Курс физика плазмы. Зачет презентация

Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбГПУ Владимир Юрьевич Сергеев проф., д.ф.м.н., кафедра физики плазмы

Задачи курса Целью настоящего курса является систематизация уже полученных ранее и приобретение новых знаний в области современных методов получения, преобразования, накопления и использования энергии: Знание физических законов, лежащих в основе современной и будущей энергетики Понимание физических основ и технических реализаций способов и методов, используемых в энергетике Знание экономической, технологической и экологической привлекательности различных методов современной и будущей энергетики Ожидается, что слушатели должны ориентироваться в стратегии и тенденциях развития мировой энергетики

Структура курса Введение. Классификация видов энергии. Современное состояние использования энергии в мире и перспективы Теплоэлектростанции традиционной энергетики и гидроэнергетика Физика ядерного реактора деления Энергетические ресурсы океана, энергия ветра и геотермальная энергия. Использование биотоплива в энергетических целях Фотоэлектрическое и фотокаталитическое преобразование солнечной энергии, МГД, термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи энергии Ядерный синтез – энергетика будущего (2 лекции) Водородная энергетика. Стратегия развития мировой энергетики

Как будет проходить зачет Будут розданы вопросы, дополнительные вопросы и пример задач В билетах будет 2 вопроса и 1 задача. В случае успешного ответа на вопросы и правильного решения задачи – будут заданы “n” = (3-7) простых дополнительных вопросов, зачет ставиться при доле правильных ответов, равной или превышающей 2/3. В особенно экзотических случаях 7

Виды взаимодействия и их использование в энергетике Гравитационное (притяжение Земли и космических объектов – гидроэнергетика, приливная энергетика) Электромагнитное (взаимодействие заряженных частиц, электромагнитных волн – тепловая энергетика, солнечная энергетика, ветроэнергетика, биоэнергетика) Слабое (бета-распад и другие явления обмена между лептонами и кварками – пока не используется) Сильное (притяжение между нуклонами в ядрах – ядерная энергетика)

Единицы измерения энергии Джоуль – это один [Ньютон метр] = [килограмм метр2 /секунда2] Калория – 4.184 Дж (нагреть 1 грамм воды на 1 градус Цельсия) Btu (British thermal unit) – 1055 Дж, т.е. примерно 1 кДж (нагреть 1 фунт воды на 1 градус Фаренгейта) 1 баррель нефти – 42 галлона (158.988 л) = 5800000 Btu (Пересчёт добычи: в среднем баррель в сутки равен 50 тоннам в год) 1 тонна условного топлива – теплотворная способность 1 тонны каменного угля (29.3 ГДж) 1 тонна нефтяного эквивалента – теплотворная способность 1 тонны нефти (41.9 ГДж)

Источники энергии Электричество, пар, горячая вода и др. – вторичный вид энергии, после ее преобразования из первичных источников

Трансформация форм энергии

Простейшие оценки энергопотребления

Потребление энергии в США в зависимости от источника за 2011 г. (типично для развитых стран)

Потребление энергии до кризиса 2008 г.

Потребление энергии во время кризиса 2008 г.

География удельного потребления энергии, 2011 г.

Динамика мирового потребления энергии по видам

Кто и какую энергию потребляет?

Насколько эффективно используется энергия?

Простейшие оценки энергопотребления

Рост мирового энергопотребления

Приблизительная оценка энергоресурсов

Основные экологические последствия энергетики

Парниковый эффект

Изменение приповерхностных температур

Киотский протокол

Энергетические и социальные альтернативы

Темная энергия и материя в космологии Полученные в последнее время космологические данные требуют кардинального дополнения современных представлений о структуре материи и о фундаментальных взаимодействиях элементарных частиц. Космологические же данные свидетельствуют о существовании новых типов частиц, ещё не открытых в земных условиях и составляющих «темную материю» во Вселенной.

Темная энергия и материя в космологии(1)

Темная энергия и материя в космологии(2) Вселенная в целом однородна: все области во Вселенной выглядят одинаково. Разумеется, это не относится к небольшим областям: есть области, где много звезд — это галактики; есть области, где много галактик, — это скопления галактик; есть и области, где галактик мало, — это гигантские пустоты. Но области размером 300 миллионов световых лет и больше выглядят все одинаково.

