Введение (стр. 3 )

2.2. Ветровая энергия.

Ветровая энергия продолжительное время использовалась в мореплавании, а также для приведения в движение мельничных колес. В последнее время она начала применяться для выработки электроэнергии. Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) предназначена для того, чтобы превращать кинетическую энергию ветра в энергию вращения ротора генератора, который и вырабатывает электроэнергию. Выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ро­тора и скорости ветра в кубе. Ветроэнергетические установки большой мощности, в мегаваттном диапазоне, должны быть по своим габа­ритам очень крупными, поскольку скорость ветра в среднем не бывает слишком большой. Одной из самых сложных проблем, препятствующих широкому распространению ВЭУ, является постоянно меняющаяся ско­рость ветра. Даже высоко в горах нельзя рассчитывать на стабильную скорость ветра. Кроме того, электроэнергия этими установками вырабатывается тогда, когда дует ветер, а не тогда, когда она необходима.

С тех пор как возродился интерес к использованию энергии вет­ра, во многих промышленно развитых странах предпринимались попытки определить ее потенциал. В результате выяснилось, что количество энергии, содержащееся в воздушных потоках, огромно. Так, по подсчетам канадских ученых, ветроэнергетический потенциал этой страны составляет около 550000 МВт. В целом энергия ветра на земном шаре оценивается примерно в 175-219 тыс. ТВт*ч в год (причем развиваемая им мощность достигает (20-25)*106 МВт). Это примерно в 2.7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Однако реально можно полезно использовать только 5% энергии ветра.

В РФ ресурсы энергии ветра также велики. Особенно богаты ветроэнергетическими ресурсами северные районы страны (прибрежная по­лоса Северного Ледовитого океана шириной 100-200 км и восточные районы). По расчетам, с 1 км2 поверхности земли в северных районах может быть получена мощность кВт в зависимости от ско­рости ветра. Время использования ВЭУ может составить ча­сов в год, причем 30% времени они будут работать с установленной мощностью.

2.3. Геотермальная энергия.

Геотермальная энергия обязана своим происхождением горячей магме, которая проникает из недр земли и подходит близко к поверхности. Источники глубинной теплоты расположены во многих частях земного шара, как правило, вблизи районов геологической активности. Геотермальные месторождения можно подразделить на следующие виды:

1) гидротермальные системы (на глубине до 3 км). Они могут быть: с преобладанием сухого пара, с преобладанием горячей воды;

2) системы аномально высокого давления (на глубине до 10 км);

3) сухие горячие горные породы (на глубине до 10 км). Наиболее эффективны и освоены такие геотермальные месторожде­ния, в которых горячий сухой пар выходит на поверхность земли. В настоящее время широкое применение находят месторождения, в кото­рых преобладает горячая вода.

Магма нагревает вышележащую пористую породу за счет конвек­ции. Пористая (водоносная) порода, если она сверху покрыта плотной водонепроницаемой породой, и является источником геотермальной энергии. Если в этих местах возникают трещины в земной коре, то нагретая вода вытесняется вверх. По мере ее поднятия к поверхности земли, давление воды падает, и она превращается в пар. Если на­чальная температура воды и ее давление достаточно высоки, то в пар превращается вся вода. Это месторождение сухого пара. Однако в большинстве районов мира извлекаемые геотермальные флюиды представляют собой смесь пара и горячей воды (в сущности, горячий рас­сол, так как геотермальные флюиды содержат большое количество растворенных химических веществ).

Геотермальные системы аномально высокого давления в настоящее время активно изучаются. Для систем подобного типа характерно то, что горячая вода "заперта" в обширных, глубоко залегающих осадоч­ных бассейнах: температура воды обычно не достигает и 200°С, одна­ко давление внутри резервуара колеблется от 500 до 900 МПа.

Использование геотермальной энергии сопровождается рядом трудностей. На любом геотермальном месторождении температура флюи­дов (пара, воды, рассола) обычно гораздо ниже, чем пара, вырабаты­ваемого в стандартном котле, поэтому необходимо принимать особые меры для более эффективного преобразования энергии. Отработанные геотермальные флюиды содержат довольно много растворенных мине­ральных веществ. Их можно удалить из геотермальной воды, например, в испарителе с мгновенным вскипанием. В таком испарителе минерали­зованную воду нагнетают в камеры с пониженным давлением. Часть во­ды моментально превращается в пар, а минеральные вещества остаются в концентрированном рассоле. На рис.2.1 приведена структурная схе­ма геотермальной установки многоцелевого назначения.

Рис.2.1. Структурная схема геотермальной установки:

1 - скважина; 2 - сепаратор; 3 - турбина; 4 - генератор; 5 - мно­гоступенчатый испаритель мгновенного вскипания; 6 - конденсатор; 7 - выпарной аппарат; СМПГ - смесь пара и горячей воды (200-300°С); П - пар (150-200°С); МР - минерализованный рассол; КР - концентри­рованный рассол; ИВ - испарявшаяся вода; ОпВ - опресненная вода; МВ - минеральные вещества; 0В - охлаждающая вода

Геотермальная энергия уже используется в ряде стран мира. Ни­же приведена установленная мощность ГеоТЭС в различных странах, МВт:

США...........................................

Италия.........................................

Новая Зеландия..........................

Мексика......................................... 75

Япония........................................

Россия............................................... 6

Исландия....................................... 3,4

Мировые запасы геотермальной энергии оцениваются в размере 4*1022Дж, причем около 10% данных ресурсов сосредоточены в США. Чтобы приступить к массовому освоению этого вида энергоресурсов, необхо­димо сначала решить несколько технологических и экологических проблем. Большая часть затрат на основание геотермальной энергии связана с бурением скважин диаметром до 60 см. Высокое содержание солей в геотермальной воде и паре приводит к тому, что через нес­колько лет работы происходит закупорка этих скважин и необходимо их новое бурение. По большинству скважин поступает не пар, а горя­чая вода, что уменьшает КПД выработки электроэнергии. Отбор тепло­ты из геотермального источника происходит обычно быстрее, чем ее возмещение за счет естественного процесса. В результате со време­нем температура пара или горячей воды начинает снижаться, уменьша­ется также их поступление на поверхность. Это означает, что насту­пает исчерпание источника геотермальной энергии.

В РФ также ведутся работы по использованию геотермальной энергии. Источники этой энергии у нас имеются на Кавказе, на Кам­чатке, на острове Кунашир, на Сахалине и в ряде мест Забайкалья. Первая ГеоТЭС в РФ была построена на Камчатке в 1967 г. мощностью 5 МВт. Начато изготовление комплектных ГеоТЭС мощностью 2,0; 2,5 и 20 МВт для Камчатской и Сахалинской областей.

2.4. Солнечная энергия.

Рассмотренные выше геофизические источники энергии могут обеспечить в последующие десятилетия лишь незначительную часть потребностей в энергии и оказаться неприемлемыми для освоения в крупных масштабах. Как отмечалось, органическое топливо является невозобновляемым ресурсом, и его использование связано с нанесением значительного ущерба окружающей среде.

Необходимо располагать неисчерпаемым дешевым и возобновляемым источником энергии, не загрязняющим окружающую среду. Таким источ­ником является Солнце. Поток солнечного излучения составляет около 3,8-1026 Вт и представлен всем спектром электромагнитных волн. Од­нако основная его масса приходится на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную части спектра. Энергетическая освещенность земной ат­мосферы составляет примерно 1,4 кВт/м2, а поверхности Земли - око­ло 1 Вт/м2. Пока не существует экономичного способа преобразования этой энергии в электрическую, но работы в этом направлении ведут­ся.

