Энергия и ее превращения

1. Лекция 1 Энергия и ее превращения

Понятие «энергия».
Виды энергии.
Закон сохранения энергии.
Закон превращения энергии.
Химическая энергия.
Ядерная энергия.
Энергия и вещество.
Запасы энергии на Земле.
Потребности в энергии.
Будущее энергетики.
1

2.

ЭНЕРГИЯ
В Древней Греции это понятие (ενεργεια)
означало некое активное начало.
Энергия существует (и проявляется) в разных
видах: (потенциальная, кинетическая,
механическая, тепловая, химическая
электрическая, ядерная и т.д.).
В природе постоянно происходит превращение
одного вида энергии в другой:
при падении камня с крыши его потенциальная
энергия переходит в кинетическую;
при сверлении механическая энергия сверла
переходит в тепловую;
при нагревании тела часть тепловой энергии
переходит в энергию излучения, и т.д.
2

3.

Гипотеза о сохранении энергии высказана Робертом
Майером и Джеймсом Джоулем в 1842г., а в 1847 г.
Герман Гельмгольц придал этой гипотезе статус
всеобщего закона природы:
Сумма всех видов энергии в замкнутой системе
сохраняется при всех ее превращениях.
(1-й закон термодинамики)
Соотношение между различными видами энергии:
1 Дж = 0,2388 кал=107 эрг = 0,6242 1013 МэВ
Постановление Французской академии наук 1775г.:
не рассматривать проектов вечного двигателя.
3

4.

Энергия
потенциальная
кинетическая
(T = mv2/2)
(U = mgh)
работа
1 Вт = 1 Дж/с;
1 кВт = 103 Вт
1 МэВ = 106 эВ
1 МВт = 106 Вт
1 г угля 3 104 Дж
1 ГВт = 109 Вт
1 тут = 0.77 т.н.э. = 29 ГДж = 2.9 1010 Дж = 0.75 1010 кал
4

5.

Вплоть до начала XIX в. не различали
понятия энергия и работа. Только в 1826г.
Кориолис написал правильное выражение для
кинетической энергии:
m
Екин = 2 .
В 1784г. Джеймс Уатт изобрел паровую
машину, которая превращала тепловую энергию
в механическую, т.е. в работу.
2
5

6.

В 1824 г.Сади Карно установил, что в работу
можно превратить не всю энергию тепла, а только ее
часть, равную:
T1 T2
T1
где T1 и T2 - начальная и конечная абсолютная
температура.
η
T = 273,15 + tºC.
Например, при t1 = 500ºC и t2 = 100ºC
400
0,52
773
т.е. в работу можно превратить не более половины
тепловой энергии.
В реальных системах η < 0,5 (для паровоза η 6%).
6

7.

В конечном итоге тепловая энергия, способная
производить работу, деградирует в
низкопотенциальное тепло, из которого работу
извлечь уже нельзя (пример: тепловая энергия
мирового океана).
Цепочка превращений начинается и
оканчивается теплом:
тепло (Т1) работа тепло (Т2)
Оставшаяся часть исходной тепловой энергии
уже никогда не может быть превращена в
работу. Эти безвозвратные потери энергии
обычно связывают с понятием энтропии.
7

8.

В 1834г. Фарадей открыл явление электромагнитной
индукции, а в 1881 г Эдисон построил первую
электростанцию.
Цепочка превращений была продолжена:
тепло работа электричество работа тепло.
Сегодня принят средний коэффициент превращения
тепла в электричество:
электричество
0,375
тепло
8

9.

2-ой закон термодинамики:
энтропия замкнутой системы
возрастает при любом
превращении энергии.
В отличие от вещества, которое может быть
использовано многократно,
энергию можно использовать
только однажды.
9

10.

ТРИ ВОПРОСА:
Каковы запасы и источники энергии на Земле?
Как много энергии нам надо и как надолго ее хватит?
Как ее производить?
10

11.

Энергия человека
Необходимую для жизни энергию человек
изначально получал в виде пищи (энергия
химических реакций) и тепла (энергия излучения
Солнца).
За день (24 ч. =86400 секунд) человек потребляет с
пищей ~2500 ккал 107 Дж,
т.е. мощность его жизнедеятельности равна
107 Дж / 8,64 104 с 120 Вт.
Дополнительные источники энергии:
Огонь (~500 тыс.лет);
Домашние животные (~40 тыс. лет);
Рабы (~5 тыс. лет);
Парус, водяное колесо (~1 в. до н.э.),
Ветряная мельница (XII в.), и т.д.
11

12.

