Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №26 с углубленным изучением отдельных предметов» г. Нижнекамска Республики Татарстан

Поиск альтернативных источников энергии
Интегрированный урок по химии и физике

Подготовили учитель химии

Ларина Светлана Вячеславовна

и учитель физики

Кучукова Светлана Сергеевна

Нижнекамск 2010

Ларина Светлана Вячеславовна

учитель химии

учитель физики 2 квалификационной категории

МОУ «СОШ №26 с углубленным изучением отдельных

предметов»

Г. Нижнекамска Республики Татарстан

Интегрированный урок « Поиск альтернативных источников энергии » (химия, физика)
Цели урока: дидактические – создать условия для усвоения нового учебного материала, используя технологию критического мышления,проблемного обучения.образовательные : закрепить знания учащихся о свойствах, составе и применении основных природных источников углеводородов как основных источников энергии; познакомить учащихся с новыми источниками энергии;
развивающие – развивать мышление учащихся, умение анализировать, сравнивать, обобщать; формировать представление о процессе научного познания;воспитательные – воспитывать личностные качества, обеспечивающие успешность исполнительской деятельности(активность, увлеченность, наблюдательность); прививать культуру умственного труда;

Ключевые слова (написаны на доске) : нефть, природный и попутный газ, уголь, топливо, энергия, ветроэнергетика, гидроэнергетика, приливно-отливная энергетика, геотермальная энергетика, биоэнергетика.

1.Этап вызова: из ключевых слов определяется тема урока

«Поиск альтернативных источников энергии»

Учитель химии: Слова американского писателя Кристиана Боуви «Немногие умы гибнут от износа, по большей части они ржавеют от неупотребления» станут эпиграфом нашего урока. И это неслучайно. Чем больше человек думает, тем шире становится его кругозор, тем больше явлений он сможет объяснить. А для того, чтобы понять непонятное, надо знать очевидное. На доске написаны ключевые слова урока.

Давайте попробуем сформулировать тему нашего нетрадиционного интегрированного урока, который будут проводить учитель химии и физики.

«Поиск новых (альтернативных) источников энергии».

Для начала давайте вспомним все, что мы уже знаем о природных источниках углеводородов из курса химии.

Основной источник энергии- нефть 47%. Представим, что мы находимся на самом большом нефтеперерабатывающем заводе.

Вопрос к классу :

Что собой внешне представляет нефть и есть ли у этой жидкости температура кипения?

(Нефть – жидкость, черного цвета, маслянистая, с резким запахом, не смешивается с водой. Т. кипения у нее нет, есть интервал температур).

Можно ли выразить состав нефти одной формулой?(Нефть- это смесь углеводородов, поэтому состав нефти непостоянный)

Какие способы переработки нефти вам известны?

Какие продукты первичной переработки нефти вам известны?

Вопрос к классу: Почему при отравлении нефтепродуктами противопоказано принятие жиров, растительного масла, яиц?

Ответ: У/в растворяются в жирах, задерживаются в организме, и тем самым дольше оказывают их разрушающее действие.

Вопрос к классу :

Почему в состав нефти практически не входят алкены, алкины и малые циклы?

Ответ. Перечисленные углеводороды – значительно более реакционноспособны, чем углеводороды, содержащиеся в нефти. Они плохо хранятся даже в течение нескольких лет – в реактивы-алкены, выпускаемые химической отраслью промышленности, добавляют специальные вещества-стабилизаторы, чтобы предотвратить их полимеризацию и окисление. Что же говорить про нефть, залежи которой существуют геологические отрезки времени. Конечно, данные углеводороды, даже если бы и содержались в нефти, давно превратились бы в менее реакционноспособные вещества (в условиях, при которых залегает нефть, вероятнее всего, полимеризовались).

Учитель химии:

«Невидимое золото», «незримые сокровища», «кладовые голубого огня» - эти эпитеты посвящены природному и попутному нефтяному газу, который находится в залежах вместе с нефтью, растворен в ней или образует газовую шапку. Газ – удобное, экономичное, достаточно чистое в экологическом плане топливо и химическое сырье для получения пластмасс, волокон, удобрений, фреонов, лекарств, каучуков и др. 17% природного газа используется как источник энергии.

Каков же состав природного и попутного нефтяного газов?

Вопрос к классу: Написать уравнение реакции горения бытового газа пропана под кастрюлей борща на кухне?

Учитель химии: Геологические запасы органического топлива в мире более 80% приходится на долю угля, который становится все менее популярным. Замена всех АЭС в нашей стране на угольные ТЭС привела бы к 50-кратному увеличению числа преждевременных смертей по сравнению с последствиями аварии на Чернобыльской АЭС. Как вы думаете почему?

Учитель химии: На 5-7 минут вам предлагается разноуровневый тест по подготовки к ЕГЭ по теме «Природные источники углеводородов»

Итоги подводятся в виде самоконтроля (Ответы на слайде), ошибки комментируются

Тестовые задания по теме. Вариант I .

1. Установить соответствие:1)гудрон а) летучая фракция нефти2) бензин б) содержит углеводороды с числом атомов углерода от 12 до 18 в) применяется в дорожном строительстве3) крекинг г) разбивание длинных цепей углеводородов4) керосин

2. Нефть - это:

смесь предельных углеводородов с примесью минеральных веществ; сложная смесь различных углеводородов; смесь насыщенных углеводородов ряда метана, ароматических углеводородов и циклоалканов с примесью неорганических веществ; смесь газообразных, жидких и твёрдых углеводородов, которые можно разделить в процессе переработки.

3. Процесс термического разделения нефти на фракции называется:

крекинг; отгонка; риформинг перегонка; пиролиз.

4. Крекинг нефти – это:

процесс расщепления тяжёлых углеводородов нефти на лёгкие; термическое разделение нефти на фракции; процесс превращения парафинов и циклопарафинов в ароматические углеводороды; дегидрирование алканов.

5. Из предложенных продуктов переработки выберите те, которые получаются при перегонке нефти:

бензин коксовый газ; керосин; кокс; лигроин; красители; газойль; минеральные масла; мазут; бензол и его гомологи.

Ответы: 1-(1-в,2-а,3-г,4-б,) 2- в, 3- г, 4 – а, 5 – а, в, д, ж, и.

Вариант II .

1. Природными источниками углеводородов являются:

нефтяные газы, нефть, каменный уголь; многие минералы и горные породы; кокс, древесина.

2. Самой тяжёлой фракцией нефти является:

бензин, газойль, мазут, лигроин, соляровое масло.

3. Какой бензин обладает лучшими качествами:

бензин, полученный прямой перегонкой; крекинг-бензин; бензин, полученный при термическом крекинге.

4. Из предложенных продуктов и материалов выберите те, которые получают из нефти:

стекло; пластмассы, синтетические волокна; поваренная соль; бумага; органические растворители, лаки.

5.Остаток после перегонки нефти:

А) керосин

В) гудрон

Г) бензин

Ответ: 1- а, 2- в, 3- б, 4 –б,в,е, 5 –в

. Учитель: Вам раздали таблицы, в которых вы должны зафиксировать новую информацию, появившиеся вопросы, выводы.

У учащихся приготовлены таблицы для заполнения:

Узнал(а) новое

2. Стадия осмысления
Учитель физики: По данным экспертов, в начале 21 века добыча нефти и природного газа начнет сокращаться: их доля в топливно- энергетическом балансе снизится к 2020 г. С 66,6% до 20%. Уже сейчас нефтяной кризис повлиял на быт: например, температура в государственных учреждениях Германии не должна превышать 18* С, на лестницах домов свет зажигается на минуты, которые необходимы человеку для того, чтобы подняться на свой этаж.

Неуклонное увеличение численности населения нашей планеты, беспрецедентно быстрое развитие производства в период НТР, нарастающее истощение запасов привычных источников энергии (угля хватит на 600 лет, нефти – на 90 лет, газа – на 50 лет, урана – на 27 – 80 лет), наконец, требования к сохранению окружающей среды заставляют людей искать новые источники энергии, прежде всего, располагающие возобновимыми или малоисчерпываемыми запасами. Человечество еще плохо использует возможности получения энергии из природных, практически неисчерпаемых источников: тепла земных недр и океана, энергии океанских и речных течений, приливов и волн, ветра.

Человечество потребляет огромное количество энергии. За год мы сжигаем от 9 до 20 млрд. тонн топлива. 75% всей потребляемой энергии составляют полезные ископаемые (34% - нефть, 25% - уголь, 19% - природный газ); 5% остальной потребляемой энергии – атомные ЭС; 6% - ГЭС; 11% - от других источников энергии.

Обратим внимание на те 17%, которые приходятся на возобновляемые источники энергии.

Несмотря на огромный потенциал возобновимых источников энергии их использование осложняется техническими сложностями, и потому по самым оптимистичным прогнозам за счет нетрадиционной энергетики удовлетворено не более 30% потребностей человечества в энергии.

Сейчас в РФ за счет нетрадиционных источников получают 1% энергии, что конечно очень мало. Мы на своем уроке хотим обратить внимание на эту проблему.

Учитель химии: Собственно альтернативные источники энергии уже и сейчас не только имеются, но и успешно используются для блага людей. Человечество в течение тысячелетий почти до XX века довольно интенсивно пользовалось энергией ветра для мореплавания, помола зерна, подъема воды и много другого. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории- от наших западных границ до берегов Енисея..

Как вы думаете, почему прекратилось использование ветроэнергетики?

(В XX веке использование ветра практически прекратилось в связи с появлением тепловых двигателей и электромоторов.) Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях препятствует и их высокая себестоимость. Однако в связи с истощением доступных запасов нефти и загрязнением окружающей среды интерес к ветроэнергетике в последние годы возродился и, вероятнее всего, будет расти. Сегодня в Дании действует более 2000 ветроэнергоустановок, и она является основным экспортером этого вида генераторов. Испания и Германия являются лидерами по Европе по использованию ветроэнергетики, ее прирост каждый год составляет 25%.

Швеция, например, к 2020 году полностью планирует отказаться от органических источников топлива и перейти на энергию из возобновляемых источников.

Исландия где-то к 2050 году.

Еще в конце 20-х гг. человечество начало использовать и гидротермальную энергию, т.е. энергию, источником которой служит разница температур морской воды из верхних и нижних горизонтов.

Благоприятны, например, условия для использования гидротермальной энергии на Кубе.

Как видим, Европа и не только она, доказала, что использовать альтернативные источники энергии не только необходимо, но и выгодно. Их нужно развивать, за ними будущее.

Вопрос к классу: Нашли ли вы информацию, какие альтернативные источники энергии используют или предлагают к использованию в различных странах мира?

Выступления учащихся: 1. Большинство источников восстанавливаемой энергии зависит от географических и природных факторов, которые различны в каждой стране. К примеру, энергия солнца и ветра больше представлена в Испании, чем в Австрии. В свою очередь, многочисленные реки и горы на территории Австрии больше подходят для строительства гидроэлектростанций.

2. По поручению первого заместителя председателя Правительства РФ Виктора Зубкова в Минрегионразвития 8 сентября 2009 года прошло первое заседание межведомственной рабочей группы по разработке и реализации проекта использования низкокачественной древесины и отходов лесопереработки в производстве биотоплива в Архангельской области.

3. В Норвегии построили первую в мире плавучую прибрежную полнофункциональную ветровую турбину. Турбина Hywind, весящая 5 300 тонн, имеет высоту 65 метров. Она располагается в 10 километрах от острова Кармой, что неподалеку от юго-западного побережья страны.

4. Американские ученые пишут, что "Бракованные" арбузы могут стать источником биотоплива

Сок оставленных на бахче из-за косметических дефектов арбузов может стать важным источником биотоплива - горючего на основе спиртов из естественного сырья, которым ради снижения выбросов пытаются заменить автомобильный бензин

5. Бабушка американского президента Барака Обамы примкнула к молодежной экологической программе Greenpeace "Солнечное поколение", популяризирующей использование солнечной энергии.Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлива, а за 1 сек-170 млрд Дж. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера и толь ко треть ее достигает земной поверхности.

6. Электричество из асфальта: нанопокрытие превратит любую поверхность в солнечную батарею, считают российские ученые

Идея заключается в том, что, к примеру, поверхности тротуаров и автодорог могут быть заполнены молекулами пигмента, который собирает солнечный свет и преобразовывает его в «чистое» электричество или даже в топливо.

Учитель физики: Энергетическая проблема является одной из самых острых. Бурно развивающаяся экономика в XXI веке требует все больше энергозатрат.

Сегодня суммарное потребление тепловой энергии в мире составляет >200 млрд. кВт/ч в год, (эквивалентно 36 млрд. т усл. топлива). В России сегодня общее потребление топлива составляет около 5 % мирового энергобаланса. Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к АИЭ:

* Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI века.

* Политический: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы;

* Экономический : переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;

* Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.

Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

Учитель химии : Можно долго спорить, какие негативные последствия несут реформы в энергетике и коммунальном хозяйстве, каким тяжелым бременем в очередной раз они лягут на наши плечи. Но нам давно пора сделать свою жизнь культурной, богатой и счастливой.

А чтобы наша жизнь становилась лучше, нам следует научиться экономить.

Экономия энергии становится чуть ли не новой национальной идеей. Правительство готовит госпрограмму, которая позволит сберечь сотни миллионов тонн топлива. Президент призывает переходить с ламп накаливания на дорогие, но энергоэффективные лампочки..

Не все знают, что в середине 19 века Россия была одной из самых энергоэффективных стран мира. Несмотря на не очень-то благоприятный климат, эффективность использования энергии у нас была в 3,5 раза выше, чем в США и Западной Европе. А русская печь в деревянном доме оставалась лучшей системой отопления в мире.

Картина изменилась после Октябрьской революции. За 90 лет Россия вышла на 10-е место по энергорасточительности, пропустив только «теплые» и «очень теплые» страны

(Азербайджан, Украину,Казахстан, Узбекистан, Танзанию, Нигерию, Эфиопию).

Наша высокая энергоемкость это наследство индустриализации и планового ведения хозяйства.

У России огромный потенциал энергосбережений-45%. Энергосбережение в быту не распространено у нас по двум причинам: нет материального стимула и культуры энергопотребления.

Приведу примеры нашей энергорасточительности… В Мурманске на берегу Кольского залива стоят «Дома с подогревом». Отопительные трубы проложены внутри стен, и холодный арктический ветер обдувает теплые фасады зданий. Часть тепла уходит на обогрев атмосферы. На севере строят футбольные поля с обогревом, вместо того, чтобы развивать зимние виды спорта. Жилой сектор- это «черная дыра» в энергетике. Кому незнакома ситуация… за окном весна, но батареи раскалены, мы вынуждены открывать форточки, тем самым отапливая улицу… Коммунальщики спешно сжигают остатки топлива. Экономия им не выгодна, иначе на следующийгод, с учетом расточительности, им ограничат поставки угля и мазута. Вот где пережитки плановой экономики.

Наступает период энергосберегающих технологий и всемирной экономии энергии.

Учитель физики : Какие вы можете предложить пути энергосбережения?

- В настоящее время почти вся европейская бытовая техника имеет специальную евронаклейку с обозначением класса энергосбережения от А до G. К классу А относят наиболее, а к классу G наименее экономичные приборы.

Специалисты подсчитали, что доведение нашей бытовой техники до современного уровня по показателям расхода электроэнергии позволило бы сэкономить в год более 20 млрд кВт-ч электроэнергии, что почти вдвое больше годовой выработки Волжской ГЭС.

