Budowa reaktora jądrowego

Reaktor jądrowy

Moją prace rozpocznę od opisania, czym właściwie jest reaktor jądrowy. Urządzenie to służy do przeprowadzania z kontrolowaną szybkością reakcji rozszczepienia jąder atomowych. Reakcja rozszczepienia jąder atomowych ma przebieg lawinowy – jedna reakcja może zainicjować kilka następnych. W celu kontrolowania szybkości reakcji tak by przebiegała z jednakową prędkością (mówimy że reakcja ma przebieg łańcuchowy tzn. jedno rozszczepienie inicjuje następne rozszczepienie jądra atomowego) wprowadza się do reaktora substancje pochłaniające neutrony. Substancje te umieszczone są w prętach zwanych regulacyjnymi.
Rozszczepienie jądra uranu w 1938 roku udało się niemieckim fizykom atomowym Otto Hahnowi i Fritz Strassmannowi stało się podstawą narodzenia się w 1939 roku idei reakcji łańcuchowej rozszczepiania, a następnie zamysłu przeprowadzenia owej reakcji w sposób kontrolowany, czyli reakcji jądrowej.
W USA w ramach tzw. Projektu „Manhattan” doszło do powstania pierwszego reaktora atomowego, pod kierownictwem włoskiego emigranta, fizyka atomowego Enrico Fermiego – w 1942 roku uruchomiono w Stagg Field pod Chicago pierwszy reaktor jądrowy. Zasadniczą część owego reaktora jądrowego stanowił blok grafitowy, w którym znajdowały się pręty uranowe i kadmowe. Uran był materiałem rozszczepialnym, czyli paliwem jądrowym, grafit pełnił rolę moderatora (spowalniacza) zmniejszającego prędkość neutronów do najbardziej skutecznej dla przebiegu reakcji, rola kadmu zaś polegała na pochłanianiu neutronów, aby ich liczba nie wzrosła do poziomu grożącego eksplozją. Oczywiście reaktor jądrowy miał odpowiednią osłonę, nie przepuszczającą promieniowania na zewnątrz, a czynnikiem chłodzącym była woda.
Paliwem używanym obecnie w elektrowniach atomowych jest w większości reaktorów (a we wszystkich wodnych) wzbogacony uran. Wzbogacenie polega na zwiększeniu zawartości rozszczepialnego U-235 do około 3-5% (z około 0,7%), ale reaktory ciężko wodne (CANDU, PHWR) pracują przy naturalnym udziale izotopów. W przyszłości planuje się wykorzystywać jako paliwo jądrowe wzbogacony tor. W wyniku rozszczepienia toru powstają jądra atomowe o mniejszej masie niż przy rozszczepieniu uranu lub plutonu i jest wśród nich więcej jąder trwałych. Niestety rozszczepienie toru wytwarza zbyt mało neutronów by uzyskać masę krytyczną, w związku z tym do reaktora takiego trzeba by wstrzeliwać neutrony pochodzące z zewnątrz..
Uran jest metalem ciężkim, który otrzymujemy z rud uranowych. Najbardziej znaną z nich jest smółka uranowa, składająca się w 95% z tlenku uranu i występująca nieraz w postaci wielotonowych bloków. Większość pozostałych rud zawiera niestety znacznie mniej uranu. Wydobycie staje się opłacalne, gdy tona rudy zawiera co najmniej kilka kg uranu. Ruda wydobyta w kopalniach lub odkrywkach musi najpierw zostać poddana obróbce. Polega ona na łamaniu, mieleniu i wyługowaniu. W rezultacie otrzymujemy ostatecznie ponad 70-procentowy koncentrat uranowy, tzw. “yellow cake”, czyli “żółte ciasto”, jest to produkt wyjściowy do dalszej obróbki. Czysty uran naturalny jest dla elektrowni jądrowych nieprzydatny, jako, że tylko w 0,7% składa się z rozszczepialnego U-235, a pozostałe 99,3% stanowi nieco cięższy, nie rozszczepialny U-238. Obydwa izotopy uranu nie różnią się między sobą pod względem chemicznym, stąd do wzbogacania wykorzystuje się różnicę w ich ciężarze. Najpierw przemienia się uran za pomocą fluoru w gaz, sześciofluorek uranu (UF6), zatem w związek uranu i fluoru. Do rozdzielenia obydwu izotopów uranu, można teraz wykorzystać jedną z następujących metod. W metodzie kanalikowej przepuszcza się UF6 z dużą prędkością przez drobne kanaliki o kształtach półkolistych. Występująca tu siła odśrodkowa wypycha składową gazu zawierającą U-238 ku obrzeżom toru, co umożliwia oddzielenie jej od składowej gazu zawierającej lżejszy U-235. Oczywiście w ten sposób nie jest możliwe całkowite rozdzielenie obydwu izotopów. Jeśli jednak połączy się wiele opisanych tu układów w tzw. kaskadę, to otrzyma się w rezultacie gaz zawierający wystarczającą koncentrację atomów U-235. W metodzie dyfuzyjnej przepuszcza się gaz UF6 przez przegrody półprzepuszczalne. Lżejsza składowa z U-235 przechodzi (dyfunduje) przez pory przegród szybciej niż cięższa z U-238. Prowadzi to także do częściowego rozdziału składowych. W metodzie wirówkowej wiruje się gaz w bardzo szybkiej centryfudze. Siła odśrodkowa przyciska składową cięższą silniej do ściany, wobec czego koncentracja lżejszego U-235 w środkowej części wirówki wzrasta. Również i tu osiągamy rozdział U-235 i U-238, choć konieczne jest połączenie wielu układów szeregowo, by uzyskać pożądane wzbogacenie. Inne metody, w których osiągano by wymagane wzbogacenie w pojedynczym procesie, są jeszcze w stadium opracowań. Paliwem może być również Pluton, jest on jednak rzadko używany.
Yellow cake Wydobycie uranu Rudy uranu

Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z:

1. Rdzenia w którego skład wchodzą:
- Pręty paliwowe – zawierają paliwo jądrowe ( zwykle granulowany tlenek uranu).
- Pręty regulujące i pręty bezpieczeństwa – zbudowane są z substancji pochłaniających neutrony (np. bor, kadm), przy czym pręty regulacyjne służą do precyzyjnej zmiany strumienia neutronów, podczas gdy pręty bezpieczeństwa mają za zadanie całkowite przerwanie reakcji łańcuchowej w sytuacji awaryjnej – oba te rodzaje prętów wsuwa się i wysuwa z rdzenia w miarę potrzeby.
Pełny wsad paliwa do przeciętnego reaktora składa się z kilkuset takich prętów. Pręty pozostają w reaktorze 4-5 lat. Po tym czasie wypalone paliwo jądrowe jest przesyłane do jego dostawcy, który składuje je, odzyskując zwykle wcześniej wytworzony pluton i nie spalony uran.
- Chłodziwa – reaktory trzeba chłodzić, by odbierać produkowaną w nich energię. Chłodziwo w wymiennikach ciepła grzeje wodę w drugim obiegu, nie stykając się bezpośrednio z reaktorem. Chłodziwem może być zarówno zwykła jak i ciężka woda. Niekiedy buduje się reaktory, w których ciśnienie wody chłodzącej dobrano w ten sposób, że wrze ona, gdy przechodzi przez rdzeń reaktora. W innych woda pod ciśnieniem 100-140 atmosfer ogrzewa się nawet do 3000°C, co pozwala na znaczne podniesienie sprawności urządzenia. Chłodziwem może być również powietrze, gazy, tj. wodór czy hel, lub ciekły metal – sód, potas bądź bizmut
- Kanały badawcze – służą do kontrolowania poziomu strumienia neutronów, wykonywania naświetlań itp.
- Moderator – w nowoczesnych reaktorach należy go stosować. Obecnie stosuje się trzy jego rodzaje: grafit, wodę, ciężką wodę. Jego zadaniem jest spowolnianie neutronów. Jeżeli szybkie neutrony zderzą się z jądrami lekkich pierwiastków, następuje ich spowolnienie. Na początku najczęściej stosowano grafit. Obecnie wykorzystujemy go w niektórych rodzajach reaktorów, w tym w wysokowydajnych grafitowo-sodowych, chłodzonych ciekłym sodem. Reaktory, w których role moderatora pełni ciężka woda, charakteryzują się najmniejszymi stratami neutronów.

2. Reflektor neutronów – celem reflektora neutronów jest zwiększenie strumienia neutronów w zewnętrznych częściach rdzenia lub ładunku. Dzięki rozpraszaniu neutronów wstecz, do obszaru zachodzenia reakcji łańcuchowej.

3.Osłony biologiczne- zabezpieczają, żeby promieniowanie nie wydostało się na zewnątrz.

Zbiornik ciśnieniowy

Energia elektryczna wytwarza się na skutek obrotów turbiny poruszanej przez parę wodą, turbina natomiast porusza generator, który poprzez zjawisko indukcji elektrycznej wytwarza prąd.
Turbina

Podział reaktorów ze względu na zastosowanie
1) energetyczne,
- reaktory wodne, ciśnieniowe (tzw. PWR i WWER) , w których chłodziwem i moderatorem jest zwykła woda pod ciśnieniem (na tyle wysokim by woda nie zaczęła odparowywać podczas normalnej pracy reaktora).
§wyjątkowymi reaktorami wodnymi, ciśnieniowymi są reaktory RBMK (tego typu reaktory są między innymi w Czarnobylu, nie ma natomiast takich reaktorów poza terenem byłego ZSRR, gdyż nie spełniają i nigdy nie spełniały podstawowych warunków bezpieczeństwa), chłodzone są wodą, a moderowane grafitem.
-reaktory wodne, wrzące (BWR), w których chłodziwem i moderatorem jest również zwykła woda, ale wrząca,
-reaktory ciężkowodne (PHWR, CANDU), chłodziwem i moderatorem jest ciężka woda,
-reaktory gazowe (GCR, AGR, HTGR), w których chłodziwem jest gaz (dwutlenek węgla lub hel), a moderatorem grafit,
2) napędowe (głównie łodzi podwodnych i dużych okrętów wojennych),
3) militarne (wytwarzające materiał rozszczepialny do broni jądrowej),
4)badawcze.
Również w Polsce znajdowały się reaktory jądrowe. Był to reaktor o nazwie „Ewa”, pierwszy w Polsce doświadczalny reaktor jądrowy, uruchomiony w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku pod Warszawą (obecnie Instytut Energii Atomowej) dnia 14 czerwca 1958r. Była to konstrukcja radziecka, typu WWR-S, o mocy cieplnej pierwotnie równej 2 MW, gdzie paliwem był wzbogacony do 10% uran, moderatorem i chłodziwem natomiast zwykła woda. W 1963 i 1967 reaktor modernizowano, m.in. zwiększając wzbogacenie paliwa (dodając również układy zwiększające bezpieczeństwo eksploatacji), w wyniku czego jego moc cieplna wzrosła kolejno do 4 MW i 10 MW. Reaktor ten był wykorzystywany do produkcji izotopów promieniotwórczych, corocznie pracując przez ok. 3500 godz. Reaktor Ewa został zdemontowany. Drugi polski reaktor nosił nazwę „Maria”, upamiętniając Marę Skłodowską Curie, największy reaktor jądrowy znajdujący się w Polsce (Świerk pod Warszawą), uruchomiony w grudniu 1974. Moc cieplna reaktora Marii wynosi 30 MW.

