|
Реферат: Энергия морей и океанов (Физика)
Южно-Уральский государственный университет
Кафедра физической химии
ЗАДАНИЕ
На реферат по курсу «Экология»
Фамилия студента .
Группа .
Выполнить реферат на тему __________________________________________
Срок представления реферата ________________
Руководитель ______________/____________/
Задание выдано ___________ Подпись студента
________________
Оглавление
1. ЗАЧЕМ НУЖНА ЭНЕРГИЯ ОКЕАНА. 2
2. ЭНЕРГИЯ МИРОВОГО ОКЕАНА. 3
3. ЭНЕРГИЯ ПРИЛИВОВ. 3
4. ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ ОКЕАНА. 5
5. ЭНЕРГИЯ ВОЛН И ТЕЧЕНИЙ. 6
6. БИОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ. 7
7. ВЫГОДЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА. 8
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 10
ЗАЧЕМ НУЖНА ЭНЕРГИЯ ОКЕАНА.
Почему же именно сейчас, как никогда остро, встал вопрос: что ждет
человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие? Не сходят
со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти
возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются
правительства. К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о
запуске новых установок или о новых изобретениях в области энергетики.
Разрабатываются гигантские энергетические программы, осуществление которых
потребует громадных усилий и огромных материальных затрат.
Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас энергия –
электрическая – играла, в общем, вспомогательную и незначительную в
мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено
около 300 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Гигантские цифры,
небывалые темпы роста! И все равно энергии будет мало – потребности в ней
растут еще быстрее.
Уровень материальной, а в конечном счете и духовной культуры людей
находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их
распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом,
сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека
все время растут, да и людей становится все больше.
Так за чем же остановка? Ученые и изобретатели уже давно разработали
многочисленные способы производства энергии, в первую очередь
электрической. Давайте тогда строить все больше и больше электростанций, и
энергии будет столько, сколько понадобится! Такое, казалось бы, очевидное
решение сложной задачи, оказывается, таит в себе немало подводных камней.
Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную
для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм.
Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к
сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему
дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных
киловатт получаются в принципе тем же способом, которым пользовался
первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при
использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в
электрическую на тепловых электростанциях.
Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее.
Проблема будущей нехватки нефти известна довольно давно. Является
хорошо установленным фактом то, что на рубеже тысячелетий заканчивается
период роста мировой добычи нефти и начинается ее долгое и неуклонное
падение, которое должно закончиться истощением запасов. В 1956 году геолог
King Hubbert предсказал, что добыча нефти в Америке достигнет своего пика в
1970 году. В том же 1970 году компания ЭССО предсказала, что мировая добыча
достигнет пика где-то в 2000 году. В 1976 году Министерство энергетики
Великобритании опубликовало доклад, в котором указало, что запасы нефти в
Северном море достигнут пика к концу века, то есть в то же самое время, что
и мировая добыча нефти. После прохождения пика добычи нефти все потребители
по всему миру окажутся перед лицом огромных трудностей, не из-за
дороговизны нефти, а из-за ее нехватки. Нефтяная экономика сегодня всецело
зависит от приближающегося пика добычи.
На графике показано, что пик ожидается в 2005 году. На самом деле он не
будет иметь форму поворотного момента, а просто производство начнет
медленно падать, цены будут расти все быстрее. Добыча нефти стабилизируется
в течение 5 лет на более низком уровне. За этим последует резкий обвал,
ведущий к истощению.
Рост цен на нефть показывает, что это только начало ценового кризиса,
который достигнет пика в том же 2005 году. Могут быть непродолжительные
флуктуации. Возможно, рост цен приведет к осуществлению программ по
открытию новых скважин. Однако в период между 2001 и 2003 годами напряжение
будет расти, и стабилизация падения производства станет превалирующей.
Когда рынок поймет, что цены в будущем будут еще выше, начнется паника.
Затем последует болезненный период очень высоких цен и стабильного спроса,
за которым поставки нефти рухнут, и начнется окончательное падение.
Ничего этого не произошло бы, если бы мир потратил последние 25 лет на
создание альтернативных источников энергии, энергосберегающих технологий и
экономичных способов землепользования, характеризующихся меньшей
зависимостью от транспорта.
ЭНЕРГИЯ МИРОВОГО ОКЕАНА.
Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так,
тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод
океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину
порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается
величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют утилизовать лишь
ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся
капиталовложений.
ЭНЕРГИЯ ПРИЛИВОВ.
Наиболее очевидным способом использования океанской энергии
представляется постройка приливных электростанций (ПЭС).
Приливы обусловлены силами притяжения Луны и Солнца в сочетании с
центробежными силами, развивающимися при вращении систем Земля-Луна и Земля-
Солнце. Движение этих тел относительно друг друга порождает различные
приливные циклы: полусуточный, весенний квадратурный, полугодовой и другие
более длительные циклы. Все оказывают влияние на уровень подъема воды, и
знание этих колебаний необходимо для правильного проектирования приливных
энергетических систем.