Наиболее подходящим направлением преобразования солнечной энергии в полезную работу является ее использование, для замещения органического топлива при получении теплоты в парогенераторе. Од­нако, как и при применении органического топлива, КПД преобразова­ния ограничивается диапазоном температуры рабочего тела, в данном случае пара. Поскольку создание и эксплуатация очень крупных кол­лекторных систем для концентрации солнечных лучей является делом сложным, в настоящее время в таких системах удается получить пар с относительно небольшой температурой; как следствие, КПД преобразо­вания солнечной энергии в электроэнергию в таких установках может составлять около 10%. Чтобы получить 1 ГВт электрической мощности, потребовалось бы 10 ГВт мощности солнечного излучения. В создании системы таких масштабов и связанного с ней другого оборудования имеются определенные технические трудности. Стоимость электроэнергии, производимой солнечной электростанцией, в 10 раз выше, чем электроэнергии, вырабатываемой тепловой станцией на органическом топливе.

Следует рассмотреть еще два "узких" места крупных солнечных электростанций - аккумулирование энергии и ее передача. Для обес­печения круглосуточного электроснабжения от солнечной электростан­ции требуется обеспечить аккумулирование энергии. Одним из вариан­тов решения этой проблемы является создание аккумулятора теплоты в химически связанном виде. Если бы был найден материал с высокой теплотой плавления и низкой точкой плавления, то избыточная тепло­та, вырабатываемая в дневное время, могла бы аккумулироваться, а в ночное время - использоваться для покрытия нагрузки. Другим вариантом является аккумулирование электроэнергии, например, с помощью -гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Обе системы аккумулиро­вания энергии имеют недостатки - высокую стоимость и низкий КПД.

Рассмотренные выше системы преобразования солнечной энергии могут быть названы непрямыми системами преобразования, так как энергия солнечного излучения преобразуется в электрическую энергию в несколько стадий. На этих стадиях неизбежны потери энергии.

Существуют способы непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую без использования промежуточных стадий. Например, фотоэлектрическим преобразованием. В настоящее время по­явились два направления крупномасштабного использования принципа фотоэлектрического преобразования. Одно из них предусматривает ис­пользование искусственных спутников Земли, выведенных на геосинх­ронные орбиты и оборудованных солнечными панелями из фотоэлемен­тов. Вырабатываемая ими электроэнергия преобразуется в электромаг­нитные волны в микроволновом диапазоне частот и направляется на Землю. Приемная антенна площадью около 3 км2 могла бы обеспечить прием мощности, примерно 3 ГВт при интенсивности излучения 1 кВт/м2. О практической реализации этого направления в ближайшие годы говорить рано, поскольку созданные к настоящему времени преобразовательные устройства обладают очень малым КПД, а их масса и стоимость слишком велики.

Второе направление предусматривает монтаж сборных панелей солнечных фотоэлектрических элементов в малонаселенных пустынных районах Земли.

3. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

3.1. Ядерное деление.

Если предположить, что начнется более широкое использование угля, то органических топлив, возможно, хватит на четыре-пять деся­тилетий для обеспечения потребностей человечества в энергии. После этого периода основным энергоресурсом может стать или не стать солнечная энергия. Практически уже сейчас ощущается необходимость иметь источник энергии на переходный период, причем этот источник должен быть практически неисчерпаемым, дешевым, возобновляемым и не загрязняющим окружающую среду. И, хотя ядерная энергия не отве­чает полностью всем перечисленным, требованиям, вероятно, что имен­но она будет "переходным" источником энергии. Чтобы достоверно оценить общие ресурсы ядерной энергии, рассмотрим коротко два из­вестных ядерных процесса - деление и синтез.

Ядерные реакторы используют избыточную энергию деления изото­па урана с массой 235, которая в среднем составляет 210 МэВ на один распад (1 эВ=1,6*10-19 Дж). Устройство реактора достаточно сложно, если говорить о технических деталях, однако, по сути, это всего лишь паровой котел, производящий пар для вращения турбины (рис.3.1).

