Энергия и ее проявления в природе

Паука научила людей пользоваться энергией, скрытой в сокровищницах земли.

Она должна вести человека в сокровищницы неба и научить его улавливать там энергию солнечных лучей.

К. Э. Циолковский

Понятие энергии занимает фундаментальное положение в структуре современного естествознания. Под энергией понимают единую меру различных форм движения материи. Она проявляется во множестве различных видов.

В механике различают два вида энергии: кинетическую и потенциальную. Кинетической энергией тела называют энергию, являющуюся мерой его механического движения и измеряемую той работой, которую може совершить тело при его торможении до полной остановки. Потенциальная энергия определяется как свойство системы материальных тел совершать работу при изменении положения или конфигурации тел в системе Работа, совершаемая консервативными силами при изменении конфигурации системы, т. е. расположения всех ее частей по отношению к систем отсчета, не зависит от того, как было осуществлено это изменение пр переходе системы из начальной конфигурации в конечную, где систем имела различные значения энергии. Значит, работа может быть определен как мера изменения энергии, а энергия — как способность тела совершат работу. Причем применительно к механическим процессам полная энерги замкнутой консервативной системы тел, равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной. Таким образом, всякое изменение потенциальной и кинетической энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической в потенциальную. В случае механического движения передача энергии происходи в форме работы в процессе силового взаимодействия тел.

В случае, когда помимо консервативной силы, зависящей только от положения тела, в системе действуют и силы трения, любая работа совершаемая над телом извне, равна сумме приращений кинетической потенциальной и внутренней энергии. Следовательно, механическая энергия при трении переходит во внутреннюю энергию, что сопровождаетс изменением состояния, степени нагретости или объема тела. Величин внутренней энергии (II) можно увеличить двумя эквивалентными способами — совершая над телом механическую работу (А) или сообщая ем количество теплоты ((2). При этом Ди = А + ().

Итак, количество теплоты является мерой изменения внутренней энергии тела и выражает тепловую энергию. Установлен эквивалент между количеством теплоты и работой. Теплота может передаваться от тела к телу переходить в работу, возникать при трении, но при этом она не являетс сохраняющейся величиной. Механическая и тепловая энергия — это тольк две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либ из этих форм, есть тоже форма энергии. Химические реакции протекаю с выделением или поглощением теплоты, показывая взаимопревращени химической энергии и теплоты. Работы Фарадея и Ленца привели к открытию взаимопревращений электрической и магнитной энергии. Изучени Пельтье и Ленцем процессов, происходящих в контактах двух металлических проводников, свидетельствуют о взаимопревращении электрическо энергии и теплоты. Джоуль устанавливает соотношение между величино количества теплоты, выделяемой при прохождении электрического ток через проводник, и величиной самого тока и сопротивления проводник (закон Джоуля — Ленца).

Электрическая и магнитная энергия могут проявляться как единая электромагнитная энергия. В частном случае электромагнитную энерги испускают нагретые тела, примером служит солнечная энергия. Иногд солнечную энергию рассматривают лишь как прямое солнечное излучение которое накапливается на Земле в виде гидроэнергии и энергии ископаемого горючего. Интенсивность солнечной энергии на поверхности Земл в средних широтах в летнее время составляет примерно 1 кВт/м². Есл 0,1% всей поверхности Земли преобразует эту солнечную энергию в электрическую с эффективностью 5%, то электрическая энергия, генерируема ежегодно, будет в 40 раз больше современного годового уровня потребления ее во всем мире.