Wyróżniamy kilka rodzajów Reaktorów ze względu na ich budowę:
1)wodny wrzący – zamienia wodę w parę za pomocą energii jądrowej. Następuje to w zbiorniku ciśnieniowym reaktora. Para pod ciśnieniem około 7MPa napędza turbinę, która dostarcza generatorowi energii potrzebną do wytworzenia prądu. We wspomnianym zbiorniku ciśnieniowym reaktora, który w omawianym przykładzie posiada ścianki o grubości 16 cm, znajduje się rdzeń reaktora, przez który przepływa woda doprowadzana do wrzenia. Rdzeń reaktora składa się z około 800 elementów paliwowych. Każdy element paliwowy znajduje się w blaszanym pojemniku, do którego woda dostaje sie przez otwór w spodzie. Woda wypełnia pojemnik i styka się z 64 prętami paliwowymi, czyli prętami wykonanymi np. z rozszczepialnego uranu. Pręty składają się zazwyczaj ze wzbogaconego uranu w postaci dwutlenku uranu (UO2). Podczas rozszczepiania jąder uranu wydziela się duża ilość energii, którą w formie ciepła odbiera woda chłodząca (chłodziwo). Woda służy też jednocześnie jako moderator (hamuje więc do tego stopnia prędkie neutrony, powstałe podczas każdego rozszczepienia jądra, że same mogą powodować dalsze rozszczepienia).
2)wodny ciśnieniowy – woda stykająca się z rdzeniem reaktora nie gotuje się. Uniemożliwia jej to ogromne ciśnienie – rzędu 15 MPa. Woda ta krąży w obiegu pierwotnym i w odpowiedniej wytwornicy pary ogrzewa wodę obiegu wtórnego, a zatem nie styka się z nią bezpośrednio. Woda obiegu pierwotnego schładza się przy tym z 330C do 290C. Podczas gdy woda obiegu wtórnego wrze i wytworzoną parą napędza turbinę i generator, to woda obiegu pierwotnego, ciągle w stanie ciekłym, jest pompowana do rdzenia, gdzie ponownie ogrzewa się do 330C. Odpowiedni regulator ciśnienia zapewni stałe ciśnienie tej wody. Typowy reaktor wodny ciśnieniowy o mocy 1300 MW ma rdzeń zawierający około 200 elementów paliwowych po 300 prętów paliwowych każdy. Sterowanie reaktorem odbywa się z jednej strony przez zmianę stężenia roztworu boru (pochłaniającego neutrony) w wodzie obiegu pierwotnego, z drugiej strony zaś przez pręty regulacyjne, zawierające kadm, które, jak już poprzednio wspomniałem, można wsuwać i wysuwać. Woda także jest tu spowalniaczem.

3)Powielający – jądra U-238 mogą wchłaniać neutrony, przemieniając się przy tym w jądra plutonu, które można łatwo rozszczepić i wykorzystać do produkcji energii. Reaktor powielając wykorzystuje tą własność. Jako materiał rozszczepialny jest w nim stosowany Pu-239, który podczas rozpadu produkuje 2 lub 3 neutrony. Jeden z nich jest potrzebny do podtrzymania reakcji łańcuchowej, podczas gdy pozostałe są przekazywane do jąder U-238, które przemieniają się w Pu-239. Tak powstaje nowe paliwo. Reaktor wytwarza w ten sposób nowe paliwo. W optymalnym przypadku może wytworzyć nawet więcej paliwa niż sam zużył. Ten proces zachodzi także w innnych typach reaktorów, ale w marginalnych ilościach. Zasoby U-238 są znaczne, więc powszechnie uważa się, że w przyszłości takie reaktory odegrają duża role w wytwarzaniu energii. Reaktor składa się z elementów paliwowych, w których wytwarzana jest energia oraz z elementów powielających, gdzie powstaje nowe paliwo. Z powodu obecności dużej ilości materiału rozszczepialnego wytwarzanie ciepła w elementach paliwowych jest bardziej intensywne. Dlatego ochładza się taki reaktor ciekłym sodem, który dobrze przewodzi ciepło, ale w przeciwieństwie do wody słabo hamuje neutrony. Są więc one ciągle prędkie. Obieg pierwotny ciekłego sodu ogrzewa ciekły sód w obiegu wtórnym. Ten doprowadza do wrzenia, a wytworzona para napędza urządzenia produkujące prąd.
4)Wysokotemperaturowy – zużywa jako surowiec energetyczny obok uranu także tor-232, który w trakcie pracy reaktora pochłania neutrony i przemienia się z rozszczepialny U-233. Stosowane paliwo ma postać drobnych granulek, które następnie zasklepia się w kulach grafitowych wielkości piłki tenisowej. Grafit służy jako moderator hamujący neutrony. Wytworzone w reaktorze ciepło podgrzewa gaz – na przykład obojętny chemicznie hel – do około 900C. Gaz ten z kolei odparowywuje wodę, która napędza turbinę.
5)Jednorodny – rdzeń reaktora jest wypełniony roztworem wodnym jakiegoś pierwiastka, będącego paliwem jądrowym, np. siarczanu uranu UO2SO4, lub inną cieczą, a nawet proszkiem. Zaletami takiego reaktora uniknięcie trudnej i kosztownej produkcji prętów paliwowych i kłopotów związanych z wymianą prętów. We wszystkich tych reaktorach występują dwa obiegi, co ma chronić obsługę reaktora przed promieniowaniem: pierwotny-przechodzący przez reaktor i wtórny z turbiną parową.
Z paliwa jądrowego można uzyskać więcej energii elektrycznej, niż z jakiegokolwiek innego źródła naturalnego:
- 1 kg węgla dostarcza 3 kWh energii
- 1 kg drewna – 1 kWh energii
- 1 kg nafty – 4 kWh
- 1 kg uranu – 50 tys. kWh

Niestety wytwarzanie energii elektrycznej tą drogą ma również swoje złe strony, między innymi składowanie odpadów, oraz możliwość awarii jaka miała miejsce w Czarnobylu. W elektrowni jądrowej wymienia się co roku prawie trzecią część elementów paliwowych na nowe. W dużej elektrowni jądrowej o mocy 1300 MW opuszcza reaktor rok w rok ok. 30 t uranu. Ten materiał jest wprawdzie skażony groźnymi dla życia produktami rozpadu promieniotwórczego, jednak z drugiej strony zawiera cenne, możliwe do odzyskania materiały rozszczepialne. Stąd usuwanie i obróbka wysłużonych elementów paliwowych jest niezmiernie istotnym czynnikiem zarówno z punktu widzenia ochrony środowiska naturalnego, jak i opłacalności przedsięwzięcia. Postępuje się następująco. Po trwającej około roku obecności elementów paliwowych w basenie z wodą, w elektrowni jądrowej przenosi się je na tzw. składowiska pośrednie. Elementy paliwowe pozostają w tym czasie wewnątrz pojemników transportowych, zapewniających całkowicie bezpieczne składowanie i chroniących od promieniowania radioaktywnego. Następnie poddaje się pręty paliwowe przeróbce. Nadające się do wykorzystania paliwo zostaje odzyskane i przekazane do produkcji nowych elementów paliwowych. Niebezpieczne produkty rozpadu radioaktywnego są oddzielane i na zawsze składowane w mogilnikach. Istnieje oczywiście możliwość złożenia wypalonych elementów paliwowych w mogilnikach bez żadnej obróbki i odzysku. Odpady pochodzące z urządzeń atomowych pracujących w instytutach badawczych, elektrowniach jądrowych czy zakładach przerobu wykazują różne stopnie zagrożenia. Słabo aktywne odpady w postaci stałej lub ciekłej są najpierw na drodze stężania, ściskania lub spalania redukowane do możliwie najmniejszej objętości. Następnie zostają zacementowane w beczkach. Średnio aktywne odpady, na przykład rozdrobnione koszulki prętów paliwowych, zacementowuje się także w beczkach. Szczególna ostrożność wymagana jest przy odpadach wysoko aktywnych. Są nimi przede wszystkim rozpuszczone w kwasie azotowym produkty rozpadu. Dają one 99% promieniowania wszystkich odpadów promieniotwórczych! Dla tych niebezpiecznych dla życia substancji opracowano specjalny proces zeszkliwiania. Te wysoko aktywne roztwory najpierw się zagęszcza i chemicznie przetwarza. Następnie w temperaturze 1150°C stapia się je z proszkiem szklanym, tworząc z nich nierozłączny składnik szkliwa, którym wypełnia się grubościenne beczki ze stali nierdzewnej. W zakładzie przerobu przypada na każdą tonę uranu około 130 l wysoko aktywnego odpadu w postaci bloku szkliwa, 5 beczek po 400 l odpadu średnio aktywnego, oraz 15 beczek słabo aktywnego. Te odpady trzeba zmagazynować w sposób bezpieczny “po wsze czasy”, czyli bez ograniczeń czasowych, gdyż nawet po wielu pokoleniach będą one nadal stanowić duże zagrożenie. Niestety będą one zaśmiecały naszą planetę.
Większym zagrożeniem jest awaria, np. taka jak w Czarnobylu, ponieważ przynosi ona śmierć bardzo wielu osób, skażenie środowiska i zniszczenie fauny i flory. Do dziś w okolicach miejsca awarii rodzą się dzieci z wrodzonymi wadami genetycznymi, a na terenach elektrowni nie rosną żadne rośliny. 26 kwietnia 1986 roku, o godzinie 1.23 czasu moskiewskiego, na skutek ewidentnych błędów operatora i wyłączenia systemów awaryjnych w trakcie przeprowadzania eksperymentu mającego zwiększyć bezpieczeństwo pracy reaktora, doszło do utraty kontroli nad reaktorem bloku IV.
Moc reaktora wzrosła ok. stukrotnie, co spowodowało wzrost temperatury rdzenia do ok. 2000°C i dwa kolejne wybuchy (rozsadzenie układu chłodzenia przez parę wodną i wybuch mieszaniny piorunującej, pochodzącej z rozkładu wody na wodór i tlen pod wpływem kontaktu z rozżarzonymi materiałami konstrukcyjnymi, np. grafitem i cyrkonem).
Wybuch rozpoczął dziesięciodniowy pożar moderatora grafitowego, w trakcie którego rdzeń reaktora stopił się, a do środowiska przedostało się kilkadziesiąt izotopów promieniotwórczych. Pożar ugaszono dzięki poświęceniu gaszących strażaków i wojska, 31 osób zmarło w wyniku bezpośredniego napromienienia i oparzeń, ponad 200 było hospitalizowanych w związku z chorobą popromienną.Trzydziestokilometrową strefę wokół reaktorów ewakuowano i zamknięto, później ewakuowano też ludność z najsilniej skażonych terenów Białorusi (np. wsie w rejonie Homla odległe o ponad 200 km od reaktora). Katastrofa w Czarnobylu była największą w dziejach katastrofą reaktora jądrowego, jednak pod względem ilości substancji promieniotwórczych wprowadzonych do środowiska ustępuje miejsca próbom z bronią jądrową prowadzonym w latach 50. i 60, głównie przez USA i były ZSRR oraz eksploatacji (w przeciągu 40 lat) zakładów przeróbki paliwa jądrowego w byłym ZSRR. W chwili obecnej w Czarnobylu reaktor IV pokryty jest ochronnym budynkiem (tzw. sarkofagiem), pozostałe trzy reaktory pracują.

Blok reaktora nr 4 w Czarnobylu

Pisząc ten referat oparłem się na wiadomościach zawartych:
-w atlasie „Co i Jak” Tom 5 – „Energia Atomowa”
-na stronie internetowej wikipedia.pl
-w encyklopedii popularnej PWN
-na stronie internetowej wynalazki.mt.com.pl
-w książce pt. „100 największych wynalazków”.