Рис.3.1. Схема потоков вещества и энергии в легководном реак­торе на тепловых нейтронах:

1 - обогащение урановой руды; 2 – замедлитель; 3 - делящийся мате­риал; 4 - полезная работа; 5 - переработка топлива; 6 - конденса­тор; Р - реактор: СБТ - сбросная теплота; Т - теплоноситель; БН - быстрые нейтроны; ТН - тепловые нейтроны: ВГ - восстановленное го­рючее; ПРИ - полезные радиоактивные изотопы; От – отходы

Быстрые нейтроны с энергией больше 1 МэВ, образующиеся в ходе реакции деления в ядерном топливе, отдают свою кинетическую энергию замедлителю в виде теплоты. Отдавшие свою энергию нейтроны (замед­ленные нейтроны) используются для поддержания цепной реакции в ядерном топливе. Продукты распада являются носителями кинетической энергии, которая преобразуется в теплоту в тепловыделяющих эле­ментах (ТВЭЛ). Температура ТВЭЛ, как правило, превышает 1000°С.

Большинство неорганических соединений урана растворимо в во­де, поэтому уран в низких концентрациях очень широко распространен по всему земному шару. В большей части гранитов и сланцев его кон­центрация колеблется в пределах 10-5 – 10-4 %. Концентрированная руда, в основном уранит, карнотит, давидит и конгломераты, встреча­ется во многих районах земного шара (США, Канаде, Южной Америке, Южной Африке и др.).

Оценки запасов урана еще более противоречивы, чем нефти. Это происходит потому, что оценка размеров полезных запасов урановой руды, по существу зависит от того, как они используются. В частнос­ти, от того, как происходит обогащение урана и в каких реакторах он применяется. В природе встречаются два изотопа урана: 235U и 238U - в неодинаковом количестве. Запасы 238U составляют 99, З % от общих запасов урана, а 235U всего лишь 0,7%.

Ядро 235U чрезвычайно неустойчиво и делится при попадании в него нейтронов любых энергий. Ядро 238U устойчиво и делится только при попадании быстрых нейтронов (обладающих большой энергией). Вы­деление нейтронов при делении 238U невелико, и вызвать цепную ре­акцию этого изотопа урана невозможно.

Предполагается, что при затратах на добычу до 130 дол./кг изв­лекаемые запасы урана в мире составят 6 млн. т и дополнительные ге­ологические ресурсы 10-20 млн. т. При варианте развития ядерной энергетики на тепловых реакторах с однократным использованием ядерного горючего уже после 2000 г. необходимо будет значительно увеличивать долю разведанных запасов.

3.2. Реакторы - размножители на быстрых нейтронах.

Как отмечено выше, запасы дешевого урана не безграничны и их недостаток уже будет ощущаться после 2000 г. Даже если бы ситуация с запасами урана и не была столь критической, необходимо принимать во внимание и другой фактор. Изотоп 235U, являясь единственным встречающимся в природе делящимся изотопом, относится к невозобновляемым ресурсам. Этот изотоп не образуется в природе, и, если экономически извлекаемые запасы 235U использовать полностью в теп­ловых реакторах, он исчезнет навсегда. Поэтому следует создать та­кую технологию, которая позволила бы применять встречающийся в го­раздо больших количествах изотоп 238U. Этот изотоп не поддержива­ет цепную реакцию под воздействием нейтронов, но может быть преоб­разован в такой элемент, который такую реакцию поддерживает.

Ядра 238U поглощают быстрые нейтроны. В образующихся ядрах 239U начинается, b - распад, имеющий период полураспада 23,5 мин, после чего получается элемент нептуний. Этот изотоп также распада­ется, испуская b - частицы, и превращается в плутоний. Период по­лураспада равен 2,35 сут. Символически это можно записать так:

Данный процесс представляет собой расширенное воспроизводство ядерного горючего. Плутоний 239Pu даже в большей степени, чем 235U подвержен тепловой нейтронной реакции деления, и за одно де­ление у него образуется в среднем большее число нейтронов.