В теории относительности было показано, что энергия покоя является энергетическим выражением массы тела, находящегося в состоянии покоя, А Эйнштейн показал, что энергия покоя тела с массой т₀ равна Е₀ = т₀с² Согласно этой формуле один грамм вещества обладает энергией поко 910 ¹³ Дж (10³³ эВ). В обычных условиях колоссальная энергия поко находится как бы в скрытом состоянии. Условия, при которых возможно освобождение всей энергии покоя вещества, весьма необычны: каждый атом тела должен встречаться с антиатомом антитела. При такой встреч произойдет процесс аннигиляции, т. е. превращения энергии покоя обои тел в другую форму энергии (например, в энергию покоя и кинетическу энергию образующихся при аннигиляции более легких, чем нуклоны частиц). Разумеется, аннигиляция элементарных частиц пока практического значения (как источник энергии) не имеет, так как для создани условий, при которых она может происходить, приходится затрачиват неизмеримо больше энергии, чем ее выделяется при аннигиляции.

Далеко не все вещества пригодны как источники энергии, и величина выделяемой энергии веществами имеет существенные различия. Например, величина энергии, необходимой для того, чтобы удерживать валентный электрон в атоме, составляет всего несколько электрон-вольт (эВ) в то время как величина энергии, связывающей нуклоны (протоны и нейтроны) в атомном ядре, достигает порядка 10 млн на каждый нуклон Следовательно, энергия, высвобождаемая на один атом при сжигании ископаемого горючего, составляет несколько электрон-вольт, в то время ка энергия, высвобождаемая в результате ядерных взаимодействий, исчисляется миллионами электрон-вольт (МэВ).

Химическая реакция (химическая энергия):

Реакция деления ядер (атомная энергия):

Реакция синтеза ядер (термоядерная энергия):

Полная энергия, запасенная во всех делящихся материалах, имеет такой же порядок величины, что и энергия, запасенная во всех месторождениях ископаемых топлив. Энергия же, выделяемая в результате синтез ядер, практически неограниченна.

Современная энергетика в основном базируется на горючих ископаемых, каковыми являются каменный и бурый уголь, сланцы, торф, нефть и газ. В настоящее время в мире добывается около 7 млрд т условног топлива в год. Из той энергии, которая вырабатывается из органическог топлива, около 25% расходуют транспорт (автомобильный, авиационный железнодорожный, морской) и сельскохозяйственные машины, 30—35%В потребляют тепловые электростанции, около 30% идет в металлургическу и химическую промышленность, в машиностроение и производство стройматериалов и не более 10% расходуется на бытовые нужды. Естественные запасы органического топлива пока еще велики, но не безграничны Считают, что с учетом постоянного, но все уменьшающегося пополнения этих запасов их будет достаточно еще на 80 лет или, но другим данным, на 120—140 лет. Поэтому давно и совершенно естественно встал вопро о новых источниках энергии. Решается этот вопрос во многих направлениях. Наиболее надежным из них считается расширение перспектив привлечения гидроресурсов, доля которых в стационарной энергетике сегодн составляет 17%. Но расширение сети гидроэлектростанций возможн лишь до определенного предела, разрешенного экологическими нормами Этот предел применительно к большим рекам нашей страны достигнут хотя в Дагестане есть еще резервы. Ставится задача использования энергии приливов и отливов морей, энергии ветра и волн. Не прекращаетс поиск новых запасов нефти на шельфах морского побережья. Но сжигани даже и добываемых ныне 7 млрд т органического топлива ведет к выброс в атмосферу 15—17 млрд т углекислого газа с примесями СО и даже Б0_2В со всеми вытекающими отсюда последствиями.

В связи с этим в настоящее время особенно заманчивым является процесс преобразования энергии покоя в кинетическую энергию («превращение массы в энергию»). Так как при обычных условиях любое тело обладает огромным резервом неиспользуемой энергии покоя Е₀ = т₀с², то даже ничтожно малое уменьшение массы покоя должно приводить к заметном возрастанию кинетической энергии. Атомная энергия получается за сче «переработки» примерно 0,1% массы самого тяжелого из существующи в природе элементов — урана, термоядерная энергия — за счет переработк части массы наиболее легких элементов, например дейтерия. В каждо из этих направлений есть две задачи: мгновенное и медленное преобразование массы в энергию. В первом направлении полностью решены обе задачи: В ученые и инженеры умеют высвобождать атомную энергию как в мгновенном процессе взрывного типа (атомная бомба), так и в медленном управляемом процессе (ядерный реактор). Сегодня атомная энергия широко используется в науке, промышленности и на транспорте. Во втором направлени пока решена только половина задачи — термоядерную энергию научилис высвобождать в мгновенном процессе взрывного типа (водородная бомба) Осуществление процесса медленного управляемого термоядерного синтез оказалось настолько трудной задачей, что сейчас нельзя даже приблизительно указать, когда она будет решена. Но она будет решена, так как эт трудности, по-видимому, не носят принципиального характера.

