Энергетика. ТЭС и АЭС

Всё о тепловой и атомной энергетике

Почему при сгорании топлива выделяется теплота

В прошлом веке основным топливом являлись дрова. Даже в наше время дрова как топливо имеют еще большое значение, особенно для отопления зданий в сельских местностях. Сжигая дрова в печах, трудно представать себе, что мы, по существу дела, используем энергию, полученную от Солнца, находящегося на расстоянии около 150 миллионов километров от Земли. Тем не менее именно так и обстоит дело.

Каким же образом солнечная энергия оказалась аккумулированной в дровах? Почему можно утверждать, что, сжигая дрова, мы используем энергию, полученную от Солнца?

Ясный ответ на поставленные вопросы дал выдающийся русский ученый К. А. Тимирязев. Оказывается, развитие почти всех растений возможно только под действием солнечных лучей. Жизнь подавляющего большинства растений от маленькой травки и до мощного эвкалипта, достигающего 150 метров высоты и 30 метров по окружности ствола, основана на восприятии солнечных лучей. Зеленые листья растений содержат особое вещество — хлорофилл. Это вещество дает растениям важное свойство: поглощать энергию солнечных лучей, разлагать за счет этой энергии углекислый газ, являющийся соединением углерода и кислорода, на его составные части, т. е. на углерод и кислород, и образовывать в своих тканях органические вещества, из которых собственно и состоят ткани растений. Это свойство растений без преувеличения можно назвать замечательным, так как благодаря ему растения оказываются способными превращать вещества неорганической природы в органические вещества. Кроме того, растения поглощают из воздуха углекислый газ, являющийся продуктом деятельности живых существ, промышленности и вулканической деятельности, и насыщают воздух кислородом, без которого, как известно, невозможны процессы дыхания и горения. Именно поэтому, между прочим, зеленые насаждения являются необходимыми для жизни человека.

Убедиться в том, что листья растений поглощают углекислый газ и разделяют его на углерод и кислород, легко с помощью очень простого опыта. Представим себе, что в пробирке находится вода с растворенным в ней углекислым газом и зеленые листья какого-нибудь дерева или травы. Вода, содержащая углекислый газ, имеет очень широкое распространение: в жаркий день именно эта вода, именуемая газированной, очень приятна для утоления жажды.

Вернемся, однако, к нашему опыту. Через некоторое время на листьях можно заметить небольшие пузырьки, которые по мере их образования поднимаются и скапливаются в верхней части пробирки. Если этот газ, полученный на листьях, собрать в отдельный сосуд и затем внести в него слегка тлеющую лучину, то она вспыхнет ярким пламенем. По этому признаку, а также по ряду других можно установить, что мы имеем дело с кислородом. Что касается углерода, то он усваивается листьями и из него образуются органические вещества — ткани растений, химическая энергия которых, представляющая собой преобразованную энергию солнечных лучей, выделяется при горении в виде теплоты.

В нашем рассказе, который по необходимости затрагивает различные отрасли естествознания, встретилось еще одно новое понятие: химическая энергия. Необходимо хотя бы кратко объяснить, что она собой представляет. Химическая энергия вещества (в частности дров) имеет много общего с тепловой энергией. Тепловая энергия, как помнит читатель, складывается из кинетической и потенциальной энергии мельчайших частиц тела: молекул и атомов. Тепловая энергия тела определяется, таким образом, как сумма энергии поступательного и вращательного движения молекул и атомов данного тела и энергии притяжения или отталкивания между ними. Химическая энергия тела в отличие от тепловой складывается из энергии, накопленной внутри молекул. Эта энергия может быть освобождена только в результате химического преобразования, химической реакции, когда одно или несколько веществ превращаются в другие вещества.

К сказанному необходимо добавить два важных пояснения. Но предварительно нужно напомнить читателю некоторые положения о строении материи. Долгое время ученые предполагали, что все тела состоят из мельчайших и далее неделимых частиц — атомов. В переводе с греческого слово «атом» означает неделимый. В первой своей части это предположение подтвердилось: все тела действительно состоят из атомов, а размеры этих последних чрезвычайно малы. Вес атома водорода, например, равен 0,000 000 000 000 000 000 000 0017 грамма. Размер атомов настолько мал, что их не представляется возможным увидеть даже в самый сильный микроскоп. Если бы можно было так уложить атомы, как мы насыпаем горох в стакан, т.е. соприкасая их друг с другом, то в очень маленьком объеме 1 кубического миллиметра уместилось бы около 10 000 000 000 000 000 000 000 атомов.

