Энергия, энтропия, энергетика, законы Пригожина

ВВЕДЕНИЕ

     Энергия – основа жизни человечества, и  без глобальных открытий в области  энергетики человечеству сложно развиваться. В России из-за огромных запасов традиционных источников энергии в настоящее время этой теме не уделяется должного внимания. С другой стороны, научно-технические традиции России, колоссальный опыт, приобретенный в рамках программ освоения космоса, опыт освоения децентрализованных систем энергообеспечения говорят о высоком потенциале нашего общества, который должен быть реализован в ближайшем будущем.

     Энергетика  является базисом современной экономики. Ясно также, что энергия является одним из важнейших, необходимых ресурсов для человечества, причем, принципы  развития и функционирования современной энергетики были разработаны в середине ХХ века, когда основной задачей ставилось увеличение производства энергии с использованием ископаемого топлива. Эти устаревшие принципы сегодня являются главной причиной существования политических, экономических и организационных барьеров на пути использования новых энергетических технологий. Конец эры дешевой энергии на основе ископаемого топлива близок и следует изменить принципы и направления развития мировой энергетики, чтобы обеспечить устойчивое развитие в будущем.

     Становится  все более очевидным возрастающее значение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для обеспечения человечества необходимыми энергетическими ресурсами.

     Актуальность  данной темы состоит в том, что  проблемы экономического развития человечества непосредственно связаны с технологиями освоения энергии, пониманием физической концепции «энергия», законом сохранения энергии, освоением ископаемых запасов топлива, атомной энергии, и, наконец, на новом этапе – развитием освоения возобновляемых источников энергии.

     Основные  методы, использованные в курсовой работе – метод анализа и синтеза, а также метод индукции и дедукции.

     Цель  данной курсовой работы: выявить значение энергии, энтропии и энергетики, а также рассмотреть идеи И. Пригожина и определить их значение для современной науки.

     Объектами исследования являются энергия, энтропия и энергетика.

     Предмет исследования – виды энергетики, формы энергии, энтропия в термодинамике и термодинамике неравновесных процессов, исследования И. Пригожина.

     Задачи  курсовой работы:

1. Определить понятие, виды, традиционные и альтернативные источники энергии;
2. Рассмотреть сущность, значение, формы энтропии, а также основные этапы учения о развитии энтропии;
3. Исследовать историю развития и понятие энергетики;
4. Проанализировать вклад И. Пригожина в исследовании равновесия в живой природе.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

     1.1 Энергия. Сущность понятия энергии и его основоположники

     Термин  «энергия» был введен в 1807 году английским ученым Т. Юнгом [1]. В переводе с греческого это слово означает «действие, деятельность». Чуть позже его соотечественник Д.Джоуль установил эквивалентность тепла и работы, измерив механическую работу, которую необходимо затратить, чтобы поднять температуру данного количества воды на один градус. Также Джоуль обнаружил, что связи между выделением или поглощением тепла, в электрических и магнитных явлениях, в химических реакциях, а также между биологическими объектами носят характер превращения энергии. Он же определил общий эквивалент для физико-химических превращений, что позволило измерить сохраняющуюся величину. В результате эта величина стала известна как «энергия». А немецкий ученый Г.Гельмгольц сформулировал закон сохранения энергии. Энергия первоначально была в физике абстрактной идеей и стала популярной благодаря закону сохранения энергии, согласно которому она не возникает из ничего и не уничтожается. Это понятие сильно упрощает описание широкого круга физических процессов и охватывает огромное количество экспериментальных фактов, и не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать эти факты каждый в отдельности. Но при этом возникает трудность однозначного формулирования понятия «энергия». Максимально обобщенное понятие не имеет, как правило, прямого практического применения, а определения, данные в рамках отдельных прикладных наук, имеют очень узкую область применения. Так наиболее общее определение понятия «энергия», используемое в философии: «Энергия - количественная мера движения материи» непосредственного применения на практике не находит. Это вершина иерархии понятий «энергия». На низлежащем уровне иерархии, пожалуй единственное физическое определение понятия «энергия», в котором отсутствует тавтология, это определение Р.Феймана: «Энергия это физическая величина, остающаяся неизменной при любых взаимодействиях в замкнутой системе».

     Современная наука немыслима без этого  понятия. Оно присутствует во всех разделах физики. Вследствие существования закона сохранения энергии понятие энергии связывает воедино все явления природы. Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает. Она только может переходить из одной формы в другую.

     1.2 Виды энергии

     Энергия в физике встречается в нескольких видах:

1. Кинетическая энергия – энергия механической системы, зависящая от скоростей движения составляющих ее частей;
2. Потенциальная энергия – часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения ее частиц и от их положения во внешнем силовом поле;
3. Электромагнитная энергия – термин, под которым подразумевается энергия, заключенная в электромагнитном поле;
4. Ядерная (атомная) энергия – внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при ядерных превращениях;
5. Тепловая энергия – форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц, из которых состоит тело.

1.3 Источники энергии

1.3.1 Традиционные источники  энергии

     К традиционным источникам энергии относятся нефть, газ и уголь [2]. К их преимуществам по сравнению с нетрадиционными источниками энергии можно отнести налаженную технологию добычи и сбыта, а к недостаткам – загрязнение окружающей среды, сложность извлечения и ограниченность запасов.