Posted in Referaty | Leave a comment

Silnik elektryczny i prądnica

Silnik elektryczny to urzadzenie, w którym energia elektryczna zamieniana jest na energie mechaniczną, zwykle w postaci energi ruchu obrotowego. Moment obrotowy powstaje w silniku elektrycznym w wyniki oddziaływania pola magnetycznego i prądu elektrycznego (czyli tzw. siła elektrodynamiczna). Silnik elektryczny składa się ze stojana (z osadzoną parą lub kilkoma parami uzwojeń elektromagnesów) oraz z uzwojeniem twornikowym. Zależnie od prądu zasilającego rozróżnia się: silnik elektryczny prądu stałego, silnik elektryczny prądu przemiennego oraz silniki uniwersalne.
Prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz płynącego w jednym kierunku. Przeciwne bieguny magnetyczne przyciągają się, dlatego takie same bieguny magnetyczne będą się odpychały. Te siły powodują obrót cewki na wale, tak by różnoimienne (czyli różne) bieguny znajdywały się jak najbliżej siebie. W tym polażeniu nie działają już inne siły, które mogłyby powodowac dalszy ruch obrotowy cewki elektromagnesu. Ale właśnie wtedy działa komutator, czyli automatyczny przełącznik kierunku przepływu prądu przez cewkę. W prostym silniku prądu stałego komutator składa się z miedzianej obręczy przeciętej na połowę wzdłuż średnicy i zamontowanego na walewirnika poprzez warstwę izolacyjną. Do obu połówek obręczy przyłączone są wyprowadzenia z końców cewki elektromagnezu. Prąd doprowadzany jest dwiema szczotkami węglowymi dotykającymi do przeciwnych stron obręczy. Wraz z obracaniem się wirnika każda ze szczotek styka się z jedną, a potem z drugą częścią komutatora.

Zaletą prądu stałego jest to, że w przypadku zasilania takim prądem wartość chwilowa dostarczanej mocy jest stała, co ma duże znaczenie dla wszelkich układów wzmacniania i przetwarzania sygnałów. Większość półprzewodnikowych układów elektronicznych zasilana jest prądem stałym (a przynajmniej napięciem stałym). Główną zaletą takiego rozwiązania jest to, że urządzenia zawierające układy elektroniczne mogą być zasilane bezpośrednio z przenośnych źródeł energii (baterii lub akumulatorów).
Taką samą moc, jak i energię można przesłac przy różnych wartościach napięcia i prądu. Przepływający prąd stały powoduje powstanie strat cieplnych w przewodniku, których wartośc jest wprost proporcjonalna do kwadratu wartości natężenia prądu. Przy układach o wyższej mocy daży się do zasilenia jak najwyższym napięciem, co prowadzi do obnniżenia wartości natężenia prądu (czyli takiej samej wymaganej mocy). Transformacja prądu stałego nie jest możliwa. Jednym z najpopularniejszych zródeł prądu stałego jest bateria. Prąd stały np. bateria lub akumulator ulegają procesowi rozładowania, co powoduje powolny spadek wartości napięcia – nie jest to więc prąd całkowicie stały. Silniki elektryczne prądu stałego dzielimy na :
* szeregowe: prędkośc obrotowa zmienia się wraz ze wzrostem obciążenia. Maja skłonnośc do “rozbiegania się” po odłączeniu obciążenia, są stosowane w trakcji elektrycznej i dzwigniach;
* równoległe: prędkośc obciażenia jest niezałeżna od obciążenia, są stosowane np. do napędzania obrabiarek;
*szeregowo-równoległe są stosowane do napędzania maszyn o stałej prędkości obrotowej i dużych momentach obrotowych.
Prąd przemnienny jest charakterystycznym przypadkiem prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianą w powtarzalny, okresowy sposób. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennegoprzyjmują nieprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd też wzieła się nazwa “przemienny”). Najczęściej pożądanym jest: wartośc średnia całookresowa (tzw. składowa stała) wynosząca zero.
Stosunkowo największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie o przebiegu sinusoidalnym. Dlatego też, w żargonie technicznym często nazwa prąd przemienny oznacza po prostu prąd sinusoidalny. Jeśli zakłócenia lub nieliniowość powodują zdeformowanie sinusoidalnego kształtu, wówczas taki niesinusoidalny przebieg nosi nazwę przebiegu odkształconego.
Silniki prądu przemiennego dzielą się na 1- i 3-fazowe, a w zależności od zasady działania na indukcyjne (maszyna indukcyjna), synchroniczne (maszyna synchroniczna) i komutatorowe (maszyna komutatorowa). Maszna indukcyjna składa się z 2 podstawowych części: nieruchomego stojana i ruchomego wirnika. Przemienny prąd stojana powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego (pole wiryjące), które w wyniku indukcji elektromagnetycznej (stąd nazwa silnik indukcyjny) wywołuje prąd elektryczny w uzwojeniach wirnika. Oddziaływanie uzwojeń stojana i wirnika powoduje ruch. Silniki te stosowane są do napędzania maszyn o nieregulowanej prędkości obrotowej. Najtańszą i najprostrzą budową silnika indukcyjnego jest silnik indukcyjny klatkowy, charakteryzuje się on tym iż wirnik ma uzwojenie w kształcie klatki, wykonanej jako odlew aluminiowy lub zespółpretów zwartych na swych czołach pierścieniami. Silniki elektryczne synchroniczne różnią się od indukcyjnych budową wirnika, który jest wyposażony dodatkowo w elektromagnesy zasilane prądem stałym ze wzbudnicy osadzonej na wale wirnika. Maszyny komutatorowe stosuje się do regulacji silników indukcyjnych – komutatorowy przesuwnik fazowy i komutatorowa przetwornica częstotliwości. Również stosowane są w przemyśle włokienniczym, papierniczym, a tagże małej mocy w różnych użądzeniach codziennego użytku.Silniki elektryczne uniwersalne, mogą byc zasilane prądem stałym, jak i prądem przemiennym, stosowane głównie do sprzętu gospodarstwa domowego, maszyn biurowych, itp..
Odrębnym rodzajem silnika elektrycznego jest silnik liniowy, przetwarzający energię elektryczną bezpośrednio na energię ruchu postępowego. Silnik liniowy składa się z induktora i bieżnika, które są odpowiednikami stojana i wirnika zwykłego silnika elektrycznego, lecz rozwiniętymi w linię prostą. Częścią ruchomą silnika może być zarówno induktor, jak i bieżnik. Głównymi zaletami tego rodzaju silnika są: brak styczności mechanicznej między induktorem a bieżnikiem, idealnie cicha praca, dobre chłodzenie, brak ślizgowych zestyków doprowadzających prąd, łatwość sterowania, możliwość uzyskiwania różnych przebiegów zależności siły od prędkości, możliwość prostego łączenia kilku silników liniowych w jeden zespół o większej mocy. Rozróżnia się silniki elektryczne liniowe prądu stałego, prądu przemiennego, synchroniczne, asynchroniczne, oscylacyjne itp.. Do najnowszych konstrukcji należą silniki o poprzecznym strumieniu magnetycznym (tzw. transverse-flux motor) nadające się przedewszystkim do napędzania szybkich pojazdów poruszających się na poduszce powietrznej lub magnetycznej. Silniki elektryczne liniowe stosuje się głównie w automatyce, w napędach specjalnych oraz w trakcji elektrycznej.
PRĄDNICA
Prądnica (generator) to maszyna elektryczna zamieniająca energie mechaniczną na energie elektryczną. Przy konstrukcji prądnic wykorzystano zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Główne jej części to: stojan (stator; część nieruchoma związana z podłożem) oraz wirnik (rotor; część wirująca umieszczona wewnątrz stojana). Energię mechaniczną doprowadza do prądnicy silnik (np. spalinowy, elektryczny, wodny itp.) obracający wał, na którym jest umieszczony wirnik. Zawiera on cewkę zasilaną prądem elektrycznym, wytwarzającą strumień magnetyczny wirujący z prędkością obrotową wirnik powoduje przemienne przenikanie tego strumienia przez uzwojenie cewki o zwojach, umieszczonej w stojanie. Dzięki temu indukuje się w niej napięcie źródłowe (siła elektromotoryczna) E = Φnz. Stojan i wirnik zawierają zwykle kilka cewek odpowiednio połączonych, niekiedy strumień magnetyczny jest wytworzony przez stojan, a siła elektromotoryczna powstaje w uzwojeniu wirnika. W prądnicy prądu stałego wzbudzona przemienna siła elektromotoryczna jest prostowana za pomocą komutatora, w prądnicy prądu przemiennego natomiast siła elektromotoryczna jest doprowadzana do zacisków wyjściowych bezpośrednio (gdy uzwojenie twornikowe znajduje się w stojanie) lub za pośrednictwem pierścieni ślizgowych (gdy uzwojenie twornikowe mieści się w wirniku). Zależnie od sposobu zasilania uzwojenia wytwarzającego strumień magnet. rozróżnia się prądnice prądu stałego: obcowzbudne, bocznikowe, szeregowo-bocznikowe lub szeregowe. Prądnice prądu przemiennego są wykonywane najczęściej jako prądnice synchroniczne i używane w elektrowniach. Wśród prądnic synchronicznych rozróżnia się turbogeneratory (prądnice szybkoobrotowe, 3000 obrotów/min, napędzane turbinami parowymi), hydrogeneratory (prądnice wolnoobrotowe, 75–250 obrotów/min, napędzane turbinami wodnymi) oraz inne prądnice wolnoobrotowe napędzane silnikami spalinowymi lub parowymi tłokowymi. Moce prądnic synchronicznych dochodzą do 1 GW. Pierwszy model prądnicy zbudował 1831 M. Faraday, prototyp prądnicy użytkowej 1866 — E.W. Siemens, prądnicę synchroniczną wynalazł 1878 P.N. Jabłoczkow.
Najprostszą prądnicą jest dynamo. Jest to prądnica wykorzystująca zjawisko indukcji elektromagnetycznej gdy przewodnik jest nieruchomy, a magnes porusza się. Wokół magnesu powstaje zmienne pole elektromagnetyczne.
Zasilanie trójfazowe
Generatory w elektrowniach mają trzy niezależne zestawy cewek, w których indukuje się przemienne napięcie. Podczas obrotu wirnika generatora napięcie osiąga szczyt po kolei w każdym z zestawów cewek – mamy do czynienia z trzema fazami. Prąd trójfazowy przesyłany jest czterema przewodami: trzema fazowymi i jednym wspólnym, uziemionym, tzw. zerem fazowym (piąty przewód bywa podłączany jako uziemienie ochronne, niezależne od zera fazowego). Standardowo w Europie napięcie pomiędzy każdym z przewodów fazowych, a przewodem wspólnym wynosi 220 V. Gdyby napięcie na każdym z przewodów fazowych zmieniało się dokładnie identycznie i jednocześnie, to pomiędzy nimi nie występowałaby żadna różnica napięć. Lecz przesunięcie fazowe przebiegów napięcia o 120° powoduje, że pomiędzy przewodami fazowymi napięcie wynosi 380 V. Trójfazowe zasilanie jest korzystne wszędzie tam, gdzie pracują urządzenia zużywające dużo energii. Stosowane są w nich trójfazowe silniki elektryczne projektowane specjalnie do pracy pod napięciem 380 V.
Generator Van de Graaffa
Maszyną indukcyjną o dużym znaczeniu praktycznym jest generator zbudowany w 1931 roku przez Van de Graaffa. Ruchomy pas wykonany z materiału izolującego przenosi ładunki do metalowej sfery, napięcie na której osiąga w końcu wartość paru milionów woltów. Generatorów takich używa się do testowania izolatorów i innego sprzętu, który powinien wytrzymać wysokie napięcia. Wykorzystuje się je również w badaniach nad cząstkami elementarnymi, używając tak wysokich napięć do rozpędzania naładowanych cząstek do ogromnych prędkości. Maszyny indukcyjne mogą wytwarzać naprawdę olbrzymie napięcia, jednakże zupełnie nie nadają się do ciągłego dostarczania dużych prądów. Dopiero ogniwo, skonstruowane w latach 90-tych XVIII w. przez Włocha Alessandro Voltę nadawało się do tego celu. Wprowadzanie rozlicznych ulepszeń do tej konstrukcji doprowadziło do tego, że w drugiej połowie XIX wieku zaczęto używać elektryczności do oświetlania pomieszczeń. Chociaż baterie w wielu zastosowaniach są po prostu niezastąpione, to z czasem rozładowują się i wymagają ponownego naładowania lub zastąpienia nowymi. Są więc nieprzydatne do zaopatrywania w energię potrzebną większej ilości ludzi do oświetlania lub ogrzewania ich domów.

