Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир

Файер Майкл

Помимо природного газа метана и нефти (длинноцепочечных углеводородов), третьим по распространённости видом топлива является уголь. В первом приближении уголь можно считать чистым углеродом. Это не совсем так, но сейчас нас устраивает такая точность. В таком случае химическое уравнение горения угля имеет следующий вид:

C + O₂– > CO₂.

Таким образом, в отличие от горения углеводородов при сжигании угля не образуется вода, а выделяется только CO₂. При сжигании углеводородов углерод-углеродные и углерод-водородные связи должны разрушаться, на что затрачивается энергия. Затем при образовании углекислого газа и воды формируются углерод-кислородные и кислород-водородные связи, и это происходит с выделением энергии. В угле тоже есть связи, которые должны быть разрушены. Это углерод-углеродные связи. Для начала мы будем рассматривать уголь как графит, который является чистым углеродом. Нам надо сравнить количество энергии,

выделяемой при горении каждого типа ископаемого топлива, с количеством образующегося при этом парникового газа CO₂. Хотя графит не используется в качестве топлива, поскольку его трудно воспламенить, он является удобной моделью благодаря чётко определённому химическому строению.

Выделяемая энергия и количество углекислого газа

Для начала рассмотрим идеализированную картину выделения энергии при сжигании ископаемого топлива. Будем игнорировать тот факт, что топливо содержит примеси и что на электростанциях теряется значительная часть выделяемой энергии — фактическую её выработку при сжигании реального топлива мы обсудим позже. Итак, три химических уравнения горения ископаемых видов топлива:

CH₄ + 2O₂– > 2H₂O + CO₂,

C₁₄H₃₀ + 21,5O₂– > 15H₂O + 14CO₂,

C + O₂– > CO₂.

В первом и третьем уравнениях (горение природного газа и угля) в реакции образуется одна молекула CO₂. Для нашей модели мазута (представленного тетрадеканом) получается 14 молекул CO₂. Мы хотим найти количество энергии, выделяемой в расчёте на одну молекулу CO₂. Методами термодинамики можно рассчитать максимальное количество полезной (свободной) энергии, выделяемой в каждой из реакций. Пусть все эти реакции начинаются при комнатной температуре, когда метан является газом, тетрадекан — жидкостью, а графит — твёрдым веществом. Конечно, продукты горения топлива первоначально оказываются горячими, но мы будем рассматривать ситуацию после того, как всё остыло до комнатной температуры. Для природного газа мы просто используем свободную энергию, выделяющуюся при сгорании одной молекулы; для графита возьмём энергию, выделяемую при сгорании одного атома углерода. В случае тетрадекана мы разделим на 14 энергию, получаемую при сгорании одной молекулы тетрадекана, чтобы получить энерговыделение в расчёте на одну полученную молекулу углекислого газа.

В результате получим следующие значения свободной энергии на одну молекулу CO₂:

метан (природный газ): 1,4•10^{– 18} Дж;

тетрадекан (мазут): 1,1•10^{– 18} Дж;

графит (уголь): 0,7•10^{– 18} Дж.

Как видим, при получении одного и того же количества энергии уголь выделяет в 2 раза больше парникового углекислого газа, чем природный газ. Уголь также в 1,6 раза хуже мазута по выделению углекислого газа в расчёте на единицу энергии, а мазут в 1,3 раза уступает природному газу.

Сжигание реального ископаемого топлива

Приведённые цифры достаточно точны, за исключением той, что дана для угля. Различные типы угля — антрацит, битуминозный, суббитуминозный и бурый — дают разное количество энергии на единицу массы и имеют разное среднее содержание углерода. Даже для одного и того же типа угля энергетические характеристики могут существенно варьироваться. Например, содержание углерода в битуминозном угле, наиболее широко распространённом в США, лежит в диапазоне от 45 до 86 %, а его теплота сгорания варьируется примерно на ±20 % от среднего значения. Значение, подсчитанное выше для угля с использованием графита в качестве модели, даёт результат, соответствующий среднему значению энергосодержания битуминозных углей. Природный газ может, помимо метана (CH₄), содержать до 20 % газообразных углеводородов — этана (C₂H₆), пропана (C₃H₈) и бутана (C₄H₁₀). Эти примеси почти не влияют на значения энергосодержания и выделения энергии в расчёте на одну молекулу CO₂, подсчитанные для чистого метана. То же самое можно сказать и про мазут, который является смесью длинноцепочечных жидких углеводородов.

