Процесс научного познания. Гипотеза и теория

1   2   3   4   5

Производство электрической энергии даже с при­менением современных энергетических систем сопро­вождается большими потерями тепла. Особенно вели­ки потери тепла, когда электрическая энергия снова преобразуется в тепло либо другие виды энергии на месте потребления. Существенными потерями сопро­вождается и передача электроэнергии, особенно на большие расстояния. В последние десятилетия ведутся работы по синтезу новых материалов проводников для передачи электроэнергии с минимальными потерями. Уже синтезированы высокотемпературные сверхпро­водящие материалы. Однако для передачи электро­энергии нужны такие проводники, сверхпроводящее свойство которых проявлялось бы не при низких, а при обычных температурах.

Конечно, на всех действующих предприятиях всеми возможными мерами необходимо сокращать бесполезное рассеяние энергии. Такие меры известны — это оптимизация производственных процессов, утилизация рассеянно­го тепла, улучшение изоляции и герметичности, опти­мизация процессов испарения и конденсации и т. д.


БИЛЕТ 43

Тепловые электростанции. Существенная доля электроэнергии производится на тепловых электро­станциях, где при сжигании ископаемого топлива получаются тепло и пар, подаваемый на турбогене­раторы, вырабатывающие электроэнергию. В каче­стве топлива используется уголь, нефть или природ­ный газ, а на атомных электростанциях — ядерное

горючее.

Принципы работы различных электростанций во многом совпадают и отличаются способом получения тепла от первичного источника — органического либо ядерного топлива. В результате сжигания топлива или ядерных реакций выделяемое тепло используется для нагревания воды и получения пара. Полученный пар с высокими температурой и давлением подается на турбину, вращающую якорь генератора электричес­кого тока. Отработанный пар с пониженными темпе­ратурой и давлением, покидая турбину, направляется в конденсатор, через который пропускается охлажда­ющая вода для превращения пара в воду. В процессе конденсации пара охлаждающая вода нагревается и сбрасывается в водоем, откуда она вначале забира­лась, либо пропускается через градирни для охлаж­дения и повторного использования в конденсаторе. Вода, образовавшаяся из сконденсированного пара, возвращается в котел, и тепловой цикл снова повто­ряется.

КПД современной тепловой электростанции — около 40%. На электростанциях на органическом топ­ливе охлаждающей воде передается около 75% тепло­вых отходов, а остальное неиспользованное тепло от­водится через дымовые трубы. Тепловые сбросы на атомных электростанциях передаются в основном воде, охлаждающей конденсаторы.

Тепловое загрязнение и воды, и атмосферы нару­шает жизнедеятельность экосистем. Кроме того, теп­ловые электростанции — источник колоссального ко­личества углекислого газа, двуокиси серы и других газов, загрязняющих атмосферу. Все это означает, что производство энергии на тепловых станциях — не самый лучший и эффективный способ. В этой связи продолжается поиск более эффективных источников нергии.


БИЛЕТ 44

Атомные электростанции – третий «кит» в системе современной мировой энергетики. Техника АЭС, бесспорно, является крупным достижением НТП. В случае безаварийной работы атомные электростанции не производят практически никакого загрязнения окружающей среды, кроме теплового. Правда в результате работы АЭС (и предприятий атомного топливного цикла) образуются радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность. Однако объем радиоактивных отходов очень мал, они весьма компактны, и их можно хранить в условиях, гарантирующих отсутствие утечки наружу.

АЭС экономичнее обычных тепловых станций, а, самое главное, при правильной их эксплуатации – это чистые источники энергии.

Вместе с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики, нельзя забывать о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести к катастрофическим последствиям.


Билет 45

Гидроэлектростанции. Принцип работы гидроэлек­тростанций основан на преобразовании потенциальной энергии падающей воды в кинетическую энергию вра­щения турбины, связанной с генератором, преобразую­щим кинетическую энергию в электрическую. Первые гидроэлектростанции относились к проточному типу: вода реки не подпруживалась, а просто пропускалась через турбину. Для них требуется большой перепад уровней реки, например, как на Ниагарском водопаде, где и была построена первая гидроэлектростанция по­добного типа. На современных гидроэлектростанциях возводятся громадные плотины для увеличения объема воды, равномерно пропускаемой через турбины. Пло­тина не только создает вместилище для накопления воды, но и повышает ее уровень. При этом увеличивается потенциальная энергия воды, что приводит к возраста­нию кинетической энергии вращения турбины и в ко­нечном результате — к увеличению вырабатываемой электроэнергии. Вода из водохранилища по напорному трубопроводу направляется на горизонтально вращаю­щиеся лопасти турбины, соединенной с генератором. Обычно на гидроэлектростанции используется много турбогенераторных агрегатов. КПД гидроэлектростан­ций — 60 — 70%, т. е. 60 — 70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию.

