Перспективы энергетики с точки зрения термодинамики (стр. 3 из 5)
При этом причина асимметрии – не в самой системе, а в воздействии. В реальном мире больцмановских систем нет. Асимметричные во времени процессы существуют и в областях за пределами термодинамики. Примером таких процессов могут служить волны ( в том числе радиоволны). Так радиоволны распространяются от передатчика в окружающее пространство, но не наоборот. Аналогично обстоит дело с распространением волн от брошенного в пруд камня. Волны, бегущие от источника ( предположим, брошенного в пруд камня) в разные стороны, называют запаздывающими. В принципе возможны и опережающие волны, которые могут возникнуть тогда, когда возмущения сначала проходят через удаленную точку, а затем сходятся в месте распространения источника волны. Изолированный пруд есть симметричная во времени система, как и больцмановский сосуд с газом. Брошенный в него камень создает ветвящуюся структуру. Радиоволна же обратно не вернется, ибо распространяется в безграничном пространстве. Здесь мы имеем дело с неограниченной диссипацией (рассеянием) волн и частиц, являющей собой еще один тип необратимой временной асимметрии. Значит, образование ветвящихся структур и необратимая асимметрия бесконечного волнового движения делают необходимым учет крупномасштабных свойств Вселенной. Таким образом, дискуссия по поводу второго начала термодинамики привела к выводу, что законы микромира ситуацию с демоном Максвелла делают неосуществимой, но вместе с тем она способствовала уяснению того, что второе начало термодинамики является законом статистическим.
1.3 Третий закон термодинамики.
Третье начало термодинамики (Теорема Нериста): энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной.
Тепловой закон Нернста, согласно которому энтропия S любой системы стремится к конечному для неё пределу, не зависящему от давления, плотности или фазы, при стремлении температуры (Т) к абсолютному нулю.
Третье начало термодинамики позволяет находить абсолютное значение энтропии, что нельзя сделать на основе первого и второго начал термодинамики. В классической термодинамике (первого и второго начал) энтропия может быть определена лишь с точностью до произвольной аддитивной постоянной S0, что практически не мешает большинству термодинамических исследований, так как реально измеряется разность энтропий (S0) в различных состояниях. Согласно третьему началу термодинамики при Т ® 0 значение DS ® 0.
Другие формулировки теоремы: при стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния системы не изменяют ее энтропии; при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры абсолютного нуля.
М. Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Он дал другую формулировку третьего начала термодинамики - как условие обращения в нуль энтропии всех тел при стремлении температуры к абсолютному нулю:
Отсюда S0 = 0. Это даёт возможность определять абсолютное значения энтропии и других термодинамических потенциалов.
Формулировка Планка соответствует определению энтропии в статистической физике через термодинамическую вероятность (W) состояния системы
S = klnW.
При абсолютном нуле температуры система находится в основном квантово-механическом состоянии, если оно невырождено, для которого W = 1 (состояние реализуется единственным микрораспределением). Следовательно, энтропия S при Т = 0 равна нулю. В действительности при всех измерениях стремление энтропии к нулю начинает проявляться значительно раньше, чем может стать существенной при T → 0 дискретность квантовых уровней макроскопической системы, приводящая к явлениям квантового вырождения.
Из теоремы вытекают важные следствия о свойствах веществ при температурах, близких к абсолютному нулю: приобретают нулевое значение удаленные теплоемкости при постоянных объеме и давлении, термический коэффициент расширения и давления. Кроме того, из теоремы следует недостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов. Если первое начало термодинамики утверждает, что теплота есть форма энергии, измеряемая механической мерой, и невозможность вечного двигателя первого рода, то второе начало термодинамики объявляет создание вечного двигателя второго рода. Первое начало ввело функцию состояния – энергию, второе начало ввело функцию состояния – энтропию. Если энергия закрытой системы остается неизменной, то энтропия этой системы, состоящая из энтропий ее частей, при каждом изменении увеличивается – уменьшение энтропии считается противоречащим законам природы. Существование таких независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтропия, дает возможность делать высказывания о тепловом поведении тел на основе математического анализа. Поскольку обе функции состояния вычислялись лишь по отношению к произвольно выбранному начальному состоянию, определения энергии и энтропии не были совершенными. Третье начало термодинамики позволило установить этот недостаток.