     В настоящее время нефть является основным энергоресурсом в мировой  энергетической системе, ее доля в суммарном  энергопотреблении составляет около 39%, а в некоторых странах этот показатель превышает 60%. Нефть и  нефтепродукты традиционно используются как сырье для производства электро- и теплоэнергии, в качестве моторного  топлива, а также как полуфабрикат для химической промышленности.

     Мировые доказанные запасы нефти составляют около 140 млрд. тонн. Основные ресурсы  сосредоточены на Ближнем и Среднем  Востоке (64%). Второе место по объему разведанных запасов занимает Америка (15%), за ней следуют Центральная  и Восточная Европа (8%) и Африка (7%). Однако следует помнить, что приведенные  данные включают только доказанные запасы нефти, т.е. не содержат прогнозные и  перспективные запасы. Кроме того, с развитием технологий нефтеразведки  и нефтедобычи величина запасов  постоянно корректируется в сторону  увеличения.

     Доля  газа в мировом энергопотреблении  составляет на данный момент около 23%. Газ используется в топливно-энергетической, металлургической, химической, пищевой  и целлюлозной промышленности. При  этом природный газ является более  экологически чистым видом топлива, чем нефть или уголь. Для получения  одинакового количества энергии  объем образующейся двуокиси углерода при сжигании газа на 50% меньше, чем  при сжигании угля, и на 30% меньше, чем при сжигании мазута.

     На  начало 2001 года мировые доказанные запасы природного газа составляли около 164 трлн. куб. м. Основные месторождения сосредоточены в двух регионах – в России (34,6%) и на Среднем Востоке (35,7%).

     По  оценкам экспертов, доля угля в структуре  мирового топливно-энергетического  баланса на 1 января 2001 года составляла около 24%. Основными отраслями, потребляющими  уголь, являются металлургия и электроэнергетика. При этом на долю «энергетических углей» приходится около 75% от общего объема добываемых запасов, на долю «металлургических» – 25%. Несмотря на значительные объемы разведанных запасов, уголь значительно уступает природному газу и нефти по затратным и экологическим показателям его использования, в результате чего спрос на этот вид сырья неуклонно падает.

     В настоящее время доказанные мировые  запасы угля составляют около 600 млрд. тонн. Большая часть угольных запасов  сосредоточена в Северной Америке (24,2%), Азиатско-Тихоокеанском регионе (30,9%) и странах СНГ (30,6%).

     На  долю атомной энергии приходится около 7% от общемирового производства энергии, причем в некоторых странах, например во Франции, почти вся энергия  вырабатывается на АЭС. Довольно долгое время считалось, что уран сможет со временем заменить органическое топливо, т. к. себестоимость атомной энергии  значительно ниже, чем энергии, полученной при сжигании нефти, газа или угля. Однако после серии аварий на АЭС, самые крупные из которых случились  в мае 1979 года в Три-Майл-Айленде (США) и в апреле 1986 года в Чернобыле (СССР), во всем мире начались движения «зеленых» против строительства атомных электростанций. В настоящее время экологи имеют очень сильное влияние в некоторых промышленно развитых странах и не дадут развиваться этой отрасли энергетики.

     Гидроэнергетика дает около 7% энергии, используемой во всем мире. В некоторых странах, например в Норвегии, почти вся электроэнергия вырабатывается на гидроэлектростанциях. Вода является одним из самых экологически чистых и дешевых энергоресурсов [2].

     1.3.2 Альтернативные источники энергии

     Производство  энергии, являющееся необходимым средством  для существования и развития человечества, оказывает воздействие  на природу и окружающую человека среду. С одной стороны, в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше свое внимание заостряет на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимости решения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытие нужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений, поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла и электроэнергии и т.д.

     Выделяют  несколько основных альтернативных источников энергии [3].

     1.3.2.1 Энергия Солнца

     Ведущим экологически чистым источником энергии  является Солнце. В настоящее время  используется лишь ничтожная часть  солнечной энергии из-за того, что  существующие солнечные батареи  имеют сравнительно низкий коэффициент  полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует  сразу отказывать от практически  неистощимого источника чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика  могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии  на тысячи лет вперед. Возможно, также  повысить КПД гелиоустановок в несколько  раз, а разместив их на крышах домов  и рядом с ними, мы обеспечим  обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в  умеренных широтах, не говоря уже  о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри  и пустыни, сплошь уставленные мощными  гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией  гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности.

     Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики  был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем. На протяжении миллиардов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. Около трети энергии солнечного излучения, попадающего на Землю, отражается ею и рассеивается в межпланетном пространстве. Много солнечной энергии  идёт на нагревание земной атмосферы, океанов и суши. В настоящее  время в народном хозяйстве достаточно часто используется солнечная энергия - гелиотехнические установки (различные типы солнечных теплиц, парников, опреснителей, водонагревателей, сушилок). Солнечные лучи, собранные в фокусе вогнутого зеркала, плавят самые тугоплавкие металлы. Ведутся работы по созданию солнечных электростанций, по использованию солнечной энергии для отопления домов и т.д. Практическое применение находят солнечные полупроводниковые батареи, позволяющие непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую.