Федеральне агентство з освіти Російської Федерації
Новокузнецький філія-інститут державної освітньої установи вищої професійної освіти«Кемеровський державний університет»
Кафедра економіки
Курсова роботаЗ КУРСУ «ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПРОГРЕСИВНИХ ТЕХНОЛОГІЙ»
Енергія, ентропія, енергетика. Ідеї І. Пригожина та їх значення для сучасної науки
Новокузнецьк 2009
Реферат
Енергія, ентропія і енергетика. Ідеї І. Пригожина та їх значення для сучасної науки, спеціальність ЕПЗ-07, Новокузнецьк, 2009 р., курсова робота, пояснювальна записка 26 стор, 8 джерел, 1 додаток.
ЕНЕРГІЯ, Поняття ентропії, СТАТИСТИЧНИЙ СЕНС Поняття ентропії, ТЕРМОДИНАМІКА І ЕНТРОПІЯ, термодинаміки нерівноважних процесів І ЕНТРОПІЯ, ЕНЕРГЕТИКА, ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА, ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКА, ЯДЕРНА ЕНЕРГЕТИКА, гідроенергетика, ІДЕЇ І. Пригожин ТА ЇХ ЗНАЧЕННЯ ДЛЯ СУЧАСНОЇ НАУКИ
Об'єктом дослідження є енергія, енергетика і ентропія.
Предмет дослідження - види енергетики, форми енергії, ентропія в термодинаміці та термодинаміки нерівноважних процесів, дослідження І. Пігожіна.
Мета роботи - виявити значення енергії, ентропії та енергетики. Розглянути ідеї І. Пригожина та позначити їх значення для сучасної науки
У процесі роботи були вивчені теоретичні аспекти ентропії, енергії і енергетики, розглянуті види енергетики та ентропії.
У результаті дослідження було виявлено роль енергії, ентропії та енергетики у фізичних процесах і науки; значення ідей І. Пригожина.
Зміст
ВСТУП
Енергія
Поняття ентропії. Статистичний сенс поняття ентропії
Термодинаміка і ентропія
Термодинаміка нерівноважних процесів і ентропія
Енергетика
Електроенергетика
Теплоенергетика
Ядерна енергетика
Гідроенергетика
Ідеї І. Пригожина та їх значення для сучасної науки
ВИСНОВОК
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
ДОДАТОК
Введення
Предметом роботи є енергія, ентропія і енергетика. Метою даної роботи є вивчення ентропії, енергії, енергетики; розгляд рівноваги в живій природі і вивчення ідей І. Пригожина. Поставлена мета, ставить вирішення наступних завдань: розгляду поняття ентропії, енергії, енергетики статистичного сенсу цього поняття, ентропії як міри ступеня невизначеності, ознайомлення з видами енергії і енергетики; вивчення ідей І. Пригожина та виявити їх значення для сучасної науки.
Дана тема актуальна, тому що важко знайти поняття більш загальні для всіх наук (не тільки природних) і, разом з тим, іноді носять відтінок загадковості, ніж ентропія, енергія та енергетика. Енергія - не тільки одне з найчастіше обговорюваних сьогодні понять; крім свого основного фізичного (а в більш широкому сенсі - природничонаукового) змісту, вона має численні економічні, технічні, політичні та інші аспекти.
Людству потрібна енергія, причому потреби в ній збільшуються з кожним роком. Разом з тим запаси традиційних природних палив (нафти, вугілля, газу та ін) кінцеві. Кінцеві також і запаси ядерного палива - урану і торію, з якого можна отримувати в реакторах плутоній. Практично невичерпні запаси термоядерного палива - водню, проте керовані термоядерні реакції поки не освоєні і невідомо, коли вони будуть використані для промислового отримання енергії в чистому вигляді, тобто без участі в цьому процесі реакторів ділення. Залишаються два шляхи: строга економія при витрачанні енергоресурсів і використання нетрадиційних відновлюваних джерел енергії.
Почасти це пов'язано з самими назвами. Якщо б не звучну назву "ентропія" залишилася б з моменту першого народження всього лише "інтегралом Клаузіуса", навряд чи вона б не народжувалася знову й знову в різних областях науки під одним ім'ям. Крім того, її першовідкривач Клаузіузус, першим же поклав початок застосування введеного ним для, здавалося б вузькоспеціальних термодинамічних цілей поняття до глобальних космологічним проблем (теплова смерть Всесвіту). З тих пір ентропія багаторазово фігурувала в останніх назавжди знаменитими суперечках. В даний час універсальний характер цього поняття загальновизнаний і вона плідно використовується в багатьох областях.
Енергія
Енергія (від грец. Enйrgeia - дія, діяльність), загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Внаслідок існування закону збереження енергії поняття енергії пов'язує воєдино всі явища природи. Енергія в природі не виникає з нічого і не зникає, вона тільки може переходити з однієї форми в іншу. У відповідності з різними формами руху матерії розглядають різні форми енергії: механічну, електромагнітну, ядерну та ін Це підрозділ до певної міри умовно. Так, хімічна енергія складається з кінетичної енергії руху електронів і електричної енергії взаємодії електронів один з одним і з атомними ядрами. Внутрішня енергія дорівнює сумі кінетичної енергії хаотичного руху молекул відносно центру мас тіл і потенційних енергії взаємодії молекул один з одним. Енергія системи однозначно залежить від параметрів, що характеризують стан системи. У випадку безперервної середовища або поля вводяться поняття густини енергії, тобто енергія в одиниці об'єму, і щільності потоку енергії, що дорівнює добутку густини енергії на швидкість її переміщення.
У відносності теорії показується, що енергія тіла Е нерозривно пов'язана з його масою Т співвідношенням Е = ТС2, де с - швидкість світла у вакуумі. Відповідно до класичної фізики, енергія будь-якої системи змінюється безперервно і може приймати будь-які значення. Відповідно до квантової теорії, енергія мікрочастинок, рух яких відбувається в обмеженій області простору (наприклад, електронів в атомах), приймає дискретний ряд значень. Атоми випромінюють електромагнітну енергію в вигляді дискретних порцій - світлових квантів, або фотонів.