Любое атомное ядро состоит из некоторого количества протонов (2Г) и нейтронов (А — X), удерживаемых вместе ядерными силами притяжения (сильные взаимодействия). Ядерные силы отличаются очень большо интенсивностью на расстояниях ~10 ¹³ см и чрезвычайно быстро ослабевают с ростом расстояния. Так как для разделения ядра на нуклоны (протоны и нейтроны) надо совершить работу по преодолению ядерпых си притяжения, то энергия атомного ядра меньше энергии тех нуклонов из которых ядро состоит. Поскольку энергия и масса связаны соотношением Е = т. с², то масса атомного ядра также меньше суммарной массы все составляющих его нуклонов. Разность их значений, выраженная в энеше-тических единицах, называется энергией связи Д1Т. Она равна

Энергия связи любого ядра положительна, и она должна составлять заметную часть, приблизительно равную 1% от его энергии покоя. Если ж необходимо определить точные значения для различных ядер и подсчитат их по приведенной формуле, то можно убедиться, что они довольно сильн колеблются, в особенности у легких ядер. Доля, которую составляет энергия взаимодействия нуклонов от энергии покоя, зависит от числа взаимодействующих нуклонов. С ростом числа нуклонов она сначала возрастает, а затем уменьшается. Другими словами, нуклоны особенно прочно связан в средних (по весу) ядрах, слабее — в тяжелых и очень легких ядрах. Главная причина различия в энергии связи разных ядер заключается в следующем. Все нуклоны, из которых состоит ядро, можно условно разделит на две группы: внутренние и поверхностные. Внутренние нуклоны окружены соседними нуклонами со всех сторон, поверхностные же — тольк с внутренней стороны. Поэтому внутренние нуклоны взаимодействую с остальными нуклонами сильнее, чем поверхностные. Но процент внутренних нуклонов особенно мал у легких ядер (у самых легких ядер вс нуклоны можно считать поверхностными) и постепенно увеличиваетс по мере их утяжеления. Поэтому энергия связи должна расти вмест с ростом числа нуклонов в ядре. Однако этот рост не может продолжатьс очень долго, так как начиная с некоторого достаточно большого числ нуклонов (А = 50—60) количество протонов в ядре становится настольк большим, что делается заметным их взаимное отталкивание даже на фон сильного ядерного притяжения. Это отталкивание и приводит к снижени энергии связи у тяжелых ядер. Поэтому ядра одних атомов устойчивы, стабильны, а других атомов химических элементов — неустойчивы и нестабильны.

Из сказанного понятно и то, откуда берется энергия при синтезе легких ядер; так же как при делении тяжелых, получаются более прочные (боле устойчивые) ядра (с большей взаимосвязанностью нуклонов), чем исходные. Поэтому при слиянии легких ядер должна выделяться энергия.

Количество энергии синтеза, приходящейся на единицу массы, может в несколько раз превосходить удельную энергию деления.

Хорошо известно, что целый ряд атомных ядер элементов из числа встречающихся в природе, например радий, уран, торий и др., обладают способностью самопроизвольно испускать а-частицы, электроны и у-кванты Такие ядра и элементы называются радиоактивными. Про них говорят, чт они обладают естественной радиоактивностью. Кроме того, искусственны путем было получено множество радиоактивных ядер. Явление самопроизвольного превращения одних атомных ядер в другие, сопровождаемо испусканием элементарных частиц, называют радиоактивностью. Таки превращения претерпевают только нестабильные ядра.