Posted in Prace | Leave a comment

Gwiazdy referat

Co to są Gwiazdy?
Gwiazda to ciało niebieskie będące skupiskiem związanej grawitacyjnie materii, w której zachodzą reakcje syntezy jądrowej. Wyzwolona w nich energia jest emitowana w postaci promieniowania elektromagnetycznego, a w szczególności pod postacią światła widzialnego. Gwiazdy mają kształt zbliżony do kuli, zbudowane są głównie z wodoru i helu.

Gwiazdy wokół nas
Najbliższa nam gwiazda poza Słońcem, to Proxima (niewidoczna gołym okiem gwiazda związana grawitacyjnie z jasną gwiazdą alfa Centauri ), odległa o 39,9 Pm (petametrów) = 4,2 l.y. (lat świetlnych, 1 l.y. = 0,306 pc = 0,946×1016 m) = 1,29 pc (parseków, 1pc=3,085×1016 m). Światło z tej gwiazdy biegnie więc 4,2 roku by dotrzeć do Ziemi.

Wiek i Waga Gwiazd
Wiek wielu gwiazd jest między miliardem a 10 miliardami lat. Wiek wielu gwiazd może być bliski wiekowi Wszechświata (13,7 miliarda lat). Ich rozmiar zmienia się od kilkunastu kilometrów dla gwiazd neutronowych, do nawet 1000 promieni Słońca w przypadku nadolbrzymów takich, jak Gwiazda Polarna (Polaris) czy Betelgeza (Betelgeuse) w gwiazdozbiorze Oriona. Najbardziej masywną znaną gwiazdą jest Eta Carinae z masą około 100-150 mas Słońca (istnieją sugestie, że maksymalna masa gwiazd jest rzędu 150 mas Słońca). Najmniejszą znaną gwiazdą w której zachodzi synteza termojądrowa jest AB Doradus C, towarzysz AB Doradus A, której masa jest równa tylko 93 masom Jowisza.

Barwy gwiazd
•Gwiazdy emitują pełną paletę barw: od czerwieni, przez pomarańczową, żółtą, aż po niebiesko-białą.
•Często różnice te są łatwo dostrzegalne, np. w gwiazdozbiorze Oriona, królującym na wieczornym grudniowym niebie.
•Dwie najjaśniejsze gwiazdy różnią się bardzo kolorem: widnieją na północno-wschodnich krańcach Betelgeuse jest czerwona, a Rigel – na północnym zachodzie konstelacji niebiesko biała.
•Materia budująca gwiazdy jest tak gorąca, że przybiera postać gazu. Ten gaz jest bardzo, bardzo gorący i dlatego emituje światło i ciepło.
• Barwa światła mówi o temperaturze powierzchni gwiazdy.

Klasyfikacja gwiazd
Klasyfikacja gwiazd (typy spektralne Morgana-Keenana) zaczyna się od dużych i jasnych gwiazd typu O, a kończy się na gwiazdach klasy M. Rozróżniamy gwiazdy klasy O, B, A, F, G, K, M, R, N, S, co łatwo jest zapamiętać dzięki wierszykowi: “Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me Right Now, Sweety”. Każda klasa ma 9 podklas. Nasze Słońce należy do klasy G2. Większość gwiazd leży na ciągu głównym opisującym zależność jasności gwiazdy od jej typu spektralnego (diagram Hertzsprunga-Russella). W klasyfikacji gwiazd oprócz podania typu spektralnego podaje się również dodatkowo klasę jasności gwiazdy (klasy I do VII).

Narodziny Gwiazdy
•Gwiazdy utworzyły się z gazów i pyłów zawartych w międzygwiazdowej przestrzeni galaktyki. Nazywa się je materią międzygwiazdową.
W normalnych warunkach materia ta jest niewidoczna, kiedy jednak oświetli ją gorąca, błyszcząca gwiazda, wtedy ujawnia się jasna mgławica o różnym zabarwieniu.
Siła zawiadującą cały procesem tworzenia się gwiazdy, a także jej dalszym życiem , jest grawitacja. Według jednej z teorii, chmura materii międzygwiazdowej, kiedy przenika przez spiralne ramię galaktyki, zaczyna się zagęszczać, a jej wewnętrzne siły grawitacji narastają. Procesy kondensacji w takich okolicznościach gwałtownie się zwiększają.
W miarę procesów gęstnienia (kondensacji), materia rozpada się na kawałki i robi się coraz gęstsza. W środku dowolnego z jakich kawałków temperatura przekracza milion stopni – mamy do czynienia z protogwiazdą. Za sprawą tak wysokiej ciepłoty rozpoczyna się synteza jąder wodoru. Energia wyzwala w centrum protogwiazdy powstrzymuje dalsze zagęszczanie – powstała nowa gwiazda.
Resztki materii formują płaski dysk, krążący wokół gwiazdy.

Dojrzałe Gwiazdy
Gwiazda, która powstała i poczęła świecić, jest tworem pozostającym w nie zmienionym stanie praktycznie przez wiele lat.
W jądrze gwiazdy, blisko jej centrum, wodór zamieniany jest w hel, a wydzielająca się przy tym energia czyni wnętrze gwiazdy skrajnie gorącym. Ta energia odprowadzana jest z powierzchni gwiazdy w postać światła i ciepła.
Gaz tworzony w gwieździe ma tendencję do rozszerzania się, zdolny jest do utrzymania na sobie jej masy, zapobiegając dalszemu zagęszczaniu.
Taka sytuacja trwa tak długa, jak długo we wnętrzu gwiazdy jest wystarczająco dużo wodoru. Z chwilą wyczerpania się jego zasobów gwiazda ze stadium dojrzałego przechodzi w okres starości.

Olbrzymy
Dojrzałe stadium życia gwiazdy kończy się z chwilą wyczerpania wodoru w jej jądrze. Zużyła cały zasób energii, która dotąd zapewniała jej stabilność. Jądro gwiazdy nie jest już w stanie udźwignąć reszty masy i poczyna się kurczyć. Gęstnieje, a temu towarzyszy wzrost temperatury, który wyzwala reakcję jądrowe w warstwach okalających jądro. Energia wydzielana w tych warstwach powoduje, że rozszerzają się i stygną. Gwiazda “puchnie” i przybiera czerwoną barwę. Nazywamy ją wtedy czerwonym olbrzymem.
Typowy czerwony olbrzym jest około 100 razy większy od Słońca. Kiedy ono, za ok. 5 miliardów lat, zamieni się w czerwonego olbrzyma, rozrośnie się tak znacznie, że być może pochłonie najbliżej leżące planety: Merkurego, Wenus i prawdopodobnie Ziemię.
Wiele czerwonych olbrzymów zmienia okresowo swą jasność. Dzieje się tak, ponieważ rytmicznie kurczą się i rozszerzają. Nazywamy je zmiennymi.

Supernowe i Pulsary
Wielkie gwiazdy, zawierające dużo więcej materii niż Słońce kończą żywot w widowiskowy sposób. Jądra takich gwiazd są tak bardzo ściśnięte i gorące, że zachodzą tam bardziej złożone reakcje jądrowe. Po zużyciu zapasów wodoru jądro zagęszcza się, wzrasta w nim temperatura, umożliwiając rozpoczęcie reakcji jądrowych angażujących atomy węgla. W rezultacie powstają jeszcze cięższe pierwiastki. Po wyczerpaniu się zasobów węgla, cały cykl rozpoczyna się ponownie, obejmując kolejne pierwiastki. Te różne fazy następują szybko po sobie, gdyż kolejne reakcje atomowe produkują coraz mniej energii, jądro się zapada i cała gwiazda wybucha w jednym wielkim niewyobrażalnym “bum”. Ta eksplozja rozbłyska jaśniejszym światłem niż dało by łącznie 100 milionów Słońc. Nazywamy ją supernową.
W następstwie wybuchu supernowej większość ulega zniszczeniu. Zdarza się jednak, że ocaleje jądro. To, co przetrwa wybuch jest skurczone do rozmiarów jakby gigantycznego jądra atomu. To coś nazywamy gwiazdą neutronową, ponieważ zbudowane jest głównie z neutronów. Ilość tej substancji mieszcząca się na łyżeczce do herbaty ważyła by ponad milion ton. Gwiazda neutronowa zawiera mniej więcej tyle materii co Słońce, ale ma średnicę zaledwie 10 kilometrów. Nie emituje widzialnego światła, a jedynie fale radiowe. Gwiazdy te wirują bardzo szybko, a wraz z nimi emitowana przez nie wiązka fal radiowych. Przypomina to latarnię morską. Za każdym razem, gdy wiązka taka trafi na Ziemię, rejestrujemy impuls promieniowania. Stąd nazwa obiektu: pulsar.

Jak umierają gwiazdy?
Wiele gwiazd przez większość okresu starości trwa jako czerwone olbrzymy. Ich jądra zbudowane są z bardzo gorącego i ściśniętego helu. Kiedy temperatura w centrum gwiazdy osiągnie 200 milionów stopnie, helowe jądro rozpoczyna reagować.
W następstwie nowych procesów jądrowych powstają cięższe pierwiastki: węgiel, azot i tlen. Energia wytwarzana w tych procesach chwilowo powstrzymuje kurczenie się gwiazdy.
Otoczka gwiazdy poszerza się tak znacznie, że w konsekwencji najbardziej zewnętrzne warstwy uwalniane są w formie wodorowej “bańki”. Wyrzucony gaz tworzy ,mgławicę planetarną.
W centrum mgławicy planetarnej zawsze jest niebiesko-biała gwiazda. To dawne jądro bardzo skurczonego i rozgrzanego czerwonego olbrzyma, pozbawione utraconej otoczki. Takie gwiazdy nazywamy białymi karłami. Mają mniej więcej tę samą masę co Słońce, ale rozmiary takie jak Ziemia. Cechują się bardzo duża gęstością, tysiące razy większą niż woda.
Słońce, i wszystkie inne gwiazdy o podobnej masie, kończą życie jako białe karły. Nie rozwijają się już dalej. Poczynają stygnąć, by po miliardach lat przekształcić się w ciemne (czerwone) karły

Posted in Referaty | Leave a comment

Gwiazdy

Podwójne gwiazdy
Syriusz (Psia Gwiazda) i towarzyszący mu karzeł – Szczeniak, to właśnie gwiazda podwójna. Szczeniak wytwarza słabsze światło, ale jak wszystkie białe karły jest bardzo ciężki. Dwie gwiazdy utrzymują orbitę dzięki swoim polom grawitacyjnym. Wykonują one obrót wokół wspólnego środka raz na 50 lat.
Wiele jest takich gwiezdnych par. Układy między nimi potrafią być dużo bardziej skomplikowane. W gwiazdozbiorze Bliźniąt dwie główne gwiazdy to Kastor i Polluks. Z Ziemi widać, że Kastor jest biały, a Polluks – pomarańczowy. Kastor nie jest jednak tak groźny, na jakiego wygląda.
Kastor to tak naprawdę sześć gwiazd położonych blisko siebie, obiegających się wzajemnie. Są to dwie zwyczajne podwójne gwiazdy i para słabo świecących karłów.

Gwiazda Demon
Konstelacja Perseusza szczyci się niesamowitą gwiazdą Algol, czyli Gwiazdą Demonem. Algol płonie jasnym światłem przez ok. 60 godzin, potem na 5 godzin przygasa do ź blasku. Po kolejnych 5 godzinach świeci już normalnie.
Jest to również gwiazda podwójna, a każdy z jej składników ma 2,5 miliona kilometrów długości. Oddalone są od siebie o ok. 10 milionów kilometrów. Obracając się zasłaniają sobie nawzajem światło, dlatego czasem wydają się ciemniejsze.