Амплитуда приливов может значительно увеличиваться за счет таких факторов,
как склоны, воронки, характерное отражение и резонанс. Наиболее часто такие
условия наблюдаются в устьях рек.
Теоретически приливные электростанции могли бы производить в целом 635 тыс.
ГВт•ч/год электроэнергии, что является энергетическим эквивалентом более
чем 1 млрд баррелей нефти. Наиболее перспективными в этом отношении
районами являются залив Фанди в Канаде и США, залив Кука на Аляске, Шозе в
бухте Мон-Сен-Мишель во Франции, Мезенский залив в России, устье р. Северн
в Великобритании, залив Уолкотт в Австралии, Сан-Хосе в Аргентине, залив
Асанман в Южной Корее.
С незапамятных времен человек стремился использовать энергию приливов.
Первые приливные мельницы появились на побережье Бретани, Андалузии и
Англии еще в ХII в. В более поздние времена сотни таких устройств приводили
в движение лесопильные и мукомольные машины в британских владениях на
территории Новой Англии (США).
В настоящее время действует совсем немного приливных станций.
Электростанция Ранс является первым и крупнейшим предприятием такого рода в
мире. Она была задумана как прототип более крупных приливных станций на
побережье Бретани. Строительство началось в 1961 г. и завершилось в 1968 г.
Система использует двадцать четыре 10-мегаваттных турбины Каплана, обладает
проектной мощностью 240 МВт и ежегодно производит около 50 ГВт•ч
электроэнергии. Амплитуда прилива в устье реки составляет 14 м. Плотина
длиной 750 м ограничивает бассейн площадью 22 км2, который содержит 180 млн
м3 полезной воды.
Другая крупная приливная электростанция мощностью 20 МВт расположена в
Аннаполис-Ройал, в заливе Фанди (провинция Новая Шотландия, Канада). Она
была официально открыта в сентябре 1984 г. Система смонтирована на о. Хогс
в устье р. Аннаполис на основе уже существующей дамбы, защищающей
плодородные земли от затопления морской водой в период штормов. Амплитуда
прилива колеблется от 4,4 до 8,7 м.
Стоимость станции Аннаполис-Ройал составила 53 млн долл., или 2650
долл. за киловатт мощности. Согласно проекту, цена производимого
электричества должна была составлять 2,7 цента за киловатт.
Удовлетворительные показатели данной станции подтвердили рентабельность
низконапорных гидроресурсов, открыли широкие перспективы строительства
крупных приливных станций в Канаде и других частях земного шара.
Возможное воздействие приливных электростанций на окружающую среду
будет связано с увеличением амплитуды приливов на океанской стороне
плотины. Это может приводить к затоплению суши и сооружений при высоких
приливах или во время штормов и к вторжению солёной воды в устья рек и
подземные водоносные слои. Водные пищевые цепи и сообщества организмов в
приливной зоне могут пострадать в результате изменения уровня воды и
усилившихся течений как за плотиной, так и перед ней; для водных организмов
небезопасно так же прохождение через турбины.
Следует так же упомянуть ещё одну отрицательную черту приливной энергии
– то, что её выработка непостоянна. При обычной эксплуатации приливной
энергии электричество вырабатывается только в начале прилива (или отлива).
Эта циклическая выработка энергии вряд ли будет соответствовать суточным
циклам потребности в ней. Пиковая потребность и пиковая выработка могут
иногда совпадать, так как часы приливов сдвигаются по мере смены времён
года, но чаще такого совпадения не будет. Это означает, что выработка
энергии другими, центральными, станциями должна снижаться, когда темп
приливной выработки достигает максимума, и возрастать, когда он падает. На
электростанции «Ла-Ранс» эту задачу выполняет компьютер.
ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ ОКЕАНА.
Температура воды океана в разных местах различна. Между тропиком Рака
и тропиком Козерога поверхность воды нагревается до 82 градусов по
Фаренгейту (27 C). На глубине в 2000 футов (600 метров) температура
падает до 35,36,37 или 38 градусов по Фаренгейту (2-3.5 С). Возникает
вопрос: есть ли возможность использовать разницу температур для получения
энергии? Могла бы тепловая энергоустановка, плывущая под водой,
производить электричество? Да, и это возможно.
В далекие 20-е годы нашего столетия Жорж Клод, одаренный, решительный и
весьма настойчивый французский физик, решил исследовать такую возможность.
Выбрав участок океана вблизи берегов Кубы, он сумел-таки после серии
неудачных попыток получить установку мощностью 22 киловатта. Это явилось
большим научным достижением и приветствовалось многими учеными.
Используя теплую воду на поверхности и холодную на глубине и создав
соответствующую технологию, мы располагаем всем необходимым для
производства электроэнергии, уверяли сторонники использования тепловой
энергии океана. "Согласно нашим оценкам, в этих поверхностных водах
имеются запасы энергии, которые в 10 000 раз превышают общемировую
потребность в ней".