Енергія вимірюється в тих же одиницях, що і робота: у системі СГС - у ергах, в Міжнародній системі одиниць (СІ) - в джоулях; в атомній і ядерній фізиці й у фізиці елементарних частинок зазвичай застосовується позасистемна одиниця - електрон-вольт. [1, 32-34]
Поняття ентропії. Статистичний сенс поняття ентропії
Ентропія (від грец. Entropia - поворот, перетворення) - міра невпорядкованості великих систем. Вперше поняття "ентропія" введено в XIX ст. в результаті аналізу роботи теплових машин, де ентропія характеризує ту частину енергії, яка розсіюється в просторі, не здійснюючи корисної роботи (звідси визначення: ентропія - міра знецінення енергії). Потім було встановлено, що ентропія характеризує імовірність певного стану будь-якої фізичної системи серед безлічі можливих її станів. У закритих фізичних системах усі самовільні процеси спрямовані до досягнення більш ймовірних станів, тобто до максимуму ентропії. У рівноважному стані, коли цей максимум досягається, ніякі спрямовані процеси неможливі. Звідси виникла гіпотеза про теплової смерті Всесвіту. Однак поширення на весь Всесвіт законів, встановлених для закритих систем, не має переконливих наукових підстав. У XX ст. поняття "ентропія" виявилося плідним для дослідження біосистем, а також процесів передачі та обробки інформації. Еволюція в цілому і розвиток кожного організму відбувається завдяки тому, що біосистеми, будучи відкритими, живляться енергією з навколишнього світу. Але при цьому біопроцеси протікають таким чином, що пов'язані з ними "виробництво ентропії" мінімально. Це служить важливим керівним принципом і при розробці сучасних технологічних процесів, при проектуванні технічних систем. Кількісна міра інформації формально збігається з "негативно певної" ентропією. Але глибоке розуміння відповідності ентропії фізичної та інформаційної залишається однією з кардинальних недостатньо досліджених проблем сучасної науки. Її рішення послужить одним з важливих чинників становлення нового науково-технічного мислення. [2, 48-49]
Ентропія широко застосовується і в інших областях науки: в статистичній фізиці як міра ймовірності здійснення будь-якого макроскопічного стану; в теорії інформації як міра невизначеності будь-якого досвіду (випробування), який може мати різні результати. Ці трактування мають глибоку внутрішню зв'язок. Наприклад, на основі уявлень про інформаційної ентропії можна вивести всі найважливіші положення статистичної фізики.
Поняття ентропія, як показав вперше ентропію Шредінгер (1944), суттєво і для розуміння явищ життя. Живий організм з точки зору протікають у ньому фізико-хімічних процесів можна розглядати як складну відкриту систему, що знаходиться в нерівноважному, але стаціонарному стані. Для організмів характерна збалансованість процесів, що ведуть до зростання ентропії, і процесів обміну, що зменшують її. Проте життя не зводиться до простої сукупності фізико-хімічних процесів, їй властиві складні процеси саморегулювання. Тому з допомогою поняття ентропії не можна охарактеризувати життєдіяльність організмів у цілому.
Ентропія, характеризуючи ймовірність здійснення даного стану системи, відповідно до (1) є мірою його невпорядкованості. Зміна ентропії DS зумовлено як зміною р, V і Т, так і процесами, що протікають при р, Т = const і пов'язаними з перетворенням речовин, включаючи зміну їх агрегатного стану, розчинення і хімічну взаємодію.
Ізотермічний стиснення речовини призводить до зменшення, а ізотермічне розширення і нагрівання - до збільшення його Ентропія, що відповідає рівнянням, що випливають з першого і другого почав термодинаміки:
QUOTE
QUOTE
Відповідно до (3) ентропія вимірюється в кал / (моль · К) (ентропійна одиниця - е. Е.) і дж / (моль · К). При розрахунках звичайно застосовують значення Ентропія в стандартному стані, найчастіше при 298,15 К (25 ° С), тобто S0298.
Ентропія збільшується при переході речовини в стан з більшою енергією. DS сублімації> DS пароутворення>> DS плавлення> DS поліморфного перетворення. Наприклад, ентропія води в кристалічному стані дорівнює 11,5, в рідкому - 16,75, в газоподібному - 45,11 е.. е.
Чим вище твердість речовини, тим менше його ентропія; так, ентропія алмазу (0,57 е.. Е.) вдвічі менше ентропії графіту (1,37 е.. Е.). Карбіди, борид і інші дуже тверді речовини характеризуються невеликою Ентропія аморфного тіла дещо більше ентропії кристалічного. Зростання ступеня дисперсності системи також призводить до деякого збільшення її ентропії.
Ентропія зростає в міру ускладнення молекули речовини; так, для газів N2О, N2O3 і N2O5 Ентропія становить відповідно 52,6; 73,4 і 85,0 е.. е. При одній і тій же молекулярній масі ентропія розгалужених вуглеводнів менше ентропії нерозгалужених; ентропія Циклоалкани (циклани) менше ентропії відповідного йому алкена.
Ентропія простих речовин і сполук (наприклад, хлоридів ACIn), а також її зміни при плавленні і паротворенні є періодичними функціями порядкового номера відповідного елемента. Періодичність зміни ентропії для подібних хімічних реакцій типу 1 / n Акріст + 1/2Сl2газ = 1 / n ACln крист практично не виявляється. У сукупності речовин-аналогів, наприклад АСl4газ (А - З, Si, Ge, Sn, Pb) ентропія змінюється закономірно. Подібність речовин (N2 і СВ; CdCl2 і ZnCl2; Ag2Se і Ag2Te; ВаСОз і BaSiO3; PbWO4 і РЬМоО4) проявляється в близькості їх ентропії. Виявлення закономірності зміни ентропії в рядах подібних речовин, обумовленого відмінностями в їх будову та склад, дозволило розробити методи наближеного розрахунку ентропії.
Знак зміни ентропії при хімічній реакції DS х. р. визначається знаком зміни об'єму системи DV х. р.; проте можливі процеси (ізомеризація, циклізація), в яких DS х. р. № 0, хоча DV х. р. »0. У відповідності з рівнянням DG = DН - ТDS (G - гиббсової енергія, Н - ентальпія) знак та абсолютне значення DS х. р. важливі для судження про вплив температури на рівновагу хімічне. Можливі мимовільні екзотермічні. процеси (DG <0, DH <0), що проходять із зменшенням ентропії (DS <0). Такі процеси поширені, зокрема, при розчиненні (наприклад, комплексоутворення), що свідчить про важливість хімічних взаємодій між що беруть участь в них речовинами. [3, 157-163]
Термодинаміка і ентропія.
Так, для термодинамічної системи, що здійснює квазистатическим (нескінченно повільно) циклічний процес, в якому система послідовно отримує малі кількості теплоти dQ при відповідних значеннях абсолютної температури Т, інтеграл від «наведеного» кількості теплоти dQ / Т по всьому циклу дорівнює нулю
QUOTE
Це рівність, еквівалентну другому початку термодинаміки для рівноважних процесів, Клаузіус отримав, розглядаючи довільний циклічний процес як суму дуже великої, в межі нескінченного, числа елементарних оборотних Карно циклів. Математично рівність Клаузіуса необхідно і достатньо для того, щоб вираз
dS = dQ / T (1)
являло собою повний диференціал функції стану S, назване «ентропія» (диференціальне визначення ентропії). Різниця ентропії системи в двох довільних станах А і В (заданих, наприклад, значеннями температур і обсягів) дорівнює
QUOTE
(Інтегральне визначення ентропії). Інтегрування тут ведеться уздовж шляху будь-якого квазістатичної процесу, що зв'язує стану А і В, при цьому, згідно рівності Клаузіуса, приріст ентропії DS = SB - SA не залежить від шляху інтегрування.
Т. о., З другого початку термодинаміки випливає, що існує однозначна функція стану S, яка при квазистатических адіабатних процесах (dQ = 0) залишається постійною. Процеси, в яких ентропія залишається постійною, називаються ізоентропійнимі. Прикладом може служити процес, широко використовуваний для отримання низьких температур, - адіабатно розмагнічування. При ізотермічних процесах зміна ентропії дорівнює відношенню повідомленої системі теплоти до абсолютній температурі. Наприклад, зміна ентропії при випаровуванні рідини дорівнює відношенню теплоти випаровування до температури випаровування за умови рівноваги рідини з її насиченою парою.
Відповідно до першого початку термодинаміки (закону збереження енергії), dQ = dU + pdV, тобто сообщаемое системі кількість теплоти дорівнює сумі приросту внутрішньої енергії dU і чиненої системою роботи pdV, де р - тиск, V - об'єм системи. З урахуванням першого початку термодинаміки диференціальне визначення ентропії приймає вигляд
QUOTE
звідки випливає, що при виборі в якості незалежних змінних внутрішньої енергії U та обсягу V приватні похідні Ентропія пов'язані з абсолютною температурою і тиском співвідношеннями:
QUOTE
Ці вислови є рівняння стану системи (перше - калорические, друге - термічне). Рівняння (4) лежить в основі визначення абсолютної температури.
Формула (2) визначає ентропію лише з точністю до адитивної постійної (тобто залишає початок відліку ентропії довільним). Абсолютне значення ентропії дозволяє встановити третій початок термодинаміки, або Нернста теорему: при прагненні абсолютної температури до нуля різницю DS для будь-якої речовини прагне до нуля незалежно від зовнішніх параметрів. Тому: ентропія всіх речовин при абсолютному нулі температури можна прийняти рівною нулю (це формулювання теореми Нернста запропонував у 1911 М. Планк). Грунтуючись на ній, за початкову точку відліку ентропії беруть QUOTE
Важливість поняття ентропії для аналізу необоротних (нерівноважних) процесів: також була показана вперше Клаузіусом. Для необоротних процесів інтеграл від наведеної теплоти dQ / Т по замкнутому шляху завжди негативний
(QUOTE
Це нерівність - наслідок теореми Карно: коефіцієнт корисної дії частково або повністю незворотного циклічного процесу завжди менше, ніж ккд оборотного циклу. З нерівності Клаузіуса випливає, що
QUOTE
тому ентропія адіабатично ізольованої системи при незворотних процесах може тільки зростати.
Т. о., Ентропія визначає характер процесів в адіабатичне системі: можливі тільки такі процеси, при яких ентропія або залишається незмінною (оборотні процеси), або зростає (необоротні процеси). При цьому не обов'язково, щоб зростала ентропія кожного з тіл, що бере участь у процесі. Збільшується загальна сума ентропії тіл, в яких процес викликав зміни.
Термодинаміка нерівноважних процесів, розділ фізики, що вивчає нерівноважні процеси (дифузію, в'язкість, термоелектричні явища і інших) на основі загальних законів термодинаміки. Для кількісного вивчення нерівноважних процесів, зокрема визначення їх швидкостей залежно від зовнішніх умов, складаються рівняння балансу маси, імпульсу, енергії, а також ентропії для елементарних обсягів системи, і ці рівняння досліджуються спільно з рівняннями процесів, що розглядаються. Термодинаміка нерівноважних процесів - теоретична основа дослідження відкритих систем, у т. ч. живих істот.
Термодинамічної рівноваги адіабатичне системи відповідає стан з максимумом ентропії може мати не один, а кілька максимумів, при цьому система буде мати кілька станів рівноваги. Рівновага, якому відповідає найбільший максимум ентропії, називається абсолютно стійким (стабільним). З умови максимальності ентропії адіабатичні системи в стані рівноваги випливає важливий наслідок: температура всіх частин системи в стані рівноваги однакова.
