Шпаргалка по предмету "Концепции современного естествознания"

2. Энергия ветра (в США планируется к 2020 году увеличить ветроэнергию в 50раз).

3. Гелиоэнергетика (использование солнечной энергии). Солнце (звезда) выделяет энергию путем термоядерного синтеза.

4. АЭС  (атомные электростанции). Используют энергия деления ядер. Первая АЭС была построена 27 июня 54 года в г. Обнинск.

Принцип работы основан на цепной реакции деления  урана.

1кг урана  выделяет в миллион раз больше энергии, чем 1кг каменного угля.

Способы преобразования энергии:

1. Получение тепловой энергии при сжигании топлива.

2. Преобразование, заключенной в топливе тепловой энергии, в механическую работу.

3. Преобразование тепла, высвобождающегося при сгорании топлива и деления ядер электроэнергию.

Паровая машина была создана во второй половине 19в. английским изобретателем Дж.Уаттом. Далее в 1886 немецкий электрик В. Сименс изобрел динамо-машину (электрогенератор).

ТЭС (тепловая электростанция) при сжигании ископаемого топлива получаются тепло и пар, подаваемый на турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. В качестве топлива используются уголь, нефтепродукты или природный газ. КПД современной ТЭС – около 40%.

ГЭС (гидроэлектростанция): Принцип работы основан на преобразовании потенциальной энергии падающей воды в кинетическую энергию вращения турбины, связанной с генератором, преобразующим кинетическую энергию в потенциальную. КПД ГЭС – 60-70%.

АЭС (атомная  электростанция) Принцип работы основан на цепной реакции деления урана. Деление ядер сопровождается выделением огромного количества энергии. По энергоёмкости ядерное топливо значительно превосходит все другие виды потребляемого топлива. КПД АЭС – 32%.

Альтернативная  энергетика - совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены не так широко, как  традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии района.

Направления альтернативной энергетики:

1. Ветроэнергетика

2. Гелиоэнергетика

3. Альтернативная  гидроэнергетика(водопадные ГЭС).

4. Геотермальная энергетика.

5. Космическая  энергетика (Получение электроэнергии в фотоэлектрических элементах, расположенных на орбите Земли. Электроэнергия будет передаваться на землю в форме микроволнового излучения).

6. Биотопливо.

28. Ядерная энергия и проблемы  ее использования. Термоядерный  синтез. Энергоэффективные технологии.

Ядерная энергия - это внутренняя энергия атомного ядра, выделяющаяся при ядерных реакциях. Энергия, которую нужно затратить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны наз-ся энергией связи ядра. Энергия связи ядра, рассчитанная на один нуклон, наз-ся удельной энергией связи.

Энергия связи  ядра складывается из энергии притяжения нуклонов друг к другу под действием ядерных сил и энергии взаимного отталкивания протонов под действием электростатических сил. Каждый нуклон сильно взаимодействует лишь с небольшим числом соседних. Поэтому уже начиная с альфа-частицы удельная энергия связи слабо растет с увеличением атомного веса, достигая максимума у ядра железа Fe (А=56), после чего идет спад.

Из-за электростатического  отталкивания протонов реакции ядерного синтеза могут развиваться, если кинетическая энергия ядер велика. В земных условиях осуществлены две термоядерные реакции - слияние двух дейтронов и синтез дейтрона т тритона.

Термоядерный  синтез – это реакция слияния лёгких ядер при больших температурах с выделением энергии.

Недостатком ядерных энергий синтеза легких ядер - термоядерных реакций явл-ся необходимость получения высоких начальных температур и трудность удержания устойчивой плазмы. Эти трудности не преодолены до настоящего времени, и программы термоядерных реакций в наст. время свернуты во все мире.

Альтернативой ядерных АЭС явл-ся иные источники, экологически безопасные. К ним относятся солнечная энергия, энергия ветра. рек, морских волн и приливов.

29. Поведение веществ в электрических  полях. Диэлектрики и пьезоэлектрики  и их применение технике и  технологиях.

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.

     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. 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.

 

 

 

 

 

 

30. Поведение веществ в магнитных  полях. Ферромагнетики и ферриты  и их применение технике и  технологиях.

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:

                 I=c_mH                                 

где , c_m — магнитная восприимчивость вещества,

H — напряженность  магнитного поля. У диамагнетиков c_m < 0, у парамагнетиков c_m > 0. 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.

     Ферромагнетики  широко используются в катушках  индуктивности для увеличения

значения индуктивности  при малых габаритах, поскольку  индуктивность

              

гае S — сечение сердечника, l — длина магнитной силовой линии.