"Увы, - возражали скептики, - Жорж Клод получил в заливе Матансас
всего 22 киловатта электроэнергии. Дало ли это прибыль?" Не дало, так
как, чтобы получить эти 22 киловатта, Клоду пришлось затратить 80 киловатт
на работу своих насосов.
Сейчас приобрела большое внимание "океанотермическая энергоконверсия"
(ОТЭК), т.е. получение электроэнергии за счет разности температур между
поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами,
например при использовании в замкнутом цикле турбины таких
легкоиспаряющихся жидкостей как пропан, фреон или аммоний.
Последние десятилетия характеризуется определенными успехами в
использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и
ОТЕС-1 (ОТЕС – начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy
Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана). В августе 1979 г.
вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка
мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной
месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной
работе не было срывов, если но считать мелких технических неполадок, обычно
возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность
составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная –53 кВт; 12 кВт (максимум 15)
установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее – на
зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на
собственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу
трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе
электрической энергии.
Три насоса потребовались из следующего расчета: один – для подачи
теплой воды из океана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около
700 м, третий – для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой
системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий
жидкости применяется аммиак.
Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен
длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит
полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод
прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случаи
необходимости ого быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно
используется и для заякоривания системы труба–судно. Оригинальность
подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для
разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной
проблемой.
Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю
нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт,
полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более
мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию
еще более мощных систем подобного типа.
Новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт
проектируются без судна. Это – одна грандиозная труба, в верхней части
которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые
устройства для преобразования анергии. Верхний конец трубопровода холодной
воды расположится в океане на глубине 25–50 м. Машинный зал проектируется
вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установлены турбоагрегаты,
работающие на парах аммиака, а также все остальное оборудование. Масса
всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр, уходящая почти на
километр в холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде
маленького островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов,
необходимых для обслуживания системы и для связи с берегом.
Представляется, что некоторые из предлагавшихся океанских
энергетических установок могут быть реализованы, и стать рентабельными уже
в настоящее время.
ЭНЕРГИЯ ВОЛН И ТЕЧЕНИЙ.
Ещё в начале XX века американский инженер Рансом сконструировал
установку, использующую энергию волн для сжатия воздуха. Схема его
установки показана на рисунке.
Конструктором С. Солтером (S. Salter; Эдинбургский университет,
Шотландия) предложен проект “Кивающая утка”. Поплавки, покачиваемые
волнами, дают энергию стоимостью всего 2,6 пенса за 1 КВтч, что лишь
незначительно выше стоимости электроэнергии, которая вырабатывается
новейшими электростанциями, сжигающими газ (в Британии это - 2,5 пенса), и
заметно ниже, чем дают АЭС (около 4,5 пенса за 1 КВтч).
Машина Рансома
Бакены и маяки, использующие энергию волн, уже усеяли прибрежные воды
Японии. В течение многих лет бакены – свистки береговой охраны США
действуют благодаря волновым колебаниям.
Недавно группа ученых океанологов обратила внимание на тот факт, что
Гольфстрим несет свои воды вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в
час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой.
Возможно ли это? Смогут ли гигантские турбины и подводные пропеллеры,
напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая
энергию из течений и воли? "Смогут" - таково в 1974
году было заключение Комитета Мак-Артура, находящегося под
эгидой Национального управления по исследованию океана и атмосферы в
Майами (Флорида). Общее мнение заключалось в том, что имеют место
определенные проблемы, но все они могут быть решены в случае выделения
ассигнований, так как "в этом проекте нет ничего такого, что превышало бы
возможности современной инженерной и технологической мысли".
БИОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ.
В океане существует замечательная среда для поддержания жизни, в
состав которой входят питательные вещества, соли и другие минералы. В этой
среде растворенный в воде кислород питает всех морских животных от самых
маленьких до самых больших, от
амебы до акулы. Растворенный углекислый газ точно так же поддерживает жизнь
всех морских растений от одноклеточных диатомовых водорослей до
достигающих высоты 200-300 футов (60-90метров) бурых водорослей.
Морскому биологу нужно сделать лишь шаг вперед, чтобы перейти от
восприятия океана как природной системы поддержания жизни к попытке
начать на научной основе извлекать из этой системы энергию.
При поддержке военно-морского флота США в середине 70-х годов группа
специалистов в области исследования океана, морских инженеров и водолазов
создала первую в мире океанскую энергетическую ферму на глубине 40 футов
(12 метров) под залитой солнцем гладью Тихого океана вблизи города Сан-
Клемент. Ферма была небольшая. По сути своей, все это было лишь
экспериментом. На ферме выращивались гигантские калифорнийские бурые
водоросли.