Znikające gwiazdozbiory
Gwiazdozbiory powstały wskutek zgrupowania się gwiazd, które na niebie leżą niby blisko siebie. To jest trochę złudne, gdyż niektóre gwiazdy w konstelacji mogą znajdować się duuużo dalej od Ziemi niż pozostałe. Weźmy za przykład Wielką Niedźwiedzicę.
Jeśli się przeleci pomiędzy gwiazdami tej konstelacji, to cały układ zniknie. Z Ziemi wydaje się, że główne gwiazdy tego układu (Alkaid i Mizar) leżą blisko siebie. Jednak pierwszy znajduje się 210 lat świetlnych od Ziemi, natomiast drugi – tylko 88.

Trochę o naszej Galaktyce:
•Nasza Galaktyka ma mniej więcej 100 tysięcy lat świetlnych średnicy i zawiera około biliona gwiazd, z których najbliższą Ziemi jest Słońce.
•Nasza Galaktyka ma kształt płaskiej spirali, która obraca się wkoło.
•Słońce leży około 30 tysięcy lat świetlnych od centrum Galaktyki, a obrót wokół tego centrum zajmuje mu gdzieś tak 225 milionów lat.
•Wszystkie gwiazdy widziane z Ziemi to nasi najbliżsi sąsiedzi w Galaktyce.
•Jedyny sposób, żeby spojrzeć na resztę naszej Galaktyki, to obserwować Drogę Mleczną (ale zobaczymy ją tylko z boku).

Wszystko zaczyna się od wodoru. Gaz ten zbiera się w olbrzymie chmury, razem z gwiezdnym pyłem pochodzącym ze starych, zazwyczaj już nieistniejących gwiazd. Takie chmury mają miliardy kilometrów średnicy. Nazywamy je mgławicami. Są to “żłobki”, w których “wychowują się” małe gwiazdki.
Gwiazdy zawsze powstają w ten sam sposób. Siła ciążenia stopniowo zbliża cząsteczki mgławicy ku sobie. Tworzy się grudka. Jest coraz grubsza i większa, więc jej grawitacja stale rośnie. Z powodu ściskania cząsteczek wewnątrz tej grudki, staje się ona coraz cieplejsza, aż w końcu powstaje gwiazda-niemowle. To co nastąpi potem, zależy od rozmiarów tego niemowlęcia.
Jeżeli gwiazdka nie jest dość duża, nic się nie stanie. Wszystko powoli się wychłodzi, a cały proces zostanie przerwany. Jego pozostałość nosi nazwę brązowy karzeł.
Jeżeli jednak gazu będzie dosyć – temperatura we wnętrzu dojdzie do 10 milionów stopni Celsjusza i wyzwoli reakcję jądrową. Wodór zacznie się zmieniać w hel, co spowoduje wydzielanie ciepła i światła (gwiazda traci przy tym na wadze; przykładowo Słońce traci 4 miliony ton na sekundę). Właśnie narodziła się gwiazda. Może ona “żyć” na kilka sposobów, zależnie od jej początkowego rozmiaru. I tak:

Małe gwiazdy
Oto jak wygląda życie wszystkich gwiazd mniejszych lub tylko odrobinę większych od Słońca:
1.Gwieździe wystarczy wodoru, aby mogła się palić przez nie więcej niż około 10 miliardów lat.
2.Pod koniec tego okresu zaczyna brakować wodoru i dzieją się dziwne rzeczy. Centrum gwiazdy kurczy się i nagrzewa, a reszta natomiast się rozszerza i wychładza. Z daleka taka gwiazda wydaje się wielka i czerwona, więc nazywa się ją czerwonym olbrzymem.
3.Żywot czerwonego olbrzyma nie jest długi. Gwiazda może skurczyć się i rozpocząć zamieniać hel w węgiel. Może też zredukować się stopniowo do gorącego centrum otoczonego gazem. Stanie się tzw. mgławicą planetarną (nie ma to jednak żadnego związku z planetami).
4.Niedługo centralne jądro pozostanie samo i powstanie biały karzeł. Jest on bardzo mały, ale i bardzo ciężki (kubek pełen substancji, z jakiej składa się taki karzeł ważyłby ok. 10 ton).
5.Biały karzeł ostygnie w końcu tak, że stanie się czarnym karłem. Naukowcy nie są w stanie stwierdzić, czy Wszechświat jest na tyle stary, by wytworzyły się w nim jakiekolwiek czarne karły. Jeśli nawet, to są zbyt ciemne, by je dostrzec.

Wielkie gwiazdy
Życiorys gwiazdy ponad 1,4 razy większej od Słońca wygląda nieco inaczej:
1.Wodór spala się szybciej. Dość duże gwiazdy robią to w ciągu kilku milionów lat. Pod koniec tego procesu stają się czerwonymi nadolbrzymami.
2.Gdy paliwo się skończy, wszystko gwałtownie się urywa. Gwiazda zaczyna się zapadać do momentu, gdy kubek wypełniony tą substancją ważyłby 10 miliardów ton. Temperatura wzrasta do 100 miliardów stopni. Wtedy gwiazda rozpada się na kawałki. Taki wybuch nazywa się supernową i może w ciągu kilku chwil wytworzyć więcej energii niż Słońce w czasie milionów lat. Jeśli chcesz zobaczyć supernową – bądź czujny, gdyż taki wybuch zdarza się raz na kilkaset lat.
3.Kiedy supernowa zakończy żywot, to, co z niej zostanie będzie się nazywać gwiazdą neutronową i mieć max. 20 kilometrów średnicy. Grawitacja jest tam tak silna, że przeciętny nastolatek będzie tam ważył parę bilionów kilogramów!
4.Sporo gwiazd neutronowych obraca się wokół własnej osi i wysyła impulsy radiowe, toteż nazywamy je pulsarami.
5.W końcu pulsar zwalnia, zatrzymuje się i już tak pozostaje.

Naprawdę wielkie gwiazdy Oto jak wygląda życie gwiazdy co najmniej trzy razy większej od Słońca (a zdarzają się nawet kilkaset razy większe):
1.Gwiazda szybko spala paliwo i wybucha jak supernowa.
2.Potem się zapada, zapada, zapada, zapada…
3….aż się sama w siebie wtłoczy, że pęka struktura molekularna, zatrzymuje się czas i wytwarza się najbardziej nieprawdopodobne ciało we Wszechświecie. Może mieć średnicą mniejszą niż kilka kilometrów, ale jest cięższe niż pulsar. To czarna dziura.

Gwiazdy są to samoświecące ciała niebieskie o masach od 0,08 do ponad 100 mas Słońca, które jest przeciętnej wielkości gwiazdą. Ilość wypromieniowywanej energii, z wyłączeniem gwiazd nowych i supernowych, mieści się w granicach od 0,0001 do 10 000 energii emitowanej przez Słońce (tj. 3,8ˇ1031 J/s), temperatura powierzchni wynosi od ok. 1000 K do 100 000 K (a nawet kilku milionów Kelwinów w przypadku pulsarów). Największy zakres zmienności w budowie gwiazd dotyczy średnic. Wynoszą one od kilkudziesięciu km (pulsary) do kilku tysięcy średnic Słońca (to znaczy największe gwiazdy mają rozmiary rzędu 1010 km).

Obserwowaną jasność gwiazdy ocenia się stosując fotometryczną skalę wielkości gwiazdowych. Gwiazdy charakteryzuje się poprzez ich typ widmowy i jasność absolutną (tzw. diagram Hertzsprunga-Russella). Wyróżnia się tam nadolbrzymy, olbrzymy, tzw. gwiazdy ciągu głównego diagramu Hertzsprunga-Russella, karły. Każdą z tych klas dzieli się ze względu na temperaturę fotosfery (a więc barwę emitowanego światła) na błękitne, białe, żółte, czerwone itp.

Typ widmowy gwiazd – charakterystyka

Budowa gwiazd zasadniczo przypomina budowę Słońca. Energia promieniowania gwiazd pochodzi z syntezy termojądrowej lżejszych jąder w cięższe (Cykl CNO, Cykl p-p). Gwiazda jest stabilna jeśli ciśnienie grawitacyjne równoważy ciśnienie termiczne. Istnieją gwiazdy niestabilne (Gwiazdy zmienne, Cefeidy, Nowe, Supernowe).

Gwiazdy dzieli się na należące do tzw. I populacji (stosunkowo młode, utworzone z materii bogatej w ciężkie pierwiastki pozostałej z wybuchów gwiazd nowych lub supernowych ) oraz II populacji (stare, które nie przeszły jeszcze całego cyklu ewolucji gwiazdy, w związku z tym zawierające głównie lekkie pierwiastki, ciężkie pierwiastki stanowią mniej niż 2% masy). Gwiazdy występują często w układach wielokrotnych (gwiazdy podwójne).

Populacje gwiazd to dwie grupy gwiazd wydzielone ze względu na ich właściwości fizyczne, które z kolei wiążą się z wiekiem gwiazd i ich pochodzeniem.

I populacja
Do populacji I zalicza się gwiazdy leżące na tzw. ciągu głównym diagramu Hertzsprunga-Russella (z pewnymi wyjątkami). Rozmieszczenie przestrzenne i ruchy gwiazd I populacji świadczą o tym, że powstały one po uformowaniu się Galaktyki z materii międzygwiazdowej, zawierającej, oprócz wodoru, dużo pierwiastków cięższych. Dlatego w widmach gwiazd I populacji obserwuje się stosunkowo silne linie metali. Gwiazdy należące do tego typu powstają również i dziś.

II populacja
Do populacji II zalicza się gwiazdy leżące nad ciągiem głównym diagramu Hertzsprunga-Russella (Czerwone olbrzymy, Nadolbrzymy), wśród których znajdują się niekiedy również gwiazdy I populacji, oraz nieliczne tzw. podkarły, które na diagramie Hertzsprunga-Russella leżą na linii biegnącej równolegle do ciągu głównego, pod nim.

Pierwsza grupa to gwiazdy, które opuściły ciąg główny, zatem starsze od gwiazd I populacji. Większość ich powstała w czasie, gdy Galaktyka nie była jeszcze “uporządkowana” w takim stopniu jak obecnie. Wówczas materia międzygwiazdowa, z której się one tworzyły, nie koncentrowała się wzdłuż równika Galaktyki i nie miała ruchu zbliżonego do kołowego. Dlatego ruch powstających w niej gwiazd odbywa się po orbitach znacznie różniących się od kół.

Ponieważ materia międzygwiazdowa w tym okresie była uboga w pierwiastki cięższe, w widmach gwiazd II populacji linie tych pierwiastków są na ogół słabsze niż w widmach gwiazd populacji I. To samo można powiedzieć o podkarłach, których ewolucja przebiega jeszcze wolniej niż ewolucja gwiazd I populacji o tych samych masach. Podkarły powstały prawdopodobnie – jak większość gwiazd II populacji – we wczesnych stadiach życia Galaktyki, dotychczas jeszcze nie zdążyły opuścić ciągu głównego, który w tym okresie przebiegał nieco niżej niż teraz (gdyż materia, z której rodziły się podkarły, była znacznie uboższa w pierwiastki cięższe niż obecnie).

Można założyć, że jądro naszej Galaktyki, tak jak i innych galaktyk spiralnych, składa się wyłącznie z gwiazd należących do II populacji. Z tych samych gwiazd składają się galaktyki eliptyczne. Natomiast galaktyki nieregularne składają się głównie, jeżeli nie wyłącznie, z gwiazd populacji I.