Рис.3.2. Схема потока вещества и энергии в реакторе - размножи­теле на быстрых нейтронах:

1 - обогащение урановой руды; 2 - делящийся материал; 3 - ядерное топливное сырье; 4 - восстановление делящегося материала; 5 - про­дукты радиоактивного распада; 6 - полезная работа; 7 - конденса­тор; РБН – реактор - размножитель на быстрых нейтронах; БН - быстрые нейтроны; СБТ - сбросная теплота; Т – теплоноситель

На рис.3.2 приведена структурная схема реактора - размножителя на быстрых нейтронах. В результате реакции деления в ядерном горю­чем 239Pu образуются быстрые нейтроны, ее продукты деления выделя­ют в топливных элементах теплоту. Затем теплота поглощается теплоносителем и используется для производства пара. В защитном слое из воспроизводящего материала 238U быстрые нейтроны образуют новое ядерное горючее. Выделение плутония из защитного слоя осуществля­ется химическим путем. В реакторе - размножителе на быстрых нейтро­нах в качестве теплоносителя нельзя применять воду, поскольку за­медление нейтронов в данном случае нежелательно. Вместо воды в современных конструкциях в качестве теплоносителя используется жидкий натрий, что позволяет увеличить термический КПД атомных электростанций (АЭС) с 30 до 40%. Несмотря на свойственные им не­достатки, реакторы - размножители на быстрых нейтронах могут найти широкое распространение, поскольку их внедрение обеспечит многок­ратное увеличение запасов урана. Реакторы на быстрых нейтронах об­ладают возможностью воспроизводства ядерного горючего с коэффици­ентом воспроизведения 1,4 и выше и временем удвоения ядерного го­рючего менее 10 лет. Но все же это время пока велико, так как тре­буется лет, чтобы реактор на быстрых нейтронах мог выработать плутоний, необходимый для построения такого реактора.

3.3. Термоядерный синтез.

Наиболее широко встречающимся в природе элементом является водород. Несмотря на то, что в свободном состоянии в атмосфере Земли водорода очень мало, огромное его количество содержится на ее поверхности в различных, устойчивых соединениях, в частности в воде. Существуют и изотопы водорода: 1Н, 2H, 3Н. Ядро первого представляет собой протон. Дейтерий 2H устойчив и встречается в природе в количестве примерно 0,015% количества изотопа 1H. Третий изотоп, тритий 3H, неустойчив и имеет период полураспада 12,26 лет. Его легко получить в ходе различных ядерных, реакций. Эти изо­топы могут воспроизводить такие ядерные реакции, при которых сум­марная масса конечных продуктов реакции получается меньше, чем суммарная масса веществ, вступивших в реакцию. Разница в массах, как и в случае реакции деления, составляет кинетическую энергию продуктов реакции. Наибольший интерес представляют следующие реак­ции:

(3.1)

(3.2)

(3.3)

Такой тип ядерной реакции, при котором по крайней мере одно из образующих ядер имеет массу, большую, чем масса любого из пер­воначальных ядер, называется реакцией термоядерного синтеза.

Несмотря на то, что количество энергии, получаемой в резуль­тате единичной реакции синтеза, меньше по сравнению с реакцией де­ления, энергия в расчете на 1 кг вещества сопоставима и составляет 2,37*1013 Дж. Такое количество энергии можно получить примерно из 3 м3 воды при помощи реакции синтеза по типу (3.1), (3.2), (3.3). Энергия, содержащаяся в 1 км3 морской воды, эквивалентна энергии, запасенной в 180 млн. т сырой нефти ( это составляет около 1/1000 всех мировых геологических ресурсов нефти). Суммарный объем океан­ской воды, по оценке специалистов, равен примерно 1,5*109 км3. Если удастся овладеть термоядерным синтезом, можно будет получить поис­тине неограниченный источник энергии. Однако поддержание реакции синтеза в течение какого-либо продолжительного периода времени в замкнутом пространстве, из которого можно было бы отводить теплоту для производства пара, является очень трудной проблемой.