Поняття «Ентропія» можна застосувати і до термодинамічно нерівноважних станів, якщо відхилення від термодинамічної рівноваги невеликі і можна ввести уявлення про локальний термодинамічній рівновазі в малих, але ще макроскопічних обсягах. Такі стани можна охарактеризувати термодинамічними параметрами (температурою, тиском і т. д.), слабо залежними від просторових координат і часу, а ентропія термодинамічно нерівноважного стану визначити як ентропію рівноважного стану, що характеризується тими ж значеннями параметрів. У цілому ентропія нерівноважної системи дорівнює сумі ентропії її частин, що знаходяться в локальному рівновазі.
Термодинаміка нерівноважних процесів дозволяє більш детально, ніж класична термодинаміка, дослідити процес зростання ентропії і обчислити кількість ентропії, що утворюється в одиниці об'єму в одиницю часу внаслідок відхилення системи від термодинамічної рівноваги - виробництво ентропії. Виробництво ентропії завжди позитивно і математично виражається квадратичною формою від градієнтів термодинамічних параметрів (температури, гідродинамічної швидкості або концентрацій компонентів суміші) з коефіцієнтами, званими кінетичними (див. Онсагером теорема).
Статистична фізика пов'язує ентропію з ймовірністю здійснення даного макроскопічного стану системи. Ентропія визначається через логарифм статистичної ваги W даного рівноважного стану
S = k ln W (E, N), (7)
де k - Больцмана постійна, W (E, N) - число квантовомеханічний рівнів у вузькому інтервалі енергії DЕ поблизу значення енергії Е системи з N частинок. Вперше зв'язок ентропії з ймовірністю стану системи була встановлена Л. Больцманом в 1872: зростання ентропії системи зумовлено її переходом з менш ймовірного стану в більш ймовірне. Іншими словами, еволюція замкнутої системи здійснюється в напрямку найбільш ймовірного розподілу енергії за окремим підсистемам. [4, 147]
На відміну від термодинаміки статистична фізика розглядає особливий клас процесів - флуктуації, при яких система переходить з більш вірогідного стану в менш ймовірне, і її ентропія зменшується. Наявність флуктуацій показує, що закон зростання ентропії виконується тільки в середньому для досить великого проміжку часу.
Ентропія в статистичній фізиці тісно пов'язана з інформаційною ентропією, яка служить мірою невизначеності повідомлень даного джерела (повідомлення описуються безліччю величин х1, x2 ,..., xn, які можуть бути, наприклад, словами якого-небудь мови, і відповідних ймовірностей p1, p2 ,..., pn появи величин x1, x2 ,..., xn в повідомленні). Для певного (дискретного) статистичного розподілу ймовірностей рк інформаційної ентропією називають величину
за умови
QUOTE
Значення Ні дорівнює нулю, якщо будь-яка з pk дорівнює 1, а решта - нулю, тобто невизначеність в інформації відсутній. Ентропія приймає найбільше значення, коли pk рівні між собою і невизначеність в інформації максимальна. Інформаційна ентропія, як і термодинамічна, має властивість адитивності (ентропія декількох повідомлень дорівнює сумі ентропії окремих повідомлень). К. Шеннон показав, що ентропія джерела інформації визначає критичне значення швидкості «перешкодостійкою» передачі інформації з конкретного каналу зв'язку. З ймовірнісної трактування інформаційної ентропії можуть бути виведені основні розподілу статистичної фізики: канонічне розподіл Гіббса, яке відповідає максимальному значенню інформаційної ентропії при заданій середньої енергії, і велика канонічне розподіл Гіббса - при заданих середньої енергії і числа частинок в системі. [3, 214]
Енергетика
Енергетика:
1) енергетична наука - наука про закономірності процесів і явищ, прямо або побічно пов'язаних з отриманням, перетворенням, передачею, розподілом і використанням різних видів енергії, про вдосконалення методів прогнозування та експлуатації енергетичних систем, підвищення ккд енергетичних установок і зменшенні їх екологічного впливу на природу .
2) Енергосистема - паливно-енергетичний комплекс країни, область народного господарства, що охоплює енергетичні ресурси, вироблення, перетворення, передачу і використання різних видів енергії. Провідна область енергетики - електроенергетика. У енергосистему входять системи електроенергетичні, постачання різними видами палива (продукцією нафтовидобувної, газової, вугільної, торф'яної і сланцевої промисловості), ядерної енергетики, зазвичай об'єднуються в масштабах країни в Єдину енергетичну систему. [7, 90]
Енергетика включає в себе ряд галузей:
електроенергетика;
теплова електроенергетика;
ядерна енергетика;
гідроелектроенергетика;
теплоенергетика;
видобуток, переробка енергоресурсів;
газова промисловість;
вугільна промисловість;
нафтова промисловість.
Електроенергетика
Електроенергетика - провідна складова частина енергетики, що забезпечує електрифікацію господарства країни на основі раціонального виробництва та розподілу електроенергії. Електроенергетика має важливе значення в господарстві будь промислово розвиненої країни, що пояснюється такими перевагами електроенергії перед енергією інших видів, як відносна легкість передачі на великі відстані, розподілу між споживачами, а також перетворення в інші види енергії (механічну, теплову, хімічну, світлову та ін .). Відмінною рисою електроенергії є одночасність її генерування і споживання. [6, 63]
Основна частина електроенергії виробляється великими електростанціями:
тепловими (ТЕС):
конденсаційними (КЕС),
теплофікаційних (ТЕЦ),
атомними (АЕС);
гідравлічними (ГЕС):
гідравлічними (ГЕС),
гідроакумулюючими (ГАЕС).
Сукупність електростанцій, електричних і теплових мереж, з'єднаних між собою і пов'язаних спільністю режиму в безперервному процесі виробництва, перетворення і розподілу електричної і теплової енергії при загальному управлінні цим режимом утворює енергетичну систему. Сукупність електричного обладнання об'єктів енергосистеми називається електричної частиною енергосистеми.
В електроенергетиці розглядаються процеси генерації, передачі, розподілу електроенергії та споживання електроенергії.