В России построено более 100 гидроэлектростан­ций, которые вырабатывают существенную часть всей производимой электроэнергии. Современные гидро­электростанции — это сложнейшие технические со­оружения. Построенная при содействии российских специалистов Асуанская плотина (Египет) включена в список выдающихся инженерных сооружений XX в. Плотина Асуанской гидроэлектростанции обеспечивает 90% потребностей Египта в воде и 50% в электро­энергии.

Сооружение гидроэлектростанций обходится доро­го. Они требуют эксплуатационных расходов, но зато работают на «бесплатном топливе». Первоисточником гидроэнергии служит Солнце, испаряющее воду из океанов, морей, озер и рек. Водяной пар конденсирует­ся в виде осадков, выпадающих в возвышенных местах, с которых конденсированная вода стекает вниз в моря. Гидроэлектростанции встают на пути стока и преобра­зуют энергию движущейся воды в электрическую.

Однако гидроэлектростанции, особенно большие, нарушают экологическое равновесие. Плотины и водо­хранилища выводят из сельскохозяйственного оборота затопленные земли, площадь которых при строительстве гидроэлектростанций на равнинных реках чрезвычай­но велика, так как естественный перепад уровней воды в них небольшой. Громадные площади водохранилищ способствуют образованию необычно большого количе­ство паров воды в атмосфере, что неизбежно приводит к нарушению естественных погодных условий. Плотины отрицательно влияют на качество воды, накапливаемой в водохранилищах. В зависимости от сезона накопленная вода может содержать мало растворенного кислорода и оказаться неблагоприятной средой для рыб и других живых организмов. Кроме того, спускаемая вода разру­шает русло реки. Тем не менее гидроэлектростанции, построенные на реках с естественным перепадом уров­ня воды — на реках с водопадами, горных реках, — на­носят гораздо меньший ущерб окружающей среде.


Билет 46

В последнее время возрастает интерес к неорга­ническим источникам энергии, т. е. источникам, в ко­торых не принимает участие химический процесс -горение. К ним относятся гидроисточники (гидроэлек­тростанции, гидроаккумулирующие электростанции, приливные электростанции), геотермальные источни­ки, гелиоисточники, ветроустановки и атомные элект­ростанции.

Гидроэлектростанции. Принцип работы гидроэлек­тростанций основан на преобразовании потенциальной энергии падающей воды в кинетическую энергию вра­щения турбины, связанной с генератором, преобразую­щим кинетическую энергию в электрическую. Первые гидроэлектростанции относились к проточному типу: вода реки не подпруживалась, а просто пропускалась через турбину. Для них требуется большой перепад уровней реки, например, как на Ниагарском водопаде, где и была построена первая гидроэлектростанция по­добного типа. На современных гидроэлектростанциях возводятся громадные плотины для увеличения объема воды, равномерно пропускаемой через турбины. Пло­тина не только создает вместилище для накопления воды, но и повышает ее уровень. При этом увеличивается потенциальная энергия воды, что приводит к возраста­нию кинетической энергии вращения турбины и в ко­нечном результате — к увеличению вырабатываемой электроэнергии. Вода из водохранилища по напорному трубопроводу направляется на горизонтально вращаю­щиеся лопасти турбины, соединенной с генератором. Обычно на гидроэлектростанции используется много турбогенераторных агрегатов. КПД гидроэлектростан­ций — 60 — 70%, т. е. 60 — 70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию.

В России построено более 100 гидроэлектростан­ций, которые вырабатывают существенную часть всей производимой электроэнергии. Современные гидро­электростанции — это сложнейшие технические со­оружения. Построенная при содействии российских специалистов Асуанская плотина (Египет) включена в список выдающихся инженерных сооружений XX в. Плотина Асуанской гидроэлектростанции обеспечивает 90% потребностей Египта в воде и 50% в электро­энергии.

