Курс лекций по физике ядерного реактора Аварийные ситуации Радиоактивные отходы Термоядерные реакторы Источники радиоактивного облучения

Атомная энергетика. Курс лекций по физике ядерного реактора

Тепловая энергия.

Атомы веществ находятся в постоянном движении. В твердых телах атомы удерживаются в приблизительно фиксированных положениях относительно друг друга. Однако все они вибрируют, причем интенсивность вибрации повышается с увеличением температуры. Энергия, связанная с этой вибрацией, называется тепловой. В жидкостях и газах два или более атомов могут образовывать друг с другом химические комбинации в форме молекул. Эти молекулы имеют вибрационную энергию, но в жидком состоянии они также могут иметь поступательную энергию, связанную с их движением в пространстве, и вращательную энергию, связанную с их вращением. Все эти компоненты энергии добавляются к тепловой энергии жидкости. Как следует из этого описания, тепловая энергия - особый тип энергии. Она связана с перемещениями атомов или молекул, причем направления движений - случайные величины. Из-за этого тепловую энергию значительно более трудно преобразовать в другие виды энергии, как мы увидим позже.

Интенсивность движения атомов или молекул является мерой содержания тепловой энергии в куске вещества. Тело, имеющее высокую интенсивность атомного или молекулярного движения, передаст энергию прилегающему телу с более низкой интенсивностью движений. Процесс передачи тепловой энергии называется теплопроводностью, и мы определяем температуру как меру способности тела передавать тепловую энергию прилежащим телам в результате процесса теплопроводности. Если температура тела выше, чем у прилежащих тел, тепло будет отводиться от него; если температура ниже, то справедливо обратное утверждение. Мы обычно выбираем шкалу температур в терминах определенных переходов состояний вещества, которые имеют место в природных условиях. Конкретно, мы определяем температуру таяния льда как нуль стоградусной шкалы (00С), а температуру кипения воды как 100 градусов этой шкалы (1000С). В процессах преобразования энергии, включая тепловую, принято использовать другую температурную шкалу, называемую шкалой абсолютной температуры. В этой шкале мерой температуры является Кельвин (К), а не градус. Нуль шкалы Кельвина соответствует - 273,170С; при этой температуре атомные и молекулярные движения прекращаются.

В системе, которая не получает энергию извне или не испускает энергию во внешнюю среду, полное количество энергии может быть увеличено только преобразованием массы в энергию через ядерные процессы. В отсутствие этих процессов полное количество энергии остается постоянным (это основа первого закона термодинамики). Однако в пределах данной системы форма энергии может изменяться (например, химическая энергия может быть преобразована в тепловую или тепловая энергия - в механическую). Прежде чем обсуждать эти процессы преобразования, давайте отвлечемся и кратко рассмотрим единицы измерения энергии, поскольку это очень важно для дальнейшего изложения материала.

Единицы измерения энергии. Здесь мы будем использовать единицы измерения энергии из общепринятой Международной системы СИ. В ней основной единицей энергии является джоуль, который можно оценить следующими примерами для различных видов энергии.

Для кинетической энергии: тело, имеющее массу 2 кг и перемещающееся со скоростью 1 м/с, обладает кинетической энергией, равной 1 Дж.

Для потенциальной энергии: тело, имеющее массу 0,1 кг и расположенное на высоте 1 м над поверхностью Земли, обладает потенциальной энергией, равной 1 Дж.

Для химической энергии: при сжигании 1 кг угля выделяется около 3,5 млн. Дж энергии.

Для электрической энергии: лампа мощностью 100 Вт, в течение 1 с потребляет 100 Дж электрической энергии.

Для ядерной энергии: преобразование 1 кг массы в энергию высвобождает 80 1015 Дж.

Для тепловой энергии: повышение температуры 1 кг Н2О на 10C требует расхода 4187 Дж.

Скорость потока энергии, или скорость производства энергии, измеряется в ваттах, причем 1 Вт=1 Дж/с.

Джоуль и ватт являются довольно малыми единицами измерения энергии для многих практических целей. В системе СИ принято использовать приставки для обозначения более крупных единиц энергии.

Широко используются и другие единицы измерения энергии. Приведем связи этих единиц с эквивалентами в системе СИ:

1 кал (энергия, требуемая для подогрева 1 г воды на 10С) = 4,187 Дж;

Процессы преобразования энергии. Возможность преобразования одного вида энергии в другой ограничена практическими соображениями. Долю преобразованной в данном процессе энергии часто называют эффективностью процесса. Так, при преобразовании х единиц энергии формы А в у единиц энергии формы В эффективность определяется в процентах как 100у/х. Энергия, не преобразованная в форму В, может сохранить форму А или перейти в другие формы.

