"Педагогічні науки"

2. Проблеми підготовки фахівців.

Свириденко Ю.Ф., Кунцов В.П.

ПФ НУБиП України "Кримський агротехнологический університет"

ПРО ПРОБЛЕМИ ЕНЕРГЕТИКИ В КУРСІ ФІЗИКИ

Людство завжди коштує перед проблемою одержання енергії в достатній кількості. У різних країнах періодично виникають енергетичні проблеми потребуючі рішення. Людина, впливаючи на навколишнє середовище, викликає появу негативних ефектів: теплове, хімічне, радіоактивне забруднення середовища в сполученні зі швидким зменшенням легкодоступних запасів палива, особливо нафти, газу, високоякісного вугілля. При цьому нові способи переробки урану й можливість створення термоядерних перетворювачів не знімає проблем теплового забруднення, зберігання відходів і можливих аварій енергетичних гігантів.

1.Перехід одного виду енергії в іншій може здійснювати різними способами. Якщо не брати до уваги технічних недосконалостей, то можна сказати, що з певної кількості енергії одного виду завжди виникає (у випадку повного перетворення) цілком певна кількість іншого виду енергії незалежно від того, яким способом і за допомогою якого пристрою зроблене це перетворення. Коли в процесі перетворення утворяться кілька видів енергії, потрібно враховувати суму енергій всіх видів, виражених в однакових одиницях.

Тому що енергія є міра руху тіла й складових його атомів і молекул, то закон збереження енергії може бути виражений так: рух зберігається й не може бути зупинено, воно є найважливішу властивість матерії. Існує багато видів руху, наприклад, механічне, теплове, електричне й т.д., які можуть бути перетворені друг у друга.

У зв'язку із практичним використанням енергії звичайно говорять про втрату енергії з погляду економіки. Однак така втрата не суперечить закону збереження енергії. Енергія, загублена для економіки, не перетворилася в ніщо: мова йде тільки про те, що частина енергії перетворилася не в ту форму, що нам у цьому випадку потрібна. У тепловому двигуні відбувається перетворення хімічної енергії палива (вугілля, нафти й т.д.) у механічну, котра в цьому випадку представляє для нас цінність. Однак у тепловому двигуні поряд з механічною енергією неминуче виникає тепло, що у цьому випадку можна вважати загубленою енергією. Звичайно, в інших випадках, наприклад при опаленні, коштовне саме тепло. Але не слід думати, що при цьому в печах немає втрати енергії. Тільки частина тепла, отриманого з хімічної енергії палива, досягає кімнати або опалювального казана, більша ж частина йде в трубу, через сиены кімнати, і, отже, губиться. Але втрати енергії означають не її зникнення, а тільки перетворення, які не служать нашим цілям і тому марні. На практиці дуже важко створити умови для повного перетворення одного виду енергії в інший, необхідний для якої-небудь конкретної мети. Наприклад, у пристроях, що містять макроскопічні частини, що рухаються, ніяк не можна уникнути тертя, що протікає з виділенням тепла, що у більшості випадків не використається й шкідливо позначається на матеріалах конструкцій. Тому на практиці зовсім обґрунтовано говорити (в економічному змісті) про коефіцієнт корисної дії процесів перетворення енергії.