Теплоенергетика
Теплоенергетика, галузь енергетики, що займається перетворенням теплоти в інші види енергії, головним чином у механічну й електричну. Для генерування механічної енергії за рахунок теплоти служать теплосилові установки; отримана в цих установках механічна енергія використовується для приводу робочих машин (металообробних верстатів, автомобілів, конвеєрів і т. д.) або електромеханічних генераторів, за допомогою яких виробляється електроенергія. Установки, у яких перетворення теплоти в електроенергію здійснюється без електромеханічних генераторів, називаються установками прямого перетворення енергії. До них відносять магнітогідродинамічних генератори, термоелектричні генератори, термоемісійний перетворювачі енергії. [6, 94]
Ядерна енергетика
Ядерна енергетика, галузь енергетики, що використовує ядерну енергію (атомну енергію) з метою електрифікації і теплофікації; область науки і техніки, що розробляє і використовує на практиці методи і засоби перетворення ядерної енергії в теплову і електричну. Основу Ядерна енергетика становлять атомні електростанції (АЕС). Джерелом енергії на АЕС служить ядерний реактор, в якому протікає керована ланцюгова реакція поділу ядер важких елементів, переважно 235U та 239Pu. При поділі ядер урану і плутонію виділяється теплова енергія, яка перетворюється потім в електричну так само, як на звичайних теплових електростанціях. При виснаженні запасів органічного палива (вугілля, нафти, газу, торфу) використання ядерного палива - поки єдино реальний шлях надійного забезпечення людства необхідної йому енергією. Зростання споживання та виробництва електроенергії призводить до того, що в деяких країнах світу вже відчувається нестача органічного палива і все більше число розвинених країн починає залежати від імпорту енергоресурсів. Виснаження або недолік паливних енергоресурсів, подорожчання їх видобутку та транспортування стали одними з причин так званого «енергетичного кризи» 70-х рр.. 20 в. Тому в ряді країн ведуться інтенсивні роботи з освоєння нових високоефективних методів отримання електроенергії за рахунок використання інших джерел, і в першу чергу ядерної енергії. [7, 56-57]
Гідроенергетика
Гідроенергетика, розділ енергетики, пов'язаний з використанням потенційної енергії водних ресурсів.
Важливою економічною особливістю гідроенергетичних ресурсів є їх вічна возобновляемость, що не вимагає в подальшому додаткових капіталовкладень. Електроенергія, що виробляється на ГЕС, в середньому майже в 4 рази дешевше електроенергії, одержуваної від теплових електростанцій. Тому використання гідроенергетичних ресурсів надається особливе значення при розміщенні електроємна виробництв. Відсутність необхідності в паливі і простіша технологія вироблення електроенергії призводять до того, що витрати на одиницю потужності на ГЕС майже в 10 разів менше, ніж на теплових електростанціях (з урахуванням видобутку палива і його транспортування). Висока продуктивність праці на ГЕС є однією з основних її економічних особливостей і має найважливіше значення при вирішенні завдань енергетичного будівництва в малообжитих і особливо у віддалених районах Півночі країни.
ГЕС є мобільними енергетичними установками, що вигідно відрізняються від паротурбінних теплових електростанцій у галузі регулювання частоти, покриття зростаючих пікових навантажень, маневрування потужністю в період нічного зниження навантажень і в ролі аварійного резерву системи. Це особливо важливо для енергосистем Європейської частини СРСР, де електроспоживання протягом доби характеризується великою нерівномірністю. [7, 101-102]
Ідеї І. Пригожина та їх значення для сучасної науки
Пригожин Ілля Романович (25 січня 1917, Москва - 28 травня 2003, Брюссель), бельгійський фізик і фізико-хімік російського походження, лауреат Нобелівської премії з хімії 1977 «за роботи з термодинаміки необоротних процесів, особливо за теорію дисипативних структур». До Бельгії було привезено батьками з Росії в ранньому дитинстві.
Яскравий представник брюссельської школи термодинаміки необоротних процесів, заснованої Теофілом де Донди, Пригожин зі студентських років брав активну участь у створенні термодинаміки незворотних процесів. У 1947 він ввів поняття виробництва ентропії і по-новому сформулював другий початок термодинаміки, поширивши його на так звані відкриті системи, що обмінюються із зовнішнім середовищем речовиною та енергією. У 1947 показав, що в стаціонарному стані при фіксованих зовнішніх параметрах швидкість виробництва ентропії в термодинамічній системі мінімальна і що для незворотних процесів швидкість виробництва ентропії у відкритій системі прагне до мінімуму. У 1959-69 р вивів співвідношення взаємності Л. Онсагером з кінетичних рівнянь і термодинамічні співвідношення для нерівноважного газу.
Основна маса його робіт присвячена нерівноважної термодинаміки і статистичної механіки незворотних процесів. Одне з головних досягнень полягало в тому, що було показано існування нерівноважних термодинамічних систем, які за певних умов, поглинаючи масу й енергію з навколишнього простору, можуть здійснювати якісний стрибок до ускладнення (Дисипативні структури). Причому такий стрибок не може бути передбачений, виходячи з класичних законів статистики. Такі системи пізніше були названі його ім'ям. Розрахунок таких систем став можливий завдяки його роботам, виконаним в 1947 році.
Довів одну з основних теорем термодинаміки нерівноважних процесів про мінімум виробництва ентропії у відкритій системі.
Пригожина теорема, доведена І.Р. Пригожиним (1947) теорема термодинаміки нерівноважних процесів: при зовнішніх умовах, що перешкоджають досягненню системою рівноважного стану, стаціонарний стан системи відповідає мінімальному виробництва ентропії.
Принципи термодинаміки були сформульовані в середині XIX ст., Після винаходу парової машини, коли взаємодія теплової, електричної та механічної роботи привернуло до себе значний інтерес. Згідно з однією з версій першого початку термодинаміки, що представляє собою принцип збереження енергії, в будь-якій закритій системі енергія не зникає і не виникає, а переходить з однієї форми в іншу. Другий закон термодинаміки (принцип ентропії) описує тенденцію систем переходити зі стану більшого до стану меншого порядку. Ентропія - це міра безладності, або разупорядоченності, системи. Чим більше разупорядоченності, тим вище ентропія. У XIX ст. американський математик і фізик Джозайя Віллард Гіббс розробив теорію статистичної термодинаміки для оборотних систем в умови рівноваги. Теофіл де Дондера, професор Пригожин у Вільному університеті і засновник Брюссельської школи термодинаміки, сформулював теорію нерівноважних необоротних систем.