Сооружение гидроэлектростанций обходится доро­го. Они требуют эксплуатационных расходов, но зато работают на «бесплатном топливе». Первоисточником гидроэнергии служит Солнце, испаряющее воду из океанов, морей, озер и рек. Водяной пар конденсирует­ся в виде осадков, выпадающих в возвышенных местах, с которых конденсированная вода стекает вниз в моря. Гидроэлектростанции встают на пути стока и преобра­зуют энергию движущейся воды в электрическую.

Однако гидроэлектростанции, особенно большие, нарушают экологическое равновесие. Плотины и водо­хранилища выводят из сельскохозяйственного оборота затопленные земли, площадь которых при строительстве гидроэлектростанций на равнинных реках чрезвычай­но велика, так как естественный перепад уровней воды в них небольшой. Громадные площади водохранилищ способствуют образованию необычно большого количе­ство паров воды в атмосфере, что неизбежно приводит к нарушению естественных погодных условий. Плотины отрицательно влияют на качество воды, накапливаемой в водохранилищах. В зависимости от сезона накопленная вода может содержать мало растворенного кислорода и оказаться неблагоприятной средой для рыб и других живых организмов. Кроме того, спускаемая вода разру­шает русло реки. Тем не менее гидроэлектростанции, построенные на реках с естественным перепадом уров­ня воды — на реках с водопадами, горных реках, — на­носят гораздо меньший ущерб окружающей среде.

Приливные электростанции преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Однако стоимость строительства приливной электростанции относительна высока: она примерно в 2.5 раза больше стоимости сооружения гидроэлектростанции той же мощности. Главное преимущество приливных электростанций в том. Что наносят минимальный ущерб окр.среде.


Билет 48

Парниковый эффект.

Солнечная энергия, достигающая Земли, нагревает ее поверхность. В результате этого планета излучает значительное ее количество обратно. Это излучение сдвинуто относительно солнечного спектра в длинноволновую инфракрасную область, поэтому его называют инфракрасным или тепловым.

Некоторые газы, например, углекислый газ (СО2), метан (СН4), оксиды азота, водяные пары, озон (О3), хлорфторуглероды, пропуская солнечную энергию к земной поверхности, удерживают обратное тепловое излучение Земли в ее атмосфере, поглощая его. Их действие аналогично парнику, который прозрачен для солнечных лучей, но не выпускает тепло. Поэтому такие газы называются парниковыми, а процесс удержания ими тепла Земли – парниковым эффектом. Источниками поступления парниковых газов в земную атмосферу являются лесные пожары, болота, извержения вулканов, уничтожение лесов, промышленность, транспорт, сельское хозяйство. Основной вклад в разогрев нижних слоев атмосферы в результате парникового эффекта вносят углекислый газ (60%), метан (15%) и хлорфторуглероды (12%).

Если бы парниковый эффект отсутствовал, то вся инфракрасная энергия Земли излучалась бы в космос, среднегодовая температура понизилась бы на 330 С (сейчас она равна +150 С), гидросфера обледенела бы и жизнь на земном шаре не смогла бы существовать.

В настоящее время парниковый эффект усиливается. Причиной этого является увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере Земли. За последние 100 лет количество углекислого газа в земной атмосфере возросло на 15%, а к середине ХХI века может вырасти еще в 2 раза. Связано это прежде всего с увеличением сжигания людьми природного топлива, побочным продуктом которого является СО2. В настоящее время человечество ежегодно сжигает около 2 млрд. тонн топлива, в результате образуется примерно 5.5 млрд.тонн углекислого газа. Считается, что именно из-за усиления парникового эффекта среднегодовая температура на Земле в течение последних 100 лет увеличилась примерно на 10 С, а к концу нынешнего столетия, как показали модельные исследования, может возрасти еще на 2-30 С. Этого будет достаточно для того, чтобы частично растопить полярные и горные ледники и, следовательно, поднять уровень Мирового океана и затопить прибрежные территории, на которых в настоящее время расположено 50% городов с населением более 1 млн. человек и проживают около 50% людей всего земного шара. Кроме этого, перегрев планеты изменит циркуляционные процессы в атмосфере, что приведет в одних районах к сильным наводнениям, а в других – к засухе. Также резко возрастет количество ураганов и бурь.

Таким образом, если не остановить бесконтрольные выбросы парниковых газов в атмосферу Земли, глобальное потепление, вызванное парниковым эффектом, уже в недалеком будущем заставит человечество столкнуться с серьезнейшими проблемами: массовой миграцией из прибрежных районов, опустыниванием, сокращением осадков в основных сельскохозяйственных районах, голодом, распространением болезней южных территорий (малярии, холеры и др.) по всему земному шару и т.д.

