Энергетические ресурсы Земли (стр. 7 )

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)

где m – масса тела.

В термодинамике кроме массовой различают мольную теплоемкость (теплоемкость одного моля вещества) : Ср - мольная топлоемкость, определенная при: давлении р = const, Сv - мольная теплоемкость, определенная при объеме V = const, Дж/(моль*К). Для твердых тел надо оперировать Ср, так как их объем мало зависит от температуры.

Возвращаясь к модели рис. 4.2. обобщим результаты, приведенные в табл. 4.1, с помощью выражения

(4.4)

В зависимости от характера процесса, те или иные члены в (4.4) мо­гут обращаться в нуль. Это уравнение представляет аналитическое выражение первого закона термодинамики. Первый закон термодинамики - это математическое выражение закона сохранения энергии для сис­темы, которая обменивается с внешней средой энергией в форме теп­лоты и работы. Уравнение (4.4) можно записать в дифференциальной форме:

(4.5)

Первый закон термодинамики также можно записать в виде:

(4.6)

или

(4.7)

КПД энергетической установки всегда меньше единицы. При КПД=1 вся подводимая к системе энергия превращается в работу. Возможно ли практически получить такой КПД? Да, но только не в циклическом процессе. Примером может служить изотермическое расширение газа. Оно идет лишь до того момента, пока давление не станет равным ат­мосферному. Можно ли осуществить циклическую последовательность процессов, для которой Q = W и dEзan = 0? Первому закону термоди­намики это не противоречит, но осуществление такого цикла привело бы к некоторым следствиям. Можно было бы, например, извлекать теп­лоту из любого источника, скажем, мирового океана и превращать ее в работу в двигателях судов. Это очень похоже на вечный двигатель. Реализовать эту идею не удается по одной причине. Это противоречит второму закону термодинамики. Имеется несколько формулировок этого закона.

лаузиса (1850 г.): "Теплота не может перехо­дить от холодного тела к более нагретому сама собой даровым про­цессом, т. е. без компенсации".

омсона (1851 г.): "Не вся теплота, полученная от теплоотдатчиков, может перейти в работу, а только часть ее".

Таким образом, второй закон термодинамики устанавливает нап­равление перевода теплоты, а также ту ее часть, которую возможно перевести в работу в тепловом двигателе. Кроме того, он позволяет определить условия, при которых теплота может как угодно долго преобразовываться в работу. В любом разомкнутом термодинамическом процессе при увеличении объема совершается работа. Однако процесс расширения не может продолжаться бесконечно, следовательно, воз­можность преобразования теплоты в работу ограничена. Непрерывное преобразование теплоты в работу осуществляется только в круговом процессе, или цикле.

Работа в цикле равна разности количества теплоты, подводимого при температуре Т1: и отводимого при температуре Т2: