Τрοшенькин Б.А.
Возобновляемая энергия. В 2-х частях. — Ч. 1 — Термодинамика атмосферы и океана. Океанические электростанции. — Национальная академия наук Украины. Ин-т пробл. машиностроения им. А.Н. Подгорного. — Х.: 2003.
С момента своего появления развитие Солнечной системы и, в частности, Земли происходит в строгом соответствии с законами термодинамики. Эти законы диктуют поведение океанских вод, земной коры и живой природы. В монографии на основе i-термодинамики раскрыто влияние океанических и атмосферных течений на скорость вращения Земли, дано объяснение древним наводнениям и оледенениям, установлен химический состав атмосферы в период образования месторождений угля, нефти и газа. Определены места расположения океанических электрических станций, не нарушающих климат на Земле. Обоснованы наиболее эффективные способы извлечения природной энергии. В свою очередь, μ-термодинамика открыла возможность оценки скорости формирования земной коры и связанных с ней периодов извержений вулканов и землетрясений. Сейсмические зоны, как правило, соответствуют источникам геотермального тепла. Дан анализ циклов энергоустановок, использующих тепло Земли.
Рассчитана на специалистов, занимающихся энергетикой и физикой Земли, а также любителей геофизики, обладающих серьезной подготовкой. Может быть полезна студентам вузов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая книга составлена на основе лекций, читаемых автором в Национальном техническом университете “ХПИ”, по курсу “Экологические проблемы нетрадиционной энергетики”. Структура лекций предполагает наличие у слушателей определенных знаний по физике и желания исследовать окружающий нас мир.
Автор приглашает студентов, вооружившись законами преобразования энергии как путеводителем, совершить увлекательную экскурсию в просторы океана и атмосферы, в глубины земных недр. Для полноты знаний в программу экскурсии включено посещение Юпитера и Марса.
Знакомство с теоретическими основами природных процессов подкрепляется сведениями о результатах испытаний опытных моделей и примерами расчетов, основная часть которых взята из ранее опубликованной автором монографии “Циркуляционные и пленочные испарители и водородные реакторы”.
Предполагается, что по возращении из путешествия экскурсанты достаточно хорошо подготовлены и могут самостоятельно определить зоны расположения возобновляемых источников энергии.
Далее им предстоит познакомиться с наиболее эффективными способами извлечения этой энергии, не нарушающими экологического равновесия окружающей среды.
При рассмотрении процессов в литосфере студенты узнают о закономерностях размещения источников геотермального тепла и их энергетическом использовании. Привлечено также внимание слушателей к последствиям бесконтрольной эксплуатации земных недр.
Автор надеется, что тот же путеводитель будет полезен специалистам, работающим в различных областях наук о Земле.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность сотрудникам лаборатории “Альтернативные и возобновляемые источники энергии” Института проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины за советы и участие в проведении ряда экспериментов, а также рецензентам и редакторам.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
r — теплота парообразования, Дж/кг
S — энтропия, Дж/(кг-°С)
η — коэффициент полезного действия (КПД)
Q — тепловой поток, Вт
q — плотность теплового потока, Вт/м2
а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 -°С); доля прореагировавшего вещества или глубина разложения вещества
W — скорость газовыделения, м3/(кг-с), м3/(м2-с)
к — константа скорости, коэффициент
ε — термическое сопротивление, м2 -°С/Вт
λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С)
с — теплоемкость, Дж/(кг-°С)
р — плотность, кг/м3
σ — поверхностное натяжение, кг/м
g — ускорение свободного падения, м/с2
Индексы
L — жидкость
G — газ
см — смесь
i — условия с внутренней стороны стенки
е — условия с внешней стороны стенки
р — стенка
ср — среднее значение
кр — критическое значение
з — заданное значение
тр — трение
max — максимальный
min — минимальный
и — истечение
п — приведенный
D — диффузия
С — концентрация
Штрих — величина относится к жидкости
Два штриха — величина относится к пару
ВВЕДЕНИЕ
С момента своего появления развитие Солнечной системы и, в частности, Земли, происходит в строгом соответствии с законами термодинамики. Эти законы диктуют поведение океанских вод, атмосферы, земной коры и живой природы.
Между тем, в большинстве исследований отсутствует анализ энергетических характеристик наблюдаемых земных процессов. Последнее обстоятельство сдерживает решение ряда практических задач. Главной из них является обеспечение надежного снабжения промышленности сырьем и энергией. Как известно, развитие цивилизации привело к серьезному истощению природных ресурсов и загрязнению окружающей среды. Таких последствий можно было бы избежать в случае освоения возобновляемых источников энергии и сырья.
Цель данного исследования — проследить путь энергетических преобразований на Земле и выявить условия использования возобновляемой энергии и сырья.
Внимание, в первую очередь, привлекают энергия океанских течений и воздушных потоков, а также температурный градиент между слоями воды в океане.
Как известно, Мировой океан занимает 71 % поверхности Земли и, следовательно, воспринимает основной поток лучистой энергии Солнца. Благодаря равновесию между поглощением солнечной радиации, с одной стороны, и длинноволновым излучением поверхности моря, а также испарением, с другой, обеспечивается постоянство термического состояния морей. Это состояние характеризуется тем, что поверхностные воды океана в тропических и субтропических районах прогреваются до 25-30 °С, в то время как на глубине 400-500 м вода находится при температуре 4—10 °С. Данный температурный перепад можно использовать для выработки энергии.
В этой связи возникает проблема оценки допустимых пределов освоения этой энергии, не нарушающих установившегося на Земле экологического равновесия.
Следует также определить места расположения океанических электростанций (ОЭС) и комбинатов по производству промышленной продукции на базе вырабатываемой ОЭС электроэнергии.
Кроме того, предстоит овладеть способами регулирования температуры поверхностного слоя океана плавающими ОЭС, что позволит предотвратить возникновение бурь и ураганов.
Решению перечисленных задач посвящена первая часть данной монографии.
Другим не менее важным источником возобновляемой энергии является тепло Земли. Как известно, общий фон тепловых выделений создают радиоактивные вещества, рассеянные в толще Земли. Но для таких энергоемких процессов, как землетрясения и перемещения материков, необходимы дополнительные источники энергии. Представляется, что виновником столь значительных событий могут быть реакции, происходящие на глубине в несколько сот километров. Наиболее вероятными среди них являются реакции окисления ряда основных земных элементов.
В ходе реакций часть химической энергии преобразуется в механическую, затрачиваемую на перемещение слоев Земли, а другая выделяется в виде тепла. Таким образом, знание скорости подземных реакций открывает возможность прогнозирования периодов землетрясений.
Как правило, зонам высокой сейсмичности соответствуют геотермические зоны, аккумулирующие тепло реакций.
Хотя большинство очагов глубинного тепла хорошо изучено, но все же экологические последствия их эксплуатации скважинным методом на сегодняшний день недостаточно ясны.
Примерно та же ситуация складывается при массовом извлечении полезных ископаемых из недр Земли.
Здесь также необходима энергетическая оценка происходящих в природе изменений.
Тот же анализ позволяет утверждать, что месторождения угля, нефти и газа являются теми вехами, по которым можно судить о переходе Земли как материальной системы из одного энергетического состояния в другое. Причем эти переходы сопровождаются изменением состава атмосферы, что приводит, в свою очередь, к усилению или ослаблению парникового эффекта.
Эти вопросы рассмотрены во второй части книги.
Остановимся на методах решения поставленных задач.
В основе принятых методов лежит представление о том, что любой естественный процесс на Земле управляется, в конечном счете, законами термодинамики.
Коснемся процесса естественной циркуляции потоков. Явление естественных циркуляций, выраженное энергетически, сводится к принципу Карно. Именно возникновение естественной циркуляции приводит к росту энтропии в указанных процессах, т. е. к их необратимости. Рассматривая обратимый термодинамический цикл этого явления, удается установить основные закономерности течения потоков в различных средах. При этом оказалось, что ускорение потоков при испарении воды с поверхности океана, в результате чего Земле передается импульс силы, целиком зависит от изменения энтальпии среды.
Для простоты изложения материала раздел исследований, связанный с фазовыми превращениями в атмосфере и океанах, назван нами i-термодинамикой (где i — энтальпия среды).
Раздел физики “i-термодинамика” дает объективные объяснения закономерностям циркуляции водных и воздушных потоков, расширяет наши знания о вековых колебаниях климата и дает некоторые представления о первоначальных этапах развития Земли. Особенностью процессов, затрагиваемых i-термодинамикой, является то, что химический состав участвующих в нем веществ не изменяется.