Учет энергоресурсов. Закон РФ « Об энегосбережении» предусматривает обязательность учета энергоресурсов. Стоит подумать об установке приборов учета, замены существующих ламп на более современные, энергосберегающие.

Выпуск более экономичных автомашин

Структурные изменения в экономике (рост доли менее энергоемких отраслей)

Развитие атомной энергетики

Использование неисчерпаемых природных ресурсов (солнечная радиация, тепло Земли)

Какие же перспективы мы видим?

В течение ближайших 30-40 лет, возможно, произойдут следующие изменения:

Стабилизируется рост потребления

Увеличится доля новых технологий для производства энергии

Увеличится масштаб и стоимость транспортировки

Возрастет эффективность использования

Увеличится доля альтернативных источников энергии(атомная), солнечная энергия, энергия ветра

Учитель химии:

3.Стадия рефлексии: Сегодня на уроке мы обсудили, какие изменения могут произойти или происходят в энергетике. Как сэкономить электроэнергию? Каковы причины перехода на АИЭ.

Выставляются оценки за урок.

Домашнее задание: Как доказать, что современные способы использования человечеством органического ископаемого сырья планеты (природного газа, угля, нефти) в значительной мере являются источником экологического кризиса планетарного масштаба?

(2-3 мин)

Урок мне хотелось бы закончить так:

Ни один сосуд не вмещает больше своего объема,

кроме сосуда знаний; он постоянно расширяется

арабская

Список использованной литературы:

3. Специализированный журнал №7,2007 ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ;

4.Журнал для руководителей и специалистов ЭНЕРГЕТИКА ТАТАРСТАНА №2(6)2007;

5. Журнал ТАТАРСТАН 12"2002(специальный выпуск посвященный ОАО "ТАТЭНЕРГО");

6. Журнал «Наука и жизнь», издательство «Правда», 1989г. 7. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника 8. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1982г. 9. П. Ревелль, Ч. Ревелль «Энергетические проблемы человечества», «Мир», Использованные материалы и Интернет-ресурсы: Электронная библиотека: 1. www.science-award.siemens.ru 2. www.wikipedia.org

Название:
Номинация:
Авторы:
Золотова Светлана Евгеньевна
учитель математики
Чащина Светлана Юрьевна
Учитель химии
Усанова Виктория Васильевна
Учитель физики
Место работы: ГБОУ Гимназия № 1562 им. Артема Боровика г. Москвы
Месторасположение: г. Москва

Интегрированный урок по математике, физике, экологии

Интегрированный урок рассчитан на учащихся 8 класса и раскрывает связь математики, физики с экологией нашей планеты на примере решения экономических задач экологического содержания.

Цели и задачи:

Образовательные:

• создать у учащихся мотивы энергосберегающего поведения;
• формирование компетентности в сфере самостоятельной познавательной деятельности;
• формировать умения и навыки решать математические задачи экономического содержания.

Развивающие:

• способствовать развитию творческих способностей, умений работать с учебной информацией, анализировать; сравнивать;
• продолжить развитие навыков интеллектуальной коллективной работы, умения излагать свою точку зрения.

Воспитательные:

• воспитание личности, интересующейся важнейшими тенденциями развития планеты, проблемами окружающей среды привлечь внимание учеников к проблеме экономии энергии и энергоресурсов;
• вовлекать школьников в полезную деятельность по энерго- и ресурсосбережению;
• стимулировать интерес учащихся к практическому применению знаний, полученных в школе.

Тип урока: урок применения полученных знаний.

Ход урока

1. Организационный момент

Добрый день, ребята.

В 2017 году «Час Земли» традиционно, в десятый раз, пройдет в России и других странах мира. Кто из вас слышал про эту акцию? Когда она проходит? В чем заключается данная акция?

Главной темой Часа Земли стала экологическая ответственность каждого жителя планеты. Цель глобальной акции Час Земли — привлечь внимание к ограниченности ресурсов нашей планеты, и призвать людей бережно и ответственно относиться к тому, что дает нам природа.

На один час с 20.30 до 21.30 в Москве будет отключена подсветка более 1600 зданий и 14 парков. Очень важно, не просто задать себе вопрос: «Что лично я могу сделать для экономного энергопотребления?», а сделать хотя бы шаг в сторону экологического образа жизни. В рамках акции все желающие на час отключают свет и электрические приборы, чтобы выразить свое бережное отношение к окружающему миру.

1. Мотивация учебной деятельности

Само слово “ЭНЕРГИЯ” — какое-то на первый взгляд нематериальное. Не увидеть, не потрогать! Однако ничто вокруг нас не совершается без участия этой самой энергии.

В данном видеофильме вам напомнили, откуда в наши дома поступает электрическая энергия. Давайте перечислим для каких целей мы ее используем. (ответы учащихся)

Именно поэтому двадцатое столетие принято называть веком электричества. «Электрический прорыв» произошел не столько в производственной сфере электроэнергетики, сколько у потребителей электроэнергии при ее использовании в бытовых процессах.

Процессы производства электроэнергии, которую мы потребляем, наносят урон окружающей среде. Этот урон заставляет нас задуматься над возможностями снижения потребления энергии.

Проблема энергосбережения актуальна не только для наших семей, гимназии, города, страны, но и всего мира. Экономия электроэнергии дает возможность снизить собственные затраты и оказывать меньшее воздействие на окружающую среду.

Энергосбережение представляет собой комплекс мероприятий по сохранению и рациональному использованию электричества и тепла. На сегодняшнем уроке мы хотели бы подробнее рассмотреть вопрос энергосбережения в области экономии электроэнергии.

Итак, как вы сформулируете ключевой вопрос сегодняшнего урока? Тема урока: Электричество. Учимся экономить.

Потребность в энергии постоянно увеличивается. Зачастую в пустующих помещениях горят электрические лампы, бесцельно работают конфорки электроплит, светятся экраны телевизоров. Установлено, что 15-20% потребляемой в быту электроэнергии пропадает из-за небережливости потребителей.

1. Проверка и обсуждение выполнения домашней работы

• На выходные мы дали вам следующее задание: Составить энергетический паспорт квартиры. Для этого необходимо было с родителями заполнить предложенную вам таблицу и рассчитать расходы семьи за использование …..

Название:
Номинация: Школа, Конспект урока,школа, алгебра 8 класс
Авторы:
Золотова Светлана Евгеньевна
учитель математики
Чащина Светлана Юрьевна
Учитель химии
Усанова Виктория Васильевна
Учитель физики

Преподавание физики и географии
Песоцкая Наталья Александровна и Давыдова Лариса Емельяновна
Интегрированный урок /физика+география/

«Экологические проблемы энергетики»
Цель:
Образовательная: освещение проблем, возникающих при использовании человечеством тепловых двигателей и путей их решения;
Развивающая: закрепить и привести в систему знания о тепловых двигателях, используя межпредметные связи по физике, географии, экологии;
Воспитательная: способствовать пониманию собственных интеллектуальных достижений в области физики, географии, формирование экологических знаний
Тип урока: интегрированный урок совершенствования теоретических знаний и практических навыков
Оборудование: таблицы (принципиальная схема ТЭС, ГЭС и энергия воды, ядерный реактор и схема ЯТЦ), паровая и газовая турбины, ДВС
Ход урока:

Эпиграфы к уроку:
«Мы столь радикально изменили нашу среду, что теперь для того, чтобы существовать в этой среде, мы должны изменить себя»
Норберт Винер
«Есть такое правило: встал поутру, умылся, привёл себя в порядок – и сразу же приведи в порядок свою планету»
А. Сент-Экзюпери

Вопрос учителя физики: «Что вам пригодится сегодня на уроке?»

Ответы ребят: «Знания, умения ориентироваться по карте, работать со схемами, навыки решения задач, умения работать в группе»
Учитель географии
«Наша школа выбрала естественно – математический цикл. Давайте составим кластер, отражающий список профессий, исходящих из темы нашего урока»
Моя будущая профессия: энергетик, инженер, электрик, эколог, и др.

