- Что такое энергия?
- Из чего вырабатывают электроэнергию?
- Как производство электроэнергии влияет на окружающую среду?
Что такое энергия?
Чтобы выполнить любое движение, получить свет или тепло, нужна энергия. Горящая под потолком лампочка использует электроэнергию, автомобили ездят за счет энергии, содержащейся в бензине. Мы сами можем двигаться и даже думать только потому, что используем для этого энергию, получаемую из пищи. За счет энергии можно выполнять работу.
Работа – это не только уборка комнат, рубка дров, составление компьютерной программы или другая полезная для людей деятельность. При каждом движении, на которое расходуется энергия, совершается работа. Даже во сне наше тело совершает работу – мы дышим, перевариваем еду, наше сердце перекачивает кровь. Хотя мы сами расходуем энергию, она никуда из этого мира не пропадает. Просто при выполнении работы энергия из одного вида переходит в другой. Например, во время езды на велосипеде содержащаяся в молекулах нашего тела химическая энергия превращается в энергию движения, а она, в свою очередь, переходит в тепловую энергию – ты несомненно чувствовал, что при занятиях спортом тебе становится жарко.
- для питания
- для бега
- для работы за компьютером
- для вскапывания земли лопатой
- для сна
- для ходьбы
- для пения
- для отдыха
- для разговора по телефону
- для физических упражнений
- для размышления
- для игры в футбол
Подумай
- Как ты соприкасаешься с энергией?
Из тепла можно производить электроэнергию
Посмотрим, откуда берется та энергия, которая заставляет двигаться все в нашем мире. Большинство устройств, которыми мы пользуемся, работают при помощи энергии, получаемой от электричества. Электроэнергия поступает к нам с электростанции. В Эстонии большую часть электроэнергии производят на тепловых электростанциях (ТЭС). На тепловой электростанции высвобождающаяся при горении тепловая энергия преобразуется в электроэнергию. Тепловая энергия также является одним из видов энергии – энергией движения частиц. Тепловые электростанции в Эстонии используют в основном горючий сланец, в меньшей степени – природный газ.
Скрывающаяся в сланце энергия происходит от Солнца. Она накопилась в окаменевших водорослях в период их жизни сотни миллионов лет назад. Горючий сланец – это невозобновляемый природный ресурс, при использовании которого возникает много вредных отходов, а в воздух выбрасывается большое количество углекислого газа. В Эстонии предполагается в будущем отказаться от производства электричества из горючих сланцев, хотя для этого потребуются большие расходы.
На тепловых электростанциях можно использовать и другие горючие материалы, главное – как можно меньше загрязнять окружающую среду. В домах мы нередко используем для обогрева дрова. Сжигают дрова и на тепловых электростанциях Эстонии, но дешевле и лучше по отношению к окружающей среде сжигать отходы, возникающие при рубке леса и в деревообрабатывающей промышленности: ветки, некачественную древесину, кустарник. Их используют и во многих котельных. Некоторые современные котельные из отходов древесины начали производить и электричество.
Электроэнергию можно получить разными способами. Способ зависит от вида топлива, который для этого используют. В Эстонии основная часть электроэнергии производится из горючего сланца. Также используют биотопливо, энергию воды, ветра и Солнца – эти источники энергии называются возобновляемыми. Сейчас энергия, полученная из возобновляемых источников, составляет около 15% от всей потребляемой энергии. В мире также используют атомную энергию, но в Эстонии атомных электростанций нет. Зато для получения энергии у нас используют самый обычный мусор. Например, электростанция Иру каждый год использует 250 тысяч тонн мусора, из которого производят тепло и электричество. Этого хватит, чтобы обеспечить энергией город Пайде и его окрестности.
Самые большие электростанции Эстонии – Балтийская и Эстонская тепловые электростанции – находятся рядом с Нарвой. Обе они работают на горючем сланце. Для получения электричества нужно заставить вращаться турбину. На гидроэлектростанции турбину вращает вода, в случае ветрогенератора – ветер, а на тепловых электростанциях – горячий пар. Турбина приводит в действие электрогенератор, который создает электрическое поле. Поток заряженных частиц движется в трансформатор, который увеличивает напряжение тока перед тем, как направить его на линии электропередач. Все это можно сравнить с движением железнодорожного состава: локомотив (электрон) толкает некая сила (магнитное поле), и за ним начинают движение все вагоны (другие электроны).
Приложение. Торф – возобновляемый или невозобновляемый ресурс?
Для получения тепла торф сжигают с давних времен. Некоторые добытчики торфа утверждают, что его запасы в природе восстанавливаются. Однако по сравнению со скоростью использования торфа его запасы возобновляются так медленно, что считать торф возобновляемым ресурсом нельзя.
Тепловая энергия – это энергия частиц. Большая часть потребляемой в Эстонии производится на тепловых электростанциях. В качестве топлива там используют преимущественно
Энергию можно получать из текучей воды и ветра
На гидроэлектростанциях (ГЭС) в электроэнергию превращают энергию текучей воды. Обычно гидроэлектростанции строят на больших реках. Перегороженная плотиной вода, падая с высоты, заставляет вращаться гидротурбины – механизмы, которые передают энергию движения воды электрогенератору, превращающему ее в электроэнергию.
Перегораживание рек плотинами влияет на все речные организмы. Чтобы рыба могла подняться на нерест, рядом с плотинами для нее строят специальные «лестницы». И все же на запруженных реках пропадают многие места обитания, например, пороги. Поэтому надо тщательно продумывать, превысит ли польза от строительства электростанций на малых реках тот вред, который наносится при этом окружающей среде.
В Эстонии реки обычно небольшие и спокойные, поэтому не подходят для строительства гидроэлектростанций. Пограничная река Нарва обладает быстрым течением, и воды в ней больше, чем во всех остальных наших реках вместе взятых, но построенная на ней гидроэлектростанция находится на российской стороне. Крупнейшая в Эстонии гидроэлектростанция построена на реке Ягала.
В наше время для производства электричества все чаще используют энергию ветра. Ветряные турбины, или ветрогенераторы, построены по принципу ветряных мельниц. Ветер возникает благодаря Солнцу, поскольку оно нагревает воздух неравномерно. Так же, как поток воды заставляет вращаться лопасти гидротурбин, ветер вращает лопасти ветряных турбин, энергия движения которых превращается в электроэнергию. Основной недостаток ветрогенераторов состоит в том, что они работают только в ветреную погоду, а электричество нужно постоянно. Обычно устанавливают в одном месте ставят несколько ветрогенераторов – так создают ветряные парки. Нередко они оказываются на миграционных путях перелетных птиц и представляют для них опасность, поскольку лопасти могут вращаться очень быстро, а птицы не знают, что их нужно опасаться. Поэтому необходимо тщательно продумывать места для создания ветряных парков, чтобы они не мешали птицам и летучим мышам.
Современные ветрогенераторы имеют высоту 125–135 м. У каждого из них три длинных лопасти. Три – это оптимальное число, иначе генератор вращался бы слишком быстро. С точки зрения производства энергии самую важную роль имеет длина лопасти – чем выше ветряк, тем больше энергии он может дать. Трудно представить, но концы лопастей вращаются со скоростью 250 км/ч, то есть делают 15 оборотов в минуту, и это при умеренной силе ветра! Глядя на ветряк со стороны, трудно в это поверить. Девять электрогенераторов ветропарка снабжают электроэнергией 20 000 семей. Представь: в городе Вильянди живет около 18 000 человек, то есть даже если бы каждый из них проживал в отдельном доме, то девять генераторов все равно хватило бы, чтобы обеспечить электричеством весь город.
Для работы ветряка нужно много ветра. А где ветренее всего? Там, где много открытого пространства, например, на побережье. В Эстонии все ветропарки находятся на суше, обычно возле моря, но в мире есть парки, построенные прямо в море. Сейчас в Эстонии тоже подготавливают два потенциальных места для строительства крупных морских ветропарков. На море ветер обычно сильнее, ведь там нет препятствующих движению воздуха деревьев и холмов. Людям установленные в море ветряки тоже мешают меньше, поэтому парки могут быть крупнее.
В общих словах работу ветрогенератора можно описать так: энергия производится, когда дует ветер, и не производится, когда ветра нет. Минимальная скорость ветра должна составлять 3–4 м/с, и он должен дуть прямо на лопасть, то есть воздействовать на самую большую ее поверхность. При слабом ветре лопасти разворачивают к ветру, а при слишком сильном – боком к нему. Чем сильнее ветер, тем больше электричества может произвести ветрогенератор. Однако все хорошо в меру – в сильный шторм генератор может сломаться. Поэтому многие ветрогенераторы останавливают при скорости ветра 28 м/с, лишь некоторые выдерживают ветры до 34 м/с.
Солнечная энергия – основа всей жизни
Энергия всех описанных до этого источников энергии, которыми пользуется человек, изначально происходит от Солнца. Конечно, вода в реках движется от истока к устью под действием силы тяжести, но как вода попадает обратно в исток? Вода попадает в реки с осадками, а они возникают потому, что Солнце испаряет воду. Только благодаря солнечному свету и теплу могут расти растения, запасающие солнечную энергию в ходе фотосинтеза. Через них солнечная энергия передается травоядным животным. Дрова и торф, которые мы сжигаем в печах, также накопили в себе энергию Солнца. В бензине, на котором ездят машины, скрыта та же энергия.
Солнечную энергию можно использовать и непосредственно. Все чаще на крышах и балконах наших домов можно увидеть панели солнечных батарей, которые преобразуют световую энергию Солнца в электроэнергию. Но и у использования солнечной энергии есть свои ограничения – например, в зимние месяцы в Эстонии для этого слишком мало солнечного света. В летние месяцы от солнечных батарей можно получить много электроэнергии. Они работают и в облачную погоду, но электричества при этом производится мало.
Солнечная энергия, древесина, ветер и текучая вода являются возобновляемыми природными ресурсами. Производимое с их помощью электричество называется возобновляемой энергией, ее также называют «зеленой энергией». Но все же при сжигании древесины образуются вредные соединения, а о минусах использования энергии воды и ветра мы уже говорили. Использование энергии солнечного света – наиболее щадящий по отношению к окружающей среде способ производства электроэнергии.
Можешь ли ты представить, что в год на поверхность Земли падает количество солнечного излучения, суммарная энергия которого составляет 178 000 триллионов ватт? Это превосходит потребности всего населения планеты в 15 000 раз. То есть, солнечной энергии, приходящейся в год на территорию Эстонии, хватит, чтобы обеспечить энергией население всего земного шара.
Температура внутри Солнца составляет 15–20 миллионов градусов. Благодаря таким высоким температурам там происходит слияние ядер атомов водорода. Соединяясь, они образуют атомы гелия, при этом выделяется огромное количество энергии, которая в виде электромагнитных волн достигает Земли. Разным регионам Земли достается разное количество солнечного излучения: полярным областям намного меньше, чем экваториальным. Почему это так? Потому что Земля вращается вокруг своей оси, которая наклонена относительно Солнца. Когда Земля движется вокруг Солнца, меняются не только времена года, но и угол, под которым солнечные лучи падают на Землю. Например, когда в Эстонии весна, угол между солнечными лучами и поверхностью Земли на экваторе составляет 90 градусов. На экваторе годовое количество солнечного излучения примерно в два раза больше, чем в Эстонии. Поэтому экваториальные области лучше подходят для постройки солнечных электростанций.
Солнечная энергия имеет огромный потенциал. Если бы нам удалось поймать всю солнечную энергию, попадающую на Землю, то за час мы смогли бы обеспечить себя энергией на целый год. Она также является возобновляемой, ее использование не вредит окружающей среде и уменьшает использование горючих полезных ископаемых. Ученые и инженеры всего мира постоянно ломают голову над тем, как же ее лучше использовать и накапливать. В наше время у солнечной энергии уже немало применений. Например, ты наверняка держал в руках калькулятор с маленькой солнечной батареей. Есть и аккумуляторные блоки на солнечных батареях, которые можно использовать, например, во время похода для зарядки телефона. На солнечных батареях работают сигнализации, видеокамеры, метеостанции, маяки и даже уличные фонари. Кроме электричества из солнечной энергии можно получить и тепло. В этом случае панели солнечных батарей устроены немного по-другому, и их называют солнечными коллекторами. С их помощью можно нагреть воду или даже отапливать дома. Солнце дает энергию и космическим аппаратам.
- Солнце является нашим важнейшим источником энергии.
- Солнечная энергия накапливается в продуктах питания.
- Солнечная энергия накапливается в горных породах.
- Солнечная энергия может быть использована только в солнечную погоду.
Самые мощные электростанции – атомные
Большое количество энергии в мире вырабатывается на атомных электростанциях (АЭС). Источником энергии на атомных электростанциях служит тот же процесс, который происходит на Солнце или в атомной бомбе, – распад атомов. При распаде атомов высвобождается гораздо больше энергии, чем при распаде молекул (например, при горении). Отходы работы атомных электростанций опасны для окружающей среды, поэтому их приходится складировать глубоко под землей.
Воздействие атомных электростанций на окружающую среду невелико до тех пор, если не произойдет несчастье. К сожалению, на атомных электростанциях бывали и аварии. Одна из крупнейших аварий произошла в 1986 году в Чернобыле (Украина). Выброшенные во время чернобыльской аварии в атмосферу вредные вещества вместе с дождями выпали и в Эстонии. Вторая опаснейшая авария случилась в 2011 году на атомной электростанции Фукусима (Япония). Утечку ядовитых веществ не удалось остановить даже к осени 2013 года. Обсуждался вопрос строительства атомной электростанции и в Эстонии, но из-за противостояния людей эти планы не получили развития.
Подумай
- Почему некоторые люди являются противниками строительства атомных электростанций?
- Распад атомов
- Распад молекул
- Горение
Понятия
- энергия – величина, характеризующая способность тела выполнять работу
- тепловая энергия – форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц, из которых состоит вещество
- электроэнергия – энергия, получаемая от электричества
- возобновляемая энергия – энергия, получаемая за счет возобновляемых природных ресурсов
Я знаю, что…
В Эстонии большую часть электричества производят, сжигая горючий сланец. Из возобновляемых источников энергии у нас используют текучую воду и ветер. Энергия всех источников, используемых для производства электричества, происходит от Солнца. Наиболее щадящий по отношению к природе способ производства электроэнергии – использование солнечных батарей.
