Трошенькин Б.А.
Возобновляемая энергия. В 2-х частях. — Ч. 2 — Термодинамика литосферы. Геотермические электростанции. — Национальная академия наук Украины. Ин-т пробл. машиностроения им. А.Н. Подгорного. — Х. 2004.
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.
ВВЕДЕНИЕ
Продолжим наше знакомство с удивительным миром природы.
Как нам уже известно, наблюдаемые в атмосфере и океане процессы происходят за счет солнечной энергии. Основную часть поступающей на Землю солнечной радиации воспринимает Мировой океан. Расчеты подтвердили промышленное значение этой энергии, что позволило нам обосновать строительство океанических электростанций (ОЭС). Предложено разместить ОЭС в экваториальной зоне, что, очевидно, не нарушит экологическое равновесие на Земле.
Наша следующая цель — освоить второй по значению источник энергии — тепло земных недр. Для этого необходимо решить примерно те же задачи, что и в первом случае, а именно: определить места размещения источников подземного тепла, доказать их промышленное значение, подобрать электростанции соответствующей мощности и подтвердить экологическую безопасность принятой технологии производства электроэнергии.
Для решения поставленных задач нам желательно знать закономерности генерирования тепла в земных недрах.
В поисках источников тепла опустимся на несколько километров вглубь Земли. Замысловатое распределение породообразующих минералов, открывшееся перед нами, говорит о том, что для его расшифровки нам следует знать отдельные стадии развития Земли.
Очевидно, что первым этапом нашего исследования должно стать изучение закономерностей вращения раскаленного сгустка вещества, из которого в дальнейшем образовалась Земля. Именно первоначальный момент количества движения, полученный Протоземлей в ходе своего возникновения, оказал решающее влияние на расслоение планеты и формирование материков в период ее остывания.
Таким образом, ближайшая наша цель — найти скорость вращения Протоземли и жидкой Земли.
Решая поставленную задачу, мы должны рассмотреть переход вещества Земли из звездного состояния в планетное, а затем из жидкого состояния в кристаллическое.
Итак, занимаясь чисто практическими вопросами, касающимися энергетики, мы вынуждены погрузиться в море космогонических гипотез [1-9]. Но данное обстоятельство не должно нас особенно смущать, поскольку направление нашего исследования мы сверяем с надежным “компасом” — законами преобразования энергии.
Прежде всего, обратимся лишь к тем моделям космических и земных явлений, развитие которых в изолированном состоянии сопровождается ростом энтропии S. В этих системах малому отклонению от состояния равновесия соответствуют отрицательные значения изменения энтропии, т.е. ΔS < 0, последнее обстоятельство связано с тем, что при равновесии энтропия достигает своего максимального значения. Отсюда отрицательные значения ΔS служат критерием устойчивости изолированной системы.
Напомним, что при исследовании спонтанных эффектов методами равновесной i-термодинамики нам пришлось учитывать рост энтропии в реальных циклах введением в расчетные зависимости внутреннего КПД ηое циркуляционных контуров. Причем циркуляция в каждом контуре рассматривалась как локальное явление, не оказывающее динамического воздействия на окружающую среду.
Между тем развитие природных процессов обеспечивается, как правило, кооперативным действием большого числа циркуляционных ячеек, согласовывающих свое движение друг с другом и взаимодействующих с окружающей средой. Возникающие гидродинамические структуры находятся вдали от равновесия. Как известно, устойчивость неравновесных стационарных состояний достигается в том случае, если производная по времени от второй вариации энтропии является положительной величиной, т.е.
Наложенное на системы ограничение выполняется в диапазоне максимальной скорости производства и диссипации энергии. Диссипация, как известно, относится к категории необратимых процессов. Но в отличие от таких физических явлений, как диффузия или теплопроводность, где происходит простое перераспределение энтропии и некоторый ее рост, в “диссипативных” системах энтропия производится. Производство энтропии — это локальная скорость ее возникновения.
Вводя в расчеты величину δ2S, мы, тем не менее, все еще остаемся в пределах действия принципов i-термодинамики. Каждому из исследованных нами эффектов (гравитационный, ротационный и компрессионный) соответствует своя гидродинамическая структура, отличающаяся определенным расположением потоков в пространстве и величиной скорости течения. Эти отличия продиктованы характером поступления энергии в оболочки планет извне, от Солнца (за исключением Юпитера, где есть также поступление из недр). Мощное выделение энергии в ядрах галактик и недрах звезд ведет к наложению гравитационного эффекта на ротационный и компрессионный, что сопровождается возникновением в их внешних оболочках своеобразных газодинамических структур. С особенностями этих структур мы познакомимся, моделируя процессы распределения потоков на экспериментальных стендах.
Как Вы уже обратили внимание, основные закономерности ротационного эффекта, действующего на планетах, нам удалось вскрыть лишь после испытаний сравнительно сложной испарительной установки, с конструкцией которой, впрочем, можно разобраться, привлекая принципы симметрии.
Экспериментальные стенды для моделирования газодинамической обстановки на Солнце также не отличаются особой простотой, но в их конструкции гораздо четче будут проявляться элементы симметрии. Результаты испытаний позволят нам сформулировать топологические ограничения, накладываемые на вновь возникающие в космосе системы после взрыва небесных объектов. Под взрывом здесь подразумевается поведение диссипативных структур в резко выраженном переходном процессе.
Известно, что стационарные процессы отличаются незначительным изменением своих параметров. Но по мере накопления этих изменений создаются условия для бурной перестройки динамических структур. К нестационарным (или переходным) процессам относятся также изученные нами спонтанные эффекты, но у них более плавные, чем при взрыве, переходы систем из одного состояния в другое.
Основное усилие во второй части книги мы направим на исследование именно переходных процессов, поскольку сегодняшний лик Земли в значительной мере сложился под их влиянием. Сведения о переходных процессах являются основой для расчета крутящего момента как Протоземли, так и жидкой Земли.
Нам хотелось бы еще раз подчеркнуть, что располагаемый момент количества движения определил последовательность образования материков и закономерности расслоения вещества Земли.
Далее, при изучении космических объектов мы, безусловно, столкнемся со всем многообразием химических, ядерных и субъядерных реакций, а также с различного рода фазовыми превращениями.
Здесь следует учитывать, что о механизме субатомных реакций, протекающих в недрах наиболее массивных небесных тел при сверхвысоких температурах и давлениях, на данный момент времени мало что известно. Поэтому об их интенсивности мы вынуждены судить лишь по характеру расположения массы вещества, выброшенного в окружающее пространство при взрыве.
Более определенно можно говорить о превращениях элементов и их соединений на Земле и отчасти на Солнце. В этом случае критерием реальности процессов в закрытых системах при постоянных Т и Р являются отрицательные значения величины ΔGi. Изобарно-изотерический потенциал ΔGi получил широкое применение благодаря тому, что в нем учитываются изменения как энтальпии, так и энтропии системы. Устойчивость состояния записывается в этом случае в виде выражения
Поскольку удельные значения ΔGi есть не что иное, как химический потенциал, то это означает, что в своих исследованиях мы перемещаемся уже в область действия равновесной μ-термодинамики.
Но нас не в меньшей мере интересуют неравновесные процессы, осложненные химическими реакциями. В этой области физико-химии, называемой кинетикой, пока безраздельно господствуют эмпирические методы исследований, весьма далекие от приемов термодинамики.
Между тем, в большинстве случаев скорость фазовых и химических превращений под землей зависит от изменения химического потенциала конкретной открытой системы. Для доказательства данного положения нам придется использовать результаты испытаний испарителей и реакторов различного типа. Причем предпочтение в последнем случае будет отдаваться реакторам высокого давления. Эти же исследования позволят нам уточнить термодинамические критерии устойчивости рассматриваемых систем.
Наконец, у нас установилась добрая традиция сравнивать процессы, происходящие на Земле, с аналогичными процессами на ближайших планетах. Логика здесь проста: Солнечная система образовалась как единое целое в одном глобальном событии и поэтому законы преобразования энергии должны быть справедливы для любой планеты. Если же энергетическая сторона какого-либо процесса не соблюдается на одной из планет, то это означает, что данный процесс невозможен и на других планетах.
Внесенные ограничения значительно сужают область нашего научного поиска, что дает нам возможность сосредоточить свое внимание на наиболее вероятных природных процессах. В итоге удается составить физически обоснованный эскиз сегодняшнего строения Земли и выбрать тип реакций, протекающих в ее глубинах. Тем самым открывается путь к решению стоящих перед нами энергетических задач.
Попутно нам предстоит решить ряд экологических проблем, поскольку станции оказываются в зонах наибольшей сейсмической активности Земли.
Несколько обособленно выглядит здесь проблема образования месторождений нефти и газа, затронутая в послесловии. Но поскольку формирование этих месторождений входит составной частью в естественный цикл обсуждаемых природных процессов, то нам пришлось уделить ему некоторое внимание.
Вышедшая в прошлом году первая часть данной книги была благожелательно встречена научной общественностью многих стран. К сожалению, каких-либо замечаний не было, поэтому не оказалось возможным поместить в приложении ко второй части материалы дискуссии.
При проведении многочисленных экспериментов автор сотрудничал со многими специалистами, фамилии которых зафиксированы в совместно опубликованных статьях, авторских свидетельствах и патентах. Автор приносит этим специалистам сердечную благодарность.
Особенно благодарен автор кандидату технических наук В.Б. Трошенькину, составившему разделы 3.3.1—3.3.3 настоящей книги.
Здесь же автор выражает свою признательность рецензентам и редакторам.
