1.1. Основні поняття і визначення

1.1.1. Енергія та енергетика

Енергія [< гр. energia — діяльність] — загальна міра різних видів руху і взаємодії. Нині відомі різні ґатунки енергії: теплової — руху мікрочастинок, що становлять робоче тіло; кінетичної енергії самого тіла як одного цілого (механічна енергія); ґравітаційного, електрич­ного й магнітного полів; електромагнітного випромінювання; внутрішньоядерної тощо. Деякі види енергії можуть перетворюватися на інші в чітко визначених кількісних спів­відношеннях, які встановлює загальний закон збереження і перетворення енергії.

Енергетика — галузь народного господар­ства, що охоплює виробництво, перетворення

і застосування різних форм енергії. В енергетиці використову­ють здебільшого п'ять видів установок:

генерувальні — такі, що перетворюють потенційну енергію при­родних енергетичних ресурсів у електричну, теплову, механічну або в інший різновид енергетичного ресурсу (наприклад, турбо­установки, газогенерувальні установки, котли, компресори);

перетворювальні — такі, що змінюють параметри й інші осо­бливості певного виду енергії (трансформаторні підстанції, випрямні й інвенторні електроустановки, трансформатори тепла тощо.);

мережі — призначені для передачі й розподілу енергії (елек­тричні, теплові, газові, нафтопроводи, мережі стиснутого повітря тощо);

акумулювальні — призначені для часткового реґулювання ре­жиму виробництва енергії (електричні й теплові акумулято­ри, насосно-акумулюючі гідростанції та ін.);

споживаючі — такі, що слугують для перетворення енергії у вид, в якому її безпосередньо використовують (електричний привод машин, опалювальні установки, промислові печі, світильники тощо).

З погляду фізики процес виробництва будь-якої форми енергії полягає в перетворенні однієї її форми в іншу. Тому, за змістом фізичних процесів, що відбуваються у всіх установках, машинах, апаратах і пристроях енергетичного господарства, енергетика може бути названа також і наукою про перетворення, транспортування й використання енергії.

Основними формами, в яких наразі застосовують енергію, залишаються теплота й електрика. Галузі енергетики, що ви­вчають їх одержання, перетворення, транспортування та вико­ристання називаються, відповідно, теплоенергетикою і електро­енергетикою.

Галузь енергетики, яка вивчає перетворення водної енергії в електричну, називається гідроенергетикою.

Відкриття шляхів використання енергії атомного ядра ство­рило нову галузь енергетики — атомну або ядерну енергетику.

Питаннями використання енергії мас повітря, що переміща­ються, займається вітроенергетика.

 

Кожен з розділів енергетики як науки має свою теоретичну основу, що базується на законах фізичних явищ у певній сфері.

Розуміння єдності й еквівалентності різних форм енергії скла­лося до середини XIX ст., коли був накопичений достатньо вели­кий досвід перетворювання одних форм енергії в інші: винайдена парова машина, що перетворює тепло в механічну енергію; від­криті перші джерела електричної енергії — гальванічні елементи, в яких здійснювалося безпосереднє перетворення хімічної енергії в електричну; шляхом електролізу багато разів здійснене зворотне перетворення — електричної енергії на хімічну; створений елек­тричний двигун, у якому електрична енергія перетворювалась на механічну; відкрите явище безпосереднього перетворення елек­тричної енергії в тепло. І, нарешті, у 1831 р. був відкритий спосіб перетворювання механічної енергії в електричну. Природним узагальненням величезного обсягу накопичених даних щодо обернення одних форм енергії в інші став закон збереження і пере­творення енергії — один з фундаментальних законів фізики.

Потреба в перетвореннях енергії пов'язана з неодмінною наявністю різних її форм для сучасних технологічних процесів. Причому перетворення енергії не вичерпуються тільки пере­творенням одних її форм на інші. Теплову енергію застосовують за різних значень параметрів теплоносія (пари, газу, води), електричну — у формі змінного або постійного струму і за різних рівнів напруги.

Перетворення енергії відбувається в різних машинах, апара­тах і пристроях, що навзагал є технічною основою енергетики. Так, у котельних установках хімічна енергія палива перетворю­ється на теплову; у паровій турбіні це тепло, носієм якого є во­дяна пара, обертається в механічну енергію, яка в електричному генераторі, своєю чергою, перетворюється в енергію електрич­ну; на гідроелектростанціях у гідротурбінах й електрогенера­торах енергія водних потоків перетворюється на електричну; у електричних двигунах електрична енергія обертається в меха­нічну тощо.

Способи створення та експлуатації різних установок, машин, апаратів і пристроїв, призначених для одержання, перетворення, транспортування і застосування різних форм

енергії, базуються на використанні відповідних розділів тео­ретичних основ енергетики: теплотехніки, електротехніки, гідротехніки, вітротехніки та ін.

1.1.2. Екологія і довкілля

Термін "екологія", вперше використаний у 1966 р. біологом Э. Геккелем, походить від грецьких слів "оіс-os" — будинок, сім'я і "logos" — слово, поняття, навчання.

Екологія — наука, що вивчає взаємини живих організмів, котрі створюють певну єдність (системи) з довкіллям, у межах якої від­бувається процес трансформації енергії й органічної речовини. Основне завдання екології — вивчення взаємодії енергії та матерії в екосистемі, під якою загалом мають на увазі відкриту стійку ці­лісну систему живих і неживих компонентів, що історично скла­лася на тій чи тій території (акваторії) біосфери. Екосистеми є від­критими системами, тобто мають довкілля і на вході, і на виході.

Концепція екосистеми перебуває в центрі уваги сучасної екології. Односторонній потік енергії й циркуляція хімічних елементів — два фундаментальні закони загальної екології, од­наковою мірою застосовні до будь-якого довкілля і до будь-яко­го організму, включно з людиною. Окремі особини, популяції, види, групи в їхній взаємодії між собою і з довкіллям також є об'єктами екологічного дослідження.

Таким чином, екологія — одна з провідних навчальних і науково-технічних дисциплін на сучасному рівні розвитку людства, і її роль у майбутньому зросте ще більше. Економічні проблеми щільно пов'язані не тільки з питаннями технологічної діяльності людини (особливо з технологією енергетики) і техно­генного навантаження на довкілля, а й з економікою, політи­кою, мораллю, правом, естетикою та освітою.

Колись давно Земля вже зазнавала глобальних катаклізмів, пов'язаних із критичними змінами, що відбувалися у природі. Наприклад, одна з гіпотез про причини виникнення льодовико­вого періоду на Землі базується на ідеї зіткнення нашої планети з величезною кометою. Згідно з іншою гіпотезою, причиною

"всесвітнього потопу" було різке потеплення клімату на Землі, пов'язане з бурхливим розвитком рослинного і тваринного світу. Тому не дивно, що ще в далекому минулому вчені досліджували взаємодію біологічних систем з довкіллям. Відомий трактат засновника медичної науки Гіппократа «Про повітря, воду і землю» — чи не перше дослідження екологічних проблем.

Вплив людини на довкілля в сучасну епоху за багатьма ком­понентами наближається до валового природного впливу, проте з погляду концентрації неґативних чинників на порядки пере­вищує дію природних ефектів. Усе це зумовило зрослий інтерес людства до вивчення джерел неґативного впливу на довкілля і створення методів повного або часткового його усунення.

У зв'язку з бурхливим зростанням потреб практики, осо­бливо пов'язаних з розв'язанням продовольчих і енергетичних проблем, проблем раціонального використання природних ре­сурсів й охорони довкілля, обумовлених науково-технічною ре­волюцією, виникли такі нові терміни і поняття, як "прикладна", "глобальна", "соціальна", "інженерна" екологія та ін.

Екологія прикладна — розділ екології, результати дослідження якого спрямовані на розв'язання практичних проблем охорони довкілля, насамперед таких, як: захист від забруднень; управ­ління довкіллям, раціональним використанням природних ресурсів, кругообігом води й повітря в природі, стабільністю і можливим навантаженням екосистем.

Поняття "Прикладна екологія" досить часто використову­ють як синонім охорони довкілля. Тому важливим складником прикладної екології є інженерна екологія енергетики, що вивчає екологічні аспекти енергетики й енергетичні аспекти екології, які перебувають у найщільнішому взаємозв'язку.

Довкілля — сукупність природних і штучних, створюваних людиною матеріальних об'єктів і явищ, а також соціально-екологічних феноменів. До природних компонентів довкілля належить географічне положення, будова поверхні та клімат місцевості, мінеральні, енергетичні й водні ресурси, ґрунт, пові­тря, флора і фауна з урахуванням властивих їм процесів і явищ.

Створені людиною фізичні компоненти довкілля включають машини і знаряддя, житлові й виробничі приміщення, синтетичні матеріали і продукти, що не мають аналогів у природньо-му середовищі, засоби комунікацій, забруднення різних типів.

Забруднення — привнесення в довкілля, а також виникнення в ньому нових, зазвичай не характерних для цього природного середовища фізичних, хімічних або біологічних речовин, що завдають шкоди людині, флорі й фауні.

Основні джерела забруднень — різні об'єкти виробничої і по­бутової діяльності людини. До основних об'єктів, що піддаються забрудненню, належить вода, повітря і ґрунт.

Звичайно забруднення води пов'язані з реґулярним ски­данням у вододжерела стічних вод, з поверхневим і дренажним стоком з сільськогосподарських угідь, із розробкою корисних копалин, з експлуатацією енергетичних, хімічних, машинобу­дівних та інших підприємств.

Забруднення повітря є наслідком викидів в атмосферу чужо­рідних крапель, пари, газів, частинок, підвищення концентра­ції деяких звичних компонентів (вуглекислого газу, твердих частинок), що обумовлене роботою підприємств, спалюванням палива в різних енергетичних системах, господарсько-побуто­вою діяльністю населення тощо. Основні інґредієнти забруд­нень — суспендовані частинки, оксиди вуглецю, азоту, сірки, фотохімічні окислювачі.

Забруднення ґрунту має антропогенне походжен­ня — залучення людиною різних забруднювачів (накопичення пестицидів, незасвоєних добрив, відходів тваринництва, бджільництва, промисловості, енергетики, забруднення нафто­продуктами та ін.). Як правило, рослини і тварини вбирають у себе ґрунтові забруднювачі, включають їх у харчові ланцюги, і таким шляхом вони (забруднювачі) дістаються до людини.

1.1.3. Довкілля

і кругообіг речовин у природі

З огляду на вищезавважене, надалі під довкіл­лям розумітимемо комплекс зовнішніх природних умов діяль­ності людського суспільства. Їхні головні компоненти (повітря,

вода, земля, флора, фауна, гідросфера, атмосфера, літосфера, продуценти, консументи, редуценти) охоплює загальне понят­тя — біосфера.

Біосфера — простір, що є місцем мешкання всіх живих організмів планети. Вона займає частину літосфери, атмос­фери і гідросферу. Розповсюдження життя в біосфері є досить нерівномірним. Переважно воно концентрується на межі трьох середовищ. Саме в біосфері, завдяки живим організмам перетворюється сонячна енергія, відбуваються біогеохімічні перетворення речовин. У ній переважають речовини біогенного походження. Верхня частина біосфери обмежена озоновим екраном, що затримує велику частину згубного для живих істот ультрафіолетового проміння, а нижня — тепловим бар'єром. Загальна потужність біосфери може сягати 40 км. Від усіх інших геосфер біосфера відрізняється найенергійнішими хімічними перетвореннями. Її головні характеристики — наявність води в рідкому стані та проникнення сонячної радіації, що є єдиним джерелом енергії планети Земля.

Біосфера весь час перебуває в динаміці, тобто в ній триває безперервний кругообіг речовин. Щонайперше це стосується атмосфери, головною складовою частиною якої є тропосфера (11 км). У тропосфері, де зосереджено 2/3 всього повітря, ви­никають процеси, які приводять до глобальних переміщень величезних повітряних мас.

Основним джерелом енергії в примітивній атмосфері Землі, як і нині, завжди було Сонце. Проте світло проходило крізь атмосферу іншого складу, хоча спектральний склад випромі­нювання був той самий. Велика частина високоенергетичного випромінювання досягала земної поверхні, оскільки в атмос­фері відсутній кисень. Отже, не було й озонового екрану. Саме він поглинає тепер майже все короткохвильове ультрафіолетове (УФ) випромінювання.

Таким чином, великі кількості активної фотохімічної енергії були доступні для взаємодії з речовиною. Крім того, для первісної земної поверхні була характерна висока вулканічна активність, могутні вулканічні розряди і сильні зливи. Все це створювало найрізноманітніші умови для перебігу хімічних реакцій.

Перші цикли, можливо, мали таку структуру:

H2 + CO2 + N2 + H2 O       утворення    > органічні
2222    розпад сполуки

Важливим етапом біологічного кругообігу є те, що життя, яке виникло у воді, поступово починає завойовувати суходіл. Збільшення вмісту кисню в атмосфері сприяє появі озонового шару, що поглинає УФ-випромінювання, згубне для живих сис­тем. Усе це інтенсифікує фотосинтез у поблизу поверхні води, підвищує надійність озонового шару і, зрештою, — ефективність кругообігу речовин у природі.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я