Всего известно около ста видов атомов. Вес атома урана — одного из наиболее тяжелых атомов — примерно в 238 раз больше веса самого легкого водородного атома. Простые вещества, т.е. вещества, состоящие из атомов одного сорта, именуются элементами.

Соединяясь между собой, атомы образуют молекулы. Если молекула состоит из различного сорта атомов, то вещество именуется сложным. Молекула воды, например, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Так же как и атомы, молекулы очень малы. Ярким примером, свидетельствующим о малом размере молекул и о том, сколь большое число их находится даже в сравнительно малом объеме, служит пример, приведенный английским физиком Томсоном. Если взять стакан воды и все молекулы воды, находящейся в этом стакане, определенным образом пометить, а затем вылить воду в море и основательно размешать, то окажется, что в каком бы океане или море мы ни почерпнули стакан воды, в нем будет около ста помеченных нами молекул.

Все тела представляют собой скопления очень большого числа молекул или атомов. В газах эти частицы находятся в хаотическом движении, имеющем тем большую интенсивность, чем выше температура газа. В жидкостях силы сцепления между отдельными молекулами значительно больше, чем в газах. Поэтому хотя молекулы жидкости также находятся в движении, но оторваться друг от друга уже не могут. Твердые тела построены из атомов. Силы притяжения между атомами твердого тела значительно больше не только по сравнению с силами притяжения между молекулами газов, не по сравнению с молекулами жидкости. Вследствие этого атомы твердого тела совершают только колебательные движения вокруг более или менее неизменных положений равновесия. Чем выше температура тела, тем значительнее кинетическая энергия атомов и молекул. Собственно говоря, именно кинетическая энергия атомов и молекул и определяет температуру.

Что касается предположения о том, что атом неделим, что он является якобы наименьшей частицей материи, то это предположение в дальнейшем было отвергнуто. Ученые-физики имеют теперь единую точку зрения, заключающуюся в том, что атом не является неделимым, что он состоит из еще более малых частиц материи. Более того, эта точка зрения физиков подтверждена в настоящее время с помощью опытов. Итак, атом в свою очередь является сложной частицей, состоящей из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны образуют ядро атома, окруженное электронной оболочкой. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Наименьшее из всех существующих атомных ядер — ядро атома водорода, состоящее всего лишь из одного протона — обладает массой, которая больше массы электрона в 1 850 раз. Массы протона и нейтрона примерно равны между собой. Таким образом, масса атома определяется массой его ядра, или, иначе говоря, числом протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный электрический заряд, электроны — отрицательный, а нейтроны вовсе не имеют электрического заряда. Заряд ядра, следовательно, всегда является положительным и равен числу протонов. Эта величина называется порядковым номером элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Обычно число электронов, составляющих оболочку, равно числу протонов, а так как заряд электронов отрицателен, то атом в целом электрически нейтрален.

Несмотря на то, что объем атома весьма мал, ядро и окружающие его электроны занимают лишь незначительную долю этого объема. Можно представить себе поэтому, какой колоссальной плотностью обладают ядра атомов. Если бы можно было так разместить ядра водорода, чтобы они плотно заполнили объем всего лишь 1 кубического сантиметра, то вес их составил бы примерно 100 миллионов тонн.

Изложив кратко некоторые положения о строении материи и напомнив ещё раз, что химическая энергия представляет собой энергию, накопленную внутри молекул, можно, наконец, перейти к изложению двух, обещанных ранее, важных соображений, полнее раскрывающих существо химической энергии.

Выше мы сказали, что тепловая энергия тела складывается из энергии поступательного и вращательного движений молекул и энергии притяжения или отталкивания между ними. Это определение тепловой энергии является не совсем точным или, лучше сказать, не совсем полным. В случае, когда молекула вещества (жидкости или газа) состоит из двух или большего числа атомов, то в тепловую энергию надлежит включить также энергию колебательного движения атомов внутри молекулы. К этому выводу пришли на основании следующих соображений. Опыт показывает, что теплоемкость почти всех веществ возрастает с увеличением температуры. Иначе говоря, количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 килограмма вещества на 1 °С, делается, как правило, тем больше, чем больше температура этого вещества. Этому правилу следует и большинство газов. Чем это объясняется? Современная физика отвечает на этот вопрос так: основной причиной, вызывающей увеличение теплоемкости газа с ростом температуры, является быстрое увеличение колебательной энергии атомов, из которых состоит молекула газа, по мере увеличения температуры. Такое объяснение подтверждается тем, что теплоемкость тем больше увеличивается с ростом температуры, чем из большего числа атомов состоит молекула газа. Теплоемкость же одноатомных газов, т. е. газов, мельчайшими частицами которых являются атомы вообще почти не изменяется при увеличении температуры.

