Тема 1. Основы геофизики. Сухие скальные породы и водяные
advertisement
Тема 1. Основы геофизики. Сухие скальные породы и водяные пласты (1 час) Геофизика — наука, изучающая физ. явления и процессы, которые протекают в оболочках Земли и в ее ядре. Учитывая специфические особенности геосфер в отношении их структуры, состава, физ. свойств и развития, в Г. выделяют физику атмосферы, физику моря и физику твердой Земли. Геофизика геол. назначения (разведочная геофизика) имеет своим основным объектом самую верхнюю часть твердой Земли и смыкается с геол. дисциплинами в изучении земной коры, поисках и разведке полезных ископаемых, решении задач инженерной геологии и гидрогеологии. Физ. процессы, охватывающие наиболее высокие слои атмосферы, тесно связаны с солнечной активностью, космическим излучением и магнитным полем Земли. Магнитное поле удерживает потоки заряженных частиц, которые попадают из космического пространства и концентрируются в радиационных поясах. Предполагается, что в моменты перестройки и ослабления магнитного поля его защитная роль уменьшается и возможны катастрофические изменения в биосфере, подобные тем, которые установлены палеонтологией. Режим нижних слоев атмосферы существенно взаимосвязан с особенностями физ. процессов в гидросфере и на поверхности твердой оболочки. Циркуляция вещества и тепла в воздушной и водяной оболочках вызывает экзогенные геол. процессы. Воздействие подвижных внешних оболочек Земли на ход ее эндогенных процессов (сейсмический режим и т. п.) вполне реально, однако формы и масштабы такого воздействия не определены. Медленные процессы, вроде нарастания и таяния ледниковых покровов, сопровождаются компенсационными изостатическими перемещениями вещества в недрах планеты. Перераспределение площадей, занятых сушей и морем, сопряжено с изменением толщины и состава земной коры. Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Обычно относится к альтернативным источникам энергетические ресурсы. энергии, использующим возобновляемые Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех этих целей. Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции. Если в данном регионе имеются источники подземных термальных вод, то целесообразно их использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Например, по имеющимся данным, в Западной Сибири имеется подземное море площадью 3 млн м2 с температурой воды 70—90 °С. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России, также в Казахстане. Главная из проблем, которая возникает при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения. В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температур кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного буренияскважин. Более чеем такие паротерм мы распр остранен ны сухие высокотеемператур рные порроды, энергия которых доступн на при поомощи заакачки и последую ующего отбора о из них перегреттой воды ы. Высок кие гори изонты пород п с темпераатурой менее м 1000 °C распросттранены и на мно ожестве ггеологичеески мало оактивны ых территторий, потому наиболеее перспекктивным считаетсся исполььзование геотерм в качесттве источ чника тепла. Крритерием теплово ого состоояния зеемного шара ш явлляется по оверхносттный градиентт темпераатуры, поззволяющи ий судитьь о потерях тепла Земли. Экстрапол Э лируя градиентт на болььшие глуб бины, моожно в каакой-то степени ооценить температу т урное состояни ие земной й коры. Величинаа, соотвеетствующ щая углубблению в метрах, при котором температтура повы ышается н на 1° С, наазываетсяя геотерм мической ступенью с ю. В ссвязи с изменение и ем интенссивности солнечного излуччения теп пловой реежим первых 11,5-40 м земной з ко оры харакктеризуеттся суточн ными и гоодовыми колебани иями. Далее им меют место многголетние и вековы ые колеб бания тем мпературы