К числу радиоактивных процессов относятся:

• 1. а-Распад.
• 2. р-Распад (в том числе электронный захват).
• 3. у-Излучение ядер.
• 4. Спонтанное деление ядер.
• 5. Протонная радиоактивность.

В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что у некоторых веществ (А1, В, М§) способность испускать позитроны сохраняется на некоторое время и после того, как облучение а-частицами уже прекращено Изучение этого явления показало, что по своим свойствам оно аналогичн естественной радиоактивности тяжелых элементов. Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам. Во всех видах радиоактивного превращения выполняются законы сохранения энергии, импульса момента количества движения, электростатического, барионного и лептон-ного зарядов. Механизм радиоактивного распада приведен на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Механизм радиоактивного распада.

Одной из самых замечательных ядерных реакций является реакция деления — реакция расщепления атомного ядра на две примерно равны, но массе части (осколки деления). Тяжелые ядра (2 > 90) делятся ка самопроизвольно (спонтанное деление), так и принудительно (вынужденное деление). В отличие от спонтанного вынужденное деление происходит практически мгновенно (? < 10^-14 с). Для вынужденного деления яде с 2> 90 достаточно их предварительно слабо возбудить, например облуча нейтронами с энергией около 1 МэВ. Некоторые ядра, например уран-235 делятся даже под действием тепловых нейтронов.

Масса (а значит, и энергия) делящегося ядра значительно превышает сумму масс осколков. В связи с этим при делении освобождается очен большая энергия — (2″ 200 МэВ, значительную часть которой («170 МэВ) В уносят осколки в виде кинетической энергии. Осколки деления имею большой избыток нейтронов. Поэтому они обладают р-радиоактивным цепочками из продуктов деления, а также испускают мгновенные (два-тр на один акт урана) и запаздывающие («1% мгновенных) нейтроны.

Большое энерговыделение, испускание нескольких нейтронов, возможность деления при небольшом возбуждении ядра позволяют осуществить ценную реакцию деления. Идея цепной реакции деления заключается в использовании вылетевших в процессе деления нейтронов для делени новых ядер с образованием новых нейтронов и т. д. Для нарастания цепног процесса необходимо, чтобы отношение числа нейтронов в двух последовательных положениях (так называемый коэффициент размножения нейтронов К) было больше единицы (К > 1).

Значение коэффициента размножения зависит от числа нейтронов, испускаемых в одном акте деления; от вероятности их взаимодействия с ядрами урана и других элементов при разных энергиях; от конструкции и размеро реакторной установки. В частности, активная зона реактора (область, гд развивается цепная реакция) должна иметь размеры не меньше некоторо критической величины.

Цепная реакция, протекающая в уран-графитовом реакторе на тепловых нейтронах при К «1,005, относится к классу медленных управляемых цепных ядерных процессов. Естественный уран не пригоден для осуществления быстрого цепного ядерного процесса взрывного типа на быстры нейтронах. Такой процесс был осуществлен в 1945 г. на чистом изотоп урана-235 и на обладающем аналогичными свойствами изотопе плуто-ния-239 — трансуранового элемента плутония.

Принцип работы атомной бомбы заключается в очень быстром сближении нескольких порций ядерного горючего, общее количество которых после их объединения превосходит по массе и размерам критические значения. Энергетическая эффективность атомной бомбы примерно в миллион раз превышает эффективность обычной бомбы.