Но если энергия колебательного движения атомов внутри молекулы изменяется, да еще весьма существенно, при нагревании газа, происходящем без изменения химического состава этого газа, то, видимо, эту энергию нельзя рассматривать как энергию химическую. А как же быть тогда с приведенным выше определением химической энергии, согласно которому она является энергией, накопленной внутри молекулы?

Этот вопрос вполне уместен. В приведенное выше определение химической энергии надо внести первое уточнение: к химической энергии относится не вся энергия, аккумулированная внутри молекулы, а лишь та часть ее, которая может быть изменена только путем химических превращений.

Второе соображение, касающееся существа химической энергии, состоит в следующем. Не вся энергия, аккумулированная внутри молекулы, может быть освобождена в результате химической реакции. Часть энергии, и притом очень большая, никак не изменяется в итоге химического процесса. Это энергия, заключенная внутри атома, или, точнее сказать, внутри ядра атома. Ее именуют атомной или ядерной энергией. Собственно говоря, в этом нет ничего удивительного. Пожалуй, даже на основе всего сказанного выше это обстоятельство можно было предугадать. Действительно, ведь с помощью любой химической реакции невозможно превратить один элемент в другой, атомы одного сорта в атомы другого сорта. Такую задачу в прошлом ставили перед собой алхимики, стремившиеся во что бы то ни стало превратить в золото другие металлы, например ртуть. Успеха в этом деле алхимикам добиться не удалось. Но если с помощью химической реакции не удалось превратить один элемент в другой, атомы одного сорта в атомы другого сорта, то это значит, что сами атомы, а точнее сказать их основные части — ядра — остаются при химической реакции неизменными. Поэтому и не удается освободить ту очень большую энергию, которая аккумулирована в ядрах атомов. А энергия эта действительно очень велика. В настоящее время ученые-физики научились освобождать ядерную энергию атомов урана и некоторых других элементов. Это значит, что появилась возможность превращать один элемент в другой. При разделении атомов урана, взятого в количестве всего 1 грамма, выделяется около 10 миллионов калорий тепла. Чтобы получить такое количество тепла, потребовалось бы сжечь примерно полторы тонны хорошего каменного угля. Можно представить себе, какие большие возможности таит в себе использование ядерной (атомной) энергии.

Поскольку превращение атомов одного вида в атомы другого вида и связанное с таким превращением освобождение ядерной энергии не входит уже в задачу химии, постольку ядерную энергию не включают в состав химической энергии вещества.

Итак, химическая энергия растений, представляющая собой как бы законсервированную солнечную энергию, может быть освобождена и использована по нашему усмотрению. Для того чтобы освободить химическую энергию вещества, превратив ее хотя бы частично в другие виды энергии, надо организовать такой химический процесс, в результате которого были бы получены такие вещества, химическая энергия которых была бы меньше химической энергии первоначально взятых веществ. В этом случае часть химической энергии может быть превращена в теплоту, а эта последняя использована на тепловой электрической станции с конечной целью получения электрической энергии.

Применительно к дровам — растительному топливу — таким подходящим химическим процессом является процесс горения. Читатель, безусловно, знаком с ним. Поэтому мы напомним лишь кратко, что горением или окислением какого-либо вещества называется химический процесс соединения этого вещества с кислородом. В результате соединения горящего вещества с кислородом освобождается значительное количество химической энергии — выделяется теплота. Теплота выделяется не только при горении дров, но и при любом другом процессе горения или окисления. Хорошо известно, например, как много тепла выделяется при горении соломы или каменного угля. В нашем организме тоже происходит медленный процесс окисления и поэтому температура внутри организма несколько выше температуры обычно окружающей нас среды. Ржавление железа тоже процесс окисления. Тепло выделяется и здесь, но только этот процесс протекает настолько медленно, что практически нагревания мы не замечаем.

