5.4. Источники энергии

СОЛНЦЕ, ЗЕМЛЯ И ЛУНА

В этой и предыдущих главах мы уже обсуждали различные формы энергии или по крайней мере упоминали о них. Важнейшими формами энергии являются: химическая (энтальпия, внутренняя энергия), электрическая, энергия электромагнитного излучения (света), тепловая (энергия, переносимая в форме тепла), механическая (энергия движения) и ядерная энергия.

Кроме того, мы уже знаем, что механическая энергия, обусловленная движением тела, называется кинетической энергией, а энергия, запасенная телом, называется потенциальной энергией. Вообще говоря, поскольку энергия - это способность выполнять работу, всю энергию можно было бы рассматривать как запасенную энергию. Первый закон термодинамики утверждает, что энергия может превращаться из одной формы в другую без всяких потерь. Полный запас энергии остается при этом неизменным. Однако, когда энергия превращается из одной формы в другую, часть ее бесполезно рассеивается. Другими словами, после каждого превращения энергии количество полезной энергии всегда уменьшается. Таким образом, по мере осуществления различных превращений энергии во Вселенной количество полезной энергии уменьшается, а количество бесполезно рассеянной энергии увеличивается. Мерой бесполезно рассеянной энергии является энтропия, а она возрастает после каждого превращения энергии.

Маловероятно, что в ближайшие несколько миллионов лет окажутся исчерпанными все запасы полезной энергии. Проблема заключается в том, что некоторые источники энергии легко доступны, а другие оказываются все более труднодоступными. По мере приближения к двадцать первому веку человечество быстро исчерпывает все легкодоступные источники энергии и по необходимости все больше и больше обращается к менее доступным источникам.

На рис. 5.19 указаны важнейшие источники энергии и их происхождение, связанное с Солнцем, Землей или Луной. Среди них самым главным источником энергии является Солнце. Приблизительно 30% солнечной энергии, падающей на Землю, отражается

обратно в космос частицами пыли и облаками, 47% расходуется на нагревание земной поверхности и 22% - на круговорот воды в природе. Не более 0,1% солнечной энергии расходуется на образование ветра, волн и океанических течений и лишь крохотная часть, 0,03%, поглощается в процессе фотосинтеза. Однако именно благодаря фотосинтезу мы располагаем нашими главными формами запасенной энергии - горючими ископаемыми и биомассой (см. ниже).

Ежегодно земная поверхность получает от Солнца энергию в количестве Дж. Если сопоставить эту величину с оценками энергии, содержащейся в разведанных запасах природного газа, угля, нефти и урана, то станет ясно, что за одну неделю Земля получает от Солнца такое количество энергии, которое в два с лишним раза превышает все известные запасы энергии на Земле.

Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии

Возобновляемые источники энергии характеризуются естественным восполнением за сравнительно короткие промежутки времени. Благодаря этому они обладают постоянной доступностью. К числу таких источников энергии относятся: биомасса, геотермальная энергия, гидроэлектроэнергия, солнечная энергия и энергия морских приливов.

Невозобновляемые источники энергии характеризуются невозможностью их восполнения после использования. К ним относятся горючие ископаемые (уголь, нефть и природный газ) и ядерное горючее (урановые руды).

Рис. 5.19. Различные источники энергии.

Источники энергии, потенциально способные удовлетворять в десятки раз большие, чем нынешние, энергетические потребности человечества на протяжении нескольких тысяч лет, составляют группу неопределенно долго поддерживаемых источников энергии. К числу таких источников энергии относятся солнечная энергия, ядерная энергия (ядерное деление, ядерный синтез), контролируемый термоядерный синтез, а также биомасса и, наконец, геотермальная энергия.

Традиционные источники энергии

К таковым относятся невозобновляемые источники энергии, которые использовались преимущественно в прошлом. Эти источники энергии включают уголь, природный газ и нефть, а в последнее время уран. Ядерное деление урана мы обсуждали в гл. 1. В гл. 18 мы подробно обсудим использование нефти и природного газа. Поэтому в данном разделе мы ограничимся рассмотрением применения угля.

Рис. 5.20. Вариант молекулярной модели низкосортного угля. Уголь представляет собой сложную смесь химических веществ, в состав которых входят углерод, водород и кислород, а также небольшие количества азота, серы и примеси других элементов. Кроме того, в состав угля в зависимости от его сорта входит различное количество влаги и различных минералов.

Уголь является древнейшим источником энергии, с которым знакомо человечество. Он представляет собой минерал (рис. 5.20), который образовался из растительного вещества в процессе метаморфизма. Метаморфическими называются горные породы, состав которых подвергся изменениям в условиях высоких давлений, а также высоких температур (см. разд. 13.3). Продуктом первой стадии в процессе образования угля является торф, который представляет собой разложившееся органическое вещество. Уголь образуется из торфа после того, как он покрывается осадочными породами. Эти осадочные породы называются перегруженными. Перегруженные осадки уменьшают содержание влаги в торфе.

В классификации углей используются три критерия: чистота (определяется относительным содержанием углерода в процентах); тип (определяется составом исходного растительного вещества); сортность (зависит от степени метаморфизма).

Таблица 5.16. Содержание углерода в некоторых видах топлива и их теплотворная способность

Самыми низкосортными видами ископаемых углей являются бурый уголь и лигнит (табл. 5.16). Они ближе всего к торфу и характеризуются сравнительно низким содержанием углерода и высоким содержанием влаги. Каменный уголь характеризуется меньшим содержанием влаги и широко используется в промышленности. Самый сухой и твердый сорт угля - это антрацит. Его используют для отопления жилищ и приготовления пищи.

В последнее время благодаря техническим достижениям становится все более экономичной газификация угля. Продукты газификации угля включают моноксид углерода, диоксид углерода, водород, метан и азот. Они используются в качестве газообразного горючего либо как сырье для получения различных химических продуктов и удобрений.