Учитель физики:
Класс разделён на группы, примерно равные по силам. Оценивать работу учащихся будет жюри в составе школьной администрации.
1 этап
Учитель физики: Каждая группа получила задание на дом составить проект по одной из выбранных ими типов электростанций.
Начинает 1 группа с защитой проекта по ТЭС.
В структуре выработки электроэнергии преобладают ТЭС, работающие на угле, мазуте, природном газе. На долю ТЭС в мировом производстве приходится 62%. По размерам выработки электроэнергии на ТЭС лидирует США, Китай, Россия, Япония, Германия. Но по доле ТЭС в общей выработке электроэнергии выделяются другие страны: Польша, ЮАР, «нефтяные страны». Доля ТЭС в электроэнергетике Казахстана составляет более 90%. Большая часть энергии производится на 37 ТЭС, работающих на углях Экибастузского, Майкубенского, Тургайского и Карагандинского бассейнов, на газе, на мазуте. Около 20 ТЭС работает на Экибастузском угле. В окрестностях Экибастуза работает ГРЭС-1, ГРЭС-2. В Алматинской области на берегу озера Балхаш строится Южно-Казахстанская ГРЭС. Значительного повышения КПД удалось достигнуть в результате изобретения паровой турбины. Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена шведским инженером Густавом Лавалем в 1889г. Для работы паровой турбины за счёт энергии, освобождаемой при сжигании каменного угля или мазута, вода в котле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается до температуры 5000С и при высоком давлении выпускается из котла через сопло. При выходе пара внутренняя энергия нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Скорость струи пара может достигнуть 1000м/с. Струя пара направляется на лопатки турбины и приводит турбину во вращение. На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора. Таким образом энергия топлива преобразуется в электрическую энергию. Современные паровые турбины обладают высоким КПД. Мощность современных энергоблоков котёл-турбина-генератор достигает 1.2∙106кВт. Для повышения КПД на многих электростанциях тело, отбираемое от паровой турбины, используется для нагревания воды. Горячая вода поступает в систему бытового и промышленного теплоснабжения. КПИ топлива в такой электроцентрали (ТЭЦ) повышается до 60-70%.

Учитель географии: При сгорании топлива образуется такие вредные для растений, животных и человека вещества как оксиды азота, углеводороды, оксиды углерода, сернистые соединения, сажа. Какие воздействия на организм человека оказывают вредные выбросы?

Ответ учащегося:
СО – оксид углерода при вдыхании связывается с гемоглобином крови, вытесняя из неё кислород, в результате чего наступает кислородное голодание, сказывающееся на ЦНС. Высокая концентрация может вызвать смерть. Диоксид азота вызывает сильное раздражение слизистых оболочек глаза, а при вдыхании – образование азотной и азотистой кислот в дыхательных путях. Сернистый газ приводит к онкозаболеваниям. Сажа действует на лёгкие, возрастает опасность заболевания раком. Чтобы избежать всего этого человек строит дымовые трубы на высоте более 300м с обязательной установкой специальных насадок на них для улавливания ядовитых газов так называемые пылеуловители: с использованием силы тяжести; инерционные пылеуловители, использующие силы инерции при повороте газового потока; центробежные пылеуловители, основанные на действии центробежных сил инерции (циклоны); рукавные фильтры, основанные на фильтрации запыленного газа через ткани; электрические пылеуловители, действие которых основано на использовании сил притяжения.

Учитель физики: продолжает 2 группа с проектом защиты ГЭС.

Ответ учащегося: примерно 20% мирового производства электроэнергии обеспечивают ГЭС. По общим размерам выработки электроэнергии на ГЭС выделяются Канада, США, Бразилия, Россия, Китай. Из экономически развитых стран мира практически всю электроэнергию на ГЭС получает Норвегия, затем Бразилия, Австрия, Канада, Щвейцария. Из стран СНГ в эту группу входят Киргизия, Таджикистан. В Казахстане электроэнергия ГЭС занимает незначительную долю: 3 крупные электростанции – Бухтарминская, Усть-Каменогорская, Капчагайская, они обеспечивают 10% потребности страны. Использование потенциальной энергии воды насчитывает 1000лет. Водяные колёса разных типов применялись в древних цивилизациях Азии и Востока. Наибольшее развитие они получили в 18 и в сер 19вв, став основным приводом для мельниц, станков, текстильных машин и т.п. В настоящее время гидроэнергия используется для получения электроэнергии. До сих пор считается, что наиболее экономично строить ГЭС высокой мощности. В мире начитывается около 130 станций; мощность наиболее крупных станций достигает 13ГВт. Как правило используется 2 типа турбин: радиально-лопастные, обычно с большим диаметром рабочего колеса до 10м и радиально-осевые с диаметром колеса до 7м, их КПД выше и они могут работать при значительном колебании напора воды от 45 до 120м. Для получения значительного напора воды и аккумулирования энергии стремятся строить станции с высокими плотинами. ГЭС долгое время считались экологически чистыми производствами, т.к. они не дают вредных выбросов. Однако это не так. Строительство ГЭС деформирует окружающую среду, т.к. при этом создаются огромные водные бассейны, заливаются плодородные пойменные земли и лесные массивы, с поверхности водохранилищ происходит интенсивное испарение воды. Известно, что площадь всех искусственных водоёмов в СНГ равна территории Франции. Американскими учёными установлено, что сооружения высотных плотин и накопление больших объёмов воды повышает сейсмичность в районе станции. Искусственное землетрясение наблюдалось также при заполнении водохранилища Нурекской ГЭС.

Учитель физики: Каковы меры преодоления негативного воздействия гидроэнергетики на окружающую среду?

Ответ учащегося: В некоторых водохранилищах из-за мелководий происходят неблагоприятные гидробиологические процессы, влекущие за собой разложение органических веществ и цветение воды, ухудшающие санитарное состояние водоёма. Это отрицательное влияние можно использовать для выращивания риса, водоплавающих птиц, ондатры, нутрии и т.д. Заиливание прибрежной зоны нежелательно во многих отношениях, но оно создаёт возможность получения удобрений из ила. В перспективе – создание малых ГЭС единичной мощности 30кВт на небольших водоёмах. Создавая малые ГЭС можно получить электроэнергию не воздействуя на природную среду так сильно, как при воздействии крупной ГЭС.

Учитель географии: Слово 3 группе. Проект по АЭС.

Ответ учащегося: АЭС в мире обеспечивают 17% мировой выработки электроэнергии; они работают уже в 32 странах мира. Больше всего АЭС в США, Франции, Японии, Германии, России, Канаде. А по доле АЭС в общей выработке выделяются Литва, Франция, Бельгия. Атомная энергетики вполне обеспечена сырьём. К числу главных производителей уранового концентрата относятся Канада, Австралия, Намибия, США, Россия. Единственная атомная электростанция в Казахстане находилась в городе Актау с реактором на быстрых нейтронах с мощностью в 350 МВт. АЭС работала в 1973-1999 годах. В настоящий момент атомная энергия в Казахстане не используется, несмотря на то, что запасы (по данным МАГАТЭ) урана в стране оценены в 900 тысяч тонн. Основные залежи находятся на юге Казахстане (ЮКО и Кызылординская области), западе в Мангыстау, на севере Казахстана (месторождение Семизбай).
Сейчас рассматривается вопрос о строительстве новой атомной электростанции мощностью 600 МВт в г. Актау. В стране эксплуатируются около 5 исследовательских ядерных реакторов.
Ядерный реактор – это техническая установка, в которой осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер урана с освобождением ядерной энергии. Ядерный реактор состоит из активной зоны и отражателя, размещённых в защитном корпусе. Активная зона содержит ядерное топливо в виде топливной композиции в защитном покрытии и замедлитель. Топливные элементы имеют вид тонких стержней. Они собраны в пучки и заключены в чехлы. Такие сборные композиции называются сборками или кассетами. Вдоль топливных элементов двигается теплоноситель, который воспринимает тепло ядерных превращений. Нагретый в активной зоне теплоноситель двигается по контуру циркуляции за счёт работы насосов либо под действием сил Архимеда и, проходя через теплообменник, либо парогенератор, отдаёт тепло теплоносителю внешнего контура. Известно, что 1кг урана заменяет 20т угля. Мировые запасы энергоресурсов оценивается величиной в 13∙1012т урана.

Учитель физики: Почему АЭС считаются экологически более чистыми, чем ТЭС, с чем это связано?

Ответ учащегося: Радиоактивные выбросы угольной ТЭС в атмосферу при существующей эффективности очистки отходящих газов в 5-40 раз выше, чем АЭС. Это объясняется тем, что в одной тонне угля содержатся 1-2.5г урана и 2.5-5г тория. При расходе угля до 6млн.тонн в год общее количество урана и тория и продуктов из радиоактивного распада, проходящее через топку котлов ТЭС вместе с углём составляет от 1 до 2.5т урана и от 2 до 5т тория в год. Если на АЭС принимаются меры по локализации радиоактивных отходов, то на ТЭС и особенно вблизи золоотвалов наблюдается повышенный радиационный фон.

Учитель физики: Защита проектов закончена. Приступаем к новому этапу – решение физических

задач с экологическим содержанием 2 этап «Решение задач с экологическим содержанием»
1команде:
Сколько кубических литров природного газа нужно сжечь, чтобы повысить температуру 10л воды от 10 до 1000С? Удельная теплоёмкость воды 4200Дж/(кг∙0С), удельная теплота сгорания природного газа 4.4∙107Дж/кг. КПД нагревателя 25%. Что нужно, чтобы в окружающую среду попало как можно меньше вредных продуктов сгорания?
2 команде:
Электрическая лампа, мощностью 60 Вт опущена в прозрачный калориметр, содержащий воду массой 0.5кг. За 10мин вода нагрелась на 100С. Какую часть энергии, потребляемой лампой, калориметр пропускает в виде ЭМ излучения? Как можно уменьшить потерю энергии на излучение?
3 команде:
Какое количество воды может нагреть от 0 до 500С ветродвигатель, колесо которого имеет радиус 6м, за час работы при скорости ветра 10м/с? Какие превращения энергии происходят при этом? КПД установки 20%.

Учитель географии: Ископаемые виды топлива загрязняют окружающую среду и тому же их запасы не безграничны. Поэтому люди стремятся найти новые виды энергии, способные производить электричество и обеспечивать работу механизмов. Назовите альтернативные источники электроэнергии.
Расскажите о малоизвестных источниках энергии.
1 команда рассказывает о водородном топливе.
2 команда рассказывает о бионефти
3 команда рассказывает об использовании ветряков.
(тем временем проверяется решение задач)

Учитель географии: Переходим к 3 этапу урока «Установи соответствие»
Типы станций
А. ГЭС
Б. АЭС
В. ТЭС
Технико-экономические особенности
1. Наибольшая доля производимой энергии
2. Самая высокая стоимость строительства
3. Наибольшее загрязнение атмосферы
4. Самая низкая себестоимость производимой энергии
5. создание радиационной опасности
6. Возможность размещения в электродефицитных районах
Ответы: А 2,4; Б 5,6; В 1,3

1. Термодинамика
2. Калориметр
3. Вечный двигатель
4. Теплопередача
5. Тепловой двигатель
6. КПД
7. детонация
1. Способ изменения внутренней энергии тела
2. Явление самовоспламенение горючей смеси, происходящее ещё до того, как поршень достигает верхней мёртвой точки
3. Учение о теплоте и работе
4. Устройство, которое может совершать неограниченно долго работу без затрат энергии
5. Устройство, уменьшающее теплообмен содержимого внутреннего сосуда с внешней средой
6. Двигатель, который превращает внутреннюю энергию топлива в механическую работу
7. Величина, показывающая насколько эффективно используется подводимая к машине энергия
Ответы: 1-3, 2-5, 3-4, 4-1, 5-6, 6-7, 7-2
Подведение итогов урока. Награждение команд

"ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ"

Урок работы в базово-перекрестных группах

Я использую свои знания

и признаю их важность.

Я вкладываю свое понимание

И чувствую себя причастным.

На основе китайского пословица

Цель. Обобщить и систематизировать знания учащихся о различных типах электростанций, принцип их действия, энергетические преобразования; продолжить формировать умения анализировать, сравнивать, делать самостоятельно выводы, работать с научной литературой; воспитывать экономическое и экологическое мышление, умение работать в коллективе, толерантность, стремление к пополнению знаний.

Тип урока. Урок обобщения и систематизации знаний.

Оборудование. Магнитофон, электрический чайник, плакаты со схематическим изображением электростанций разных типов, таблицы для сравнительной характеристики различных типов электростанций, цветные маркеры, дидактический материал с информацией о определенный тип электростанции, атласы «Экономическая и социальная география мира», пронумерованные цветные карточки.

Методические советы. Упражнения, которые учат детей формулировать и высказывать свои мысли, слушать других и принимать решения на основе рациональных размышлений, помогают в учебе демократического образа мышления. Исследования свидетельствуют, что введение методов групповой работы является эффективным для предотвращения отчужденности между учениками. Деление на группы целесообразно сделать на предыдущем уроке, а каждой группе дать домашнее задание найти и обработать материалы о определенный тип электростанции. На занятиях должна преобладать деятельность учащихся, они должны работать с приборами, справочниками, схемами, потому что именно такая деятельность связана с активным мышлением.

Используя новые педагогические методы наряду с традиционными, мы можем помочь ученикам в развитии мышления, одновременно обучая их уважать права других и работать вместе для достижения общей цели. «Знания только тогда знания, когда они добыты усилиями своего ума, а не памятью» (Л. Толстой).

Урок предполагает использование активных методов обучения, в частности, метод работы в базово-перекрестных группах и метод «дерево решений».

Метод базово-перекрестных групп. Учитель проводит разделение на базовые группы, в которых учащиеся прорабатывают материал определенного типа (каждая группа - другой). После этого учитель формирует новые перекрестные группы таким образом, чтобы в их состав входили представители из каждой предыдущей базовой группы. В этих группах ученики обучают друг друга, передавая им знания, полученные в базовых группах.

Деление на группы можно проводить различными способами. Например, раздать учащимся карточки разного цвета, на которых написаны цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6. Базовые группы формируются по цветам карточек, перекрестные - за цифрами. Можно на небольших листах бумаги написать символы А1, А2, А3, А4, А5, А6, Б1, Б2,... и т.д. к Е6. Базовые группы формируются по буквам, перекрестные - за цифрами. Количество участников группы не должно превышать 6 человек.

Метод «дерево решений». Каждая группа получает для заполнения таблицы большого формата с нарисованным «деревом решений» проблемы, которая рассматривается) и фломастеры. Во время работы участники группы записывают недостатки и преимущества каждого варианта, а затем принимают решение о путях решения проблемы. После завершения работы представители каждой группы сообщают результаты работы своих групп.

Ход урока

I. Актуализация опорных знаний учащихся

(В классе тихо звучит музыка, на демонстрационном столе стоит электрический чайник, в котором греется вода, над классной доской горит лампа, ученические столы расставлены для работы в группах.)

Учитель. Дорогие друзья, начнем сегодня наш урок необычно. Сначала попьем чаю, а затем будем работать. Наш лаборант уже давно включил электрочайник, и вода вот-вот закипит. (Неожиданно гаснет свет, затихает музыка, выключается чайник. Лаборант подходит к учителю и тихо что-то ему говорит.)