Примером преобразования энергии может служить производство электроэнергии на гидроэлектростанциях. Потенциальная энергия воды в горном водохранилище или озере сначала превращается в кинетическую энергию турбины, которая в свою очередь превращается в электрическую энергию с помощью генератора. Все эти процессы преобразования энергии очень эффективны; при хорошо спроектированном оборудовании эффективность может быть близка к 100%. Энергия, не преобразованная в электрическую в этом процессе, в основном остается в виде тепловой энергии воды, покидающей электростанцию.

Другим типичным примером преобразования энергии является процесс превращения химической энергии ископаемого топлива (угля и нефти) в электрическую на традиционных электростанциях. Этот процесс продемонстрирован на рис.1.2.

Рис. 1.2. Преобразование энергии на электростанции

Предположим, что в начале процесса мы имеем 100 ГДж [1] химической энергии, запасенной в угле. Эта энергия может быть высвобождена при высокой температуре (около 20000С). Некоторое количество энергии (обычно около 10 ГДж) покидает электростанцию в виде тепловой энергии топочных газов, уходящих в дымовую трубу. Однако большая часть энергии передается воде в трубах котла в результате теплового излучения и конвекции. При этом вода превращается в пар высокого давления температурой около 5000С. Пар передается в турбину, в которой часть тепловой энергии преобразуется в электрическую (около 35 ГДж), а оставшееся количество начальной энергии (55 ГДж) сбрасывается в виде тепловой энергии слабо подогретой (до 25 - 400С) воды.

Таким образом, примерно треть начальной химической энергии угля было действительно преобразовано в другую полезную форму энергии, а именно в электрическую энергию. Эффективность преобразования тепловой энергии (промежуточной формы энергии в описанном процессе) в электрическую определяется температурным диапазоном процесса. Если бы можно было сбросить тепло при температуре, близкой к абсолютному нулю, то остаточная тепловая энергия была бы пренебрежимо малой. Однако мы вынуждены сбрасывать энергию при температуре, несколько превышающей температуру окружающей среды, что приводит к большим потерям тепловой энергии. Так, если бы мы жили на планете с температурой среды, близкой к абсолютному нулю, то эффективность наших процессов преобразования энергии была бы значительно выше, хотя мы столкнулись бы с рядом других трудностей. Это основное ограничение на преобразование тепловой энергии в другие полезные формы энергии является фундаментальным в теории термодинамики.

Можно улучшить использование химической энергии при производстве электроэнергии, если утилизировать тепловую энергию, покидающую электростанцию, например, для промышленного и коммунального теплоснабжения. Однако это сделать трудно из-за малых температур охлаждающей воды. Комбинированные станции тепло- и энергоснабжения (ТЭЦ) сбрасывают тепло при более высокой температуре (до 1000С), но по причинам, описанным выше, это ведет к уменьшению производства электроэнергии. Компромисс между производством тепловой и электрической энергии может быть обоснован с экономической точки зрения, особенно для районов с высокими потребностями в теплоснабжении. Так, ТЭЦ нашли широкое применение для производства электроэнергии и городского теплоснабжения в скандинавских странах и в СССР.

Устройство для преобразования тепловой энергии в другую форму энергии (кинетическую, потенциальную, электрическую и т.д.) называют тепловым двигателем. Типичным тепловым двигателем является турбина электростанции. Другими примерами могут быть реактивный двигатель самолета и двигатель внутреннего сгорания автомобиля. Все эти устройства используют тепловую энергию, произведенную при температуре Т1 выполняют определенный тип преобразования энергии и сбрасывают остаточную тепловую энергию при более низкой температуре Т2. Здесь Т1 и Т2 обозначают температуру в абсолютной шкале (в Кельвинах). Максимальная эффективность η, достижимая в любом тепловом двигателе, определяется по формуле Карно:

Из этой формулы следует, что при Т2, равной абсолютному нулю, эффективность теоретически может достигать единицы, т.е. 100%. Однако на практике необходимо сбрасывать тепло при температуре, несколько превышающей температуру окружающей среды (например, 300 К, или 270С). Поэтому максимальная эффективность традиционного теплового двигателя находится в пределах 50 - 60%, а в реальных условиях и того меньше из-за неизбежных потерь энергии в самом двигателе.


На главную страницу. Реакторы атомных станций