Пригожина найбільше цікавили в термодинаміці нерівноважні специфічно відкриті системи, в яких або матерія, або енергія, або і те й інше обмінюються із зовнішнім середовищем в реакціях. При цьому кількість матерії та енергії або кількість матерії або кількість енергії з часом збільшується або зменшується. Щоб пояснити поведінку систем, далеких від рівноваги, Пригожин сформулював теорію дисипативних структур. Вважаючи, що неравновесность може служити джерелом організації і порядку, він представив дисипативні структури в термінах математичної моделі з залежними від часу нелінійними функціями, які описують здатність систем обмінюватися матерією та енергією з зовнішнім середовищем і спонтанно себе рестабілізіровать. Став тепер класичним приклад дисипативної структури у фізичній хімії відомий як нестабільність Бенардо. Така структура виникає, коли шари легкорухливий рідкого середовища підігріваються знизу. При досить високих температурних градієнтах тепло передається через це середовище, як звичайно, і велике число молекул в рідині утворюють специфічні геометричні форми, що нагадують живі клітини. [8]
Висновок
Незаперечна роль енергії в підтримці і подальшому розвитку цивілізації. У сучасному суспільстві важко знайти хоча б одну область людської діяльності, яка не вимагала б - прямо або побічно - більше енергії, ніж її можуть дати м'язи людини. У відповідності з різними формами руху матерії розглядають різні форми енергії: механічну, електромагнітну, ядерну та ін Це підрозділ до певної міри умовно. Так, хімічна енергія складається з кінетичної енергії руху електронів і електричної енергії взаємодії електронів один з одним і з атомними ядрами.
Ентропія як фізична мінлива первинно виникла із завдань опису теплових процесів. Згодом вона стала широко використовуватися у всіх галузях науки. Поняття ентропія, як показав вперше ентропію Шредінгер (1944), суттєво і для розуміння явищ життя. Живий організм з точки зору протікають у ньому фізико-хімічних процесів можна розглядати як складну відкриту систему, що знаходиться в нерівноважному, але стаціонарному стані. Для організмів характерна збалансованість процесів, що ведуть до зростання ентропії, і процесів обміну, що зменшують її. Проте життя не зводиться до простої сукупності фізико-хімічних процесів, їй властиві складні процеси саморегулювання. Тому з допомогою поняття ентропії не можна охарактеризувати життєдіяльність організмів у цілому.
У сучасному світі все більше значення в управлінні організацією віддається прогнозуванню. Будь-яка організація в процесі своєї діяльності стикається з різними ризиками, які більшою чи меншою мірою впливають на її стан. Численні приклади ситуацій, пов'язаних із соціальними, технологічними, економічними, політичними, екологічними та іншими ризиками. Саме в таких ситуаціях зазвичай і необхідно прогнозування. Відомі різні види критеріїв, які використовуються в теорії прийняття рішень в умовах невизначеності (ризику). Через суперечливості рішень, одержуваних за різними критеріями, очевидна необхідність застосування ентропії.
Яскравий представник брюссельської школи термодинаміки необоротних процесів, заснованої Теофілом де Донди, Пригожин зі студентських років брав активну участь у створенні термодинаміки незворотних процесів. Одне з головних досягнень полягало в тому, що було показано існування нерівноважних термодинамічних систем, які за певних умов, поглинаючи масу й енергію з навколишнього простору, можуть здійснювати якісний стрибок до ускладнення (Дисипативні структури).
Список літератури
1. Аугуста Голдін. Океани енергії. - Пер. з англ. - М.: Знання, 1998. - 144 с.
2. Баланчевадзе В. І., Барановський О. І. та ін; Під ред. А. Ф. Дьякова. Енергетика сьогодні і завтра. - М.: Вища школа, 1999. - 344 с.
3. Юдасин Л. С.. Енергетика: проблеми та надії. - М.: Просвещение, 2000. - 207с.
4. Шамбадаль П. Розвиток і додатки поняття ентропії. М.: Наука, 2007.
5. Поплавський Р.П. Депоніт Максвелла і співвідношення між інформацією і ентропією / / УФН. 1999. Т. 128. Вип. 1
6. Кириллин В. А. Енергетика. Головні проблеми: У питаннях і відповідях. - М.: Знання, 1990. - 128 с.
7. Енергетичні ресурси світу / За ред. П. С. Непорожнього, В.І. Попкова. - М.: Вища школа, 1995. - 232 с.
8. http://mirslovarei.com/content_fil/PRIGOZHIN-ILJA-ROMANOVICH-R-1917-15828.html
Додаток
Завдання № 1
Ухил ділянки дороги дорівнює 1 м на 20 м шляху. Спускаючись під ухил при вимкненому двигуні, автомобіль рухається рівномірно зі швидкість 60 км / год . Визначте потужність двигуна автомобіля, що піднімає з цього ухилу з тією ж швидкістю. Маса автомобіля 1,5 т.
Дано:
h = 1 м
S = 20 м
V = 60 км / год = 16,667 м / с
m = 1500 кг
Знайти:
Р -?
Рішення:
Потужність визначаємо за формулою:
Так як швидкість постійна, то прискорення автомобіля дорівнює 0. Тоді сила, що діє на автомобіль, буде дорівнює:
Одержуємо:
Відповідь: Р = 12262,5 Вт
Завдання № 2
Обчислити тиск 1 моль молекул газу, що займає при температурі 300єК обсяг 1 л .
Дано:
Т = 300 ЄК
V = 1 л = 0,001 м 3
υ = 1 моль
Знайти:
Р -?
Рішення:
Використовуємо формулу Клапейрона-Менделєєва:
де - R = 8,314 Дж / (моль * ЄК) - універсальна газова стала.
Відповідь: Р = 2,48 МПа.
