование тепла в движущую силу «определяется исключительно температурой тел, между которыми происходит переда­ча калорий» (теплообмен). Открытие Карно представля­ет собой, по существу, первую формулировку второго начала термодинамики: совершая работу, тепло ведет се­бя подобно потоку воды в водяной мельнице, текущему сверху вниз. И чем больший путь вода при этом проде­лывает, тем большую совершает работу. Мы же говори­ли, что для совершения работы теплота должна переда­ваться от более нагретого тела к менее нагретому.

Идеи Карно были развиты Клаузиусом. Он ввел в на­уку термин «энтропия», характеризующий количество безвозвратно потерянного тепла.

В 1875 году вышла в свет знаменитая «Теория тепло­ты» Максвелла, в которой утверждалось, что характер действия второго начала термодинамики может быть уточнен следующим мысленным экспериментом. Если представить себе некое устройство, которое сортирова­ло бы молекулы по их скорости, то можно было бы без затраты работы и не нарушая закона сохранения энер­гии нагревать одну половину некоторого объема газа и охлаждать вторую. Результатом этого мысленного экс­перимента и будет увеличение тепла в одной части со­суда с газом и уменьшение в другой. Видоизмененное та­ким образом второе начало термодинамики приобрело вероятностный, а не детерминированный характер.

В конце прошлого столетия физики Больцман и Планк заложили научные основы этого вопроса. Больцман, в ча­стности, показал, что самопроизвольное выравнивание температур двух тел есть результат перехода молекул этих тел из менее вероятного в более вероятное состоя­ние. Гипотетическая передача тепла в направлении от менее нагретого тела к более нагретому в свете этого до­казательства возможна, но маловероятна.