Тепловая электрическая станция ? это очень просто
Шрифт:
Понимание единства и эквивалентности разных форм энергии сложилось к середине XIX века, когда был накоплен большой опыт преобразования одних форм энергии в другие. Опыты и наблюдения ученых говорили о том, что тепловая и механическая энергия могут переходить друг в друга и что, вероятно, можно найти экспериментально механический эквивалент теплоты, то есть количество работы в механических единицах, эквивалентное данному количеству теплоты в тепловых единицах.
Еще в 1744–1745 гг. М. В. Ломоносов в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода» высказал утверждение о том, что тепловые явления обусловлены движением частиц тела – его молекул. Ломоносов решительно отверг господствующую тогда теорию теплорода. Ученый придерживался механической теории теплоты и утверждал, что теплота есть движение мельчайших частиц тела. Опытное доказательство правильности идей Ломоносова, значительно способствовавшее
Ломоносов Михаил Васильевич (1711–1765) – русский ученый, работавший во многих отраслях знаний, поэт, просветитель, один из самых выдающихся светил мировой науки. Родился в семье крестьянина в деревне Денисовка. В 1730 он пришел пешком в Москву, где получил образование в Славяно-греко-латинской академии. В начале
Бенджамин Томпсон, граф Румфорд (Benjamin Rumford, 1753–1814) – английский физик, член Лондонского королевского общества (с 1779). Родился в США. Систематического образования не получил. В 1766–1772 гг. работал мальчиком-помощником в магазинах Сейлема в Бостоне и у врача в Уоберне, штат Массачусетс. В 1766–1776 – офицер милиции в Нью-Хэмпшире, одновременно выполнял секретные задания командования Великобритании. В 1776–1781 служил в правительственных ведомствах в Лондоне, в 1781–1783 командовал королевским драгунским полком в войне за независимость в Северной Америке. В 1799 вернулся в Лондон, был инициатором основания Королевского института. С 1802 жил в Париже. Научную деятельность начал в 1778 (количественное измерение взрывной силы пороха). Кроме этого, Румфорд открыл и исследовал явление конвекции в газах и жидкостях, сконструировал ряд физических приборов и аппаратов (специальные термометры, фотометры для изучения поглощения света веществом и т. д.). Считается, что он изобрел кухонную плиту, кофеварку, армейскую полевую кухню, печи для обжига кирпича, паровую отопительную систему. В честь Бенджамина Румфорда Лондонское королевское общество учредило награду для выдающихся ученых – медаль Румфорда.
Следя за изготовлением пушек в Мюнхенском арсенале, Румфорд обратил внимание на то, что при сверлении и ствол пушки, и сверло сильно разогреваются. Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта.
Наблюдая нагревание ствола пушки, он пытался объяснить это явление на основе господствующей тогда теории теплорода. Румфорд спросил себя: не происходит ли нагревание оттого, что получаемые от сверления металлические опилки обладают меньшей теплоемкостью, чем обрабатываемый металл? В этом случае имеющееся в целом куске металла количество теплоты при переходе его в опилки может уместиться в них, только вызвав повышение температуры (это подобно тому, как ведро с водой, смятое с боков, содержит ту же массу воды, что и до смятия, но уровень ее в ведре становится выше). Однако оказалось, что теплоемкость сплошного металла и опилок одинакова, и поэтому дать такое объяснение наблюдаемому явлению нельзя. Тогда Румфорд предположил, что при сверлении теплота входит в изделие из воздуха. Он проверил это предположение, заливая рассверливаемый ствол водой. Результат, однако, получился прежний – в процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Вот тогда-то Румфорд понял, что если можно получить теплоту в неограниченном количестве, для чего достаточно только продолжать сверление, то теплоту нельзя считать веществом (теплородом), и поэтому все тепловые явления следует рассматривать как движение.
Немецкий физик и врач Юлиус Роберт Майер, заметив, что температура воды в медицинской колбе повышается, если ее несколько минут встряхивать, в 1842 г. вычислил механический эквивалент теплоты по разности удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме. В то время точные значения этих удельных теплоемкостей еще не были известны, а потому его результат был не совсем верным, хотя и правильным по порядку величины. Через три
Юлиус Роберт фон Майер (Julius Robert von Mayer, 1814–1878) – немецкий врач и естествоиспытатель. В работе «Органическое движение в его связи с обменом веществ» Майер четко сформулировал закон сохранения энергии и теоретически рассчитал численное значение механического эквивалента теплоты. По представлениям Майера, движение, теплота, электричество и т. д. – это качественно различные формы «сил» (так Майер называл энергию), превращающихся друг в друга в равных количественных соотношениях. Он рассмотрел также применение этого закона к процессам, происходящим в живых организмах, утверждая, что аккумулятором солнечной энергии на Земле являются растения, в других же организмах происходят лишь превращения веществ и «сил», но не их создание. Идеи Майера не были поняты его современниками.
Так возникла наука термодинамика – теоретическая основа начавшей развиваться теплотехники. Ее первоначальной задачей было изучение закономерностей превращения теплоты в работу. Основным содержанием современной физической термодинамики является изучение закономерностей тепловой формы движения материи и связанных с ней физических явлений. Тепловая форма движения материи – это хаотическое движение атомов и молекул в макроскопических телах. Особое положение термодинамики связано с тем, что любая форма энергии при ее превращениях в конце концов переходит в тепловую форму: электрическая, механическая, химическая энергии становятся тепловой энергией.
Представление о том, что теплота есть просто одна из форм энергии, а именно кинетическая энергия движения атомов и молекул, стало одним из главных достижений физики XIX в.
1.2. Энергия и энергетика
В современном мире доступность энергии и надежность энергоснабжения являются основой развития экономики и улучшения качества жизни людей. Именно снабжение энергией различных производств и населения страны является задачей энергетики. Если сказать красиво, энергетика - это кровь экономики.
Энергетика – это область хозяйственно-экономической деятельности, включающая в себя совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Целью энергетики является обеспечение производства энергии путем преобразования первичной, природной энергии во вторичную, например в электрическую или тепловую энергию.
Согласно ГОСТ 19431–84, сфера энергетики охватывает «энергетические ресурсы, производство, передачу, преобразование, аккумулирование, распределение и потребление различных видов энергии».
На заре цивилизации в период первобытно-общинного строя единственным источником энергии являлись мускульные усилия человека. Можно сказать, что тогда господствовала биоэнергетика - энергетика мускульных усилий. Она сохранила свои позиции и в эпоху рабовладельческого общества, в котором труд раба ценился не выше, чем работа животных.
Великие технические прорывы в рабовладельческом обществе (I век до н. э.) - изобретение и применение водяных колес для орошения посевов и энергии ветра в ветряных мельницах – не вызывали еще сколько-нибудь серьезных изменений в общем уровне энергетической техники. Отдельные технические достижения, сделанные до новой эры, не нашли широкого применения в повседневной жизни. Приспособления и технические устройства находили быстрое применение лишь в военных целях – для защиты или нападения. Многие открытия впоследствии были попросту забыты, а затем совершались заново в эпоху средневековья.
Только в X-XI веках новой эры, в эпоху феодального средневековья, начинают распространяться водяные и ветряные мельницы. К тому времени история развития человечества уже имеет богатейший запас научных и технических решений в вопросах преобразования энергии на уровне достаточно сложных передаточных механизмов. Несколько позднее, в XIII веке, появляются такие сложные механизмы, как часы (первыми были башенные часы с одной стрелкой).
Рис. 1.1. Большие башенные часы