Учитель. Что случилось?

Ученики. Нет тока в сети.

Учитель. Жаль... Не удастся нам сейчас попить чая. А скажите, пожалуйста, откуда берется ток в электрической сети нашего класса, наших квартир?

Ученики. Вырабатывается на электростанциях.

Учитель. Правильно. А какие вы знаете электростанции?

Ученики. ГЭС, ТЭС, АЭС, альтернативные (солнечные, ветряные, приливные, геотермальные, биогазовые).

(Когда ученики называют электростанцию определенного типа, учитель или ассистент вывешивает на доске плакаты со схематическим изображением электростанции этого типа.)

II. Мотивация учебной деятельности

Учитель. Энергия является основой жизни человеческого общества и его прогрессивное развитие связано с непосредственным ростом энергопотребления. Это потребление возросло в течение XX века. более чем в 100 раз, при этом органического топлива было сожжено во много раз больше, чем за все предыдущее время. Какие же перспективы ожидают нас в XXI веке?

Человечество все больше осознает свою ответственность за сохранение окружающей среды, за чистоту нашей планеты. Научно-технический прогресс, повышение комфортности жизни и связанный с ним рост энергопотребления - объективные вещи. Но это не означает, что они должны достигаться любой ценой. Использование только традиционных источников энергии (нефти, газа, ядерного топлива) разрушает и загрязняет землю, водные ресурсы и воздух. Вместе с тем, более 1 кВт на каждый квадратный метр постоянно обеспечивает нам днем свет неисчерпаемого, экологически безупречного и общедоступного природного источника - Солнца. Достижения технологии уже сейчас дают возможность использовать его для выработки электроэнергии, стоимость которой приближается к традиционной. Рядом интенсивно развиваются во многих странах также ветроэнергетика и энергетика биомассы, которые родственны солнечной. Сегодня, несомненно, основной экономической проблемой в мире является энергетический кризис. Социально-экономическое развитие каждой страны, в частности Украины, зависит от состояния его энергетики.

Итак, существуют методы выработки электроэнергии из органического и ядерного топлива (угля, нефти, природного газа, урана) и использования возобновляемых источников энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, приливной, геотермальной и других). Каким из них отдать предпочтение? Тема нашего урока - «Энергетика и экология».

III . Обобщение и систематизация знаний

На этом этапе урока мы будем работать таким образом. В предыдущем году мы с вами образовали группы, каждая из которых получила домашнее задание: подготовить сообщение об определенном типе электростанций. Итак, прошу сейчас сесть группами за столы (на столах стоят таблички разного цвета). К сообщениям, которые вы подготовили дома, вы получите еще дополнительную информацию (см. приложение). Ваша задача - обработать этот материал, обсудить его и ответить на следующие вопросы (вопросы написаны на доске или в виде плаката).

1. Какой принцип действия электростанции?

2. Какие энергетические преобразования происходят на данной ЭС?

3. Влияние данной ЭС на экологию?

4. В каких местах преимущественно расположены электростанции данного типа?

На выполнение этой работы отводится 8 минут.

(Пока ученики работают, учитель следит за их работой и при необходимости оказывает помощь.)

Учитель (через 8 мин). Прошу прекратить обсуждение. Дальнейшую нашу работу проводим следующим образом. На ваших цветных карточках написаны различные цифры. Итак, попрошу учеников посмотреть, какая цифра написана на карточке и сесть за стол с соответствующим номером.

Теперь вы должны рассказать друг другу о тот тип ЭС, который выучили в предыдущей группе. Затем заполнить таблицу, которую вы получите, и принять решение: какая из станций является наиболее экономичной и экологичной? На выполнение этого задания отводится 15 минут.

(Через 15 мин. группы вывешивают на доске свои таблицы с закрытым полоской бумаги решением.)

Учитель. Прошу кого-то из членов группы прокомментировать свою таблицу, не зачитывая решение.

(Группы по очереди представляют таблицы. Когда все группы отчитались, учитель открывает все решения и зачитывает их. На основе этих решений ученики делают обобщения, какая электростанция является наиболее экономичной и экологичной.)

Учитель. Следовательно, электрическая энергия - это следствие развития цивилизации. Она дает нам возможность просматривать телепередачи, слушать радио, пользоваться многими устройствами. Но скажите, о чем всегда следует помнить, пользуясь любым достижением цивилизации?

Ученики. О влиянии этих достижений на окружающую среду.

Учитель. Сейчас я хочу предложить один интересный эксперимент. Выясним, кто из вас может отказаться от благ цивилизации ради сохранения окружающей среды. Прошу всех закрыть глаза и поднять руку, кто готов это сделать. Спасибо.

(Учитель оценивает и комментирует работу учащихся, их умение работать с научным материалом, анализировать, делать выводы, отмечает активную работу на уроке, интересные и содержательные сообщения. Задает домашнее задание.)

Приложение

Гидроэлектростанция (ГЭС)

Энергетика - отрасль хозяйства, которая производит энергию - имеет важное Значение для развития экономики, науки и культуры страны. Сейчас значительный удельный вес по выработке электроэнергии имеют механические источники энергии - ГЭС. Впервые человек использовала энергию воды с помощью водяного колеса. В современной ГЭС вода со значительной скоростью устремляется на лопатки турбин. Вода через защитную сетку и регулирующий затвор течет стальным трубопроводом к турбине, над которой установлен генератор. Механическая энергия воды посредством турбины передается генераторам, в которых преобразуется электрическую. После выполнения работы (вращения турбины) вода вытекает в реку тоннелем, постепенно расширяется.

Затраты на строительство ГЭС нешуточные, но они компенсируются тем, что не ведет себя платить (по крайней мере, в явной форме) за источник энергии - воду. Мощность современных ГЭС превышает 100 МВт, а КПД составляет 95%. Такая мощность достигается за незначительных скоростей вращения ротора, поэтому современные гидротурбины поражают своими размерами. Турбина - энергетически очень выгодная машина, поскольку вода легко и просто меняет поступательное движение на вращательное.

Строительство плотины на реке дает возможность создать значительную разницу уровней воды низших и высших от ГЭС вдоль течения реки, то есть между верхним и нижнем бьефах. Иногда эта разница уровней достигает более 100 м. Вода верхнего бьефа падает со значительной высоты на лопасти гидротурбины, вращает ее, а вместе с ней вращает генератор электроэнергии, который соединен с турбиной. Мощность любой ГЭС зависит от разности уровней воды верхнего и нижнего бьефов и от! количества кубометров воды, проходящей за 1 с через лопасти турбин станции: чем она больше, тем мощнее ГЭС.

Одним из принципов гідроелектробудування является максимальное использование И гидроэнергии рек. Согласно этому принципу, на реках строятся не отдельные ГЭС, а каскады таких станций и создаются водохранилища для регулирования годового стока вод. Сток большинства рек неравномерен в течение года. Так, в Днепре в период весеннего паводка, то есть примерно в течение одного месяца, И в море стекала половина всех водных запасов реки, в летние месяцы уровень воды резко снижался. Вследствие этого ГЭС летом работала с половинной мощностью. Создание большого водохранилища возле ГЭС резко изменило положение. Теперь весенние воды Днепра уже не стекают без всякой пользы в море, а сохраняются в водохранилище, а затем планомерно используются в течение года гидростанциями. Это позволило не только увеличить выработку электроэнергии, но и снимать пиковые нагрузки в энергосистеме района размещения ГЭС. Современные ГЭС строят с таким расчетом, чтобы с их помощью комплексно решались задачи выработки электроэнергии, орошения земель, водоснабжения и тому подобное.

Отметим, что ГЭС имеют по крайней мере два преимущества перед ТЭС и АЭС:

1. отсутствие во время работы затрат на топливо, вследствие чего их электроэнергия в 4-8 раз дешевле электроэнергии, производимой на ТЭС и АЭС;

2. гидроэнергия рек, что используется на ГЭС, воспроизводится естественно, а ископаемые энергоресурсы не воспроизводятся.