ы, которые с глубиной й постепеенно зату ухают. Наа любой глубине температтура горн ных пород д (T) приближ женно мож жет быть определеена по фор рмуле гдее tв– сред дняя темпеература ввоздуха даанной месстности; H – глуби ина, для котторой опрределяетсся темпер атура; h – глубинаа слоя посстоянных годовых тем мператур; σ – геотеермическкая ступен нь. Срредняя величина геотермич г ческой сттупени раавна 33 м м, и с угл лублениеем от зоны посстоянной температтуры на кааждые 33 3 м темпер ратура поовышается на 1 °С. В земной коре существуует подввижный и чреззвычайно теплоем мкий энергонооситель – вода, игр рающая в ажную ро оль в тепл ловом баллансе верхних геоссфер. Вода нассыщает вссе породы ы осадочн ного чехл ла. Она со одержится ся в пород дах грани итной и осадоччной обоолочек, а вероятн но, и в верхних частях м мантии. Жидкая вода существуует толькко до глу убин 10-1 5 км, ниже при температу т уре около о 700 °С вода находитсся исклю ючительно о в газоообразном состояни ии. На гглубине 50-60 5 км при давлениях около 3·104 атм исчезает граница фазовости, т.е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода. В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород, содержащие термальные воды (гидротермы). В связи с этим в земной коре следует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальной оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару только на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не только горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с температурой 180-200 °С и выше. Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обусловливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температурой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитермальные (5090 °C), мезотермальные (100-200 °C) и гипотермальные(больше 200 °С). Жидкая фаза воды и тепло могут происходить из одного источника лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический расплав. Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе с газами и легколетучими компонентами, устремляясь в верхние, более холодные горизонты. Уже при температурах 425-375 °С пар может конденсироваться в жидкую воду; в ней растворяется большинство летучих компонентов – так появляется гидротермальный раствор «ювенильного» (первозданного) типа. Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом смысле слова являются первичными, новообразованными. Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда только зарождались твердые консолидированные «острова» материковых платформ. Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды инфильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее движение инфильтрационных вод – от поверхности вглубь. Источник вод этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхностные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы, нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород. В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они становятся более или менее нагретыми. При средних геотермических условиях для того, чтобы инфильтрационные воды стали термальными (т.е. с температурой более 37 °С), необходимо их погружение на глубину 800-1000 м. Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность в виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более низких относительно области питания участках. Причем, чтобы вода оставалась термальной, подъем ее к поверхности должен происходить очень быстро, например, по широким трещинам разломов. При медленном подъеме гидротермы остывают, отдавая аккумулированное тепло вмещающим породам. Однако если пробурить скважину на глубину 3-4 тыс. м и обеспечить быстрый подъем воды, можно получить термальный раствор с температурой до 100 °С. Все это касается областей со средними геотермическими показателями и не относится