Темная энергия и материя в космологии (3)

Темная энергия и материя в космологии (4)

Темная энергия и материя в космологии (5)

Темная энергия и материя в космологии (6)

Темная энергия и материя в космологии (7)

Темная энергия и материя в космологии (8)

Темная энергия и материя в космологии (9) В случае евклидовой геометрии трехмерного пространства общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной с суммарной плотностью всех форм энергии, так же как в ньютоновской теории тяготения скорость обращения Земли вокруг Солнца определяется массой Солнца. Измеренный темп расширения соответствует полной плотности энергии в современной Вселенной

Темная энергия и материя в космологии (10)

Темная энергия и материя в космологии (11) Сравнение этого расчета с наблюдаемым количеством легких элементов во Вселенной приведено на рисунке: линии представляют собой результаты теоретического расчета в зависимости от единственного параметра — плотности обычного вещества (барионов), а прямоугольники — наблюдательные данные. Замечательно, что имеется согласие для всех трех легких ядер (гелия-4, дейтерия и лития-7); Важно, что все эти данные также приводят к выводу о том, что плотность массы обычного вещества в современной Вселенной составляет

Темная энергия и материя в космологии (12)

Темная энергия и материя в космологии (13) Из снимка реликтового излучения можно установить, какова была величина (амплитуда) неоднородностей температуры и плотности в ранней Вселенной — она составляла 10–4–10–5 от средних значений. Именно из этих неоднородностей плотности возникли галактики и скопления галактик: области с более высокой плотностью притягивали к себе окружающее вещество за счет гравитационных сил, становились еще более плотными и в конечном итоге образовывали галактики. Поскольку начальные неоднородности плотности известны, процесс образования галактик можно рассчитать и результат сравнить с наблюдаемым распределением галактик во Вселенной. Эти данные приводят к выводу о том, что плотность массы обычного вещества в современной Вселенной составляет т. е. обычное вещество вкладывает всего 5% в полную плотность энергии во Вселенной.

Темная энергия и материя в космологии (14) Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц. Помимо космологических данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках. Имеется несколько способов измерения гравитационного поля в скоплениях галактик, один из которых — гравитационное линзирование, проиллюстрированное на следующем рисунке.

Темная энергия и материя в космологии (15) Гравитационное поле скопления искривляет лучи света, испущенные галактикой, находящейся за скоплением, т. е. гравитационное поле действует как линза. При этом иногда появляются несколько образов этой удаленной галактики; на левой половине рис. они имеют голубой цвет. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают. Восстановленное таким образом распределение массы показано на правой половине рис. голубым цветом; видно, что оно сильно отличается от распределения светящегося вещества. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной.

Темная энергия и материя в космологии (16) Это проиллюстрировано на рисунке: по мере удаления от центра галактики скорости обращения не уменьшаются, что говорит о том, что в галактике, в том числе вдалеке от её светящейся части, имеется несветящаяся, темная материя. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик также согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной. По таким измерениям в нашей Галактике в окрестности Солнца масса темной материи примерно равна массе обычного вещества

Темная энергия и материя в космологии(17)

Темная энергия и материя в космологии(18)

Темная энергия и материя в космологии(19)

Темная энергия и материя в космологии (20) Итак, доля обычного вещества (протонов, атомных ядер, электронов) в суммарной энергии в современной Вселенной составляет всего 5%. При этом вещества в звездах ещё в 10 раз меньше; обычное вещество находится в основном в облаках газа. Помимо обычного вещества во Вселенной имеются и реликтовые нейтрино — около 300 нейтрино всех типов в кубическом сантиметре. Их вклад в полную энергию (массу) во Вселенной невелик, поскольку массы нейтрино малы, и составляет заведомо не более 3%. Оставшиеся 90–95% полной энергии во Вселенной — «неизвестно что». Более того, это «неизвестно что» состоит из двух фракций — темной материи и темной энергии, как изображено на рисунке.

Темная энергия и материя в космологии (21) Темная энергия — гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот. Один из кандидатов на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Изменение энергии при изменении объема определяется давлением, ΔЕ = —pΔV. При расширении Вселенной энергия вакуума растет вместе с объемом (плотность энергии постоянна), что возможно, только если давление вакуума отрицательно.

Темная энергия и материя в космологии (22) Другой кандидат — новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное. Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такая гипотеза далеко не безобидна: попытки обобщения общей теории относительности в этом направлении сталкиваются с серьезными трудностями. Как часто бывает в науке, впечатляющие успехи физики частиц и космологии поставили неожиданные и фундаментальные вопросы. Мы сегодня не знаем, что представляет собой основная часть материи во Вселенной. Мы можем только догадываться, какие явления происходят на сверхмалых расстояниях, и какие процессы происходили во Вселенной на самых ранних этапах её эволюции. Можно надеется, что на многие из этих вопросов ответы будут найдены в обозримом будущем — в течение 10–15 лет, а может быть, и раньше. Наше время — это время кардинального изменения взгляда на природу, и главные открытия здесь еще впереди.