Реальное количество углекислого газа, выделяемого при производстве электричества

Энергосодержание ископаемых видов топлива не принимает в расчёт эффективность электростанции, то есть КПД преобразования энергии топлива в электричество. Эффективность электростанций зависит от их конструкции и возраста, но примерно одинакова для разных типов ископаемого топлива. Обычно эта

эффективность лежит в диапазоне 35–40 %. Это означает, что лишь около 40 % энергии топлива превращается в электроэнергию. Кроме того, потери энергии в линиях электропередачи составляют около 7 %. Так что если электростанция имеет КПД 38 %, то с учётом потерь в линиях электропередачи общий коэффициент преобразования энергии ископаемого топлива в полезное электричество в наших домах составит около 35 %.

Для понимания значения этих цифр давайте подсчитаем, сколько CO₂ образуется при выработке энергии для питания 100-ваттной лампы накаливания, горящей 24 часа в сутки в течение года. Ватт — это Дж/сек (джоуль в секунду), год — это 3,2•10⁷ секунд. Таким образом, 100-ваттная лампа потребляет 3,2•10⁹ Дж в год. Природный газ, как было сказано, даёт одну молекулу CO₂ на каждые 1,4•10^{– 18} Дж выделившейся химической энергии. Чтобы получить 3,2•10⁹ Дж энергии, нам понадобится произвести 3,2•10⁹/1,4•10^{– 18}=2,3•10²⁷ молекул CO₂. Это количество соответствует идеальной эффективности. С учётом общего КПД 35 % получается, что будет произведено 6,4•10²⁷ молекул CO₂. Масса 6,02•10²³ молекул CO₂ составляет 44 грамма. Таким образом, будет произведено 5•10⁵ г CO₂, или примерно полтонны.

Итак, круглогодичное горение 100-ваттной лампочки приводит к выбросу в атмосферу 500 кг CO₂ при использовании природного газа. При сжигании угля будет выброшена тысяча килограммов, то есть одна тонна. Это вес небольшого автомобиля. Таким образом, первый вывод: выключайте свет, когда вы его не используете. Компьютер, который вы оставляете включённым 24 часа 7 дней в неделю, потребляет от 200 до 300 ватт электричества. Это означает, что если вы получаете энергию от угольной электростанции, ваш компьютер приводит к выбросу в атмосферу от двух до трёх тонн CO₂ каждый год. Второй вывод состоит в большом значении эффективности электроприборов и выбора ископаемого топлива. Компактная флуоресцентная лампа, дающая столько же света, сколько обычная 100-ваттная лампа накаливания, потребляет лишь 25 ватт. Поэтому такая энергосберегающая лампа, работающая круглый год от электростанции на газовом топливе, приводит к выбросу 125 кг CO₂ против тонны CO₂ в случае с обычной лампой, питаемой от угольной электростанции.

Углекислый газ является парниковым в силу квантовых эффектов

Почему углекислый газ создаёт столь серьёзную парниковую проблему? Другими словами, почему он удерживает тепло в атмосфере? И почему водяной пар (молекулы воды в газообразной фазе, находящиеся в атмосфере) является ещё более серьёзным парниковым газом, чем CO₂? Содержание в атмосфере водяного пара определяется испарением и конденсацией воды. Земные океаны представляют собой огромный резервуар воды, из которого она испаряется в атмосферу. С дождями, росой и снегом вода покидает воздух. Человек мало влияет на количество находящейся в воздухе воды, однако если Земля продолжит нагреваться, насыщенность атмосферы водяным паром возрастёт. Это ещё более усугубит парниковый эффект, связанный с выбросами CO₂, поскольку H₂O — это очень мощный парниковый газ. Мы, однако, можем влиять на количество CO₂ в атмосфере, выбирая источники энергии и повышая эффективность их использования. Серьёзная роль CO₂ и водяного пара как парниковых газов напрямую вытекает из квантовой теории.

Чернотельный спектр Земли

В главах 4 и 9 мы обсуждали чернотельное излучение. На рис. 9.1 изображён чернотельный спектр Солнца, температура поверхности которого составляет чуть менее 6000 °C. Такое чёрное тело излучает значительную часть энергии в видимой области спектра, а также существенное её количество в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Цвет испускаемого горячим предметом излучения зависит от его температуры. Горячие объекты испускают более короткие волны. Земля, конечно, намного холоднее Солнца. Тем не менее и она является чернотельным излучателем, но испускает гораздо более длинные волны (менее энергичные фотоны). Солнечный свет со спектром, изображённым на рис. 9.1, падает на Землю. Часть этого света отражается обратно в космос льдом и другими светлыми объектами на поверхности. Однако значительная часть световой энергии превращается в тепло, согревающее Землю. Чернотельное излучение Земли уносит в космос часть поступающей от Солнца энергии^{37}.