По мнению директора проекта доктора Говарда А. Уилкокса, сотрудника
Центра исследования морских и океанских систем в Сан-Диего (Калифорния),
"до 50 % энергии этих водорослей может быть превращено в топливо - в
природный газ метан. Океанские фермы будущего, выращивающие бурые
водоросли на площади примерно 100 000 акров (40 000 га), смогут давать
энергию, которой хватит, чтобы полностью удовлетворить потребности
американского города с населением в 50 000 человек".
В океане растворено огромное количество солей. Может ли соленость
быть использована, как источник энергии? Может. Большая концентрация соли в
океане навела ряд исследователей Скриппского океанографического института в
Ла-Колла (Калифорния) и других центров на мысль о создании таких установок.
Они считают, что для получения большого количества энергии вполне
возможно сконструировать батареи, в которых происходили бы реакции
между соленой и несоленой водой.
Самолеты и легковые автомобили, автобусы и грузовики могут приводиться
в движение газом, который можно извлекать из воды, а уж воды-то в морях
достаточно. Этот газ - водород, и он может использоваться в качестве
горючего. Водород – один из наиболее распространенных элементов во
Вселенной. В океане он содержится в каждой капле воды. Помните формулу
воды? Формула HOH значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода
и одного атома кислорода. Извлеченный из воды водород можно сжигать как
топливо и использовать не только для того, чтобы приводить в движение
различные транспортные средства, но и для получения электроэнергии.
Все большее число химиков и инженеров с энтузиазмом относится к
"водородной энергетике" будущего, так как полученный водород достаточно
удобно хранить: в виде сжатого газа в танкерах или в сжиженном виде в
криогенных контейнерах при температуре ---423 градуса по Фаренгейту (-203
С). Его можно хранить и в твердом виде после соединения с железо-
титановым сплавом или с магнием для образования металлических гидридов.
После этого их можно легко транспортировать и использовать по мере
необходимости.
Еще в 1847 году французский писатель Жюль Верн, опередивший свое время,
предвидел возникновение такой водородной экономики. В своей книге
"Таинственный остров" он предсказывал, что в будущем люди научатся
использовать воду в качестве источника для получения топлива. "Вода, -
писал он, - представит неиссякаемые запасы тепла и света".
Со времен Жюля Верна были открыты методы извлечения водорода из воды.
Один из наиболее перспективных из них – электролиз воды. (Через воду
пропускается электрический ток, в результате чего происходит химический
распад. Освобождаются водород и кислород, а жидкость исчезает.)
В 60-е годы специалистам из НАСА удалось столь успешно осуществить
процесс электролиза воды и столь эффективно собирать высвобождающийся
водород, что получаемый таким образом водород использовался во время
полетов по программе "Аполлон".
ВЫГОДЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА.
Таким образом, в океане, который составляет 71 процент поверхности
планеты, потенциально имеются различные виды энергии - энергия волн и
приливов; энергия химических связей газов, питательных веществ, солей и
других минералов; скрытая энергия водорода, находящегося в молекулах
воды; энергия течений, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях
океана; удивительная по запасам энергия, которую можно получать, используя
разницу температур воды океана на поверхности и в глубине, и их можно
преобразовать в стандартные виды топлива.
Такие количества энергии, многообразие ее форм гарантируют, что в
будущем человечество не будет испытывать в ней недостатка. В то же время не
возникает необходимости зависеть от одного - двух основных источников
энергии, какими, например, являются давно использующиеся ископаемые виды
топлива и ядерного горючего, методы получения которого были разработаны
недавно.
Более того, в миллионах прибрежных деревень и селений, не имеющих
сейчас доступа к энергосистемам, будет тогда возможно улучшить жизненные
условия людей. Жители тех мест, где на море бывает сильное волнение,
смогут конструировать и использовать установки для преобразования энергии
волн. Живущие вблизи узких прибрежных заливов, куда во время приливов с
ревом врывается вода, смогут использовать эту энергию.
Для всех остальных людей энергия океана в открытом водном пространстве
будет преобразовываться в метан, водород или электричество, а затем
передаваться на сушу по кабелю или на кораблях. И вся эта энергия таится
в океане испокон веков. Не используя ее, мы тем самым попросту ее
расточаем.
Разумеется, трудно даже представить себе переход от столь привычных,
традиционных видов топлива - угля, нефти и природного газа - к
незнакомым, альтернативным методам получения энергии. Разница
температур? Водород, металлические гидриды, энергетические фермы в
океане? Для многих это звучит как научная фантастика.
И тем не менее несмотря на то что извлечение энергии океана находятся
на стадии экспериментов и процесс ограничен и дорогостоящ, факт остается
фактом, что по мере развития научно-технического прогресса энергия в
будущем может в значительной степени добываться из моря. Когда – зависит
от того, как скоро эти процессы станут достаточно дешевыми. В конечном
итоге дело упирается не в возможность извлечения из океана энергии в
различных формах, а в стоимость такого извлечения, которая определит,
насколько быстро будет развиваться тот или иной способ добычи.