Гидроэнергетические технологии имеют немало преимуществ, но есть и значительные недостатки. Например, низкие водные ресурсы во время засухи могут серьезно влиять на количество произведенной энергии. Это может стать значительной проблемой там, где гидроэнергия составляет значительную часть в энергетическом комплексе страны; строительство плотин является причиной многих проблем: переселение жителей, заиления водохранилищ, водных споров между соседними странами, значительной стоимости этих проектов. Строительство ГЭС на равнинных реках приводит к затоплению больших территорий. Значительная часть площади водоемов, образующихся, - мелководье. В летнее время за счет солнечной радиации в них активно развивается водная растительность, происходит так называемое «цветение» воды.

Плотины препятствуют миграции рыб. Багатокаскадні ГЭС превращают реки на ряд озер, где возникают болота. В этих реках гибнет рыба, а вокруг них меняется микроклимат, еще больше разрушая природные экосистемы.

Теплоэлектростанция (ТЭС)

Энергия человека издавна была направлена на поиски средств облегчения выполнения необходимых для ее существования работ. Для этого использовались всевозможные инструменты и механизмы, прирученные животные, но только тепловая машина резко расширила возможности человека, ускорила технический прогресс.

Тепловая машина - это система, которая позволяет преобразовать тепловую энергию в другие формы энергии - механическую, электрическую.

На тепловых ЭС энергия, которая выделяется во время сгорания разлых видов топлива - угля, газа, нефти, торфа, горючих сланцев с помощью электрогенераторов, приводимых во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания, преобразуется в электрическую энергию. Большинство современных мощных ТЭС является паротурбінними. В паровой турбине нагретая (до 500-560°С) и сжатая (до 2,4·107 Па) пара выходит из сопла, расширяется. Объем пара возрастает, а давление соответственно падает, при этом потенциальная энергия сжатой пара превращается в кинетическую. Пар выходит из сопла со значительной скоростью, ударяется в лопатки диска турбины, закрепленной на валу, и быстро вращает их, при этом кинетическая энергия пара передается ротору турбины. Вал турбины жестко связан с валом электрогенератора, и поэтому турбина приводит во вращение ротор генератора, вследствие чего и производится электрическая энергия.

Большая часть энергии топлива теряется вместе с горячим (отработанной) парой. Эту отработанную на турбинах горячую пароводяну смесь используют для отопления жилых помещений и производственных нужд, что повышает коэффициент полезного действия тепловых электроцентралей, (ТЭЦ). Следует заметить, что на ТЭЦ 80% энергии сгорания топлива используют эффективно.

Во время сгорания топлива в тепловых двигателях выделяются вредные вещества карбон (IV) оксид, соединения Азота, соединения Свинца, а также выделяется в атмосферу значительное количество теплоты. Кроме того, применение паровых турбин на ТЭС требует отвода больших площадей под пруды, в которых охлаждается отработанный пар. Ежегодно в мире сжигается 5 млрд. тонн угля 13,2 млрд. тонн нефти, это сопровождается выбросом в атмосферу 2·1010 Дж. теплоты. Запасы органического топлива на Земле распределены крайне неравномерно, и при теперешних темпах потребления угля хватит на 150-200 лет, нефти - на 40-50 лет, а газа - примерно на 60 лет. Весь цикл работ, связанных с добычей, транспортировкой и сжиганием органического Топлива (главным образом угля), а также образованием отходов, сопровождается выделением значительного количества химических загрязнителей. Добыча угля связан с значительным засолением водных резервуаров, куда сбрасываются воды из шахт. Кроме этого, в воде, откачиваемой, содержатся изотопы Радия и Радон. ТЭС, хотя и имеет современные системы очистки продуктов сжигания угля, выбрасывает за год в атмосферу по разным оценкам от 10 до 120 тыс. тонн оксидов серы, 2-20 тыс. тонн оксидов Азота. Кроме того, образуется более 300 тыс. тонн золы, которая содержит около 400 т токсичных металлов (мышьяка, кадмия, свинца).

Можно отметить, что ТЭС, работающая на угле, выбрасывает в атмосферу больше радиоактивных веществ, чем АЭС такой же мощности. Это связано с выбросом различных радиоактивных элементов, содержащихся в угле в виде вкраплений (радий, торий, полоний и др). Для количественной оценки воздействия радиации вводится понятие «коллективная доза», т. е. произведение значения дозы на количество населения, которое подверглось воздействию радиации (он выражается в человеко-зівертах). Оказалось, что в начале 90-х годов прошлого века ежегодная коллективная доза облучения населения Украины за счет тепловой энергетики составляла 767 чел зв. и за счет атомной - 188 чел зв.

В наше время в атмосферу ежегодно выбрасывается 20-30 млрд. тонн оксида Углерода. Прогнозы свидетельствуют, что при сохранении таких темпов в будущем к середине века средняя температура на Земле может повыситься на несколько градусов, что приведет к непредвиденным глобальных климатических изменений.

Сравнивая экологическую действие различных энергоисточников, необходимо учесть их влияние на здоровье человека. Высокий риск для работников в случае использования угля связан с его добычей в шахтах, транспортировкой и с экологическим воздействием продуктов его сжигания. Последние две причины касаются нефти и газа и влияют на все население. Установлено, что глобальное влияние выбросов от сжигания угля и нефти на здоровье людей действует примерно так же, как авария типа Чернобыльской, что повторяется раз в год. Это - «тихий Чернобыль», последствия которого непосредственно невидимые, но постоянно влияют на экологию. Концентрация токсичных примесей в химических отходах стабильная, и в конце концов все они перейдут в экосферу.

Атомная электростанция (АЭС)

Основа атомной энергетики - атомные электростанции, преобразующие ядерную энергию в электрическую. АЭС используют теплоту, выделяющееся в ядерном реакторе в результате цепной реакции деления ядер тяжелых элементов, преимущественно 235U , 238U , 239Pb . Затем, как и на обычных ТЭС, тепловая энергия превращается в электрическую. При конечном делении 1 г изотопа урана или плутония высвобождается примерно 22,5 МВт час. энергии, что равноценно энергии 2,8 т условного топлива.

Принцип работы АЭС такой: ядерный реактор, защищенный бетоном, содержит цилиндры (стержни), внутри которых находится уран. Урановые стержни-блоки находятся в воде, которая одновременно является и замедлителем, и теплоносителем. Вода находится под большим давлением и поэтому может быть нагрета до очень высокой температуры (около 300°С). Такая горячая вода из верхней части активной зоны реактора поступает по трубопроводам в парогенератор (который также наполнен водой, которая испаряется), охлаждается и возвращается по трубопроводу в реактор. Насыщенный пар из парогенератора через трубопровод поступает в паровую турбину и после отработки возвращается обратно другим трубопроводом. Турбина вращает электрический генератор, ток от которого поступает в распределительное устройство, а затем - во внешнюю электрическую цепь. Ход цепной реакции регулируется стержнями из веществ, которые хорошо поглощают нейтроны.

От ввода в действие первой АЭС прошло более 45 лет. За это время в технике АЭС произошли серьезные изменения: резко возросли мощности ядерных реакторов, повысились технико-экономические показатели АЭС. Сейчас для районов, удаленных от ресурсов химического топлива, себестоимость 1 кВт час. для АЭС меньше, чем для тепловых электростанций. Поэтому, несмотря на несколько более высокую стоимость оборудования для АЭС, их общие экономические показатели в этих условиях, лучше, чем для тепловых электростанций. Запасов ядерного топлива в энергетическом эквиваленте в сотни раз больше, чем органического. АЭС практически не выделяют в атмосферу химических загрязнителей. Если за их нормальной работой понимать такой режим эксплуатации, при котором дополнительная доза облучения от станции не превышает значений флуктуаций естественного фона, то, как правило, это условие соблюдается. В целом реальный радиационное воздействие АЭС на природную среду значительно (в 10 и более раз) меньше допустимого. Если учесть экологическую действие различных энергоисточников на здоровье людей, то среди не возобновляемых источников энергии риск от АЭС, которые нормально работают, минимальный как для работников, деятельность которых связана с различными этапами ядерного топливного цикла, так и для населения. Глобальный радиационный вклад атомной энергетики на всех этапах ядерного топливного цикла в настоящее время составляет около 0,1% естественного фона и не превысит 1% даже за интенсивного ее развития в будущем.