Рис.3.3. Схема потоков вещества и энергии в термоядерном реак­торе:

1 - сепарация дейтерия; 2 - камера термоядерного синтеза; 3 - бланкет-замедлитель; 4 - полезная работа (турбина); 5 - конденсатор; ТР- термоядерный реактор; Т - теплоноситель; СбТ - сбросная теплота; ПТР - продукт термоядерной реакции 4Не; Н - нейтроны; МО - мировой океан

На рисунке показана схема потока вещества и энергии в термоядерном реакторе. Для того, чтобы заставить ядра вступать в реакцию синтеза, требуются высокие температуры, но удовлетворительного способа создания и поддержания таких температур до сих пор не найден. Большие проблемы возникают в развитие системы магнитного удержания плазмы. Если они будут решены, то возникнет проблема отбора и преобразования избыточной энергии, проявляющейся главным образом в сфере кинетической энергии нейтронов. Для этого потребуется теплоноситель с высокой теплоемкостью и в то же время мало подверженный влиянию интенсивного нейтронного облучения в реакторе. Подходящим для этого является металл литий – он имеет высокую точку кипения и отличные характеристики теплопроводности. Два встречающихся в природе устойчивых изотопа лития вступают в реакцию с нейтронами:

(3.4)

(3.5)

Энергия отдачи продуктов реакции – трития и гелия – поглощается металлическим литием, при этом выделяется теплота. Образующийся тритий является весьма опасным для окружающей среды из-за возможности его попадания в организм при дыхании.

Наибольшее количество избыточной энергии на килограмм реагентов приходится на реакцию синтеза дейтерий – тритий (3.3). Но в природе обычно тритий не встречается, поэтому желательно получать требуемое количество трития в самом реакторе. В этом смысле термоядерный реактор является реактором – размножителем, и это его свойство является особенно опасным для окружающей среды.

С наступлением энергетического кризиса исследования в области термоядерного синтеза стали усиленно развиваться, в том числе и в РФ. В 1975 г. в Институте атомной энергии им. была введена крупнейшая в мире опытная термоядерная установка “ Токамак-10”. Эта установка предназначена для нагрева водорода до десятка миллионов градусов и удержания нагретого вещества в течение продолжительного времени. В нагретом до таких температур газе, состоящем из изотопов водорода, начинается так называемая термоядерная реакция, т. е. слияние ядер изотопов водорода в более тяжелые ядра гелия.

Этот процесс сопровождается выделением колоссальной энергии. Достаточно сказать, что при ядерном сжигании 1 кг изотопов водоро­да выделяется в 10 млн. раз больше энергии, чем при сжигании 1 кг угля. С вводом в строй установки "Токамак-10" наши ученые получили мощный инструмент для исследований в области термоядерного синтеза.

4. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ И ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ.

4.1 Основные законы термодинамики.

Многие задачи, возникающие при анализе энергетических объек­тов, можно свести к рассмотрению последовательности процессов пе­редачи энергии от одной системы к другой. На рис.4.1 показаны ос­новные стадии преобразования энергии органического и ядерного топ­лива в электрическую. Такие стадии преобразования присутствуют в различных типах энергетических установок. Закономерности преобра­зования энергии являются предметом термодинамики. Начнем изложение основ термодинамики с простейшей модели знергетической установки (рис.4.2). Совокупность элементов внутри модели контура будем на­зывать системой. Она включает: парогенераторы, трубопроводы, тур­бины, генератор, конденсатор, насосы. В данной системе совершаются три основных процесса: испарение, расширение и конденсация рабоче­го тела. Стрелками, связывающими эти три процесса, показано нап­равление движения рабочего тела между отдельными элементами систе­мы. На электростанциях рабочим телом в большинстве случаев являет­ся вода. Принцип работы рассматриваемой установки следующий: под­водимая к системе энергия расходуется на испарение рабочего тела в элементе 1. В точке В рабочим телом является пар с высокой темпе­ратурой и высоким давлением. Затем рабочее тело расширяется, вызы­вая вращение турбины 2, которая приводит во вращение турбогенера­тор, вырабатывающий электроэнергию. В точке С рабочее тело - еще пар, но с очень низкой температурой и очень низким давлением. В конденсаторе 3 рабочее тело переводится вновь в жидкое состояние и приобретает исходную температуру и давление. Энергия, которую не­обходимо вывести при этом из системы, обычно отбирается охлаждаю­щей водой. Рабочее тело после выполнения цикла А-В-С-Л возвращает­ся в точку А без каких-либо изменений.

Используем закон сохранения энергии для анализа рассмотренной системы. Если в системе не произошло изменений, то количество под­веденной к ней энергии.

(4.1)

где Евых – отведенная от системы энергия; Wвых – совершенная системой работа.

Это однако, еще не позволяет рассчитать КПД энергетической установки, поскольку мы не знаем соотношения между величинами Евых и Wвых для заданной Евх.

Рис.4.1. Преобразование некоторых видов энергии в электричес­кую:

1 - химическая энергия топлива; 2 - ядерная энергия топлива; 3 - внутренняя энергия рабочего тела; 4 - кинетическая энергия; 5 -электрическая энергия; СТ - сжигание топлива; РЯТ - распад ядерно­го топлива; Р - расширение рабочего тела; ВРТ - вращение ротора турбогенератора

Рис.4.2. Схема энергетической установки:

1 - испаритель; 2 - расширитель; 3 - конденсатор; ПЭ - подводимая энергия; СР - совершаемая работа; ОЭ - отводимая энергия

Для изменения агрегатного состояния рабочего тела в модели на рис. 4.2, например, его испарения или конденсации, нужно подвести или отвести определенное количество энергии. Таким образом, рабо­чее тело обладает свойством запасать энергию. Будем характеризо­вать изменение внутреннего состояния рабочего тела количеством за­пасенной им энергии, которое обозначим Езап. В табл. 4.1 указаны количества подводимой, запасаемой и отводимой энергии на каждой стадии. Количество подводимой энергии в сумме равняется количеству отводимой энергии и совершаемой работы, а сумма Езап должна рав­няться нулю, поскольку рабочее тело возвратилось в исходное состо­яние.

Таблица 4.1

Стадия	Подводимая энергия	Совершаемая работа	Отводимая энергия	Изменение энергии системы
Испарение	Евх	0	0	Езап1
Расширение	0	Wвых	0	Езап2
Конденсация	0	0	Евых	Езап3
Итого	Евх	Wвых	Евых	Езап

Можно сделать вывод, что для рассмотренной модели энергети­ческой установки справедливо (4.1). Но мы по-прежнему не можем рассчитать ее КПД, так как подведенная и отведенная энергия предс­тавляют собой теплоту. Известно, что если два тела, имеющие перво­начально различные температуры, привести в тепловой контакт (воз­можность теплообмена), то энергия будет передаваться от более наг­ретого тела к менее нагретому, до тех пор, пока их температуры не станут равными. Этот процесс называется теплопередачей. Она предс­тавляет собой передачу средней кинетической энергии атомов, моле­кул и электронов одного тела атомам, молекулам и электронам друго­го. Подведенную к системе теплоту будем обозначать +Q, а отведен­ную -Q. Единица измерения теплоты - джоуль (Дж).

Количество подведенной (отведенной) к телу теплоты можно оп­ределить по выражению

(4.2)

где С – теплоемкость тела; - изменение температуры тела.

В технических расчетах удобно пользоваться понятием удельной массовой теплоемкости, Дж/(кг*К):

(4.3)