Промышленная революция
Паровая машина Уатта……………….……..…... 1784 г.
Паровоз Стефенсона………………….……..….. .1825 г.
Первая нефтяная скважина…………..……..…. 1856 г.
Первая электростанция Эдисона .……….... …..
1881 г.
Автомобиль Даймлера и Бенца …….………….
1885 г.
Первая атомная электростанция……..……….. 1954 г.
12

13.

ДИНАМИКА РОСТА
Рост потребления энергии
13

14.

Химическая энергия
C + O2 CO2 + 4,2 эВ
Ядерная энергия деления
U + n осколки + 200 МэВ
Ядерная энергия синтеза
d +t 4He +n + 17,6 МэВ.
3He
+ n +3,3 МэВ.
d +d
t + p + 4,0 МэВ.
d + 3He p + 18,3 МэВ.
14

15.

ТЭЦ
15

16.

Нововоронежская АЭС
16

17.

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ
При делении ядер урана нейтронами выделяется
огромная энергия:
n + 235U осколки + 200 МэВ
Деление ядра открыто в 1939 г., а в 1954 г . была
построена первая атомная электростанция.
Сегодня в 33 странах работает 439 атомных
станций, которые производят 372 ГВт, т.е. 19%
всей электроэнергии, а в некоторых странах значительно больше:
в США – 22%, в Японии – 30%, Франции – 79%
(в России – 16%).
17

18.

СОВРЕМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ
1,46 1013 Вт 1,46 104 ГВт
т.е. ~ 2 кВт / чел.
Производство энергии ~ 0,1 всех затрат производства
СТРУКТУРА
Производство энергии
Потребление энергии
Уголь …………………25 %
Нефть ………………...38 %
Газ ……………………24 %
Гидро ………………….7 %
Ядерная ……………….6 %
Прочие ………………< 1 %
Транспорт ………….~ 25 %
Бытовое тепло ……..~ 25 %
Индустрия ………....~ 30 %
Электричество …….~ 20 %
Электричество
0.375;
=
Тепло
~ 2/3 электроэнергии производится на тепловых станциях
(нефть – 9%, газ – 16%, уголь – 37%)
18

19. Ресурсы топлива на Земле *)

Реакция
C + O2 C + O2 + 4.2 эВ
Ключевой
элемент
Нефть+
газ,
уголь
Среднее
содержание
в океане
(г/г)
U
4 10-6
1.5 10-9
Th
10-5
n + U фрагменты + 200 MэВ
238
n +Th фрагменты +200 MэВ
232
3
Среднее
содержание
в литосфере
(г/г)
Удельная
энергия
(Дж/г)
~3 10
4
Ресурсы
на Земле
(Дж)
Доступные
ресурсы
(Дж)
Ресурс
(лет)
~2 1022
~2 1022
~50
~5 1023
~2 1023
~500
~1024
~2000
~3 1024
~6000
0.82 1011 ~3 1028
<5 10-10 0.82 1011 ~8 1028
He + n + 3.3 MэВ
d+d
d
1.5 10-6
1.6 10-5
0.9 1011
~2 1030
?
?
5 10-5
10-7
2.9 1011
~1030
?
?
11
~1015
?
0
t + p + 4.0 MэВ
d + t 4He + n + 17.6 MэВ
6
d + He He + p + 18.3 MэВ
3
3
4
Li
He
7.3 10
-19
4.9 10
*) Для оценок принято: масса литосферы на глубину 300 м равна ~1023 г,
масса океана ~1024 г.
19

20.

Виды энергии
тепловая
химическая (C + O2
CO2 + 4.2 эВ)
ядерная (U осколки + 200 МэВ)
Источники энергии сегодня
Уголь
Нефть
Газ
Ядра – деление
U-238 - 86,7%
Уголь- 8,7%
Газ – 3,4%
U-235 - 0,4%
Нефть- 0,8%
20

21. Тория на Земле в 3 раза больше, чем урана, поэтому доля запасов ядерного топлива возрастает до 97%, доля органического топлива

снижается до
3%, а доля U-235 до 0,1%.
В этом балансе не учтена энергия
синтеза изотопов водорода, которая
потенциально в 10 раз превышает
запасы ядерной энергии деления ядер.
21

22.

Потребности в энергии
Мощность человека 120 Вт
На Земле сейчас живет ~ 7 млрд. человек = 7 109
Их общая мощность
120 Вт 7 109 0.8 1012 Вт
(Примерно так светит Луна в полнолуние)
К началу нашей эры мощность человека возросла до ~ 0.5кВт
и в таком виде он прожил почти 2 тыс. лет - до начала
промышленной революции.
22

23.

Потребности в энергии
Индивидуальные
~ 120 Вт/чел. (с пищей)
К началу новой эры
~ 300 Вт/чел. (домашние
животные, рабы, и т.д.)
Промышленная революция ~ 500 Вт/чел.
Сегодня в мире
~ 2 кВт/чел.
В Европе
~ 6 кВт/чел.
В США
~ 12 кВт/чел.
23

24.

2012
24

25. Демографический переход

На протяжении 2000 лет рост населения N Земли
аппроксимируется уравнением:
T0
dN
,
dt
(t 0 t ) 2 2
N (t )
T0
N ( )
arc ctg
T0
где T0 =(173 ± 1)∙109 лет;
t0 = (2000 ± 1) лет;
t0 t
12 109 ;
= (45 ± 1) лет.
;
t = t0 = 2000 г.
25

26. Точка перехода

T0
d 2N
2(t0 t ) 0,
dt 2
[(t0 t )2 2 ]2
при t = t0 =2000 г.
т.е. в 2000 г.
T0
6∙109 чел./год
N (t=t0) =
2
dN
dt
t t
T0
2
0
60 106 чел . / год
26

27.

Рост населения
Млн.
Млрд.
Скорость роста
Точка перегиба
27

28. World Population Growth, 1750–2150

28

29.

Две группы людей
Развитые страны
Численность населения –
Развивающиеся страны
Численность населения –
1581млн.чел
4895млн.чел
Потребление первичной энергии
Потребление первичной энергии
7.2 млрд.тнэ/год
3.1 млрд.тнэ/год
ВВП- 50.2 $ трлн
ВВП- 18.6 $ трлн
Удельный ВВП
Удельный ВВП
31700 $/чел
3800 $/чел
Удельное потребление энергии
Удельное потребление энергии
~6 кВт/чел
~0,5 кВт/чел
29

30.

Спрос на энергию в мире и возможности его удовлетворения
за счет разных первичных энергоисточников
млн.тонн нефт.эквивалента
Баланс первичных энергоисточников
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
1930
1950
Нефть
Уголь
Биомасса и Отходы
Атомная Энергия
1970
1990
2010
2030
2050
Газ
Гидроэнергия
Другие Возобновляемые
Неудовлетворенный спрос
30

31. Анализ глобальных ресурсов нефти

Время жизни поколения,
родившегося в 1990 г.
К настоящему времени сожжено половина известных запасов.
31

32.

«Жизнь зависит, конечно, столько же от постоянного притока вещества,
как и от постоянного притока энергии... Одно и то же вещество, одни и те
же химические элементы служат неизменно для бесчисленных циклов
жизни, но для них необходим непрерывный приток свежего запаса
энергии... Одно и то же количество энергии в одних и тех же условиях
работает только один раз. Борьба за существование в основе своей и есть
непрерывная борьба за свежий запас физической энергии».
«Рано или поздно — но, разумеется, не в бесконечно отдаленном будущем
— на Земле для пополнения естественного расходования энергии не
останется ничего, кроме первоначальных запасов атомной энергии...»
Ф. Содди (1907 г.)
32

33.

Источники энергии в будущем
нефть - ~ 50 лет;
газ
- ~ 100 лет;
уголь - ~ 500 лет;
ветровая,
приливная,
геотермальная –
• ядерная (235U) – 100 лет;
ядерная (238U) - млн. лет
ядерная (232Th) • термоядерная – перспективы туманны;
• солнечная – наиболее желательна, но в далекой
перспективе;
Вывод: в обозримом будущем ядерная энергия – наиболее
вероятный кандидат при условии решения ее основных проблем:
безопасность и обращение с отходами.
Задача вашего поколения: решить эти проблемы.
33

34.

Перспективы
Каждый год производство энергии растет на ~1.8%,
т.е. за 40 лет удваивается.
К середине XXI века его мощность вырастет до
~3 104 ГВт
и сравняется с мощностью излучения недр Земли
~3.2 104 ГВт.
Прогнозируемый верхний предел к концу XXI века:
~5 104 ГВт
или
~4 кВт/чел.,
т.е. почти в 40 раз больше, чем энергия,
потребляемая человеком с пищей.
34

35.

СВОДКА ДАННЫХ
Мощность потока солнечной энергии,
достигающего поверхности Земли…….…………………..0,8 108 ГВт
Мощность фотосинтеза…………………………………....~ 2 105 ГВт
Биохимическая мощность человечества………………. ~ 0,8 103 ГВт
Необходимая для этого мощность фотосинтеза………….~ 2 104 ГВт
Мощность излучения недр Земли………………………….3,2 104 ГВт
Мощность энергетики мира………………………………..1,5 104 ГВт
Прогноз на середину века……………………………………3 104 ГВт
Прогноз на конец века…………………………….......…. …5 104 ГВт
Теоретический предел………………………………………...105 ГВт
35

36. Существуют ли пределы производства энергии?