Когда бы это время ни наступило, переход к использованию энергии
океана принесет двойную пользу: сэкономит общественные средства и сделает
более жизнеспособной третью планету Солнечной системы - нашу Землю.
Но стоит ли волноваться в поисках новых источников ископаемого
топлива? Зачем дискутировать по вопросу о строительстве ядерных реакторов?
Океан наполнен энергией, чистой, безопасной и неиссякаемой. Она там, в
океане, только и ждет высвобождения. И это – преимущество номер один.
Второе преимущество заключается в том, что использование энергии
океана позволит Земле быть в дальнейшем обитаемой планетой. А вот
альтернативный вариант, предусматривающий увеличение использования
органических и ядерных видов топлива, по мнению некоторых специалистов,
может привести к катастрофе: в атмосферу станет выделяться слишком большое
количество углекислого газа и теплоты, что грозит смертельной опасностью
человечеству.
Итак, что же человечество должно делать? Будем ли мы истощать остатки
ископаемого топлива, строить все большее число ядерных реакторов, рискуя
изменить температуру атмосферы, или же обратимся к океану - кладезю
неиссякаемой энергии - и будем искать способ извлечения этой энергии для
достижения наших целей - вот в чем заключается вопрос.
Накануне вступления в 21 век ученые-океанологи призывают прекратить
пустые дискуссии и отказаться от надежды на то, что "технологическое
развитие разрешит все проблемы на суше". Они хотят обратить внимание
общества на океан, который заряжается энергией внеземного происхождения,
энергией доступной, не загрязняющей окружающую среду и возобновляемой.
Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из
космоса. Она доступна и безопасна, и не загрязняет окружающую среду,
неиссякаема и свободна.
Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух и образует
ветры, вызывающие волны. Она нагревает океан, который накапливает тепловую
энергию. Она приводит в движение течения, которые в то же время меняют
свое направление под воздействием вращения Земли.
Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного притяжения. Она
является движущей силой системы Земля - Луна и вызывает приливы и
отливы.
Океан - это не плоское, безжизненное водное пространство, а
огромная кладовая беспокойной энергии. Здесь плещут волны, рождаются
приливы и отливы, пересекаются течения, и все это наполнено энергией.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аугуста Голдин. Океаны энергии. – Пер. с англ. – М.: Знание, 1983.
2. Вершинский Н. В. Энергия океана. – М.: Наука, 1986.
3. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания: в 4-х книгах. – М.: Мир,
1994.
4. Воронков В.А. Экология общая, социальная, прикладная: Учеб. для вузов. –
М.: Агар: Рандеву-АМ, 1994.
5. Экологически чистая энергетика (в помощь лектору) / Авт.-сост. А.А.
Каюмов. Горький: Горьковский областной совет ВООП и областной молодежный
экологический центр “Дронт”, 1990. 76 с.
6. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника,
1997.
-----------------------
[pic]
[pic]
Реферат на тему: Энтропия термодинамическая и информационная
САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Г. Чернышевского
РЕФЕРАТ
на тему: "Энтропия термодинамическая и информационная"
Выполнил: студент 521 группы
физического факультета
Маляев Владимир Сергеевич
-САРАТОВ 2001-
План реферата:
Энтропия – энциклопедическое понятие 3
Термодинамическое описание энтропии 3
Энтропия и общество 5
Информационный аспект 7
Смысловая информация и бессмысленная 8
Краткий вывод 9
Список использованной литературы 10
Чтобы каким-либо образом описать упорядоченность любой системы, физикам
необходимо было ввести величину, функцию состояния системы, которая бы
описывала ее упорядоченность, степень и параметры порядка,
самоорганизованность системы.
От греческого entropia -- поворот, превращение. Понятие энтропии
впервые было введено в термодинамике для определения меры необратимого
рассеяния энергии. Энтропия широко применяется и в других областях науки: в
статистической физике как мера вероятности осуществления какого - либо
макроскопического состояния; в теории информации - мера неопределенности
какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы. Все эти
трактовки энтропии имеют глубокую внутреннюю связь.
Энтропия — это функция состояния, то есть любому состоянию можно
сопоставить вполне определенное (с точность до константы -- эта
неопределенность убирается по договоренности, что при абсолютном нуле
энтропия тоже равна нулю) значение энтропии.
Для обратимых (равновесных) процессов выполняется следующее
математическое равенство (следствие так называемого равенства Клаузиуса)
[pic](Q - подведенная теплота,T - температура, A и B - состояния, SA и SB -
энтропия, соответствующая этим состояниям (здесь рассматривается процесс
перехода из состояния А в состояние В)
Для необратимых процессов выполняется неравенство, вытекающее из так
называемого неравенства Клаузиуса
Поэтому энтропия адиабатически изолированной (нет подвода или отвода тепла)
системы при необратимых процессах может только возрастать.
Используя понятие энтропии Клаузиус (1876) дал наиболее общую формулировку
2-го начала термодинамики: при реальных (необратимых) адиабатических
процессах энтропия возрастает, достигая максимального значения в состоянии
равновесия (2-ое начало термодинамики не является абсолютным, оно
нарушается при флуктуациях).