Термодинамическая теория приобретает логически законченный вид при распространении ее положений на системы переменного химического состава. Так, при взаимодействии веществ в земных недрах наблюдаются, с одной стороны, физико-механический процесс естественной циркуляции потоков, а с другой — физико-химические явления, связанные с перестройкой электронных оболочек реагирующих компонентов.
Термодинамический метод позволяет определить: энергетическую возможность и направление химических превращений, сопровождающие реакции тепловые изменения; устойчивость образующихся соединений; максимальные равновесные концентрации продуктов реакции и предельный их выход; оптимальный режим процесса (температуру, давление и концентрации реагирующих веществ). Причиной реакций является термодинамическая неустойчивость системы, состоящей из различных веществ. Мерой этой неустойчивости служит свободная энергия, высвобождаемая во время реакции. В обратимом изотермическом процессе эта энергия равна по абсолютной величине и обратна по знаку максимально полезной работе. К последней относится вся произведенная в ходе процесса работа, кроме работы расширения.
В отличие от случая фазовых превращений для описания поведения систем с переменным химическим составом оказалась более приемлемой μ-термодинамика (где μ — химический потенциал, введенный Дж. Гиббсом при оценке равновесия гетерогенных веществ [1]).
Метод μ-термодинамики обратимых процессов вносит некоторую ясность в оценку мощности подземных очагов тепла, позволяет определить энергетические затраты при землетрясениях и извержениях вулканов.
Как при фазовых, так и при химических превращениях используемые методыне содержат физического параметра времени. Время как параметр состояния системы обнаруживает реальную направленность от прошлого к будущему в необратимых и непрерывно совершающихся процессах взаимодействия систем, обладающих различными температурой, давлением, концентрацией или химическими потенциалами. Направление времени, которое совпадает с возрастанием энтропии каждой системы, изолированной от окружающей среды, мы называем будущим, по определению [2]. Пока есть физические и химические градиенты, существует также и градиент времени. С исчезновением перечисленных градиентов исчезает и время как физический параметр эволюции контактирующей системы.
Градиенты как движущие силы поддерживаются в окружающей среде двумя источниками энергии: Солнцем и экзотермическими реакциями в глубинах Земли. Идеальный обратимый цикл передачи тепла с экватора к полюсам состоит из нескольких этапов, каждому из которых соответствуют свои потери энергии, переводящие цикл, в конечном счете, в разряд необратимых. В результате трения кинетическая энергия потоков, движущихся с определенной скоростью, вновь преобразуется в теплоту, воспринимаемую окружающей средой.
Оценки сопротивления водных и воздушных масс течению потоков проводят по эмпирическим формулам, установленным экспериментально. Время осуществления реального цикла складывается, таким образом, из времен протекания отдельных процессов.
Из изложенного следует, что оценка времени наступления того или иного события в атмосфере или океане на данном этапе развития физики носит полуэмпирический характер.
Примерно такая же ситуация сложилась с методами расчета систем переменного состава, присущим литосфере. Более того, для этих систем не существует четкой связи между скоростью течения потоков и скоростью взаимодействия веществ. Прерывистость (дискретность) материи позволяет частицам компонентов каждой системы располагаться в пространстве по определенным законам и реагировать в определенный интервал времени. Этот интервал определяет формальные зависимости, описывающие процесс.
Использование зависимостей формальной кинетики само по себе свидетельствует о слабом развитии методов термодинамики необратимых процессов. Иными словами, принцип наименьшего рассеяния энергии, берущий свое начало, по-видимому, от принципа наименьшего действия в механике, еще недостаточен для составления строгих аналитических зависимостей. К тому же рассматриваемый принцип справедлив лишь для систем с незначительным отклонением параметров от условия равновесия.
Между тем, довольно обширный экспериментальный материал свидетельствует о тесной связи скорости фазовых и химических превращений с величиной располагаемого химического потенциала. Это позволило в расчетах μ-термодинамики установить ряд соотношений для систем, сравнительно удаленных от состояния равновесия. Таким образом, появилась возможность при рассмотрении процессов в литосфере углубить отдельные положения термодинамики необратимых процессов.
