Источник энергии

§ 5. СОЛНЦЕ КАК  ВАЖНЕЙШИЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

   Поскольку энергия всех практически используемых энергоносителей происходит от Солнца, то естественно возникает вопрос о происхождении энергии самого Солнца.

Ранние представления  о происхождении солнечной энергии

   Проблема происхождения солнечного света занимала людей еще с давних пор. В древности думали, что Солнце - это нечто, подобное мощному горящему факелу. Однако уже в первой половине XIX столетия было доказано, что в таком случае продолжительность существования Солнца не превышала бы 6000-8000 лет. Из геологических и палеонтологических исследований известно, что по крайней мере за последние 3-4 млрд.лет интенсивность солнечного излучения изменилась весьма незначительно. Примерно сто лет назад были попытки объяснить солнечную энергию постоянно падающими на Солнце метеоритами, кинетическая энергия которых превращается в тепло. Однако расчеты показывают, что это исключено хотя бы потому, что увеличение массы Солнца за счет метеоритов должно было бы привести к заметному увеличению солнечной гравитации. Предполагали также, что под действием собственной гравитации Солнце сжимается, и освобождающаяся при этом энергия превращается в тепло. Но это должно было бы привести к заметному уменьшению диаметра Солнца, и более того, как показывают подсчеты, оно бы уже остыло. Так что и эта теория оказалась несостоятельной.

   Таким образом, классическая физика и химия  не смогли ответить на вопрос о происхождении  энергии, излучаемой Солнцем в течение  миллиардов лет. Только современная  атомная физика показала, что источником солнечной энергии являются ядерные превращения, происходящие в недрах Солнца.

Ядерные реакции - источник энергии Солнца

   Революция в физике, совершившаяся на рубеже XIX и XX веков в частности благодаря открытию радиоактивности (Беккерель,1896), разработке квантовой теории (Планк,1900) и теории относительности (Эйн-штейн,1905), привела к открытию ядерных реакций, при которых освобождается в миллионы раз больше энергии, чем при химических. В ходе ядерных реакций (радиоактивного распада) атомные ядра (неделимые с точки зрения классической физики) одних радиоактивных элементов превращаются в атомные ядра других. В природе происходит естественный радиоактивный распад ряда химических элементов. В лабораторных условиях в настоящее время возможно искусственное превращение атомных ядер всех химических элементов. Эти процессы совершаются при бомбардировке атомных ядер различных элементов высокоэнергетическими ядерными частицами.

   На  основе лабораторных исследований ядерных  реакций Бете (1938) пришел к заключению, что энергия, излучаемая Солнцем, - это продукт происходящего на Солнце процесса слияния (синтеза) ядер атомов водорода (протонов) в атомные ядра гелия: При этом возникают также позитроны (е+) и нейтрино (v) в соответствии с бруттоуравнением [отнесенным к одному молю (4 г) Не.

   Синтез  ядер, ведущий к образованию гелия, происходит при температуре в  миллионы градусов (поэтому эти процессы называют термоядерными реакциями) и при очень высоком давлении.

   Для наглядного представления об истинных размерах энергии, освобождающейся при ядерном синтезе, интересно сравнить его с реакциями окисления водорода или углерода, которые относятся к числу наиболее "энергетически богатых" химических процессов:

   Видно, что энергия, выделяющаяся при термоядерных реакциях, во много миллионов раз  превосходит теплоту сгорания. С  помощью спектроскопических исследований установлено, что Солнце в основном состоит из водорода: на каждые четыре атома водорода приходится только один атом гелия. В течение 5-6 миллиардов лет, прошедших со времени возникновения Солнца, лишь относительно небольшая часть содержащегося в нем водорода превратилась в гелий. Следовательно, Солнце может излучать энергию еще в течение нескольких миллиардов лет.

   Таким образом, благодаря успехам современной  физики доказано, что потребность  в энергии живой и неживой  природы, а также человеческого  общества, в конечном счете удовлетворяется  за счет термоядерных процессов, происходящих на Солнце. При современных способах получения атомной энергии ее можно использовать лишь после многочисленных преобразований. Осуществление в искусственных условиях управляемой термоядерной реакции дало бы человечеству мощный источник энергии. Вот почему над этой проблемой работают физики всего мира. Неуправляемый ядерный синтез с огромной скоростью совершается при взрыве водородной бомбы.

§ 6. ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ КАК НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ

   Как уже отмечено выше, большинство источников энергии несет в себе энергию  солнечного излучения в виде химической энергии, которая различными способами может быть превращена в форму, удобную для использования.

Химическая энергия  с точки зрения термодинамики  и теории строения вещества

   К исследованию химической энергии можно  подойти двумя различными путями. При макроскопическом подходе достаточно ограничиться непосредственно наблюдаемыми энергетическими процессами, не принимая во внимание механизма этих процессов. Именно таким путем идет термодинамика, которая обеспечивает теоретическую основу при разработке тепловых двигателей. Для определенного уровня практических требований такой подход вполне удовлетворителен.

   Однако  более глубокое понимание процессов  превращения энергии возможно только при проникновении в микромир, т.е. при исследовании свойств атомных и молекулярных структур, которые лежат в основе процессов возникновения и разрыва химических связей. Этими вопросами занимается наука о строении вещества, в частности атомная физика и квантовая теория. Структура атомов и молекул чрезвычайно сложна, поэтому упрощенное представление о ней (хотя оно "и возможно) весьма грубо отражает действительность. Полученные на основе такого представления результаты часто недостаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, следовательно, их применение на практике весьма ограничено.

   Дальнейшее  развитие науки потребовало разработки теорий, более точно отражающих действительность, а поэтому более сложных и  гораздо менее наглядных. Такой  теорией является квантовая теория (квантовая механика и квантовая  химия), изучающая структуру и превращения атомов и молекул. Эта теория лишена наглядности, она занимается скрытыми явлениями природы, нигде непосредственно не встречающимися, которые не воспринимаются нашими органами чувств.