Значит функция состояния, дифференциалом которой является (Q/T, называется
энтропией и обозначается обычно S.
[pic].
Отметим, что справедливость этого выражения для полного дифференциала
энтропии доказана выше лишь для обратимых процессов идеального газа.
Так же энтропия S определятся логарифмом числа микросостояний, посредством
которых реализуется рассматриваемое макросостояние, т.е.
[pic], (формула Больцмана)
где k – постоянная Больцмана, Г - число микросостояний.
Энтропия системы в каком-либо обратимом процессе изменяется под влиянием
внешних условий, воздействующих на систему. Механизм воздействия внешних
условий на энтропию состоит в следующем. Внешние условия определяют
микросостояния, доступные системе, и их число. В пределах доступных для нее
микросостояний система достигает равновесного состояния, а энтропия –
соответствующего значения. В результате значение энтропии следует за
изменением внешних условий, достигая максимального значения, совместимого с
внешними условиями.
Чем более сильно упорядочена система, тем меньше число микросостояний,
которыми осуществляется макросостояние.
Допустим, например, что все атомы закреплены в определенных местах. Тогда
существует только одно микросостояние, а соответствующая ему энтропия равна
нулю. Чем больше число микросостояний, тем больше разупорядочена система.
Поэтому можно сказать, что энтропия является мерой упорядоченности системы.
В состоянии равновесия энтропия достигает своего максимального значения,
поскольку равновесие есть наиболее вероятное состояние, совместимое с
фиксированными условиями и, следовательно, является макросостоянием,
осуществляемым посредством максимального числа микросостояний. Очевидно,
что система, предоставленная самой себе, движется в направлении
равновесного состояния, т.е. энтропия должна возрастать в предоставленной
самой себе системе.
Энтропия определяется логарифмом числа микросостояний, посредством которых
реализуется макросостояние. В состоянии равновесия энтропия достигает
максимального значения, поскольку в равновесном состоянии термодинамическая
вероятность максимальна. Отсюда следует, что энтропия изолированной
предоставленной самой себе системы должна возрастать до тех пор, пока не
достигнет максимального значения, совместимого с условиями.
Следует заметить, что при адиабатическом обратимом процессе энтропия не
изменяется, так как при адиабатическом расширении газа за счет увеличения
объема энтропия увеличивается, однако за счет уменьшения температуры,
которое при этом происходит, она уменьшается и эти две тенденции полностью
компенсируют друг друга.
Неубывание энтропии в изолированной системе обусловливается в конечном
счете равновероятностью всех ее микроскопических состояний, приводящей
систему в наиболее вероятное макросостояние.
В процессах изолированной системы энтропия не убывает, в то время как в
процессах неизолированных систем энтропия может и возрастать, и убывать, и
оставаться неизменной в зависимости от характера процесса.
Так же отметим изменение энтропии в необратимых процессах. Вычисление
основывается на том, что энтропия является функцией состояния. Если система
перешла из одного состояния в другое посредством необратимого процесса, то
логично мысленно перевести систему из первого состояния во второе с помощью
некоторого обратимого процесса и рассчитать происходящее при этом изменение
энтропии. Оно равно изменению энтропии при необратимом процессе.
Рассмотрим роль энтропии в производстве работы: принцип Кельвина запрещает
циклический процесс, результатом которого было бы превращение нацело
некоторого количества теплоты в работу в результате контакта с одним
тепловым резервуаром. Формула для к.п.д. цикла Карно показывает, что взятое
от нагревателя количество теплоты лишь частично может быть превращено в
работу, причем часть теплоты, превращаемая в работу, тем больше, чем меньше
температура холодильника. Физической причиной этого являются требования
второго начала термодинамики. Поскольку энтропия при любых процессах в
замкнутых системах не убывает, некоторое количество теплоты не может нацело
превратиться в работу потому, что это означало бы исчезновение
соответствующей энтропии, что противоречит второму началу термодинамики.
При совершении работы в холодильник должна быть передана по крайней мере
такая же энтропия, какая была взята от нагревателя. Максимальный к.п.д.
достигается в обратимой машине, поскольку в этом случае холодильнику
передается минимально возможная энтропия.
Теперь рассмотрим другое приложение понятия энтропия:
Давно было замечено, что в одну и ту же реку дважды войти нельзя. Мир
вокруг нас меняется, наше общество меняется, и мы сами, члены общества,
только стареем. Изменения необратимы.
Энтропия первоначально была введена для объяснения закономерностей работы
тепловой машины. В узком смысле энтропия характеризует равновесное
состояние замкнутой системы из большого числа частиц.
В обычном понимании равновесие в системе означает просто хаос. Для человека
максимум энтропии - это разрушение. Любое разрушение увеличивает энтропию.
Энтропия замкнутой системы необратима. Но в природе полностью замкнутых
систем не существует. А для открытых неравновесных систем точного
определения энтропии пока не известно. Измерить энтропию нельзя. Из строгих
физических законов она не выводится. Энтропия вводится в термодинамике для
характеристики необратимости протекающих в газах процессов.
Многие ученые не считают феноменологические законы термодинамики законами
природы, а рассматривают их как частный случай при работе с газом с помощью
тепловой машины. Поэтому не рекомендуются расширенная трактовка энтропии в
физике.
С другой стороны необратимость протекающих физических процессов и самой
нашей жизни – это факт. С этой позиции вполне оправдано использование
понятия энтропии в нефизических дисциплинах для характеристики состояния
системы.
Все природные системы, включая человеческий организм и человеческие
сообщества, не являются замкнутыми. Открытость системы позволяет локальным
образом уменьшать энтропию за счет обмена энергией с окружающей средой, что
приводит к упорядочению и усложнению структуры системы.
Человеческие сообщества в любом виде, от племен и групп до народов и
социальных обществ, также являются системами. Каждое человеческое
сообщество имеет свои законы и структуру взаимодействий. Будем говорить об
обществе в целом, ограничивая его рамками государств.
Любое общество как система старается сохранить себя в окружающем мире. Для
этого существуют государственные, общественные, социальные и другие
институты. Применение энтропии для характеристики общества позволяет
установить некоторые приблизительные рамки, в пределах которых общество
может успешно развиваться или, наоборот, деградировать.
В настоящее время существует множество параметров, характеризующих то или
иное общество. Но большинство из этих параметров, в конечном счете,
сводится к двум видам: параметры, характеризующие открытое демократическое
общество, и параметры, описывающие тоталитарные системы.
Почему западные государства достигли такого впечатляющего прогресса в
экономике и государственном устройстве и существенно опережают в своем
развитии другие общественные системы? Западное общество характеризуется
большей степенью открытости. Более открытая система, с одной стороны,
впускает в себя больше энергии из внешнего мира и дает больше степеней
свободы своим элементам, с другой стороны – позволяет увеличить отток
«недоброкачественной» энергии. Таким образом, энтропия системы уменьшается.
При этом усложняется структура системы, что в западном обществе мы и
наблюдаем.
В более замкнутой общественной системе имеют место обратные процессы.
Энтропия увеличивается. Структура общества упрощается. Ярким примером такой
системы служит Северная Корея. Структура общества упростилась до трех
основных элементов – партийная элита, армия и все остальные.
Таким образом, можно сделать вывод, что для успешного развития общества
необходимо соблюдение некоторых условий. Главным из таких условий является
степень свободы элементов общества, т.е. людей. Степень свободы человека
можно определять в терминах прав человека, политических свобод,
экономических возможностей. Суть от этого не меняется. Человек должен иметь
право на свободу выбора целей и путей их достижения.
Если право выбора человека слишком ограничивается, то в обществе начинаются
застойные процессы, и оно постепенно приходит в упадок. Как пример можно
привести Советский Союз. Выбор человека ограничивался идеологическими
установками и партийной принадлежностью. Добиться успеха, сделать карьеру
вне партии было сложно. В конце концов, осталась одна возможность
продвижения: школа, институт комсомол, партия. Партийная принадлежность
была необходима для достижения успеха в любой сфере деятельности.
Такой вариант общественных отношений, в конечном счете, привел к упрощению
структуры общества и последующему упадку. Открытость общества не является
панацеей от всех бед, но создает предпосылки для дальнейшего прогресса.
Демократия - не лучшая система управления. Но, по - видимому, это одна из
необходимых степеней свободы. При детальном исследовании можно вычислить
необходимое для развития количество степеней свободы личности. Перебор
также не желателен. В этом случае отдельные части общества получают слишком
большую независимость, что может привести к распаду целого на отдельные
независимые составляющие.
Поэтому на Западе наблюдается такое огромное количество норм и правил,
регулирующих все сферы жизни человека. Большое количество норм и законов
необходимо для регулирования сложной структуры общества и сохранения его
целостности.
Не следует также путать экономическую и военную мощь государства с
общественными институтами. Замкнутые общества могут иметь оболочку в виде
мощных и сильных государств. Советский Союз тому пример. Государство
является вторичным по отношению к обществу. Государства могут исчезать, но
люди на территории остаются, и, следовательно, остается общество, которое в
отсутствии государства может получить новый импульс к развитию. Если же
распадается общество, то государство исчезает навсегда. В России
государственное устройство неоднократно менялось, но общество,
видоизменяясь, не распадалось.
При использовании понятия энтропии нельзя обойтись без закона сохранения. К
сожалению, он гласит, что если энтропия где-то убывает, то где-то она
прибывает. Прогресс человечества в целом, и общественных институтов - в
частности, приводит к уменьшению энтропии системы. Значит, энтропия
окружающей человека среды увеличивается. Это приводит к гибели природы и
экологическим катастрофам.
На земле кроме человека есть и другая жизнь. Реакция живой природы на
разрушающие действия человеческой системы может быть многообразной: от
новых болезней и эпидемий до мутантов и планетарных катастроф.
Теперь можно разобрать энтропию в информационном аспекте.
При подходе к сложным системам используются законы статистической физики.
В этой области физики предпринимается, в частности, попытка вывести
феноменологические макроскопические законы термодинамики из
микроскопической теории. Такой микроскопической теорией может быть
ньютоновская механика отдельных частиц газа или квантовая механика.
Используя соответствующие статистические средние, мы получаем возможность
вывести макроскопические величины из микроскопических законов. Центральным
понятием и в этом случае является энтропия S. Согласно Больцману, она
связана с числом W различных микроскопических состояний, порождающих одно и
то же макроскопическое состояние системы соотношением
[pic]
Решающее значение имеет так и не получивший убедительного ответа вопрос о
том, почему макроскопические явления необратимы, хотя все фундаментальные
законы обратимы. Например, если у нас есть сосуд с молекулами газа и мы
откроем клапан, чтобы газ мог попасть во второй сосуд, то оба сосуда
окажутся заполнены газом более или менее равномерно. Однако обратный
процесс в природе никогда не наблюдается: никому не доводилось видеть,
чтобы второй сосуд самопроизвольно опустел и все молекулы собрались в
первом сосуде.
Несмотря на трудности, связанные со строгим обоснованием необратимости,
статистическая физика позволяет нам объяснить ряд явлений неравновесной
термодинамики, такие, как релаксационные процессы, теплопроводность,
диффузия молекул и т.д.
Использование слова "информация" приводит ко многим недоразумениям. Это
связано с тем, что оно имеет много различных значений. В обыденном языке
это слово используется в смысле "сообщение" или "сведения". Письмо,
телевизионная передача или телефонный разговор несут информацию. Начнем с
понятия Шенноновской информации, согласно которому информация оценивается
независимо от ее смысла. Средняя информация, приходящаяся например, на одну
букву в книге определяется выражением
[pic],
где pj – относительная частота j-ой буквы.
Шеннон использовал такое определение информации при изучении пропускной
способности канала связи — способности передавать информацию даже при
наличии помех. Шенноновская информация никак не связана со смыслом
передаваемого сигнала. В его концепцию информации не входят такие аспекты,
как осмысленность или бессмысленность, полезность или бесполезность и т.д.
Шенноновская информация относится к замкнутым системам. Имеется
ограниченный резервуар сигналов, число которых равно Z.
Одна из наиболее поразительных особенностей любой биологической системы —
необычайная высокая степень координации между ее отдельными частями. В
клетке одновременно и согласованно могут происходить тысячи метаболических
процессов. У животных от нескольких миллионов до нескольких миллиардов
нейронов и мышечных клеток своим согласованным действием обеспечивает
координированные движения, сердцебиение, дыхание и кровообращение.
Распознавание образов — процесс в высшей степени кооперативный, равно как и
речь и мышление у людей. Совершенно очевидно, что все эти высоко
координированные, когерентные процессы становятся возможными только путем
обмена информацией, которая должна быть произведена, передана, принята,
обработана, преобразована в новые формы информации и должна участвовать в
обмене информацией между различными частями системы и вместе с тем между
различными иерархическими уровнями. Так мы приходим к непреложному выводу
о том, что информация является решающим элементом существования самой
жизни.
Понятие информации весьма тонкое. Как мы видим, она может так же обретать
роль своего рода среды, существование которой поддерживается отдельными
частями системы — среды, из которой эти части получают конкретную
информацию относительно того, как им функционировать когерентно,
кооперативно. И на этом уровне в дело вступает семантика.
Второе начало термодинамики говорит нам, что в замкнутых системах структуры
распадаются и системы становятся всё более однородными – по крайней мере на
макроскопическом уровне. На микроуровне может царить полный хаос. Именно
по этим причинам информация не может порождаться системами в состоянии
теплового равновесия; в замкнутых системах в конце концов устанавливается
тепловое равновесие. Но система, находящаяся в состоянии теплового
равновесия, не может и хранить информацию. Рассмотрим пример — книгу. На
первый взгляд может показаться, что она находится в тепловом равновесии —
ведь мы даже можем измерить ее температуру. Однако полного теплового
равновесия книга достигнет лишь после того, как типографская краска
продиффундирует и, расплываясь по каждой странице все больше и больше,
распространится по ней, — но тогда текст исчезнет.
Таким образом мы видим многоликость понятия "информация". Я думаю, что
будущее этого понятия разовьется именно в разделе самоорганизации сложных
систем, так как синергетическое направление в наше время — одно из самых
перспективных и малоисследованных.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
Г. Хакен, "Информация и самоорганизация".
А.Н. Матвеев, "Молекулярная физика"
Большая физическая энциклопедия
О. Наумов, газета "Монолог" 2000г, N4
-----------------------
[pic]
[pic]
| |