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.

31. Новые материалы. Синтетические  материалы. Полимерные материалы.  Термопласты и реактопласты, эластомеры, пластмассы и их применение технике и технологиях.

Материалы –  это ступени нашей цивилизации, а новые материалы – это трамплин для прыжка в будущее, меняющий облик нашего бытия. Синтетические материалы получают это вещество с помощью химических реакций. 
Во время реакции происходит соединение простых молекул в сложные. Такое соединение химики называют словом «синтез». В древности широко применялся один вид материала – камень. несколько тысячелетий назад удалось выплавить железо. Сейчас железо уступает другим материалам и прежде всего полимерам.  Разнообразная одежда из полиэфира, полиэтиленовая посуда и т.п. – все это производится из полимеров. Многие детали современных самолетов изготавливаются из композиционных полимерных материалов. один из них – кевлар – по важному показателю прочность, масса превосходит даже самую высокопрочную сталь.

Пластмассы – это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные принимать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Пластмассы различаются по эксплуатационным свойствам. виду наполнителя и типу полимера. Полимерные материалы широко применяются в строительной индустрии для изготовления рам, кровли и облицовочных плит. 

Эластомеры – еще одна разновидность полимерных материалов. К ним относится каучук, из которого производится широко распространенная резина, обладающая отличительным свойством – эластичностью. такое свойство объединяет многие эластичные материалы в одну группу эластомеров. Долгое время был известен только один вид эластичного материала – природный каучук.  Натуральный каучук имеет сравнительно невысокие термостойкость и малостойкость, подвержен старению. Современные технологии позволяют получить синтетический каучук с лучшими свойствами. Превосходными качествами обладает силиконовый каучук. Сфера применения эластомеров весьма разнообразна – от машиностроения до обувной промышленности, но все же значительная их доля идет на изготовление шин, потребность в которых с ростом количества автомобилей постоянно возрастает. Термопласты — полимерные материалы, способные обратимо переходить при нагревании в высокоэластичное либо вязко-текучее состояние. При обычной температуре термопласты находятся в твердом состоянии. При повышении температуры они переходят в высокоэластичное и далее — в вязко-текучее состояние, что обеспечивает возможность формования их различными методами.

Реактопласты (термореактивные пластмассы) — пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала.

32. Производство металлов (сталь, чугун,  алюминий).

Металлургия – это область науки техники производства  связанная с промышленным производством металлов из природного сырья. Вся металлургия разделяется на цветную и черную. Черная металлургия включает добычу и обогащение руд черных металлов, а также производство чугуна, стали и ферросплавов. К цветной металлургии относят добычу  обогащенных руд цветных металлов, производство цветных металлов и их сплавов. К цветным металлам относят все металлы и сплавы кроме железа и его сплавов. Медь, свинец, никель, алюминий, цинк, олово, титан, магний.

Чугуны – сплавы железа с углеродом, при содержании углерода более 2.14%. Чугун выплавляют в доменных печах объемом до 5000 м3, куда руду, кокс и флюсы загружают чередующимися слоями, опускающимися вниз печи под влиянием собственной массы. В нижнюю часть печи — горн через отверстия — фурмы подают   под   давлением нагретый воздух, необходимый для поддержания горения топлива.

Кокс, сгорая в  верхней части горна, образует СО2 ;ij[C+O2 = CO2), который поднимается вверх  по печи и, встречая на своем пути раскаленный  кокс, переходит в оксид углерода: CO2-f-: -f-C=2CO. Оксид углерода восстанавливает  оксиды железа до чистого железа по схеме Fe2O3->-F3O4-»-FeO-> -HFe .

Сталь – это сплавы железа с углеродом, при содержании углерода менее 2.14%. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Алюминий: получают из оксида алюминия Al₂O₃ электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al₂O₃ получают переработкой природного боксита.

Основное исходное вещество для производства алюминия - оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 ^oC), поэтому требуется слишком много энергии. Поэтому алюминиевые заводы наиболее выгодно строить в регионах, где есть свободной доступ к источникам электроэнергии.

33. Радиоактивность и закон радиоактивного  распада. Изотопы. Технологии  утилизации радиоактивных отходов  и материалов.

У каждого химического  элемента из таблицы Менделеева есть порядковый номер, который указывает  заряд  ядра, число протонов или электронов. Число атомной массы показывает суммарное число частиц.

Сущность  радиоактивности: есть некоторые химические элементы и их изотопы, которые самопроизвольно могут излучать частицы или волны.