к вулканическим районам или зонам недавнего горнообразования. Вулканический тип термальных вод следует выделить особо. Как уже говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком считать «ювенильными», т. е. магматическими. Опыт исследований показывает, что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностное инфильтрационное происхождение. Помимо гейзеров вулканический тип гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые фумаролы. В геотермальной энергетике могут быть использованы практически все виды термальных вод: перегретые воды – при добыче электроэнергии, пресные термальные воды – в коммунальном теплообеспечении, солоноватые воды – в бальнеологических целях, рассолы – как промышленное сырье. Классификация геотермальных вод. По температуре Слаботермальные до 40°C Термальные 40-60°C Высокотермальные 60-100°C По минерализации остаток) ультрапресные до 0,1 г/л 0,1-1,0 пресные г/л более Перегретые 100°C слабосолоноватые сильносолоноватые г/л 3,0-10,0 г/л 10,0-35,0 соленые г/л более рассольные По общей жесткости 1,0-3,0 35,0 г/л По кислотности, рН очень мягкие до 1,2 мг-экв/л сильнокислые до 3,5 мягкие 1,2-2,8 мг-экв/л кислые 3,5-5,5 средние 2,8-5,7 мг-экв/л слабокислые 5,5-6,8 жесткие 5,7-11,7 мг-экв/л нейтральные 6,8-7,2 более 11,7 мг- слабощелочные 7,2-8,5 очень жесткие экв/л щелочные По газовому составу сероводородные сероводородноуглекислые более 8,5 По газонасыщенности слабая до 100 мг/л средняя 100-1000 мг/л (сухой углекислые азотно- высокая более 1000 мг/л углекислые метановые азотно-метановые азотные Оценка систем геотермального теплоснабжения. Рассматривая тепловую энергию недр как полезное ископаемое, необходимо определить его количественную, качественную, экономическую и социальную значимость. В СПГГИ были разработаны основные концепции и создана первая методика геолого-экономической оценки ГР. Исследовалась плотность прогнозных ресурсов геотермального теплоснабжения более чем в 3000 пунктах России. Общий тепловой потенциал ресурсов ГЭ России эквивалентен 1702 трлн. т у.т. Технически доступные ресурсы ГЭ для нужд теплоснабжения составили 70/20 °С 56,9 трлн. т у.т., в том числе для нужд отопления - 30,5 трлн. т у.т. Энергетический потенциал технически доступного, экономически целесообразного и экологически чистого альтернативного источника энергии для России составляет 44,6 трлн. т для нужд теплоснабжения (70/20 °С, в том числе для отопления - 16,4 трлн. т у.т.). Таблица 1.1. Геотермальные ресурсы территории России. Каак видноо из характерризуется тааблицы наличи ием 1, знач чительнаяя низзко- и часть ории террито среднеттемператуурных Рооссии естествен нных коллектооров. ГР Северо-за С апада Росссии не так т уж вел лик, но оон сущесттвует и может м быть исп пользован н в локалььных масш штабах. Длля освоен ния низко о- и средднетемпеературных х естестввенных коллектор к ров в мире ссоздана промыш шленная циркул ляционнаая техннология. Основн ными применен препятсттвиями широкого ш ния этой технологгии можнно считатть: 1) выссокие требован ния к геоллого-геоттермическким харакктеристик кам естесственного о коллектора глубине,, темпераатуре, мощ щности и проницааемости, определяю о ющим эк кономичесскую целесооб бразностьь температтуры геотер рмальногоо поород про одуктивны ых теплосснабжени ия; 2) ссравнител льно гори изонтов, вызываю ющие ни изкие необходим мость использоования тееплонасоссных устаановок; 3) 3 зональность расспростран нения ГР Р под такую теехнологию ю. В качестве примеера геоллого-экон номическо ой оценнки ГР рассмоттрена геологичческая фоормация Московсской син неклизы (таблицаа 2). Она охваты ывает Владими ирскую, Вологод дскую, Ивановсккую, Ко остромсккую, Ни ижегородсскую Новгород дскую, Тверскую ю Я Ярославсскую об бласти. ее прогнози ируются два и основных о термовводоносн ных На горризонта. территтории Верхний й - среднедеевонский с глуб биной заалегания от 800 0 до 17700 м и нижни ий среднекеембрийский на глу убине 9000-2300 м. Таб блица 1.2. Персспективны ые гидрогеотермальные ресурсы Московвской синеклиззы 1.11. Парамеетры сост тояния веещества. Паараметры — это о свойсства вещ ществ, которые идентиф фицируютт их термодин намическкое состояяние в опрределенное время.. Террмодинам мическое состояни ие — это состояни ие вещесттва с точки зренияя его давленияя, темпеературы, внутрен нней энеергии, пл лотностии, удельн ного объ ъема, энтальпи ии и эн нтропии. Любыее два параметра п а вещесттва опр ределяют его термодин намическкое состо ояние. С Существуеет две категории к и термод динамичееских параметрров: интенсивные и экстенссивные. Интенсив И вный парааметр — это свойство, которое не зависи ит от коли ичества и или размеера систем мы. Темппература и давлени ие — интенсиввные парраметры веществ в и систем м. Экстен нсивные ппараметр ры зависяят от количесттва или размера р вещества в или систтемы. Маасса и оббъем — экстенсивные параметрры. Раззличают экстенсив э вные парааметры состояния (обобщеенные коо ординаты, или факторы ы емкости и), пропорциональьные массе систем мы, и иннтенсивны ые парам метры состояни ия (обобщ щенные силы, с фаакторы ин нтенсивно ости), нее зависящ щие от массы м системы. Экстен нсивные параметтры состтояния – темперратура T, T давлен ниеp, концентррации коомпоненто ов, их ххим. потеенциалы m1, m2....., mk, наапряженн ности электричч. Гельмггольца, энергия э Гиббса. намагниченностьь и др. Интенсивные параметры состояния - температура T, давлениер, концентрации компонентов, их химические потенциалы m1, m2, ..., mk, напряженности электрического и магнитного полей и т. п. Значение экстенсивного параметра состояния для системы равно сумме его значений по всем элементам системы (подсистемам), т.е. экстенсивные параметры состояния обладают свойством аддитивности. Отнесение экстенсивного параметра состояния к единице массы или 1 молю вещества придает ему свойство интенсивного параметра состояния, называют удельной или молярной величиной соответственно. Интенсивные параметры состояния могут иметь одно и то же значение во всей системе или изменяться от точки к точке, эти величины не аддитивны, значение интенсивного параметра состояния не стремится к нулю при уменьшении размеров системы. Между параметрами состояния системы существуют функциональные связи, поэтому не все параметры состояния являются взаимно независимыми. Выбор независимых параметров состояния, определяющих состояние системы и значения всех остальных параметров состояния, неоднозначен. В физической химии в качестве независимых параметров состояния при отсутствии химических реакций в системе чаще всего выбирают интенсивные параметры состояния - концентрации компонентов (числа молей n1, n2, ... , nk, отнесенные к единице объема), температуру T и давление p (или T и уд.объем V). Связь между T, р, V, n1, п2, ... , nkустанавливается посредством уравнения состояния. которое позволяет переходить от одного набора параметров состояния к другому. Так, Клапейрона - Менделеева уравнение, связывающее T, r и V, описывает состояние идеального газа. 1.2. Законы термодинамики. Термодина́мика (греч.θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника. В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называю ются терм модинамич ческими системам ми. В тер рмодинам мике тепловые явлления описываю ются маккроскопич ческими ввеличинам ми — дав вление, теемпература, объём м, …, которые не примеенимы к отдельным о м молеку улам и ато омам. Эн нтальпиияя, термодин намическкий такж же теп пловая поттенциал, функци ия характеризующий и теплоссодержани ие — состтояние системы ы в термодин намическком равно овесии прри выбор ре в качеестве незаависимых х перемен нных давленияя, энтропи ии и числ ла частиц.. Прроще говворя, эн нтальпия для - это та энер ргия, кооторая доступна д преобраззования в теплоту при опредделенных х темпераатуре и даавлении. Еслли термом механичеескую сисстему рассматриваать как соостоящую ю из макроотела (газа) и п поршня с грузом весом в Р = p S, ураввновешив вающего ддавление газа р вн нутри сосуда, тто такая система наазываетсяя расширеенной. Эн нтальпия или энеергия рассширенно ой систем мыЕ равнна суммее внутреенней энергии газа U и потенциа п льной энеергии пор ршня с грузом Eпотт = pSx = pV p Такким обраазом, энттальпия в данном м состоян нии предсставляет собой суумму внутренн ней энерггии тела и работты, котор рую необходимо ззатратитьь, чтобы тело объёмом м V ввестти в окру ужающую ю среду, имеющую и ю давлениие р и нааходящую юся с телом в равновессном состтоянии. Э Энтальпияя системы ы H — анналогичн но внутреенней энергии и другим м термоди инамическким потен нциалам — имеетт вполне определеенное значениее для каж ждого состтояния, т.. е. являеттся функц цией состтояния. Сл ледователльно, в процесссе изменеения состтояния Изменение энтальпи ии (или Теепловой эффект э химическоой реакци ии) не заввисит от пути процессаа, опредееляясь тоолько нач чальным и конечнным состтоянием Если система каким-ли ибо путём м возвращ щается в исходное и состояниие (круго овой проц цесс), то измен нение люб бого её параметраа, являющ щегося функцией ссостоянияя, равно нулю, н отсюда , или же Все химичееские реак кции сопрровождаю ются выделением (экзотерм мические)) или поглощеением (эндотермич ческие) теепла. Мер рой тепло оты реакцции служ жит измен нение энтальпи ии ΔН, которая к соответстввует тепл лообмену у при посстоянном м давлени ии. В случае экзотерм мических реакций й систем ма теряет тепло и ΔН — вели ичина отрицатеельная. В случае эндотерм мических х реакций й систем ма поглощ щает теплло и ΔН — вееличина положител п льная. Эн нтальпия — величи ина аддиттивная (эккстенсивн ная), т. е. для слож жной систтемы равна суумме энттальпий её незаввисимых частей . Под добно другим термодин намическким потеенциалам м, энталььпия определяетсся с то очностью ю до ьные постоянн ного слаггаемого, которому к у в термодинамикее часто ппридают произвол п значенияя (наприм мер, при расчете р и построеении тепл ловых дииаграмм). При наличии немехани ических сил с велич чина энталльпии сисстемы рав вна гдее — об бобщённаая сила; — обоб бщённая координат к та. Эн нтропи́я (от ( др.-ггреч.ἐντροοπία «пово орот», «п превращеение») в естествен нных науках — мера бееспорядкаа системы ы, состоящ щей из мн ногих элеементов. В частноссти, в статисти ической физике — меераверояттности осуществ твления какого--либо макроскоопическогго состояяния; в теории информац и ции — меера неоп пределённ ности какого-ллибо опытта (испыттания), кооторый может м иметь разны ые исходы, а знач чит и количесттво инф формации;; в истторическо ой наукее, для альтернаативности и истори ии (инваариантности экспликаациифеноомена и вариативвности историчес и ского процессаа). Поонятие энттропии вп первые бы ыло введеено Клауззиусом в термодин намике в 1865 году дляя определления мер ры необрратимого рассеивания энерргии, меры ы отклон нения реальногго процессса от ид деальногоо. Определённая как суммаа приведёённых теп плот, она являяется функцией сосстояния и остаётсяя постоян нной при обратимы ых процессах, тогда какк в необраатимых — её измеенение всегда поло ожительноо. , гдее — приращен п ие энтроп пии; — миним мальная ттеплота, подведенн п ная к системе; T — абсоолютная температу т тура процеесса; 1.33. Законы — начала а термоддинамики Террмодинам мика оссновываеттся трёх на законах з — начал лах, которые сформуллированы на осно ове экспеериментал льных даанных и поэтому у могут быть приняты ы как посттулаты. 1-й й закон н— пер рвое наачало термодина т амики. Представвляет с собой формули ировку об бобщённо ого закон на сохран нения энергии длля термод динамичееских процессоов. Соглаасно перввому начаалу термо одинамик ки, термоддинамичееская сисстема может соовершатьь работу только т заа счёт сво оей внутр ренней эннергии ил ли каких--либо внешнихх источни иков энер ргии. В н наиболее простой п форме егго можно записатьь как , где г и естть полны ый диффер ренциал внутренн в ней энерги ии систем мы, а еесть элем ментарное количесттво тепло оты, перед данное сиистеме, и элементаарная работа, совершен нная систтемой сооответственно. Ну ужно учиитывать, что и нельзя сччитать ди ифференц циалами в обычно ом смыслее этого ппонятия, поскольку п у эти величины ы сущесттвенно зависят от типа про оцесса, в результат ате которо ого состоояние системы изменилоось. 2-й й закон — второее начало термоди инамики: Второй закон теермодинам мики исключаает возможность создания с вечного двигателяя второгоо рода. Второе В наачало термодин намики гласит, г чтто невозм можен сам мопроизвольный ппереход тепла т от тела, менее наагретого, к телу, бо олее нагрретому. Имеется И неесколько различны ых, но в то т же время экквиваленттных форм мулировоок этого заакона. 1 — Постуулат Клау узиуса. П Процесс, при котором нее происх ходит дрругих изменени ий, кром ме передаачи тепллоты от горячего тела к холодно ому, являяется необрати имым, то есть тепл лота не м может пер рейти от холодногго тела к горячемуу без каких-ли ибо други их изменеений в си истеме. Это Э явлени ие называают рассеиванием м или диссипац цией энерргии. Прриведем второе в наачало террмодинам мики в ак ксиоматиической формулир ф ровке Рудольф фа ЮллиусаКлау узиуса (1865): Для любойй квазиравновеесной термодин намическкой систем мы сущесствует одн нозначнаяя функциия термодинамичесского состояни ия , диффереенциал назы ываемая энтропией, такаая, что ее поллный . 2 — Постуллат Кельвина. Проц цесс, при котором работа пеереходитт в теплоту без каких-ли ибо други их изменен ний в сисстеме, явл ляется нео обратимы ым, то естть невозмоожно преврати ить в рабооту всю теплоту, т ввзятую отт источни ика с одноородной температу т урой, не провоодя другихх изменен ний в систтеме. 3-й закон — третье началоо термодинамики:: Теорем ма Нернста: Энтрропия любой ссистемы при абсо олютном нуле тем мпературы ы всегда может быть б при инята равной н нулю. Нуулевое нач чало терм модинами ики: Длля каждоой изол лированноой терм модинамической системы сущесттвует состояни ие термоодинамичееского рравновеси ия, котор рого она при фи иксирован нных внешнихх условияхх с течени ием врем мени самопроизвол льно достиигает. Изотермичееский пр роцесс (отт др.-грееч.ἴσος «р равный» и θέρμη η «жар») — термодин намическкий процеесс, происсходящий й в физич ческой сиистеме пр ри постоянной температтуре. Длля осущесствления изотерми ического процессаа системуу обычно о помещаают в термостаат (массиввное тело о, находящ щееся в тепловом т равновессии), тепл лопроводн ность которогоо велика, так что теплообм т мен с систтемой про оисходит достаточ чно быстрро по сравнени ию со сккоростью протекан ния проц цесса, и, температу т тура системы в лю юбой момент п практичесски не отл личается от темпеературы термостатаа. Можно о осущесттвить изотерми ический процесс иначе — с примеенением источникков или стоков теепла, контроли ируя посттоянство температтуры с помощью термометрров. К изо отермическим пение жи процессаам относяятся, напр ример, кип идкости ил ли плавлеение твёр рдого телаа при постоянн ном давлеении. Графиком иззотермичееского пр роцесса яввляется иззотерма. Прри изотеермическо ом проц цессе си истеме, вообще говоря, сообщаается определёённое колличество теплоты (или она отдаёт тееплоту) и совершаается внеш шняя при кото работа. А Альтернаативный процесс, п ором тепл лообмен с окружаающей срредой отсутстввует (терм модинами ическая си истема нааходится в энергеттическом равновесии— система не поглощ щает и нее выделяет тепло), называеттся адиабаатическим м процесссом. Раб бота, соввершеннаая идеалььным газом в изо отермичееском про оцессе, равна р , где — число частиц газа, — темпераатура, и — объём газа в наачале и коонце проц цесса, — постоян нная Больц цмана . В твёрдом теле и большинс б стве жидккостей иззотермичееские процессы очень о мало изм меняют об бъём телаа, если толлько не происходи ит фазовы ый перехо од. Пеервый закон термодинамики и для изоттермического проццесса в ид деальном м газе записываается в ви иде: Ад диабати́чееский, или и ади иаба́тный йпроце́сс (от ддр.-греч.ἀ ἀδιάβατος — «непрохоодимый»)) — термодинамичческий пр роцесс в макроско м пической й системе, при котором система не н получаает и не оотдаёт теп пловой эн нергии. Прримеры. Открытиее адиабаатическогго процессса практ ктически сразу наашло применение в даальнейших х исследоованиях. Создание теоретиической модели м ц цикла Карно поозволило установи ить предеелы разви ития реалььных теплловых маашин. Одн нако, цикл Каарно труудно осущ ществим для неккоторых реальныхх процесссов, такк как входящи ие в его состав изотермы и требуютт определ лённой сскорости теплообм мена. Поэтомуу были раазработан ны принци ипы цикл лов, части ично сходдных с циклом ц Каарно, напримерр, цикл Отто, цикл ц сжи ижения газа, г кото орые былли бы применим п мы в конкретн ных практтических задачах. Таккже, далльнейшиее исследоования показали, п что неекоторые процесссы в природе,, напримеер, распр ространен ние звукаа в газе можно м с ддостаточн ной степеенью приближ жения опи исывать адиабатичческим пр роцессом и выявляять их зак кономерноости. Химичесская реаккция вну утри объъёма газаа в случ чае отсуттствия тееплообмена с окружаю ющей среедой такж же по оопределен нию будеет адиабаатическим м процесссом. Таким п процессом м являетсся, напри имер, ади иабатичесское гор ение. Дл ля атмосф феры совершенния газом Земли ттакже счи итается адиабатич а ческим процесс п м работы ы на увеличен ние его потенциаальной ээнергии. Исходя из этогоо, можно о опредеелить адиабати ический градиен нт темп пературы для атмосферры Зем мли. Тееория адиабати ического процесса употреблляется и для други их астронномически их объекттов с атмосферрой. В чаастности,, для Соллнца нали ичие макроскопичческих ко онвекцион нных движени ий теорети ически оп пределяю ют путём сравнени ия адиабат атического о градиен нта и градиентта лучевогго равноввесия Ци икл Карноо́ — идеал льный террмодинам мический цикл. Теепловая машина м Каарно, работающ щая по этому ци иклу, облладает максималь м ьным КП ПД из вссех маши ин, у которых максим мальная и миним мальная температтуры осууществляяемого цикла ц совпадаю ют соотвеетственно о с макси имальной й и мини имальной температтурами цикла ц Карно. С Состоит изз 2 адиабатическихх и 2 изоттермическ ких процеессов. Ци икл Карно назван н в честьь француззского во оенного инженерааСади Каарно, который впервые его исслеедовал в 11824 году у. Од дним из важных в свойств ци икла Кар рно являеттся его ообратимоссть: он может м быть прроведён как в прямом, п так и в обраттном напправлении и, при этом нной (беез теплоо энтропияяадиабати ически иззолирован обмена с окружаю ющей среедой) системы не меняеется. Пуусть теплловая маашина ссостоит из нагреевателя с темпеературой холодилььника с теемпературой , и ррабочего тела. Ци икл Карноо состоит из четыррёх стадий й: Изотермичееское расш ширение (на рисун нке — про оцесс A→ →Б). В нач чале проц цесса рабочее тело имееет темпеературу , то естть темпер ратуру наагревател ля. Затем тело и постоянной приводиттся в контакт с нагреватеелем, котторый иззотермичеески (при температтуре) перредаёт ему у количесство тепл лоты . При этом м объём рабочего р тела увеличиввается. Ад диабатичееское (иззоэнтропи ическое) расширеение (на рисункее — прооцесс Б→В). Р Рабочее тело т отсоеединяетсяя от нагр ревателя и продоллжает рассширятьсяя без теплообм мена с окружающ щей средоой. При этом его о темпераатура уменьшаетсся до температтуры холоодильник ка. исунке — процессс В→Г). Р Изотермичееское сжаатие (на ри Рабочее тело, имею ющее уру к тому врремени температу , прриводитсяя в контакт с холоодильнико ом и начи инает изотерми ически сж жиматься,, отдавая холодилььнику кол личество ттеплоты . Ад диабатичееское (изо оэнтропи ическое) сжатие с (н на рисуннке — пр роцесс Г→ →А). Рабочее тело оттсоединяеется от ххолодильн ника и сжимаетс с ся без тееплообмеена с окружаю ющей среедой. При и этом еего темпеература увеличива у ается до температтуры нагреваттеля. Прри изотеррмически их процеессах температур ра остаёттся посттоянной, при адиабати ических отсутствуе о ет теплоообмен, а зн начит, сохраняетсяя энтропи ия: при . Пооэтому ци икл Карно о удобно представвить в коо ординатахх T и S (ттемператуура и энтропияя). Ри исунок 1.1 1. Цикл Карно КП ПД тепловвой маши ины Карноо. Кооличествоо теплоты, полуученное рабочим телом от нагр ревателя при изотерми ическом расширен р нии, равноо . Ан налогичноо, при изо отермичесском сжаттии рабоч чее тело оотдало хол лодильни ику . Оттсюда коээффициен нт полезноого дейсттвия тепло овой маш шины Карн но равен . Из последн него выраажения ви идно, что КПД теп пловой м машины Карно К заввисит только оот темпераатур нагр ревателя и холодил льника. Кроме К тогго, из него о следуетт, что КПД мож жет состаавлять 100 % толь ко в том случае, если е темппература холодиль х ьника равна аабсолютному нул лю. Это невозможно, но н не ииз-за нед достижим мости абсолютн ного нуляя (этот во опрос реш шается то олько треетьим наччалом тер рмодинам мики, учитыватть котороое здесь нет необбходимоссти), а изз-за того , что так кой цикл или нельзя заамкнуть, или он вырождаеттся в совокупностть двух соовпадающ щих адиаб бат и изотерм. Пооэтому мааксимальный КПД Д любой тепловой машинны, будетт меньшее или равен К КПД теплловой маашины К Карно, рааботающеей при тех же температтурах нагреваттеля и хоолодильни ика. Напрример, КП ПД идеал льного циикла Сти ирлинга равен р КПД циккла Карноо. Ци икл Ренки ина — тер рмодинам мический й цикл пр реобразоввания тепла в рабооту с помощью ю водяногго пара. КП ПД цикла:: термоди инамическкие исслеедования цикла Реннкина пок казываютт, что его эффеективностть в болььшей степ пени зави исит от величин нначальных х и конеч чных параметрров (давлеения и температурры) пара. . Ци икл Ренки ина состои ит из следдующих процессов п в: изообара лин ния 4-5-6--1. Происсходит наагрев и исспарение вводы, а заатем переегрев пара. В п процессе затрачива з ается тепллота q1. ади иабата ли иния 1-2. Процесс расширен ния пара в турбинне, то естьь её вращ щение паром ( ). изообара лин ния 2-3 Конденса К ация отрааботанногго пара с отводом м теплотты q2 охлаждаю ющей вод дой. ади иабата ли иния 3-4. Сжатие сконденссировавш шейся воды ы до пер рвоначалььного давленияя в парогеенераторее с затратоой работы ы . Риссунок 1. 22. Цикл Реенкина. Диаграмма Д а T-S. Ци икл Ренки ина нашёл примен нение в современн с ных теплловых элеектростан нциях большой й мощностти исполььзующих в качествве рабочего тела воодяной паар Вопросы дляя самокон нтроля 1) Чтто такое гееотермалььная энерргия? Досстоинстваа и недосттатки. 2) Чтто такое эн нтальпия и энтроп пия? 3) Каак формуллируются законы ттермодинамики? 4) Ци икл Карноо. Формул лировка и основны ые стадии. 5) Ци икл Ренки ина. Форм мулировкаа и основн ные стади ии.