Течение водных и воздушных потоков невозможно рационально объяснить без знания законов их распределения и циркуляции в атмосфере и океане. Под словом “распределение” подразумевают некоторую упорядоченность потоков в пространстве, а под словом “циркуляция” — регулярность прохождения отдельных элементов потоков мимо фиксированных зон Земли. Исследование состояния океана сводится, по сути дела, к поиску пространственной симметрии водных структур и периодичности явлений в этих структурах. В расположении потоков преобладают билатеральная (зеркальная), поворотная и переносная симметрии. Теоретическая модель циркуляции водных масс в океане с ровным дном и покрывающем, по предположению, всю поверхность Земли, определяется общими законами механики. В действительности же материки и острова вносят значительные отклонения в идеальную картину распределения потоков. Для оценки степени отклонения от законов симметрии проведен анализ распределения и циркуляции потоков на Юпитере.
Обмен количеством движения между теплыми течениями и Землей и передача этого количества движения холодным потокам так или иначе связаны с изменением скорости вращения Земли вокруг своей оси.
Представляет определенный интерес исследование закономерностей циркуляции потоков на ранней стадии развития Земли. Как известно, вращающиеся жидкие тела сплющиваются у полюсов. Так, например, имеется разность между полярным и экваториальными диаметрами Земли. Эта разница возникла еще в то время, когда Земля была в жидком состоянии.
Циркуляция потоков на расплавленной Земле, по-видимому, мало чем отличалась от сегодняшней. Поэтому изложение материала, касающегося образования материков в период остывания Земли, проводится также на основе i-термодинамики. При этом принимались во внимание элементы “симметрии” и “асимметрии” в структуре потоков.
Но Земля — довольно массивное небесное тело, для раскрутки которого (при отсутствии гор) недостаточно механической энергии, получаемой в ходе перераспределения низкопотенциального тепла. Последнее обстоятельство приводит нас к событиям давно минувших дней — к моменту образования Земли. В этой связи проведена приближенная оценка первоначального крутящего момента Земли. Оценка базируется на теории, выдвинутой В. Амбарцумяном, и предположениях С. Хокинга как наиболее полно отражающих основные принципы термодинамики [3, 4].
Применение геометрических принципов уместно и при рассмотрении процессов в литосфере. В этом случае расположение и высота горных хребтов несут в себе информацию о силе и направлении естественной циркуляции потоков в глубинах Земли. Но методы исследования при этом смещаются в сторону использования химических потенциалов как движущих сил процессов.
Изучение закономерностей кристаллизации веществ в остывающих потоках открывает возможности оценки распределения полезных ископаемых в недрах Земли.
Для достижения полноты получаемых результатов проведено сравнение основных характеристик процесса извержения вулканов на Земле и ранее прошедших извержений вулканов на Марсе.
Меру неупорядоченности потоков в ряде случаев связывают с представлением о конфигурационной энтропии, введенной в кинетическую теорию газов. Тогда уменьшение беспорядка в распределении потоков сопровождается уменьшением энтропии.
Как известно, физические законы в равной мере соблюдаются как в природных, так и в искусственно создаваемых условиях. Поэтому среди технических устройств всегда можно найти образцы изделий, процесс в которых протекает аналогично тому или иному природному процессу. Особенно подходящими для сравнения являются испарительные установки, циркуляция потоков в которых возникает при крайне низких температурных напорах.
Метод сравнений прост и надежен. Более того, ряд спонтанно возникающих в атмосфере и океанах процессов поддается расшифровке лишь на основе предварительных термодинамических расчетов с последующей проверкой выводов на лабораторных, пилотных и промышленных стендах. Несколько отличны от предыдущих экспериментальные методы исследования процессов, протекающих в литосфере. Из опытного оборудования здесь оказались необходимы электротермические печи и химические реакторы высокого давления. Предварительно для имитации природных процессов был разработан ряд сплавов и соответствующих им оксидных систем.
В монографии затронута также проблема образования нефти и газа. С этой целью использованы биологические системы, в частности, водород- окисляющие бактерии. Испытание биологического реактора позволило установить кинетические характеристики процесса преобразования неорганических компонентов и углекислого газа в органическую массу. Кроме того, уточнены некоторые представления о термодинамике живых систем.
Справедливости ради следует отметить, что развиваемые здесь методы расчета природных процессов являются приближенными, поскольку термодинамика указывает лишь на наиболее вероятный путь развития событий, но не исключает их иных маршрутов.
