2.28 ) Ядерная энергия (атомная энергия) — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.

Высвобождение ядерной энергии

Известны экзотермические ядерные реакции, высвобождающие ядерную энергию. Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло. Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез. При этом два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое. Такие процессы происходят на Солнце. Многие атомные ядра являются неустойчивыми. С течением времени часть таких ядер самопроизвольно превращаются в другие ядра, высвобождая энергию. Такое явление называют радиоактивным распадом.

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ, ЭНЕРГИЯ, выделяемая в процессе ядерной реакции как результат перехода МАССЫ в энергию так, как описано в уравнении: Е=mс2 (где Е - энергия, m - масса, с - скорость света); оно было выведено А. ЭЙНШТЕЙНОМ в его ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. Ядерная энергия высвобождается двумя способами: путем ДЕЛЕНИЯ АТОМНОГО ЯДРА и путем ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА. Деление атомного ядра - процесс, происходящий в атомной бомбе, а также в ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ деления, которые сейчас используются во всем миру. Реакция деления атомного ядра была открыта Отто ГАНОМ и Фрицем ШТРАСМАННОМ в 1938 г.; а в 1942 г. Энри-ко ФЕРМИ впервые получил ядерную ЦЕПНУЮ РЕАКЦИЮ. Ядерный синтез является источником энергии Солнца, звезд, а также в водородной бомбе. Он также предоставляет перспективу получения дешевой энергии, что можно будет осуществить, как только будет найден способ контроля реакций ядерного синтеза. см. также КРИТИЧЕСКАЯ МАССА, МАНХЭТТЕНСКИЙ ПРОЕКТ, ВЕЩЕСТВО, СОСТОЯНИЯ, АТОМНОЕ ОРУЖИЕ

Термоядерная реакцияРеакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии, называется термоядерной реакцией.

Для слияния необходимо, чтобы расстояние между ядрами приблизительно было равно 10-12 см.Однако этому препятствуют кулоновские силы. Они могут быть преодолены при большой кинетической энергии. Особенно большое практическое значение имеет тот факт, что при этой реакции на каждый нуклон выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции, например, при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ, а при делении ядра урана на один нуклон приходится »0,9 МэВ.Управляемая термоядерная реакция — энергетически выгодная реакция. Может идти при больших температурах (порядка несколько сотен млн. градусов). При большой плотности вещества такая температура может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. Проблема: трудно удержать плазму.Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в звездах. В настоящее время в России и ряде других стран ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции.

Энергоэффективные технологии – технологии, помогающие сэкономить или рационально распределить энергию.

2.29) Всякое вещество, помешенной в магнитное и электрическое поле испытывает воздействие со стороны этого поля. Это воздействие для разных веществ различно, соответственно различна и реакция веществ на поле.

Диэлектрики - это вещества, не проводящие электрического тока. Молекулы диэлектрика эквивалентны электрическим диполям.

В отсутствие внешнего электрического поля электрические моменты диполей диэлектрика, не являющегося сегнетоэлектриком, расположены хаотично, и их результирующий момент равен нулю. Во внешнем же электрическом поле диэлектрики поляризуются, т.е. переходят в состояние, когда дипольные моменты молекул отличны от нуля. В таком состоянии диэлектрики называются поляризованными.

Различают:

• - ориентационную поляризацию, которая состоит в повороте осей жестких диполей молекул полярного диэлектрика вдоль направления электрического поля;

• - электронную поляризацию диэлектрика с неполярными молекулами, состоящую в возникновении у каждой молекулы индуцированного электрического момента и осуществляющуюся в жидкостях и газах;

• - ионную поляризацию в кристаллических диэлектриках, например, в Nа-Сl, имеющих ионные кристаллические решетки, состоящую в смешении положительных ионов решетки вдоль поля, а отрицательных - в противоположную сторону.

В результате образуются в противоположных направлениях как бы дополнительные (поляризационные) заряды, создающие внутри диэлектрика дополнительное поле, направленное против внешнего поля.

Диэлектрики широко используются в конденсаторах.

чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между пластинами.

Пьезоэлектриками называется группа кристаллических диэлектриков, у которых в отсутствие внешнего электрического поля при механических деформациях в определенных направлениях на гранях кристаллов возникают электрические заряды противоположных знаков. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров под действием электрического поля. Пьезоэлектрическим эффектом обладают кварц, турмалин и ряд других веществ. Широко используются искусственные пьезоэлектрики на керамиках - титанат бария и цирконат титанат свинца (ЦТС). Эффект широко используется в радиотехнике в генераторах высоких частот высокой стабильности и точности, в которых кварцевые или керамические пластины с металлизированными обкладками используются в качестве стабилизаторов частоты. Прямой пьезоэффект используется в пьезозажигалках, в звукоснимателях электропроигрывателей грампластинок, в эхолокаторах и во взрывателях. Обратный пьезоэффект используется а излучателях ультразвука или звуку. Ультразвук широко используется в медицине, в морской технике и в промышленности.