Завдання № 3
Середня кінетична енергія поступального руху молекул газу при температурі 5000єК дорівнює 1,6 ∙ 10 -23 Дж. Яка ця енергія при температурі-273єС і 1000єС?
Дано:
Т 1 = 5000єК
Е 1 = 1,6 ∙ 10 -23 Дж
t 2 =- 273єС
t 3 = 1000єС
Знайти:
Е 2, Е 3 -?
Рішення:
Середня кінетична енергія поступального руху N молекул газу визначається за формулою:
Так як для даного числа молекул газу N їхня енергія залежить тільки від температури, то:
Отримаємо:
Відповідь: Е 2 = 0; Е 3 = 0,407 ∙ 10 -23 Дж.
Завдання № 4.
Дано дві кульки масою 1г. Який заряд потрібно повідомити кожного кульці, щоб сила взаємного відштовхування снарядів на кульках зрівноважила гравітаційну тяжіння кульок?
Дано:
m = 0,001 кг
ε 0 = 8,85 ∙ 10 -12 Ф / м
G = 6,67 ∙ 10 -11 Н ∙ м 2 ∙ кг -2
Знайти:
q -?
Рішення:
Кулонівська сила електростатичного притягання зарядів визначається за формулою:
r - відстань між кульками з зарядом q.
Гравітаційна сила взаємодії кульок визначається за формулою:
У стані рівноваги отримаємо:
Відповідь:
Завдання № 5
Провідник завдовжки 0,1 м знаходиться в однорідному магнітному полі з індукцією 20 мТл. Визначити силу, що діє на провідник, якщо сила струму в ньому 3А, а кут між напрямом струму і магнітною індукцією 30є.
Дано:
l = 0,1 м
I = 3 А
B = 20 ∙ 10 -6 Тл
α = 30є
Знайти:
F А -?
Рішення:
Сила Ампера, що діє на провідник, визначається за формулою:
α - кут між векторами dl (напрямок струму) і В.
Отримаємо:
Відповідь:
Завдання № 6
Жорсткість пружина ресори вагона 481 кН / м. Маса вагона з вантажем 64Т. Вагон має чотири ресори. При якій швидкості вагон почне сильно розгойдуватися внаслідок поштовхів на стиках рейок, якщо довжина рейок 12,8 м?
Дано:
k = 481 ∙ 10 3 Н / м
m = 64000 кг
l = 12,8 м
Знайти:
V -?
Рішення:
Розглянь коливання ресор як коливання пружинного маятника, циклічна частота коливання якого дорівнює для кожної ресори:
Тоді швидкість, при якій вагон почне сильно розгойдуватися внаслідок поштовхів на стиках рейок дорівнює:
Отримаємо:
Відповідь:
Завдання № 7
На мильну плівку (n = 1,3) падає нормально пучок променів білого світла. Яка мінімальна товщина плівки, якщо у відбитому світлі вона представляється червоною (λ = 7000Е)?
Дано:
n = 1,3
λ = 7000Е = 7 ∙ 10 - 7 м
i = 90 º
Знайти:
d -?
Рішення:
Мінімальну товщину плівки визначимо з виразу:
Відповідь:
Завдання № 8
Для поліпшення кольору білизни на фабриках-пральних його обробляють 0,3 -% розчином ультрамарину у воді. Розрахувати теоретичний витрата ультрамарину для обробки 1 т білизни, якщо витрата розчину 0,6 л на 1 кг білизни.
Дано:
n = 0,3%
G р = 0,6 л / кг
M = 1000 кг
Знайти:
m ультра -?
Рішення:
Визначимо масу розчину, виходячи з того, що щільність нізконцентрірованного розчину дорівнює щільності води ρ = 1 кг / л:
За заданою масової концентрації n = 0,03% отримаємо теоретичний масова витрата ультрамарину для обробки 1 т білизни:
Відповідь:
Завдання № 9
Обчисліть еквівалент Н 3 РО 4 в реакціях з КОН при утворенні наступних солей: КН 2 РО 4, К 2 НРО 4, К 3 РО 4.
Рішення
Запишемо відповідні реакції:
Еквіваленти Н 3 РО 4 визначимо за формулою:
За стехіометричним коефіцієнтам реакцій отримаємо:
для реакції (1):
для реакції (2):
для реакції (3):
Завдання № 10
Обчисліть РН 0,35%-ного розчину NaOH, вважаючи α = 1 і ρ = 1 г / мл.
Рішення
Відомо, що для кімнатної температури води 22 ° С концентрація іонів водню [H +] дорівнює 10 -7 моль / л. При α = 1 і ρ = 1 г / мл і концентрації 0,35% концентрація іонів водню складе 0,9965 · 10 -7 моль / л. Тоді водневий показник розчину буде дорівнює:
Так як концентрація розчину дуже низька, то показник рН = 7,0015 дуже близький до нейтрального положення рівному 7.
Яскравий представник брюссельської школи термодинаміки необоротних процесів, заснованої Теофілом де Донди, Пригожин зі студентських років брав активну участь у створенні термодинаміки незворотних процесів. Одне з головних досягнень полягало в тому, що було показано існування нерівноважних термодинамічних систем, які за певних умов, поглинаючи масу й енергію з навколишнього простору, можуть здійснювати якісний стрибок до ускладнення (Дисипативні структури).
Список літератури
1. Аугуста Голдін. Океани енергії. - Пер. з англ. - М.: Знання, 1998. - 144 с.
2. Баланчевадзе В. І., Барановський О. І. та ін; Під ред. А. Ф. Дьякова. Енергетика сьогодні і завтра. - М.: Вища школа, 1999. - 344 с.
3. Юдасин Л. С.. Енергетика: проблеми та надії. - М.: Просвещение, 2000. - 207с.
4. Шамбадаль П. Розвиток і додатки поняття ентропії. М.: Наука, 2007.
5. Поплавський Р.П. Депоніт Максвелла і співвідношення між інформацією і ентропією / / УФН. 1999. Т. 128. Вип. 1
6. Кириллин В. А. Енергетика. Головні проблеми: У питаннях і відповідях. - М.: Знання, 1990. - 128 с.