Nazwa Data Czas trwania (dni) Konste- lacja Ilość meterów na godzinę Rekord. ilość meteorów na godzinę Kometa, z której powstał rój
Kwadrantydy 3 I 0,5 Wolarz 40 100 ?
Lirydy 21 IV 2 Lutnia 12 33 Thatcher
Eta- Akwarydy 4 V 10 Wodnik 15 ? Halley
Deta- Akwarydy 29 VII 15 Wodnik 20 34 ?
Perseidy 12 VIII 20 Perseusz 60 ? Swift- Tuttle
Orionidy 21 X 5 Orion 25 50 Halley
Taurydy 10 XI 40 Byk 15 ? Encke
Leonidy 16 XII 4 Lew 12 144000 Temple- Tuttle
Geminidy 16 XII 6 Bliźnięta 60 120 ?
Ursydy 22 XII 2 Mała Niedźw. 5 20 Tuttle

Gaz międzygwiezdny
Międzygwiezdny gaz jt. składnik gazowy materii międzygwiezdnej o składzie chemicznym zbliżonym do atmosfery większości gwiazd. 50-70% międzygwiezdny gaz stanowi wodór, resztę hel i pierwiastki ciężkie, których zawartość szybko spada ze wzrostem masy atomowej.

Skład chemiczny poszczególnych obłoków międzygwiezdnego gazu może się znacznie różnić, jednakże głównym jego składnikiem jest z reguły wodór międzygwiezdny. O obecności w międzygwiezdnym gazie różnych pierwiastków wnioskuje się głównie z obserwacji widm gwiazd (widmo emisyjne) znajdujących się za obłokiem międzygwiezdnego gazu: jego obecność na drodze promieni otrzymywanych od gwiazdy wywołuje powstawanie w widmach gwiazd absorpcyjnych linii międzygwiezdnych, dających się stosunkowo łatwo odróżnić od linii powstających w atmosferze gwiazd. Identyfikując te linie i mierząc ich względne natężenia dochodzi się do jakościowego i ilościowego ustalenia składu chemicznego i stanu fizycznego międzygwiezdnego gazu.

Obecność wodoru w międzygwiezdnym gazie wykrywa się innymi metodami. Średnia gęstość międzygwiezdnego gazu w pobliżu płaszczyzny Galaktyki wynosi 10-21 kg/m3, co jest równoważne ok. 1 atomowi na 1 cm3. Jego temperatura waha się do kilkunastu tys. stopni Kelwina.

Pył międzygwiezdny
Międzygwiezdny pył, składnik materii międzygwiezdnej podobny do pyłu w potocznym znaczeniu tego słowa. Zbiorowisko cząstek (o nieznanym dotychczas składzie chemicznym) o rozmiarach rzędu 0,0001 mm.

Obecność międzygwiezdnego pyłu w jakimś obszarze nieba powoduje osłabienie światła gwiazd i in. obiektów kosmicznych znajdujących się za danym obłokiem międzygwiezdnego pyłu. Powoduje również jego poczerwienienie, ponieważ rozprasza silniej promieniowanie krótkofalowe niż długofalowe, czyli żółte i czerwone.

Materia międzygwiezdna
Materia międzygwiezdna, silnie rozrzedzony gaz z domieszką pyłu (zbudowany w 70 % z wodoru, 28% z helu, 2% to pozostałe pierwiastki – głównie: tlen, azot, węgiel), wypełniający przestrzeń pomiędzy gwiazdami w Galaktyce (głównie w jej ramionach spiralnych).

Materia międzygwiezdna stanowi 2% masy Galaktyki. Tworzy obłoki o rozmiarach dziesiątek lat świetlnych i gęstości wynoszącej od kilku do kilkunastu atomów/cm3 (poza obłokami gęstość materii wynosi ok. 0,1 atomu/cm3, w przestrzeni pozagalaktycznej gęstość materii wynosi ok. 10-4 atomu/cm3).

Ponadto materia międzygwiezdna tworzy ciemne lub jasne mgławice pyłowe (o gęstości kilkuset atomów/cm3). Materia międzygwiezdna w pobliżu gwiazd ulega jonizacji (dla gorących gwiazd obszar jonizacji materii międzygwiezdnej rozciąga się na kilka parseków od gwiazdy).

Posted in Referaty | Leave a comment

Teoria budowy wszechświata i jednostka odległości astronomii

Spis treści:

1. Wstęp…………………………………………………………………………………………03

2. Czym jest wszechświat? ………………………………………………………………04

3. Pierwsze wyobrażenia o świecie……………………………………………………05

4. Teoria geocentryczna……………………………………………………………………06

5. Teoria heliocentryczna………………………………………………………………….07

6. Współczesna teoria na temat budowy Wszechświata………………………..10
7. Zakończenie.……………………………………………………………12
8. Jednostka astronomii…………………………………………………..13

WSTĘP

Każdy z nas już od najmłodszych lat zadaje sobie pytanie: ”Jak wygląda Wszechświat? Jaka jest jego budowa?”. Szuka odpowiedzi na to pytanie dziedzina astronomii zwana KOSMOLOGIĄ, która nie dostarcza nam tylko opisów lub obrazów, ale także ułatwia zrozumienie jak Wszechświat funkcjonuje. Na ten temat można się uczyć bez końca, ale nigdy go nie zgłębimy.

Moja praca pozwala na cząstkowe poznanie otaczającego nas Kosmosu , a dokładnie na zapoznanie się z różnymi teoriami na temat jego budowy. Zawarte są tu teorie uporządkowane według kolejności powstawania: od starożytności do współczesności. Ukazują nam one nie tylko osiągnięcia nauki, ale także zmieniające się poglądy filozoficzne.

Praca ta przeznaczona jest dla osób każdym wieku, gdyż starałam się pisać ją językiem jak najbardziej zrozumiałym: unikałam nie tylko stosowania wielu dat, ale i trudnych definicji.

Życzę miłego czytania i jednocześnie łatwej nauki tego tak ciekawego tematu. Myślę, że teorie na temat budowy Wszechświata nie będą już nikomu obce.

CZYM JEST WSZECHŚWIAT?

To właśnie kosmologia pozwoliła nam na określenie czym jest Wszechświat. „Wszechświat to wszystko, co istnieje – materia, przestrzeń, energia i czas. Znajdują się w nim gwiazdy, planety i inne obiekty kosmiczne.”

Inaczej mówiąc Wszechświat zwany także Kosmosem jest przestrzenią wraz ze znajdującą się w niej materią, która w jakikolwiek sposób może oddziaływać na nas (lub my na nią) w przeszłości, obecnie, lub w przyszłości.

Rozwój idei pozwala nam na stwierdzenie, że być może istnieje jeszcze coś poza obserwowalnym Wszechświatem, co prowadzi do podziału definicji Wszechświata na dwie części: Kosmosu ograniczonego do tego co obserwowalne, lub w odniesieniu do całej przestrzeni i czasu, w której może istnieć wiele innych Wszechświatów.

PIERWSZE WYOBRAŻENIA O ŚWIECIE

Od zarania dziejów człowiek posiadał różne wyobrażenia na temat otaczającego go świata. Pierwsze teorie nie miały charakteru naukowego. Większość ludów pierwotnych wyobrażała sobie Wszechświat jako płaski krążek, wypukłą tarczę lub potężną górę. Na przykład ludy Mezopotamii uważały, że Wszechświat jest podobny do pokoju, w którym płaska Ziemia pełni rolę podłogi, a sufitem jest płaskie sklepienie niebieskie. Zaś starożytni Hindusi stworzyli teorię, że Ziemia jest wypukłą tarczą i spoczywa na grzbietach trzech słoni stojących na skorupie olbrzymiego żółwia pływającego po nieskończonym oceanie. Sam ocean był otoczony splotami świętego węża.

Rysunek 3.1. Według uczonych średniowiecza Ziemia była płaska, nad nią krążyło Słońce i Księżyc, a gwiazdy były przymocowane do sfery niebieskiej, za którą znajdowała się siedziba Boga i Aniołów.

Wraz z rozwojem nauki teorie te zaczęły się diametralnie zmieniać i przybierać formę naukową.

TEORIA GEOCENTRYCZNA

Starożytni Grecy stworzyli system zakładający, że Wszechświat zbudowany jest z Ziemi, obieganej dookoła przez planety, Księżyc i Słońce, a na zewnątrz otoczonej sferą gwiazd stałych. System ten został nazwany systemem geocentrycznym (z greckiego „Geo” – Ziemia i „Centrum” – środek). Koncepcja ta ulegała licznym przekształceniom. Dość szybko astronomowie zorientowali się, że założenie, jakoby planety obiegały Ziemię po orbitach o kształcie okręgów jest sprzeczne z wynikami obserwacji astronomicznych. Rozwiązanie tego problemu (bez rezygnacji z centralnego położenia Ziemi) znalazł grecki matematyk i astronom – Eksodos z Knidos. Następnie pojawił się Hipparch z Rodos. Był zwolennikiem geocentryzmu, choć odrzucił teorię sfer homocentrycznych (krążących wokół Ziemi). Stworzył on teorię zwaną teorią epicykli i deferentów. Głosiła ona, że „Ziemia znajduje się w środku deferentu, a krążąca dokoła niej planeta – na obwodzie epicykli, którego środek porusza się ruchem jednostajnym po obwodzie deferentu, a ten z kolei takim samym ruchem obraca się dokoła nieruchomego globu ziemskiego.” Ostateczny kształt tej teorii nadał grecki geograf i astronom Klaudiusz Ptolemeusz, żyjący w Aleksandrii w II w n.e. W modelu Ptolemeusza po orbitach kołowych zwanych deferentami poruszają się mniejsze okręgi, zwane epicyklami, a dopiero po nich poruszają się planety (teoria zawarta w dziele „Almagest”). Początkowo teoria ta przyjmowana była z oporami, później na wiele wieków zyskała popularność, gdyż jej zaletą była możliwość prostego i w miarę dokładnego wytłumaczenia zjawisk astronomicznych. Została obalona przez Mikołaja Kopernika.

TEORIA HELIOCENTRYCZNA

Dalsze obserwacje astronomiczne wykazały, że system geocentryczny nie jest idealnie zgodny z rzeczywistością. Konieczne stawało się dodawanie kolejnych epicykli, co doprowadziło do tego, że system stawał się coraz bardziej skomplikowany. Pierwszą osobą, która zaproponowała model heliocentryczny (z greckiego „Helios” – Słońce) był żyjący w II w. p.n.e. Arystarch z Samos. Zauważył on, że dziwne zachowanie planet można wyjaśnić przez umieszczenie w centrum Wszechświata nie Ziemi, a Słońca. Teoria ta dobrze tłumaczyła zjawiska obserwowane na niebie, jednak nie została przyjęta, ponieważ wyprzedzała swoje czasy.

Po Arystachu z Samos model heliocentryczny został zapomniany na siedemnaście wieków. Na nowo odkrył go dopiero polski uczony – Mikołaj Kopernik (1473-1543). Stworzony przez niego system i przedstawiony w dziele pt. “De revolutionibus orbium coelestium” („O obrotach ciał niebieskich”) zakładał, że w środku Wszechświata znajduje się nieruchome Słońce. Dookoła niego po kołowych orbitach poruszają się planety i Ziemia. System ten przypomina model zaproponowany przez Arystarcha z Samos, lecz Kopernik dokładniej dopracował swój pomysł. Nie zrezygnował całkowicie ze stosowania epicykli – jego system zawierał ich znacznie mniej i był prostszy od geocentrycznego systemu Ptolemeusza.

System heliocentryczny przywrócił astronomii prostotę, mimo to miał wielu przeciwników. Trzeba też pamiętać, że w czasach Kopernika teoria Ptolemeusza cieszyła się wielkim autorytetem wspieranym przez Kościół.
Także inny uczony – Galileusz, „stwierdził obrót Słońca dookoła osi a więc to, co było określone i przewidziane w teorii M. Kopernika. Pomimo, że trybunał inkwizycyjny zabronił głoszenia teorii heliocentrycznej w 1615, Galileusz w 1623 wydał „Dialog o dwu najważniejszych układach świata: ptolemeuszowym i kopernikowym.”

Odrzucenie teorii epicykli stało się możliwe dopiero kiedy przyjęto, że tory planet nie są okręgami lecz elipsami. Orbity eliptyczne wprowadził niemiecki astronom i matematyk Johannes Kepler. Sformułował on trzy prawa, zwane od jego nazwiska prawami Keplera, opisujące ruch planet we Wszechświecie.

I prawo Keplera:
Planety poruszają się po orbitach eliptycznych, przy czym Słońce znajduje się w jednym z ognisk elipsy.

II prawo Keplera:
Dla danej planety stałą wielkością jest jej tzw. prędkość polowa (tj. pole powierzchni figury ograniczonej łukiem elipsy zakreślanym przez planetę w jednostce czasu i odległościami od końców łuku do ogniska).

III prawo Keplera:
Kwadraty okresów obiegów planet wokół Słońca są proporcjonalne do trzecich potęg ich średnich odległości od Słońca.

Model stworzony przez Kopernika i Keplera daje dobry opis ruchu ciał niebieskich. Nie mówi on jednak nic o przyczynie tych ruchów. Hipotezę, że Wszechświat stanowi jedność, i że zachowanie kuli armatniej opisują te sama prawa, które opisują również ruchy planet, jako pierwszy wysunął Isaac Newton (1643-1727). Uczony ten doszedł do wniosku, że skoro planety poruszają się po elipsach to prawdopodobnie działa na nie jakaś siła, zakrzywiająca ich tor. Newton domyślił się, że źródłem tej siły jest Słońce. Nazwał je siłami grawitacji, czyli wzajemnego przyciągania.

WSPÓŁCZESNA TEORIA NA TEMAT BUDOWY WSZECHŚWIATA

Ocenia się, że Wszechświat powstał kilkanaście miliardów lat temu w wyniku Wielkiego Wybuchu. Teoria Wielkiego Wybuchu zakłada, że w przeszłości cała materia i energia składające się na Wszechświat znajdowały się w nieskończenie małym obszarze. Gdy powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu, był zupełnie odmienny od dzisiejszego Wszechświata zawierającego planety, gwiazdy i galaktyki. Bardzo wczesny Wszechświat był ognistą kulą promieniowania, z której powstała później pierwsza generacja gwiazd.

Cała materia znajdująca się we Wszechświecie pogrupowana jest w struktury. Gwiazdy – Rysunek 6.1- tworzą skupiska zwane gromadami, te z kolei tworzą galaktyki – Rysunek 6.2. Galaktyki, podobnie jak gwiazdy, zebrane są w gromady galaktyk, te zaś tworzą supergromady.

W skład Kosmosu oprócz Słońca i Ziemi wchodzi osiem pozostałych planet Rysunek 6.3 – Merkury, Wenus, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun, Pluton; księżyce planet (w tym nasz Księżyc), planetoidy, komety, meteory oraz pył i gaz międzyplanetarny.

Rysunek 6.1- Supernowa – gwiazda odległa o 170000 lat świetlnych.

Rysunek 6.2 – Przykładowe galaktyki

Rysunek 6.3 – Układ słoneczny.

ZAKOŃCZENIE

Praca ta pozwoliła mi na rozwinięcie mojego amatorskiego hobby. Stała się ona źródłem wiedzy dla każdego, kto chce poszerzyć swoje zainteresowania.

Zawarte w 5 rozdziałach tej pracy informacje, dają nam pełny obraz kształtowania się teorii na temat budowy Wszechświata. Z biegiem lat zmieniały się one diametralnie. Począwszy od pierwszych teorii nie mających charakteru naukowego, głoszących, że Wszechświat jest płaską tarczą, potężną górą lub krążkiem, do teorii opartych na naukowych dowodach, czyli teorii geocentrycznej i heliocentrycznej. Pierwsza z nich mówiła o tym, że w centrum Wszechświata znajduje się Ziemia, zaś druga głosiła, że w centrum znajduje się Słońce.

Do dnia dzisiejszego obowiązuje nas teoria heliocentryczna, która została poparta licznymi dowodami naukowymi.

Myślę, że teorie temat budowy Wszechświata nie będą już nikomu obce.
Moją pracę najlepiej podsumowują słowa Marka Twaina:

„W nauce jest istotne coś fascynującego. Z błahego stwierdzenia faktu można wysunąć mnóstwo tak wspaniałych uogólnień.”

JEDNOSTKA ASTRONOMII
Jednostka astronomiczna: AU( astronomical unit) jest to legalna w astronomii jednostka odległości, równa długości promienia niepertubowanej orbity kołowej ciała o masie znikomo małej, które krąży dookoła Słońca z prędkością gwiazdową 0,17202098950 radiana na dobę mającą 86400 sekund efemerydalnych.

1 AU= 0.0000158 l.y
1 AU= 0.0000048 pc
1 AU= 149613400 km = 149613400000

Rok świetlny l.y., r.św., l.św.. Rok świetlny (ang. light year) to miara odległości często stosowana w astronomii. Jest to odległość jaką pokonuje światło w próżni w czasie jednego roku.

1 L.y = 525736.5202890 minut świetlnych = 31537500.5339751 sekund świetlnych
1 l.y = 0.3064809 pc
1 l.y= 63216.2627144 AU
1 l.y = 9458000000000 km= 9458000000000000

Parsek pc. Parsek to jednostka odległości używana w astronomii. Oznaczana przez pc. 1 parsek to odległość, z jakiej połowa wielkiej osi orbity ziemskiej (czyli 1 j.a.) jest widoczna jako łuk o długości 1 sekundy.

1 pc= 3.2628463 L.y
1 pc= 206264.9468564 AU
1 pc= 1715397.4430239= 102902015.9101789 Sekund swietlnych
1 pc= 30860000000000=30860000000000000

Posted in Referaty | Leave a comment

Układ słoneczny i heliocentryczny, opis planet

1. Układ geocentryczny i heliocentryczny

Przez wieki człowiek wierzył, że Ziemia stanowi centrum Wszechświata, a Słońce, Księżyc, planety i gwiazdy krążą wokół niej. Jednak ten Ukł. geocentryczny Ptolemeusza obalił Mikołaj Kopernik. Swoją teorią heliocentryczną dokonał rewolucji w nauce, burząc dotychczasowe teorie popierane przez Kościół i uczonych. Jego dzieło „O obrotach sfer niebieskich” zostało potępione i aż do początków XIX w. znajdowało się w wykazie ksiąg zakazanych przez Kościół. Sam Mikołaj Kopernik wierzył do końca życia w prawdziwość swej teorii.

*ukł. Geocentryczny – teoria ta zakładała, że Ziemia jest środkiem Wszechświata i obiegają ją inne planety oraz Słońce.
*ukł. Heliocentryczny – teoria głosi, że centrum Ukł. Słonecznego stanowi Słońce, a Ziemia obiega je jako jedna z planet.

2. Układ słoneczny
Słońce i planety powstały ok. 5 miliardów lat temu z gigantycznego obłoku materii międzygwiazdowej. Ukł. Słoneczny to wielka rodzina ciał niebieskich, która krąży wokół jednej gwiazdy: Słońca. 99% masy tego układu należy do jego centralnej gwiazdy, podczas gdy pozostały 1% dzielą między siebie planety, ich księżyce, planetoidy i komety. W skład Ukł. Słonecznego wchodzi dziewięć planet: Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptuni Pluton.

MERKURY
Okres obiegu dookoła Słońca: 87,9 dni ziemskich;
Obrót dookoła własnej osi: 58,6 dni ziemskich;
Promień: 2439 km;
Grawitacja: 0,39 (Ziemia = 1);
Temperatura: od +350 do -170 C;
Odległość od Słońca: 0,39 AU;
Merkury to najbliższa Słońcu i jednocześnie najszybciej poruszająca się planeta Ukł. Słonecznego. Wokół Słońca krąży szybko, ale dookoła osi obraca się wolno. Jest najtrudniejszą do obserwacji wśród planet, które są widzalne gołym okiem. Merkury jest jedną z najgorętszych najgorętszych jednocześni najzimniejszych planet. Planeta ta nie ma żadnego satelity. Jest prawie pozbawiona atmosfery. Istnienie życia tutaj jest wykluczone.

Ciekawostka!
Merkury nosi imię szybkonogiego posłańca bogów z mitologii rzymskiej.

WENUS
Okres obiegu dookoła Słońca: 224,7 dni ziemskie;
Obrót dookoła własnej osi: 243 dni ziemskie;
Promień: 6050 km;
Grawitacja: 0,88 (Ziemia = 1);
Temperatura: 480 C;
Odległość od Słońca: 0,72 AU;
Wenus jest planetą niewiarygodnie gorącą i jednocześnie pochmurną. Tylko niewiele światła dociera przez warstwę chmur do jej powierzchni. PrawiE bez przerwy niebo nad Wenus, drugiej planecie od Słońca, przecinają błyskawice i słychać grzmot piorunów. Nie ma na niej wody, ani tlenu, więc człowiek nie mógłby tam żyć. Wenus ma wielkość, masę i gęstość prawie takie jak Ziemia. Orbita tej planety jest prawie kołowa. Dzień na Wenus jest dłuższy niż rok. Wiruje ona „do tyłu” o ile ruch obrotowy Ziemi odbywa się w tę samą stronę co jej ruch dookoła Słońca. Jest planetą widzialną gołym okiem. Na Wenus wznosi się góra Maxwell, która mierzy 10 000 metrów wysokości.

Ciekawostka!
Wenus to imię rzymskiej bogini miłości i piękna .Symbolem planety jest ręczne lusterko.

ZIEMIA
Okres obiegu dookoła Słońca: 365,4 dni;
Obrót dookoła własnej osi: 23,9 h;
Promień: 6378;
Grawitacja: 9,8 m/s;
Temperatura: od +15 do -25 C;
Odległość od Słońca: 149,6 mln km (równa się 1AU);
Ziemia to trzecia planeta licząc od Słońca. Podobnie jak Mars i Wenus jest ona masywną kulą. Z przestrzeni kosmicznej Ziemia wygląda jak błękitna kula z przecinającymi jej powierzchnię małymi smugami. Swój kolor zawdzięcza oceanom i otaczającej ją atmosferze. Białe smugi ta pasma chmur. Ziemia to jedyna planeta w Ukł. Słonecznym, co do której jesteśmy pewni, że istnieje na niej życie. Orbita Ziemi jest nieznacznie owalna. Przez cały czas jedna strona globu jest oświetlona, a druga pogrążona w ciemności. Atmosfera ziemska składa się głównie z azotu i tlenu. Dzięki temu na Ziemi możliwe jest ludzki życie, które pojawiło się przed 4 miliardami lat. Woda to podstawa życia na Ziemi. Oceany pokrywają prawie ¾ powierzchni planety. Ziemię uczeni nazywają „żyjącą” planetą.

Ciekawostka!
Naszą planetę starożytni Grecy nazywali Gea – Matka Ziemia. Symbolem Ziemi jest grecki symbol kuli.

KSIĘŻYC
Obieg dookoła Ziemi: 27,3 dni ziemskich;
Obieg dookoła własnej osi: 27,3 dni ziemskich;
Promień: 1738 km;
Grawitacja: 0,16 (Ziemi = 1);
Temperatura: od +130 do -150 C;
Odległość od Ziemi: 348 000 km (średnia)
Księżyc jest satelitą Ziemii. Jest to suchy, martwy glob pozbawiony atmosfery i wody. Nie zmienił się on prawie od chwili powstania Ukł. Słonecznego.

Ciekawostka!
Starożytni rzymianie nazywali go Dianą lub Luną. Symbolem jest półksiężyc.