После окончания Второй мировой войны основные усилия ученых-атомщиков были направлены на освоение атомной энергии для мирных целей. В 1954 г. у нас в стране пущена первая в мире атомная электростанция, в 1957 г. спущен на воду атомный ледокол. В настоящее врем атомная энергия применяется практически во всех областях народног хозяйства и науки и вносит все больший вклад в мировую энергетику Построено и работает много ядерных реакторов разных типов (на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах) с различными замедлителям (графит, вода, тяжелая вода, бериллий и др.) и совсем без замедлител (на быстрых нейтронах), с разным ядерным горючим (естественный уран обогащенный уран, плутоний и др.). Они используются и для получени энергии (атомные электростанции, суда и др.), и для различных научны исследований. И хотя чернобыльская трагедия резко заглушила эйфори от успехов атомной энергетики, ее развитие обещает в дальнейшем широкие возможности в электрификации, теплофикации и даже химизации Проблемы надежности работы атомных электростанций и их безаварийности более всего связаны с решением вопросов защиты атомных реакторо от внешних экстремальных воздействий (например, в условиях пожара) В и захоронения радиоактивных отходов. Но в ближайшей перспектив по мере развития ядерной энергетики и радиохимии хранилища изотопов т. е. осколков ядерного деления, могут превратиться в очаги производств ценнейших элементов, в частности платиноидов. Сегодня изотопы легки платиновых металлов, образующиеся в процессе деления ядер урана и плутония на атомных станциях, доставляют хлопоты: куда бы их подальше спрятать и изолировать. Но радиохимия, изучающая химические свойств и химические превращения радиоактивных веществ, уже в ближайше время должна решить задачу выделения этих ценных металлов и очищени их от радиоактивных примесей.

И все-таки современные электростанции нельзя считать вершиной достижений атомной энергетики и энергетики вообще, хотя они сегодн вносят около 12% вклада в общий энергетический баланс. Их недостаток —В не только в опасности, подобной чернобыльской катастрофе, а еще и в том что в качестве ядерного топлива используется изотоп урана-235, доля которого в природном уране составляет всего 0,7%. Поэтому развитие атомно энергетики на основе современного поколения АЭС определяется ресурсам урана, которые по энергетическому запасу сравнимы с запасами нефти.

Кроме реакции деления тяжелых ядер, существует еще один способ освобождения внутриядерной энергии — реакции синтеза легких ядер. Величина энерговыделения в процессе синтеза настолько велика, что при большо концентрации взаимодействующих ядер ее может оказаться достаточно дл возникновения цепной термоядерной реакции. В этом процессе быстро тепловое движение ядер поддерживается за счет энергии реакции, а сам реакция — за счет теплового движения. Для достижения необходимой кинетической энергии температура реагирующего вещества должна быть очен высокой (10⁷—10⁸ К). При такой температуре вещество находится в состоянии горячей, полностью ионизированной плазмы, состоящей из атомны ядер и электронов. Совершенно новые возможности открываются пере человечеством с осуществлением термоядерной реакции синтеза легких элементов. Можно представить себе три способа осуществления этой реакции:

• 1. Медленная термоядерная реакция, самопроизвольно происходяща в недрах Солнца и других звезд.
• 2. Быстрая самоподдерживающаяся термоядерная реакция неуправляемого характера, происходящая при взрыве водородной бомбы.
• 3. Управляемая термоядерная реакция.

Неуправляемая термоядерная реакция — это водородная бомба, взрыв которой происходит в результате ядерного взаимодействия:

приводящего к синтезу изотопа гелия Не³, содержащего в ядре два протона и один нейтрон, и обычного гелия Не⁴, содержащего в ядре два протона и два нейтрона. Здесь п — это нейтрон, а р — протон, Д — дейтерий и Т — тритий. При обеих реакциях Д + Д и Д + Т выделяется огромно количество тепла: один грамм газа, «сгорая», образует столько энергии сколько получается при сгорании примерно 12 т угля! Реакции протекаю при температуре 10⁷—10⁸ К. Поэтому удерживать столь высоко разогрету массу, состоящую из ядер, протонов и нейтронов (она получила названи плазмы), невозможно ни в каком котле, изготовленном из сколь угодно жаропрочного материала. Это обстоятельство оказалось главным препятствием на пути осуществления управляемой термоядерной реакции.