7. Енергетичні ресурси світу / За ред. П. С. Непорожнього, В.І. Попкова. - М.: Вища школа, 1995. - 232 с.
8. http://mirslovarei.com/content_fil/PRIGOZHIN-ILJA-ROMANOVICH-R-1917-15828.html
Додаток
Завдання № 1
Ухил ділянки дороги дорівнює
Дано:
h = 1 м
S = 20 м
V = 60 км / год = 16,667 м / с
m = 1500 кг
Знайти:
Р -?
Рішення:
Потужність визначаємо за формулою:
Так як швидкість постійна, то прискорення автомобіля дорівнює 0. Тоді сила, що діє на автомобіль, буде дорівнює:
Одержуємо:
Відповідь: Р = 12262,5 Вт
Завдання № 2
Обчислити тиск 1 моль молекул газу, що займає при температурі 300єК обсяг
Дано:
Т = 300 ЄК
V = 1 л = 0,001 м 3
υ = 1 моль
Знайти:
Р -?
Рішення:
Використовуємо формулу Клапейрона-Менделєєва:
де - R = 8,314 Дж / (моль * ЄК) - універсальна газова стала.
Відповідь: Р = 2,48 МПа.
Завдання № 3
Середня кінетична енергія поступального руху молекул газу при температурі 5000єК дорівнює 1,6 ∙ 10 -23 Дж. Яка ця енергія при температурі-273єС і 1000єС?
Дано:
Т 1 = 5000єК
Е 1 = 1,6 ∙ 10 -23 Дж
t 2 =- 273єС
t 3 = 1000єС
Знайти:
Е 2, Е 3 -?
Рішення:
Середня кінетична енергія поступального руху N молекул газу визначається за формулою:
Так як для даного числа молекул газу N їхня енергія залежить тільки від температури, то:
Отримаємо:
Відповідь: Е 2 = 0; Е 3 = 0,407 ∙ 10 -23 Дж.
Завдання № 4.
Дано дві кульки масою 1г. Який заряд потрібно повідомити кожного кульці, щоб сила взаємного відштовхування снарядів на кульках зрівноважила гравітаційну тяжіння кульок?
Дано:
m = 0,001 кг
ε 0 = 8,85 ∙ 10 -12 Ф / м
G = 6,67 ∙ 10 -11 Н ∙ м 2 ∙ кг -2
Знайти:
q -?
Рішення:
Кулонівська сила електростатичного притягання зарядів визначається за формулою:
r - відстань між кульками з зарядом q.
Гравітаційна сила взаємодії кульок визначається за формулою:
У стані рівноваги отримаємо:
Відповідь:
Завдання № 5
Провідник завдовжки 0,1 м знаходиться в однорідному магнітному полі з індукцією 20 мТл. Визначити силу, що діє на провідник, якщо сила струму в ньому 3А, а кут між напрямом струму і магнітною індукцією 30є.
Дано:
l = 0,1 м
I = 3 А
B = 20 ∙ 10 -6 Тл
α = 30є
Знайти:
F А -?
Рішення:
Сила Ампера, що діє на провідник, визначається за формулою:
α - кут між векторами dl (напрямок струму) і В.
Отримаємо:
Відповідь:
Завдання № 6
Жорсткість пружина ресори вагона 481 кН / м. Маса вагона з вантажем 64Т. Вагон має чотири ресори. При якій швидкості вагон почне сильно розгойдуватися внаслідок поштовхів на стиках рейок, якщо довжина рейок 12,8 м?
Дано:
k = 481 ∙ 10 3 Н / м
m = 64000 кг
l = 12,8 м
Знайти:
V -?
Рішення:
Розглянь коливання ресор як коливання пружинного маятника, циклічна частота коливання якого дорівнює для кожної ресори:
Тоді швидкість, при якій вагон почне сильно розгойдуватися внаслідок поштовхів на стиках рейок дорівнює:
Отримаємо:
Відповідь:
Завдання № 7
На мильну плівку (n = 1,3) падає нормально пучок променів білого світла. Яка мінімальна товщина плівки, якщо у відбитому світлі вона представляється червоною (λ = 7000Е)?
Дано:
n = 1,3
λ = 7000Е = 7 ∙ 10 -
i = 90 º
Знайти:
d -?
Рішення:
Мінімальну товщину плівки визначимо з виразу:
Відповідь:
Завдання № 8
Для поліпшення кольору білизни на фабриках-пральних його обробляють 0,3 -% розчином ультрамарину у воді. Розрахувати теоретичний витрата ультрамарину для обробки 1 т білизни, якщо витрата розчину
Дано:
n = 0,3%
G р = 0,6 л / кг
M = 1000 кг
Знайти:
m ультра -?
Рішення:
Визначимо масу розчину, виходячи з того, що щільність нізконцентрірованного розчину дорівнює щільності води ρ = 1 кг / л:
За заданою масової концентрації n = 0,03% отримаємо теоретичний масова витрата ультрамарину для обробки 1 т білизни:
Відповідь:
Завдання № 9
Обчисліть еквівалент Н 3 РО 4 в реакціях з КОН при утворенні наступних солей: КН 2 РО 4, К 2 НРО 4, К 3 РО 4.
Рішення
Запишемо відповідні реакції:
Еквіваленти Н 3 РО 4 визначимо за формулою:
За стехіометричним коефіцієнтам реакцій отримаємо:
для реакції (1):
для реакції (2):
для реакції (3):
Завдання № 10
Обчисліть РН 0,35%-ного розчину NaOH, вважаючи α = 1 і ρ = 1 г / мл.
Рішення
Відомо, що для кімнатної температури води 22 ° С концентрація іонів водню [H +] дорівнює 10 -7 моль / л. При α = 1 і ρ = 1 г / мл і концентрації 0,35% концентрація іонів водню складе 0,9965 · 10 -7 моль / л. Тоді водневий показник розчину буде дорівнює:
Так як концентрація розчину дуже низька, то показник рН = 7,0015 дуже близький до нейтрального положення рівному 7.