5∙104 ГВт – это ~0,6∙10-3 от мощности потока
солнечного излучения, достигающего Земли
(0,8∙108 ГВт).
Но это сравнимо с потоком тепла из недр Земли
(3,2∙104 ГВт) и примерно на порядок превышает
разомкнутость цикла фотосинтеза (~10-4).
36

37. Человек и биосфера

До начала промышленной революции человек
использовал только продукцию фотосинтеза, т.е. был
включен в естественный цикл обмена веществ и энергии в
биосфере.
С тех пор, когда в XVII веке он начал жечь ископаемое
топливо он вышел за рамки этого цикла и начал его
разрушать.
Наиболее известное нарушение – рост концентрации CO2
в атмосфере, которое может усугубить «парниковый
эффект» и привести к необратимому повышению средней
температуры Земли.
37

38.

ФОТОСИНТЕЗ
CO2 + H2O + 8 h CH2O + O2 ,
Глюкоза: (CH2O)6
Поглощаются, в основном, красные лучи с длиной волны
(поэтому листья – зеленые).
= 680 нм
Эффективность фотосинтеза………~ 0,3 %
Мощность фотосинтеза………………~ 2·1014 Вт
или ~ 1011 т сухой органики / год.
Все организмы – от бактерий до человека и животных – живут, используя
энергию, запасенную в процессе фотосинтеза.
Разомкнутость цикла фотосинтеза
~ 10-4,
т.е. ~ 107 т/год
38

39.

Earth’s radiation budget
39

40.

Спектральный состав излучения
T=5780K
(Солнце)
1000
u( ,T) [kJ/m4]
800
600
T=36,6°C
(Человек)
T=18°C
(Земля)
400
u( ,T)x10
6
200
0
2
10
3
4
10
10
5
10
[nm]
40

41.

Тепловое загрязнение биосферы
Атомная энергия не генерирует CO2 и формально не может быть причиной
«глобального потепления».
Правда, однако, состоит в том, что человек использует энергию не только
для создания комфорта, но, главным образом, для преобразования
природы: уже сейчас он изменил ~50% ландшафтов Земли, преобразовав
леса и болота в пашни и луга. А это снизило продуктивность фотосинтеза
в 2-3 раза, т.е. уменьшило поглощение CO2 из воздуха растениями.
Но это не единственная опасность бесконтрольного роста производства
энергии: кроме загрязнения атмосферы избытком CO2 , окислами азота,
серы, и т.д., которые неизбежны при росте энергетики на органическом
топливе, существует еще одна опасность, общая для всех видов генерации
энергии:
тепловое загрязнение биосферы
41

42. Тепловое загрязнение

Энергия W теплового излучения подчиняется закону
Стефана-Больцмана:
W = T4
При возрастании W на величину ∆W
∆W = ∙4T3∙ ∆T
∆W / W = 4∙∆T/ T
т.е. температура возрастает на величину
∆T = T/4∙ ∆W / W
при ∆W / W = 0,6∙10-3; ∆T = 1,5∙10-4∙T.
Средняя температура Земли Т = +15ºС = 288К,
т.е. ∆T = 0,04ºС.
42

43.

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ
На Землю излучение Солнца приходит со средней температурой
Т = 5 780 К.
Земля излучает поглощенную энергию в инфракрасном диапазоне
со средней температурой +18ºС.
Без парникового эффекта равновесная температура Земли была бы
равна - 15ºС.
Парниковый эффект обеспечивают, в основном, пары воды (их
концентрация в атмосфере 0.3 %) и углекислый газ (концентрация
0.03%).
За последние 100 лет концентрация СО2 в атмосфере выросла на
~ 20%.
Предполагают, что это может стать причиной «глобального
потепления».
43

44.

Атомная энергия и
«глобальное потепление»
Атомная энергия не генерирует CO2 и формально не может быть причиной
«глобального потепления».
Правда, однако, состоит в том, что человек использует энергию не только
для создания комфорта, но, главным образом, для «преобразования
природы»: уже сейчас он изменил ~50% ландшафтов Земли, преобразовав
леса и болота в пашни и луга. А это снизило продуктивность фотосинтеза
в 2-3 раза, т.е. уменьшило поглощение CO2 растениями и, следовательно, к
росту его концентрации в атмосфере.
Именно в этом состоит главная опасность бесконтрольного роста
производства энергии.
44

45.