Добыча и переработка урановых руд также связаны с неблагоприятной экологической действием. Но главной проблемой остается захоронение высокоактивных отходов. Объем особо опасных радиоактивных отходов составляет около одной стотысячной части общего количества отходов, среди которых высокотоксичные химические элементы и их устойчивые соединения. Разрабатываются методы их концентрации, надежного связывания и размещения в устойчивых геологических формациях, где по расчетам специалистов, они могут удерживаться на протяжении тысячелетий.

Серьезным недостатком атомной энергетики является радиоактивность используемого топлива и продуктов его деления. Это требует создания защиты от различного типа радиоактивного излучения, что значительно повышает стоимость энергии, которую вырабатывают АЭС. Кроме этого, еще одним недостатком АЭС является тепловое загрязнение воды, то есть ее нагрева.

Интересно отметить, что, по данным группы английских медиков, лица, которые работали в течение 1946-1988 гг. на предприятиях британской ядерной промышленности, живут в среднем дольше, а уровень смертности среди них от всех причин, включая рак, значительно ниже. Если учитывать реальные уровни радиации и Концентрации химических веществ в атмосфере, то можно утверждать, что влияние последних на флору в целом достаточно значительный по сравнению с воздействием радиации.

Приведенные данные свидетельствуют, что при нормальной работы энергетических установок экологическое воздействие атомной энергетики в десятки раз ниже, чем тепловой.

Неисправимым бедствием для Украины остается Чернобыльская трагедия. Но она больше касается того социального строя, который ее породил, чем атомной энергетики.

Альтернативные электростанции

Рост масштабов использования электрической энергии, обострение проблем охраны окружающей среды значительно активизировали поиски экологически чистых способов выработки электроэнергии. Интенсивно разрабатываются способы использования топливной возобновляемой энергии - солнечной, ветряной, геотермальной, энергии волн, приливов и отливов, энергии биогаза и тому подобное. Источники этих видов энергии - неисчерпаемы, но нужно разумно оцени, смогут ли они удовлетворить все потребности человечества.

Ветровые электростанции (ВЭС)

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли составляет 1200 ТВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Новейшие исследования направлены преимущественно на выработку электрической энергии за счет энергии ветра. Строятся ВЭС преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину - генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций. Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. При использовании ветра возникает серьезная проблема:

избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в период безветрия. Использование энергии ветра осложняется тем, что ветер имеет малую плотность энергии, а также изменяется его сила и направление. Ветроустановки, как правило, используют в тех местах, где хороший ветровой режим. Для создания ветроустановок большой мощности необходимо, чтобы ветродвигатель имел большие размеры, кроме того, воздушный винт нужно поднять на достаточную высоту, поскольку на большей высоте ветер более устойчивый и имеет большую скорость. Только одна электростанция, работающая на органическом топливе, может заменить (по количеству произведенной энергии тысячи ветряных турбин. В Украине лучшие условия для сооружения ВЭС есть в Крыму.

Энергия приливов и отливов

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление - ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Энергия приливов огромна, ее суммарная мощность на Земле составляет около 1 млрд. кВт, что больше суммарной мощности всех рек мира.

Принцип действия приливных электростанций очень простой. Во время прилива вода, вращая ротор гидротурбины, заполняет водоем, а после отлива она из водоема выходит в океан, снова вращая ротор турбины. Главное - найти удобное место для установки плотины, в котором высота прилива была бы значительной. Строительство и эксплуатация электростанций на море - сложная задача. Морская вода вызывает коррозию большинства металлов, детали установок обрастают водорослями. В Украине условий для использования энергии приливов и отливов нет.

Энергия Солнца

Тепловой поток солнечного излучения, которое достигает Земли, очень большой. Он более чем в тысячи раз превышает суммарное использование всех видов топливно-энергетических ресурсов в мире.

Среди преимуществ солнечной энергии - исключительная экологическая чистота. Солнечная энергия поступает на всю поверхность Земли, только полярные районы планеты страдают от ее недостатка. То есть практически на всем земном шаре только облака и ночь мешают пользоваться ею постоянно. Такая общедоступность делает этот вид энергии невозможным для монополизации, в отличие от нефти и газа. Конечно, стоимость 1 кВт час. солнечной энергии значительно выше, чем полученная традиционным методом. Лишь пятая часть солнечного света преобразуется в электрический ток, но эта доля все растет благодаря усилиям ученых и инженеров.

Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь а собирающий устройство с достаточной поверхностью. Простейшее устройство такого рода - плоский коллектор - черная плита, хорошо изолированная снизу.

Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, в которых течет вода, масло, воздух, оксид серы (IV) и тому подобное. Солнечные лучи, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше (на 200-3000С), чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Более сложным коллектором, стоимость которого значительно выше, есть вгнуте зеркало, которое сосредоточивает падающее излучение в малом объеме около определенной геометрической точки - фокуса. Благодаря специальным механизмам коллекторы такого типа постоянно повернуты к Солнцу. Это дает возможность собирать значительное количество солнечных лучей. Температура в рабочем пространстве зеркальных коллекторов достигает 3000°С и выше. Существуют электростанции несколько иного типа. По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках. Однако поверхность солнечных батарей для обеспечения достаточной мощности должна быть довольно значительной (для суточного выработки 500 МВ необходима поверхность площадью 500000 м2), что достаточно дорого. Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемких видов производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, в трудовых ресурсах для добычи сырья, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Эффективность солнечных электростанций в районах, удаленных от экватора, довольно мала через неустойчивые атмосферные условия, относительно слабую интенсивность солнечной радиации, а также ее колебания, обусловленные чередованием дня и ночи.

Геотермальная энергия

Геотермальная энергетика использует высокие температуры недр земной коры для выработки тепловой энергии. В некоторых местах Земли, особенно на краю тектонических плит, теплота выходит на поверхность в виде горячих источников - гейзеров и вулканов. В других областях подводные горячие источники протекают сквозь подземные пласты, и эту теплоту можно использовать через системы теплообмена. Исландия является примером страны, где широко используется геотермальная энергия.

Биогаз. Биотехнология

Сейчас разработаны технологии, которые дают возможность добывать горючие газы из биологического сырья в результате химической реакции распада высокомолекулярных соединений на низкомолекулярные за счет деятельности особых бактерий (которые принимают участие в реакции без доступа кислорода из воздуха).

Схема реакции: биомасса + бактерии => горючие газы + другие газы + удобрения.

Биомасса - это отходы сельскохозяйственного производства (животноводства, перерабатывающей промышленности). Основным сырьем для производства биогаза является навоз, который доставляют на биогазовую станцию. Главным продуктом биогазовой станции является смесь горючих газов (90% в смеси составляет метан). Эту смесь поставляют на электростанции.

Возобновляемые источники (кроме энергии воды, что падает) имеют общий недостаток: их энергия очень слабо сконцентрирована, а это создает немалые трудности для практического использования. Стоимость возобновляемых источников (не считая ГЭС) значительно выше, чем традиционных. Как солнечная, так и ветровая и другие виды энергии, могут успешно использоваться для выработки электроэнергии в диапазоне мощностей от нескольких до десятков киловатт. Но эти виды энергии неперспективные для создания мощных промышленных энергоисточников.