Коефіцієнт корисної дії (КПД) даного процесу перетворення енергії показує, яка частина вихідної енергії перетвориться в потрібну нам форму енергії. Наприклад, якщо теплова електростанція працює із КПД 0,35, це означає, що 0,35 (35%) хімічної енергії, що звільняється при спалюванні палива, перетворюється в електричну енергію. КПД різних процесів або установок, де відбувається перетворення енергії, сильно відрізняються друг від друга. З найбільшим КПД відбувається перетворення в тепло. Механічний, електричний, хімічний й інший види енергії практично можуть бути на 100% перетворені в тепло. КПД при перетворенні механічної енергії в електричну на гідроелектростанціях досить високий 90-95%. Високий КПД ми маємо також при перетворенні хімічної енергії в електричну в гальванічних елементах. Однак у цей час у зв'язку з технічними труднощами гальванічні елементи не можуть використатися для одержання електроенергії в більших кількостях. Значно гірше обстоит справа, при перекладі хімічної енергії в електричну не відразу, а поступово: спочатку перетворюємо її в теплову, за допомогою якої виробляється механічна робота, а останню в електричну енергію. При цих умовах низький КПД обумовлений не тільки технічними труднощами, але й специфікою процесу перетворення тепла в інші види енергії. Сучасні більші теплові електростанції перетворюють хімічну енергію, що звільняється при спалюванні палива, в електричну із КПД від 35 до 40%. Дизельні двигуни працюють із КПД не вище 40-45%, а КПД паровозів не більше 6-7%. КПД освітлювальних приладів ще нижче: звичайна 40-ватна лампа накалювання перетворює тільки близько 1,5% електричний енергії у видиму світлову енергію; навіть найкращі лампи накалювання мають КПД не вище 5%. Виникає питання: якщо включення теплової енергії як проміжної стадії при перетворенні хімічної енергії в роботу або електричну енергію настільки вигідно, те чому ж більша частина електричної енергії й механічної роботи на сьогоднішній день виробляється за допомогою теплових двигунів (парові машини, бензинові й дизельні двигуни)? Причина полягає в тім, що для створення надійно працюючих теплових двигунів досить знання законів руху макроскопічних тіл, а також макроскопічних властивостей тепла. Для створення ж гальванічних елементів, що не мають мікроскопічно, що рухаються деталей, надійно й экономично працюючих у промислових масштабах, потрібно глибоко вивчити відповідні закони руху молекул, атомів й електронів. Тільки в такому випадку можливе створення великої кількості дешевих гальванічних елементів, що надійно працюють в умовах виробництва. Через недостатність знань у цій області людство рік у рік зазнає втрат енергії, розмах яких навіть не піддається оцінці. Тому високорозвинені країни вкладають кошти в надзвичайно дорогі дослідження з метою заповнити цей пробіл. Теоретично перетворення енергії без проміжної стадії тепла можливі із КПД, рівним 100%. У цей час КПД таких перетворень ще дуже низок як внаслідок слабкого знання механізмів мікропроцесів, що відбуваються при цих перетвореннях, так і через відсутні матеріали для виготовлення потрібних пристроїв. Таких матеріалів у природі не існує, тому їх потрібно створювати штучно.

У живих організмах процеси перетворення енергії відбуваються з дуже високим КПД, але вони йдуть за участю речовин, що мають надзвичайно складну структуру. Ці хімічні сполуки й закони їхніх перетворень не вивчені ще настільки добре, щоб з їх для практичного одержання енергії поза живими організмами. Поки ще неможливо синтезувати всі складні речовини живих організмів і тим більше поставляти їх для потреб виробництва.

2. Найбільший інтерес представляє порівняння росту населення з ростом споживання енергії як головного ресурсу з. Енергоспоживання визначає всі можливості розвитку суспільства: забезпечення їжею, рівень промислового виробництва, транспорт, можливості будівництва й рішення екологічних проблем. Як критерій розвитку енергія чудова тим, що може бути обмірювана й виражена числом. У цьому змісті енергія подібна чисельності населення, як об'єктивний критерій росту. За даними досліджень Холдрена сумарне споживання енергії Е за весь розглянутий період (1850-1990рр) мінялося пропорційно квадрату населення Землі Е ~N2 . Протягом 140 років, з 1850 до 1990р., світове виробництво енергії виросло в 17 разів, а населення - в 4,3 рази. В 1990 р. споживана енергія у світі склала 13,2ТВТ, або в середньому 2,5квт на одну людину, причому 90% доводилося на промислове споживання енергії у всіх її формах. По оцінках, енергетичний сектор становить чверть світової економіки.

Квадратична залежність виробництва енергії від населення, очевидно, збережеться. Вона простежується в прогнозах розвитку енергетики миру на XXІ сторіччя. Із середини XІ до кінця XXІ століття населення миру виросте в 10 разів - від 1,13млрд в 1850 р. до 11 млрд. в 2100р. - а споживання енергії в 100 разів - від 0,69 до 60 ТВТ - хоча швидкість росту населення миру через демографічний перехід до кінця XXІ в. істотно зменшиться. У цьому прогнозі споживання енергії зв'язується із чисельністю населення, а не зі швидкістю росту, що буде зменшуватися після демографічного переходу.

Зараз є дані про те, що зростання виробництва енергії буде сповільнюватися, і це особливо помітно саме для розвинених країн, як наслідок настання постіндустріального суспільства. Все більше значення надається енергозбереженню. У монографії Римського клубу "Фактор 4" розглянуті сучасні можливості енергозберігаючих технологій. У цій області є дуже більші можливості. Так, шведи думають, що можна скоротити споживання енергії не в 4, а в 10 разів. Однак справа не стільки в технології енергозбереження, скільки в можливості реалізації таких програм при реструктуризації промисловості й зміні відносини до цінності енергії. Іншими словами, у цій найважливішій проблемі здійснення технічних рішень у значній мірі визначено соціальною й людською стороною справи. У цей час необхідна реструктуризація енергетики з урахуванням довгострокового характеру таких інвестицій.