Главный вопрос:
предел устойчивости биосферы к «тепловому загрязнению»?
Научного ответа на него пока нет.
Прогноз на конец XXI века:
Население: …………………………..……~12 млрд. = 1.2·1010 чел.
Потребление энергии на человека:…………………..~4 кВт/чел.
(Сегодня ~ 2 кВт/чел., 1/3 населения живет без электричества)
Производство энергии:…………………………..……..~5 · 104 ГВт.
Или 0,06% от мощности солнечного излучения (8 ·107 ГВт),
падающего не Землю
Много это или мало?
Разомкнутость процесса фотосинтеза ~10-4 (0,01%),
т.е. избыток энергии по сравнению с солнечной в 6 раз больше,
45
чем природный баланс фотосинтеза.

46. Пределы устойчивости

Жизнь человека возможна только в воде (человек на 90% состоит
из воды) в узком температурном интервале ~5ºС = 5·10-4 эВ.
На Венере вся вода испарилась (+400ºС), на Марсе – обратилась в
лед (– 100ºС).
Жидкое состояние воды – метастабильная аномалия, которая
поддерживается биосферой Земли.
Главная задача – не увеличение производства энергии, а
сохранение биосферы, которая поддерживает метастабильное
состояние Земли в космосе.
Земля
(+15ºС)
Марс
(-100ºС)
Венера
(+400ºС)
46

47.

Задачи курса
• Познакомить с основными понятиями ЯЭ.
• Обрисовать научные основы ЯЭ.
• Сформулировать главные проблемы современной ЯЭ.
• Представить современные подходы к их решению.
47

48.

КОНЕЦ
48

49.

В долгосрочной перспективе – единственный выход –
солнечная энергетика.
Поток ~160 Вт/м2
К.п.д. солнечных батарей 20%
С учетом ночных часов и облачных дней можно получить
электрическую мощность:
~160 Вт/м2 1/4 0,2 ~ 10 Вт/м2.
Чтобы обеспечить ~1 кВт/чел. нужно покрыть фотоэлементами
~100 м2 крыши.
Этого достаточно, чтобы удовлетворить все бытовые
потребности.
Но недостаточно для индустрии, где нужна значительно
большая концентрация энергии.
Атомная энергия – это пауза, необходимая для решения
проблемы использования солнечной энергии.
49

50.

Термоядерный синтез
d + t → 4He (3,5 МэВ) + n (14,1 МэВ)
В бесконечном урановом бланкете термоядерный нейтрон дает:
• 1 деление (200 МэВ) и
• 2,7 ядра плутония (540 МэВ).
Итого ~750 МэВ - в 50 раз больше энергии термоядерного синтеза
(17,6 МэВ).
Для производства трития (в природе его нет) в реакции
n + 6Li → t + 4He
Надо затратить один нейтрон, т.е. потенциально ~200 МэВ.
ИТОГ:
Синтез 17,6 МэВ;
Деление 200 МэВ;
Производство трития 200 МэВ;
Синтез + деление 520 МэВ.
Поэтому «чистый термояд» без бланкета – это чистая химера.
50

51.

Промышленная революция
Паровая машина Уатта……………….……..….. 1784 г.
Паровоз Стефенсона………………….……..….. 1825 г.
Первая нефтяная скважина…………..……..….. 1856 г.
Первая электростанция Эдисона ………… .….. 1881 г.
Автомобиль Даймлера и Бенца …….……..…... 1885 г.
Первая атомная электростанция……..……….... 1954 г.
51

52. Динамика роста мощностей АЭ в мире :

На сегодня в 33 странах мира работают 439
АЭС, с суммарной мощностью 372 ГВт.
400
350
ГВт(эл.)
GWe installed
300
250
200
150
100
50
0
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005 52

53.

Доля атомной энергии в выработке электричества в 2007 году.
Источник: МАГАТЭ. Всего: 439 реакторов
53

54. Reactors Start to Spread in Waves

54

55.

Поток ~160 Вт/м2
С учетом ночных часов и облачных дней поток уменьшается в
4 раза;
Фотоэлементы трансформируют энергию излучения в
электрическую с к.п.д. 20%.
Электрическая мощность солнечных батарей:
~160 Вт/м2 1/4 0,2 ~ 10 Вт/м2.
Чтобы обеспечить ~1 кВт/чел. нужно покрыть фотоэлементами
~100 м2 крыши.
Этого достаточно, чтобы удовлетворить все бытовые
потребности.
Но недостаточно для индустрии, где нужна значительно
большая концентрация энергии.
55