Но уже в 1950;х гг. отечественные физики первыми выдвинули и экспериментально обосновали принцип магнитной изоляции ядерной плазмы, которая позволяет уменьшить теплопередачу от плазмы к стенкам реактора. Впоследствии была сконструирована установка «токамак» — тороидальная камера магнитного удержания ядерной плазмы как ступен к решению задачи — управлению термоядерной реакцией.

Однако чем дальше углублялись исследования по решению этой задачи, тем больше появилось новых трудностей. И хотя ученые — физики наше страны, США, Англии и других государств продвинулись в этом направлении довольно далеко, конечная цель, как они теперь полагают, может быт достигнута не ранее чем через 100 лет.

Но существуют и другие препятствия на пути термоядерной энергии, главным из которых является возможный перегрев поверхности Земл в результате выделения тепла термоядерными реакторами. Собственно, реч идет о разумных экологических ограничениях производства термоядерно энергии в пределах не более чем 5% от солнечной энергии, поглощаемо Землей (рис. 10.3). Но даже и в этих пределах производство термоядерно энергии повышает разогрев земной поверхности на 3,7°. Считают, что разогрев выше этой предельной температуры может привести к существенном изменению климата всей нашей планеты, даже к всемирному потопу за сче таяния льдов Антарктиды и Гренландии. Так что нужны меры по поиску экологически безупречных и практически неисчерпаемых источников энергии.

Рис. 10.3. Распределение солнечной энергии на Земле.

Самой рациональной из таких мер является использование солнечной энергии. Эта мера никогда не приведет к перегреву Земли п к загрязнению ее атмосферы, поверхности и океанов. Солнце ежесекундно посылает на Землю 4 трлн калорий тепла. Около половины его рассеиваетс и поглощается атмосферой и около 10% задерживается в капельно-жидки и пылевых облаках. И все же остающаяся доля доходящей до поверхности солнечной энергии оказывается грандиозной, в десятки раз превышающей предельно допустимое производство термоядерной энергии.

Известные в наше время способы преобразования солнечной энергии в те виды, которые можно использовать в энергетике, условно делят на четыре типа: теплотехнические, физические, химические и биологические. Сегодня самыми распространенными являются теплотехнически способы. Но они находятся в зависимости от климатических условий, а их КПД при превращении тепловой энергии в электрическую и механическую не превышает 5%. Физические преобразователи солнечной энергии, в основе которых находятся полупроводниковые фотоэлементы, пок не нашли широкого применения. Они используются в космических кораблях. А построенные на базе кремневых фотоэлементов в качестве опытны наземные электростанции выдают энергию, которая примерно в 100 ра дороже электроэнергии, получаемой на атомных станциях.

Биологическое преобразование солнечной энергии происходит в результате фотосинтеза, происходящего в растениях. Благодаря этому на Земле образовались ископаемые топлива. Хотя на фотосинтез расходуется мене 1% всей солнечной энергии, падающей на Землю, урожай зеленой масс растений за год по своей калорийности примерно равен добываемым за го из недр Земли горючим ископаемым.

В настоящее время стала актуальной задача химического преобразования солнечной энергии, т. е. аккумулирования и запасания солнечной энергии методом фотосинтеза. В этом отношении представляет интере получение на основе преобразования солнечной энергии водорода из воды Разрабатываемые ныне искусственные молекулярные фотокаталитиче-ские системы все более приближаются к природным фотосинтезирующи объектам не только, но принципу их действия, но и, но самой организаци систем. Поэтому, возможно, в недалеком будущем удастся воспроизвест в искусственных условиях способность фотосинтезирующего аппарата растений запасать солнечную энергию в виде энергии химического топлив с одновременным выделением кислорода и КПД, близким к 40—50% Во всяком случае, широкомасштабное преобразование солнечной энерги в энергию химических топлив поставлено на очередь дня. Водород является самым высококалорийным и экологически чистым топливом. Он удобен и для стационарной, и для транспортной энергетики. Бесспорно, это —В универсальное топливо энергетики будущего.