Усилению парникового эффекта будут препятствовать увеличение КПД использования горючего на транспорте и другие виды экономии энергии, т.к. ее производство в настоящее время основано преимущественно на сжигании природного топлива; использование нетрадиционных источников энергии; сокращение вырубки лесов и другие меры.


БИЛЕТ 49

Озон представляет собой едкий, слегка голубоватый газ. Его молекула состоит из трех атомов кислорода (O3), так что озон является "химическим родственником" более стабильного и изобилующего в атмосфере вещества, необходимого для дыхания человека, состоящего из двух атомов кислорода (О2). Озон образуется, когда молекула кислорода распадается на атомы под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения. Атомы кислорода вступают в связь с молекулами кислорода, при этом образуется озон (О+ О2->O3).


Свойства озона:
* Способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца
* Озон - сильнейший окислитель (попросту яд), поэтому приземный озон опасен
* Способность поглощать инфракрасное излучение земной поверхности Способность прямым и косвенным образом влиять на химический состав атмосферы
В отличие от других атмосферных составляющих озон появился в атмосфере исключительно химическим путём и является наиболее молодой атмосферной компонентой. Наиболее ценным с экологической точки зрения свойством озона является его способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца; в то же время как химическое соединение озон является сильнейшим окислителем (попросту ядом), способным при непосредственном контакте отравить ту самую флору и фауну, которую он защищает в качестве стратосферного озонового слоя. Помимо этого озон является эффективным парниковым газом.


В России, например, сегодняшнее состояние озонового слоя вдруг оказалось
в норме. Весной отмечались лишь кратковременные понижения содержания озона в Сибири и на Дальнем Востоке. В июне несколько таких дней было в Приазовье. И это при том, что начиная с 1995 года дефицит озона наблюдали надо всей территорией России: в отдельные дни "недостача" достигала 40%, подвижные "дыры" длительное время висели над севером европейской части нашей страны и Поволжьем.
Проплешины в озоновом слое ни с того ни с сего "сползли" к югу, дыры появились над экватором, где раньше колебания не превышали 6%. Дефицит озона до 20 и более процентов обнаружили над экваториальной областью планеты - в двух районах с центрами над Тихим океаном и Африкой. Специалисты Центральной аэрологической обсерватории Гидрометцентра (руководитель группы - профессор Черников), которые и обнаружили "дыры" над экватором, считают, что изменения в состоянии озонового слоя, в первую очередь, связаны с общими естественными изменениями климата на планете.


радиация ослабляет способность иммунной системы противостоять определенным заболеваниям.


БИЛЕТ 50.

Кислотные дожди.

Кислотные свойства дождя связаны с присутствием в нем ионов водорода. В норме их концентрация не должна превышать 10-5.6 моль/л (рН=5.6), что соответствует содержанию в каплях дождя слабой угольной кислоты (Н2СО3), которая образуется при растворении в воде углекислого газа, входящего в состав воздуха:

СО2 + Н2О  Н2СО3. (1)


Когда атмосфера Земли загрязнена оксидами серы и азота (SOx, NOx), вырабатываемыми тепловыми электростанциями, промышленными предприятиями и автотранспортом, уровень кислотности дождя превышает норму примерно в 10-1000 раз. При этом концентрация ионов водорода в дождевой воде составляет 10-4.5-10-2 моль/л. Увеличение ее кислотности обусловлено образованием в воздухе серной (Н2SO4) и азотной (HNO3) кислот:


2SO2 + O2  2SO3, (2)

SО3 + H2O  H2SО4, (3)


2NО + O2  2NO2, (4)

2NO2 + H2O  HNO3 + HNO2, (5)


где HNO2 – слабая азотистая кислота.

Кислотность дождя также повышается при выбросах в атмосферу веществ, в состав которых входит хлор. В этом случае ее увеличению способствует образование соляной (НСl) и других хлорсодержащих кислот.

Выпадая на Землю с осадками, кислоты отрицательно воздействуют на окружающую среду: резко повышают кислотность почв и водоемов, способствуют усыханию лесов, росту аллергических заболеваний и облысению у людей, потерям урожайности сельскохозяйственных растений, губят рыбу в озерах, разрушают памятники и здания и т.д.