В настоящее время в промышленности дрова почти не используются. Слишком большое значение для жизни людей имеют леса, чтобы можно было сжигать дрова в топках паровых котлов фабрик, заводов и электрических станций. Да и не надолго хватило бы всех лесных богатств на земле, если бы вздумали использовать их для этой цели. В нашей стране проводится совершенно иная работа: производятся массовые посадки лесозащитных полос и лесных массивов для улучшения климатических условий местности.

Однако все сказанное выше об образовании растительных тканей за счет энергии солнечных лучей и об использовании химической энергии растительных тканей для получения теплоты имеет самое прямое отношение к тем топливам, которые широко используются в наше время в промышленности и, в частности, на тепловых электрических станциях. К таким топливам прежде всего относятся: торф, бурый уголь и каменный уголь. Все эти топлива являются продуктами разложения умерших растений в большинстве случаев без доступа воздуха или при малом доступе воздуха. Такие условия для отмирающих частей растений создаются в воде, под слоем водных осадков. Поэтому образование этих топлив происходило чаще всего в болотах, в часто затопляемых низменных местностях, в мелеющих или вовсе пересыхающих реках и озерах.

Из трех перечисленных выше топлив самым молодым по происхождению является торф. В нем встречается большое количество частей растений. Качество того или иного топлива во многом характеризуется его теплотворной способностью. Теплотворная способность, или теплота сгорания — это то количество теплоты, измеряемое в калориях, которое выделяется при сжигании 1 килограмма топлива. Если бы в нашем распоряжении был сухой торф, не содержащий влаги, то его теплотворная способность была бы несколько выше теплотворной способности дров: сухой торф имеет теплотворную способность около 5 500 калорий на 1 килограмм, а дрова — примерно 4 500. Торф, добываемый на разработках, содержит обычно довольно много влаги и поэтому имеет более низкую теплотворную способность. Использование торфа на электростанциях России началось в 1914 г., когда была построена электростанция, носящая имя выдающегося русского инженера Р. Э. Классона, основоположника нового способа добычи торфа, так называемого гидравлического способа. После Великой Октябрьской социалистической революции использование торфа на электростанциях получило широкое распространение. Российскими инженерами разработаны наиболее рациональные методы добычи и сжигания этого дешевого топлива, залежи которого на территории России очень значительны, так как и производство воздуховодов.

Более старым по сравнению с торфом продуктом разложения растительных тканей является так называемый бурый уголь. Однако и в буром угле еще имеются растительные клетки и части растений. Сухой бурый уголь с малым содержанием негорючих примесей — золы — имеет теплотворную способность свыше 6 000 калорий на 1 килограмм, т. е. еще более высокую, чем дрова и сухой торф. В действительности бурый уголь представляет собой топливо с гораздо меньшей теплотой сгорания вследствие значительной влажности, а часто и большой зольности. В настоящее время бурый уголь является одним из наиболее часто применяемых топлив на электрических станциях России. Залежи его в нашей стране весьма велики.

Торф, бурый уголь и каменный уголь представляют собой продукты разложения растений и отличаются друг от друга различным «возрастом». Наиболее старым из них является каменный уголь — топливо значительно более ценное по сравнению с торфом и бурым углем. В каменном угле растительные клетки можно обнаружить только с помощью микроскопа, процессы разложения растительных тканей здесь уже можно считать законченными. Влажность каменного угля обычно невелика и поэтому, а также вследствие большего содержания в его составе углерода, теплотворная способность каменного угля выше, чем торфа и бурого угля. Каменный уголь — топливо, используемое также весьма широко на электростанциях России.

Что касается таких ценных топлив, как нефть и природный газ, то они почти не применяются на электростанциях России. Как уже было сказано, в нашей стране использование запасов топлива производится с учетом интересов всех отраслей промышленности, планово и экономно. В отличие от западных стран, в России на электростанциях сжигаются в основном низкосортные топлива, мало пригодные для других целей. При этом электростанции, как правило, сооружаются в районах добычи топлива, что исключает дальние его перевозки. Советским инженерам-энергетикам пришлось немало потрудиться над сооружением таких устройств для сжигания топлива — топок, которые позволили бы использовать низкосортное, влажное топливо.

Читайте также:

Updated: 04.09.2014 — 22:42
Энергетика. ТЭС и АЭС © 2012 Использование материалов с сайта разрешается при наличии на него активной ссылки без тегов nofollow и noindex.
Adblock detector