Важное значение для развития термодинамики имели установленные Ж.Л. Гей-Люссаком законы – закон теплового расширения и закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа (давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И. Менделеевым.
Таким образом, концепции классической Термодинамики описывают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно, поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникает позднее - в 30-х гг.ХХ века. В ней состояние системы определяется через плотность, давление температуру и другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как функции координат и времени.
2. Перспективы энергетики.
2.1. Солнечное излучение.
В результате интенсивного использования не возобновляемых источников энергии для отопления, транспортных средств, строительно-дорожных машин сельскохозяйственных агрегатов и различных бытовых устройств, образуется огромное количество оксидов углерода, серы и азота. Все это способствует повышению температуры земной и водной поверхности, вызывает загрязнение окружающей среды, выпадение кислотных дождей, а так же стимулирует интенсивное таяние льдов, повышение уровня океанов, затопление огромных территорий суши, зарождение циклов и ураганов, охватывающих целые континенты. Эти явления ведут к широкомасштабному разрушению сельскохозяйственных угодий, исчезновению лесов и животного мира, повышенному размножению вредных насекомых, возрастанию частоты засух, лесных пожаров, проливных дождей, наводнений и т.п.
Поэтому актуальна разработка альтернативных решений использования энергии на основе нетрадиционных подходов, а так же с использованием возобновляемых источников.3 Исследования в области использования возобновляемых источников энергии связаны с созданием и практическим применением гелио- и ветроустановок, гидроэлектростанций и различного рода преобразователей. Вырабатываемые при этом энергоресурсы, кроме использования по прямому назначению, могут также накапливаться различными аккумулирующими системами.
Среди перечисленных видов возобновляемых источников, прежде всего необходимо остановиться на энергии солнечного излучения [2, 5], поток которой составляет примерно 3,8 1026 Вт и представлен всем спектром электромагнитных волн. При этом энергетическая освещенность земной атмосферы достигает примерно 1,4 кВт/м 2, а непосредственно поверхности нашей планеты – около 1 Вт/м 2. За двое суток Солнце посылает нам столько
тепла и света, сколько способны дать при сжатии все земные запасы угля, нефти, газа и сланцев. Однако пока не создано достаточно экономичного способа преобразования солнечной энергии в электрическую, хотя уже и имеются разработки, приемлемые для практической реализации.
Например, солнечные батареи, питающие электроэнергией космические объекты. Коэффициент полезного действия таких систем, работающих по схеме фотоэлектрического преобразования, уже превышает 20% и может быть заметно увеличен в случае использования вместо химически чистых полупроводников типа кремния, арсенида галлия и сульфацида кремния, менее дорогостоящих, но более эффективных материалов. Одним из них может быть соединение сурьмы с алюминием. Можно ожидать заметного повышения коэффициента полезного действия также и от солнечной батарей, созданных на основе сплавов сурьмы с идием. Они могут быть перспективными при
освоении области инфракрасного излучения, которое составляет около половины от всей лучистой энергии Солнца.
Наряду с солнечным излучением, перспективно использование и энергии ветра. Согласно данным, последняя квалифицируется как «солнечная», поскольку возникает в результате нагрева атмосферного воздуха солнечными лучами.
Ветровая энергия давно используется в мореплавании, а также для приведения в движение мельничных колес. С недавних пор она находит применение и для выработки электроэнергии.
Ветровые установки, как правило, сооружаются на принципе использования воздушных потоков, к тому же они громоздки, сложны и даже при диаметре колеса 150 м улавливается не более половины энергии ветра и в узком диапазоне скоростей. К тому же стоимость выработанной ими электроэнергии заметно превышает стоимость энергоресурсов, получаемых по другим технологиям. Кроме того, одной из самых сложных проблем,