Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Что такое тепло

Холод и тепло - повседневно встречающиеся понятия. Каждому известно, например, что тепло выделяется, когда сгорает уголь или электрический ток проходит через нагреватель утюга. В то же время тепло обладает совершенно особыми свойствами и играет исключительно важную "роль в неживой и живой природе. Поэтому это явление стоит рассмотреть подробнее.

Что же, собственно, представляет собой тепло? Многие столетия этот вопрос занимал ученых. В течение долгого времени тепло рассматривали как некую невесомую жидкость (тепловой флюид), которая течет от более нагретого тела к менее нагретому.

Тепло как форма энергии

Только в конце XVIII века обратили внимание на то, что механическая работа может превращаться в тепло. Например, при рассверлении стволов пушек выделяется тепло. В середине XIX века на основании различных наблюдений было установлено, что тепло есть одна из форм энергии, а не какая-то особая жидкость; следовательно, закон сохранения и превращения энергии справедлив и для тепла: другие виды энергии могут превращаться в тепло и наоборот; тепло не может ни возникнуть из ничего, ни исчезнуть бесследно.

Итак, тепло есть один их видов энергии. Удивительно, что тепло повсюду возникает как бы само по себе, без постороннего вмешательства, а это в ряде случаев весьма нежелательно. Когда камень падает с высоты на землю, часть его кинетической энергии переходит в тепло; если мы движемся пешком, то кинетическая энергия вследствие трения частично переходит в тепло. В лампах накаливания, предназначенных для освещения, значительное количество электрической энергии также бесполезно превращается в тепло и т.д. Словом, совершенно очевидно, что каждый вид энергии относительно легко может быть превращен в тепло. Это процесс идет сам по себе.

Однако обратный процесс - самопроизвольное превращение тепла в какую-либо другую форму энергии - не происходит. Превращение тепла в полезную для нас работу требует применения весьма сложных машин, которые сами должны получать энергию от какого-либо другого источника. Таким образом, тепло с полным правом можно считать одним из видов энергии, способных к различным превращениям. Но вместе с тем оно обладает и некоторыми отличительными свойствами.

Прежде чем ответить на вопрос, почему тепло так легко образуется, но с большим трудом превращается в другие формы энергии, необходимо выяснить, что же представляет собой тепло.

Тепло и термическая энергия

При соприкосновении тел с различной температурой холодное тело нагревается, а нагретое охлаждается. Происходит тепловой обмен. Но что же кроется за утверждением "одно тело теплее, чем другое"? "Тепло и "холод" характеризуются температурой и обусловлены хаотическим движением атомов или молекул. Известно, что атомы и молекулы беспрерывно движутся и это движение не прекращается даже при самой низкой температуре -. абсолютном нуле. Чем больше средняя кинетическая энергия движения, тем выше температура; поэтому такое движение называется тепловым движением, а соответствующая ему энергия - термической энергией (энергией теплового движения). Наиболее просто показать характер этого движения на примере одноатомно'го газа, скажем неона.

Расчет показывает, что при температуре ОС и давлении в 1 атм. каждый атом неона в течение 1 с сталкивается с другими 4,2хЮ1Ораз. Средней расстояние, которое атом неона проходит по прямой между двумя столкновениями, составляет 1,Зх10-5см, его называют средней длиной пробега. С уменьшением давления средняя длина пробега увеличивается и при давлении 0,001мм.рт.ст. достигает ~ 10 см.

Кинетическая теория газов

Еще в середине XIX столетия Максвелл и Болыдман, анализируя

свойства газов и характер движения мблекул газа, пришли к  выводу, что хотя эти молекулы имеют самые различные  скорости, соотношение между числом молекул и их скоростями не произвольно. Частые столкновения приводят к тому, что устанавливается некоторое вероятное равновесное состояние, при котором молекулы газа  с различными  скоростями определенным числовым  соотношением. Это соотношение надо понимать статистически, так как в результате столкновений скорость каждой молекулы практически непрерывно изменяется. Можно тем не менее вычислить, какой процент всех молекул будет иметь скорость, например 100, 101, 102 м/с и т.д. Мы приходим к так называемому распределению скоростей по Максвеллу-Больцману, которое позволяет установить, какой процент молекул в среднем движется с теми или иными скоростями, На 5' представлено в качестве примера распределение скоростей молекул в кислороде. На оси абсцисс отложены средние скорости движения молекул. Кривая показывает, какое количество (в %) молекул движется с той или иной скоростью, видно, что для данной температуры имеется наиболее вероятная скорость (она соответствует максимуму на кривой): при 0°С 2,2% всех молекул имеют скорость приблизительно 380 м/с. Чем больше скорость молекул отличается от наиболее вероятной, тем меньшее число молекул движется с такой скоростью; так число молекул, имеющих скорость 1000 м/с, весьма мало. При другой температуре кривая распределения скоростей приобретает иной вид, Например, при 300°С для кислорода наиболее вероятная скорость, с которой движется наибольший процент всех молекул, равна 500 м/с. Однако только 1,6% всех молекул имеют скорость, близкую к этой. Итак, с ростом температуры максимум на кривой распределения сдвигается в сторону более высоких скоростей, уменьшаясь при этом по величине. Растет число частиц с большими скоростями. Этот факт очень важен для объяснения увеличения скорости химических реакций с ростом температуры.