2.30) Всякое вещество, помещенной в магнитное и электрическое поле испытывает воздействие со стороны этого поля. Это воздействие для разных веществ различно, соответственно различна и реакция веществ на поле.Магнитиками называются все среды, способные намагничиваться в магнитном поле, т. е. сознавать собственное магнитное поле. По магнитным свойствам магнетики разделяются на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.Для характеристики намагничивания вещества- вводится вектор интенсивности намагничения, пропорциональный векторной сумме магнитных моментов молекул, находящихся в единице объема. Внесение диамагнетиков в магнитное поле ослабляет его, внесение парамагнетиков усиливает магнитное поле. К диамагнетикам относятся инертные газы, некоторые металлы (цинк, золото, ртуть), кремний, фосфор и многие органические соединения. К парамагнетикам - газы (кислород, окись азота), платина, палладий, соли железа, кобальта и никеля и сами эти металлы. Ферромагнетизм заключается в способности вещества реже усиливать магнитное поле, добавляя к внешнему полю поле своих молекул за счет их ориентации по внешнему полю. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и некоторые сплавы.Магнитная индукция В характеризует величину магнитного поля и связана с напряженностью Н. В отличие от обычных парамагнетиков, незначительно усиливающих внешнее магнитное поле, ферромагнетики изменяют его в сотни и тысячи раз, что объясняется наличием у них молекулярных токов, которые, ориентируясь по нолю, усиливают его многократно.

Ферромагнетики широко используются в катушках индуктивности для увеличения значения индуктивности при малых габаритах.Ферромагнетики широко используются в трансформаторах, электромагнитах и обычных магнитах.Ферриты - это порошкообразные ферромагнетики, спрессованные совместно с диэлектрическим наполнителем в твердое состояние. Обладают пониженными потерями на вихревые токи и используются поэтому в высокочастотных индуктивностях. Явлением магнитострикции называется изменения формы и объема ферромагнетика при его намагничивании. Используется в ультразвуковых магнитострикционных вибраторах.

2.31) В процессе развития производства для различных систем и технических устройств требуются материалы с различными свойствами, работающими в разных внешних условиях и подвергающихся различным внешним воздействиям. В последние десятилетия широкое применение стали находить искусственные органические материалы, обладающие разнообразными свойствами, многие из которых можно задавать при их производстве, получая материалы с наперед заданными свойствами.

Органические вещества - это соединения углерода с другими веществами. Углерод образует соединения с большинством элементов и обладает наиболее выраженной способностью к образованию молекул цепного и циклического строения. Скелет таких молекул может состоять из практически неограниченного числа атомов углерода, непосредственно соединенных друг с другом и включать в себя и другие элементы. Для соединений углерода характерно явление изомерии, т. е. существование веществ, одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся последовательностью сцепления атомов или расположением их в пространстве и поэтому различных по физическим и химическим свойствам. Общее число известных органических элементов составляет более 3 миллионов, в то время как всех остальных - порядка 100 тысяч.

Все органические вещества делятся на три класса: ациклические - соединения с незамкнутыми цепями (метановые углеводороды - насыщенные углеводороды, ненасыщенные углеводороды - этилен, ацетилен и др.); изоциклические, в молекулах которых имеются циклы из атомов углерода (циклопарафиновые или полиметиленового ряда, а также ароматические углеводороды);

гетероциклические, в молекулах которых имеются циклы, содержащие кроме углерода атомы О, N, S, Р, Аs и другие.

От каждого углеводорода образуется целый генетический ряд путем замены атома водорода иной функциональной группой. Например, в генетический ряд метана СН₄ входят: хлористый метан СН ₃ С1, метиловый спирт СН ₃ОН, метиламин СН ₃NH ₂; и др.

Основным поставщиком органических веществ в природе являются растительный и животный мир. Растения усваивают из атмосферы углекислый газ и при помощи хлорофилла, содержащегося в листьях, и солнечной энергии образуют органические вещества, являющиеся строительным материалом для самих растений. Животные, поедая растения, накапливают органические вещества в своем теле, которые затем после гибели животных, переходят в почву, разлагаются, а затем также поглощаются растениями.

В результате развития органической химии оказалось возможным создание широкого спектра искусственных органических веществ, которые нашли применение в технике, медицине, биологии. Так были созданы каучуки, необходимые в резиновой промышленности, синтетические волокна для техники и легкой промышленности, пластические массы, широко используемые в технике, красители, медикаменты, кинофотоматериалы, стимуляторы роста растений, средства борьбы с вредителями и многое другое.

Полимеры - это химические соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (моно мерных звеньев). Природными полимерами (биополимерами) являются белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы. Синтетическими полимерами искусственного происхождения являются всякого рода производные от углеводородов - полиэтилены, полипропилены, фенолоформальдегидные смолы и т. п.

Пластмассы (пластические массы) - это материалы, содержащие в своем составе полимер, который в период формирования изделий находится в вязко текущем или высокопластичном состоянии, а при эксплуатации - в стеклообразном или кристаллическом состоянии. В зависимости от характера процессов, сопутствующих формированию изделий, пластмассы делятся на реактопласты и термопласты. Реактопласты - это материалы, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого полимера - отвердением; при этом пластик необратимо утрачивает способность переходить в вязко текучее состояние. При формировании термопластов не происходит отверждения, и материал в изделии сохраняет способность вновь переходить в вязко текучее состояние.

Пластмассы обычно состоят из нескольких взаимно совмещающихся и не совмещающихся компонентов. При этом помимо полимера в состав пластмасс могут входить наполнители полимерных материалов, пластификаторы, понижающие температуру текучести и вязкость полимера, стабилизаторы полимера, замедляющие его старение, красители и пр.

Термопластами являются полиэтилен, полихлорвинил, полистирол, поликарбонит, для них используются в качестве наполнителей эластомер, стекловолокна и пр. Реактопластами являются отвержденные фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы с наполнителями из древесной или кварцевой муки, асбестовых волокон, древесного шпона, стекловолокон, углеродных волокон и пр.

Пластмассы нашли широчайшее применение в технике для изготовления всевозможных крепежных и изоляционных изделий, корпусов приборов и машин, труб и пр.\

2.32) Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45% железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: «Оцел», «Харалуг» и «Уклад». В некоторых славянских языках и сегодня сталь называется «Оцел», например в чешском.

Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью.

Чугу́н — сплав железа с углеродом с содержанием более 2,14 % (точка эвтектического превращения на диаграмме состояний). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.

Аллюминий. Производство.

До конца XIX века алюминий в промышленных масштабах не производился.

Только в 1854 году Анри Сент-Клер Девиль (его исследования финансировал Наполеон III, рассчитывая, что алюминий пригодится его армии) изобрёл первый способ промышленного производства алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl3. В 1855 году был получен первый слиток металла массой 6—8 кг. За 36 лет применения, с 1855 по 1890 год, способом Сент-Клер Девиля было получено 200 тонн металлического алюминия. В 1856 году он же получил алюминий электролизом расплава хлорида натрия-алюминия.

В 1885 году, основываясь на технологии, предложенной русским ученым Николаем Бекетовым, был построен завод по производству алюминия в немецком городе Гмелингеме. Технология Бекетова мало чем отличалась от способа Девиля, но была проще и заключалась во взаимодействии между криолитом (Na3AlF6) и магнием. За пять лет на этом заводе было получено около 58 т алюминия — более четверти всего мирового производства металла химическим путем в период с 1854 по 1890 год.

Метод, изобретённый почти одновременно Чарльзом Холлом во Франции и Полем Эру в США в 1886 году и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало современному способу производства алюминия. С тех пор, в связи с усовершенствованием электротехники, производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые К. И. Байер, Д. А. Пеняков, А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, А. А. Яковкин и др.

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове. Металлургическая промышленность СССР в 1939 году производила 47,7 тыс.тонн алюминия, ещё 2,2 тыс.тонн импортировалось.

Вторая мировая война значительно стимулировала производство алюминия. Так, в 1939 году общемировое его производство, без учёта СССР, составляло 620 тыс. т, но уже к 1943 году выросло до 1,9 млн т.

К 1956 году в мире производилось 3,4 млн т первичного алюминия, в 1965 году — 5,4 млн т, в 1980 году — 16,1 млн т, в 1990 году — 18 млн т.

В 2007 году в мире было произведено 38 млн т первичного алюминия, а в 2008 — 39,7 млн т. Лидерами производства являлись:

Китай (в 2007 году произвёл 12,60 млн т, а в 2008 — 13,50 млн т),

Россия (3,96/4,20),

Канада (3,09/3,10),

США (2,55/2,64),

Австралия (1,96/1,96),

Бразилия (1,66/1,66),

Индия (1,22/1,30),

Норвегия (1,30/1,10),

ОАЭ (0,89/0,92),

Бахрейн (0,87/0,87),

ЮАР (0,90/0,85),

Исландия (0,40/0,79),

Германия (0,55/0,59),

Венесуэла (0,61/0,55),

Мозамбик (0,56/0,55),

Таджикистан (0,42/0,42)[9].

В России монополистом по производству алюминия является компания «Российский алюминий», на которую приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма.

Мировые запасы бокситов практически безграничны, то есть несоизмеримы с динамикой спроса. Существующие мощности могут производить до 44,3 млн т первичного алюминия в год. Следует также учитывать, что в будущем некоторые из применений алюминия могут быть переориентированы на использование, например, композитных материалов.

2.33)Радиоактивность

Явление самопроизвольного испускания химическими элементами излучения, обладающего значительной проникающей способностью и ионизирующими свойствами, получило название естественной радиоактивности. Элементы, испускающие такое излучение называются радиоактивными. Радиоактивными являются все элементы с порядковым номером более 83 в таблице Менделеева.(Z >83).

Состав радиоактивного излучения --- Излучение радиоактивных веществ состоит из трех компонент: a-,b-,g-излучения. Обнаружено, что a-,b-лучи отклоняются магнитным полем в разные стороны, а g-лучи не отклоняются совсем. Так были определены знаки зарядов составных частей радиоактивного излучения.

Типы радиоактивных распадов

Наблюдения показали, что одновременно a-и b-излучения испускаются только веществами, содержащими несколько различных радиоактивных элементов. Чистые радиоактивные элементы испускают или a-излучение или b-излучение, каждому их которых сопутствует g-излучение. Радиоактивность возникает вследствие самопроизвольного распада ядер одних элементов и превращения их в ядра других. Превращения ядер бывают двух типов: a-распад и b-распад. Они подчиняются определенным закономерностям, называемым правилами радиоактивного смещения. Эти правила установил Содди.

При реакциях самопроизвольного радиоактивного распада, также как и при искусственных ядерных реакциях выполняются следующие законы сохранения:

• сохранение зарядового числа

• сохранение массового числа

• сохранение энергии

Закон радиоактивного распадаКаждый радиоактивный элемент можно охарактеризовать промежутком времени Т, в течение которого распадается половина ядер, имевшихся в момент начала отсчета времени. Период полураспада- основная константа радиоактивного элемента. Период полураспада характеризует скорость распада. Например: радий 88Ra226 имеет период полураспада Т=1600 лет; торий 90Th231 -25.64 часа; полоний 84Po212 -3·10-7 сек.Выведем закон радиоактивного распада. Обозначим N-число ядер в момент времени t. Очевидно:

Так как n=t/T, то N=N0·2-t/T. Это и есть закон радиоактивного распада. За время t распадается число ядер, равное DN=N0-N=N0(1-2-t/T)

2.36) Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.Топливный элементы осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.Естественным топливным элементом является митохондрия. Митохондрия окисляет горючее (углеводы, белки, жиры) до углекислого газа и воды, создавая разность электрических потенциалов на своих мембранах. Создание искусственной митохондрии, окисляющей сахар — важнейшая инженерная задача.

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую (~80 %)[источник не указан 719 дней].

КПД, определённый по теплоте химической реакции, теоретически может быть и выше 100 % из-за того, что в работу может превращаться и теплота окружающей среды[2]. Здесь, тем не менее, нет никакого противоречия с ограничениями на КПД тепловых машин, поскольку топливные элементы не работают по замкнутому циклу, и реагирующие вещества не возвращаются в начальное состояние. При химической реакции в топливном элементе в электрическую энергию превращается, в конечном счёте, не теплота реагентов, а их внутренняя энергия и, возможно, некоторое количество теплоты из окружающей среды. Принцип разделения потоков топлива и окислителя. Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента.

Применение топливных элементов

• Стационарные приложения

• производство электрической энергии (на электрических станциях),

• аварийные источники энергии,

• автономное электроснабжение,

Транспорт

• автомобильные топливные элементы Honda, см Honda FCX

• электромобили, автотранспорт,

• морской транспорт,

• железнодорожный транспорт, горная и шахтная техника

• вспомогательный транспорт (складские погрузчики, аэродромная техника и т. д.)

Бортовое питание

• авиация, космос,

• подводные лодки, морской транспорт,

Мобильные устройства

• портативная электроника,

• питание сотовых телефонов,

• зарядные устройства для армии,

• роботы.

Преимущества водородных топливных элементов. Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых: Высокий КПД, Экологичность, Компактные размеры.

Водородная энергетика — развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Водородная энергетика относится к нетрадиционным видам энергетики. В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода:

• Паровая конверсия природного газа / метана

• Газификация угля

• Используя атомную энергию

• Электролиз воды

• Водород из биомассы.