MARS
Okres obiegu dookoła Słońca: 686,9 dni ziemskich;
Obrót dookoła własnej osi: 24,6 h;
Promień: 3398 km;
Grawitacja: 0,38 (Ziemia = 1);
Temperatura: od -80 do -40 C;
Odległość od Słońca: 1,52 AU;
Mars jest zimnym globem pokrytym czerwonym pyłem. Dzięki temu pyłowi zawdzięcza swój przydomek: Czerwona planeta. Orbita Marsa jest większa niż orbita Ziemi. Ponieważ Słońce nie znajduje się dokładnie w środku orbity, Mars krążący, raz oddala się od niego, a raz przybliża. Podobnie jak Ziemia, Mars ma skalną skorupę, ale jego średnica jest ok. połowę mniejsza niż średnica Ziemi. Ponieważ atmosfera Marsa jest bardzo rozrzedzona, duża część energii słonecznej, która pada na jego powierzchnię, ucieka z powrotem w przestrzeń. Dlatego na Marsie jest zimno. Wokół Marsa krążą 2 małe księżyce: Phobos (Strach) i Deimos (Trwoga). Na tej planecie można wyodrębnić 4 pory roku.Jej klimat charakteryzują burze i wiatry. Znajduje się tam też największy wulkan w Ukł. Słonecznym: Mons Olympus, który ma 27 000 m.

Ciekawostka!
Mars nosi nazwę rzymskiego boga wojny. Symbolem jest tarcza i włócznia.

JOWISZ
Okres obiegu dookoła Słońca: 11,86 lat ziemskich;
Obrót dookoła własnej osi: 9,8 h;
Promień: 71 900 km;
Grawitacja: 2,64 (Ziemia = 1);
Temperatura: -120 C;
Odległość od Słońca: 5,2 AU;
Jowisz jest 2,5 raza większy niż wszystkie pozostałe planety razem wzięte,a 1 300 razy większy od Ziemi. Jest on pierwszą z czterech wielkich planet- gazowych gigantów gigantów jednocześnie największą planetą Ukł. Słonecznego. Jowisz jest kulą gazową, choć posiada prawdopodobnie jądro z płynnych skał. Jowisz ma delikatne pierścienie i 16 księżyców. Cztery największe z nich prawie 400 lat temu Galileusz. Jowisz to świat skłębionych, kolorowych chmur poruszających się z prędkością ponad 400 km/h. W górnych warstwach chmur bez przerwy błyskają pioruny. Dzień na Jowiszu jest najkrótszym dniem w Ukł. Słonecznym.

Ciekawostka!
Jowisz nosi imię rzymskiego króla bogów. Symbolem planety jest błyskawica.

SATURN
Okres obiegu dookoła Słońca: 29,45 lat ziemskich;
Obrót dookoła własnej osi: 10,2 h;
Promień: 60 000 km;
Grawitacja: 1,15 (Ziemia = 1);
Temperatura: -160 C;
Odległość od Słońca: 9,54 AU;
Saturn jest drugą co do wielkości planetą w Ukł. Słonecznym. Jest to ostatnia planeta, którą łatwo można oglądać gołym okiem. Jeszcze 200 lat temu sądzono, że jest to ostatnia planeta Ukł. Podobnie jak Jowisz, Saturn jest gazowym gigantem zbudowanym z wodoru i helu. Spowijające planetę mgły i otaczające ją pierścienie nadają Saturnowi oryginalny i piękny wygląd. Wokół Saturna krąży 17 satelitów. Większość z nich to kule lodowe. Najbardziej zewnętrzny pierścień, który można oglądać z Ziemi jest tak ogromny, że spacer wzdłuż niego trwałby 95 lat.

Ciekawostka!
Saturn nosi imię rzymskiego boga rolnictwa. Symbolem planety jest sierp.

URAN
Okres obiegu dookoła Słońca: 84 lata ziemskie;
Obrót dookoła własnej osi: 15,5 h;
Promień: 26 145 km;
Grawitacja: 0,91 (Ziemia = 1);
Temperatura: -180 C;
Odległość od Słońca: 19,18 AU;
Uran odkryto w 1781 r. Jest on tylko słabo świecącym punktem na nocnym niebie. Planeta ta jest odległa od Słońca o prawie 3 miliardy km. Trudno ją obserwować nawet przez teleskop. Na Uranie jest ciemno i zimno. Planeta ta co pewien czas zwraca się do Słońca jednym ze swych biegunów. Uran to gazowy gigant lecz nie ma on skalnego jądra. Ma 15 księżyców.

Ciekawostka!
Uran nosi imię greckiego boga. Symbolem planety jest znak używany jako symbol platyny.

NEPTUN
Okres obiegu dookoła Słońca: 164,79 lata ziemskie
Obrót dookoła własnej osi: 16,6 h;
Promień: 24 750 km;
Grawitacja: 1,18 (Ziemia = 1);
Temperatura: -220 C;
Odległość od Słońca: 30,06 AU;
Neptun wygląda podobnie jak Uran. Przez lata sądzono, że są to planety bliźniacze. Neptun wygląda jak zielono-niebieska kula. Od czasu odkrycia nie zdążył on jeszcze wykonać jednego pełnego okrążenia. Neptun posiada 8 księżyców. Do jego obserwacji konieczne są bardzo silne teleskopy. Nawet przez teleskop planeta wygląda jak rozmyte kółeczko. Neptun położony jest 30 razy dalej od Słońca niż Ziemia.

Ciekawostka!
Ze względu na swój zielono-niebieski kolor Neptun nosi imię rzymskiego boga mórz. Symbolem planety jest trójząb-włócznia o trzech ostrzach, atrybut boga.

PLUTON
Okres obiegu dookoła Słońca: 247,7 lat ziemskich;
Obrót dookoła własnej osi: 6,38 dni ziemskich;
Promień: ok.1 200km;
Grawitacja: ok. 0,43 (Ziemia = 1);
Temperatura: poniżej -200 C;
Odległość od Słońca: 39,44 AU;
Pluton został odkryty w 1930 r. Jest to kula lodowa. Pluton jest ciemny i zimny. Nie jest tam możliwe życie. Jedynym księżycem Plutona jest Charon- odkryty w 1978 r.Jest to ostatnia planeta Ukł. Słonecznego.

Ciekawostka!
Pluton to imię greckiego boga podziemi. Symbolem planety jest pierwsza litera jej nazwy.

SŁOŃCE
Słońce jest gwiazdą. Spośród miliardów gwiazd we Wszechświecie znajduje się ono bliżej Ziemi. Jest gwiazdą najlepiej nam znaną. Oddalone jest od Ziemi o 150 mln km. Promień światła pokonuję tę odległość w czasie 8 min. i 20s. Słońce jest gwiazdą o średniej wielkości. Powstało ok. 4,5 mld lat temu. Uczeni twierdzą, że powstało ono z wirującego obłoku pyłu i gwiazd. Podobne jak wszystkie gwiazdy, Słońce obraca się dookoła swej osi i stale się zmienia.
W jego wnętrzu bez przerwy zachodzą reakcje jądrowe. Słońce oświetla Ziemie i wpływa na pogodę. Bez niego na Ziemi nie mogłoby istnieć życie.

Ciekawostka!
Naukowcy sądzą, że zawarte w Słońcu paliwo wodorowe wystarczy, by świeciło ono jeszcze przez 6000 mln lat. Słońce ma również swój symbol.

3. podsumowanie – słownik pomocniczy
*Ukł. Słoneczny- to Słońce wraz z krążącymi wokół niego planetami i innymi ciałami niebieskimi;
*księżyce- są to naturalne satelity planet, nie mają ich tylko Merkury i Wenus;
*planetoidy- małe planetki, które krążą wokół Słońca;
*meteoryty- są to fragmenty pozostałe po rozpadzie planetoid;
*komety- kawałki „brudnego lodu”, gdy zderzą się z planetą lub księżycem to pozostawiają na ich powierzchni kratery;
*gwiazdy- to ogromne masy gazów-wodoru i helu-utrzymywane razem dzięki sile ciążenia;
*pulsary- jądro z żelaza o śr. ok.20 km, które tworzy się w eksplozji supernowej;
*galaktyki- to ogromne skupiska gwiazd i materii międzygwiazdowej;
*Droga Mleczna- to galaktyka, w której znajduje się nasz Ukł. Słoneczny;
*mgławice- to obłoki gazów i pyłów;

4. bibliografia
* L. Pinna, Wszechświat, przeł. J. Fekecz, Warszawa 2000.
*S. Pople, P.Whitehead, Vademecum ucznia- fizyka, przeł. M. Galus, Warszawa 1996.
* J. Flis, Słownik geograficzny, Warszawa 1991.
* Encyklopedia Popularna PWN, pod red. B. Petrozolin-Skowrońska, Warszawa 1996.

Posted in Referaty | Leave a comment

Sztuczne satelity Ziemi

Sztuczne satelity… Tak często pomija się je w ważnych rozważaniach na temat księżyców, gwiazd czy galaktyki. Jednakże ich rola jest olbrzymia, i to nie tylko dla badań nad wszechświatem, lecz także w codziennym życiu. Nie zdajemy sobie sprawy, że bez przerwy korzystamy z ich możliwości. Dzięki nim otrzymujemy coraz dokładniejsze prognozy pogody, często są też wykorzystywane do przekazywania sygnału telewizyjnego – chociażby przez Atlantyk. Istnieją także satelity służące do określania własnej pozycji – korzystają z nich popularne ostatnio odbiorniki GPS (notabene odbiorniki GPS wbudowywane są ostatnio we wszystko – np. telefony komórkowe czy nawet zegarki). Nie można także zapomnieć o nieco mniej popularnym zastosowaniu satelitów – o szpiegowaniu.

1. SATELITY TELEKOMUNIKACYJNE.

Satelita telekomunikacyjny otrzymuje sygnał ze stacji naziemnej, wzmacnia go i wysyła z powrotem na Ziemię. Sygnał taki może być odbierany zarówno na całym kontynencie, jak i w ściśle wyznaczonym obszarze. Satelity przekaźnikowe transmitują sygnały telewizyjne albo bezpośrednio do anten indywidualnych użytkowników, albo do dużych anten zbiorczych telewizji kablowych. Prawie wszystkie satelity telekomunikacyjne krążą po orbicie geostacjonarnej.
Satelity nadają sygnały na Ziemię albo bezpośrednio, albo za pośrednictwem innego satelity.

W grupie satelitów telekomunikacyjnych wyróżniamy dwa typy: satelity bierne i czynne. Satelity czynne stanowią
rodzaj zwierciadeł odbijające fale radiowe, satelitarne zespoły dipoli, składające się z
cienkich i krótkich drucików, które początkowo tworzą chmurę, a następnie pas satelitarny
wokół Ziemi. Satelity czynne, zawierające odpowiednią aparaturę elektroniczną odbierającą
i po ewentualnym wzmocnieniu retransmitującą sygnały radiowe.

Dzisiaj każda licząca się w świecie telewizja ma swojego satelitę np.: Canal+ w tej chwili w 9 krajach w tym i w Polsce nadaje swoje programy ze sztucznego satelity. Pierwszy raz przekaz telewizyjny przez satelitę wykonała amerykańska stacja Telstar w czerwcu 1962 roku.
Ale chyba jednak najbardziej popularnym zastosowaniem satelitów jest przekaz telefoniczny… Obecnie w kosmosie krąży około 130 satelitów za pomocą których ludzie mogą telefonować z jednego końca świata na drugi. Odbywa się to w następujący sposób: z ogromnych anten o średnicy 30 metrów wysyłane są wiadomości za pomocą mikrofali do satelity, satelita z kolei przesyła tą wiadomość do centrum do którego jest kierowana rozmową.

Możliwości satelitów są ogromne. Prawda jest taka, że 3 dobrze umieszczone satelity potrafią objąć obszar całej kuli ziemskiej.. Z drugiej strony satelita komunikacyjny może naraz obsługiwać 30 tysięcy rozmów telefonicznych i ponad 25 kanałów telewizyjnych..

2. SATELITY METOROLOGICZNE

Uzyskane wiadomości z satelity meteorologicznego dotyczą rozkładu temperatur i wilgotności w przekroju pionowym i poziomym, a także rozkładu zachmurzenia, pomagając dokładniej sporządzić prognozę pogody. Pierwsze satelity z urządzeniami do prowadzenia pomiarów meteorologicznych (Vanguard i Explorer) zostały wystrzelone w 1959 roku, jednakże za pierwszego satelitę meteorologicznego uznaje się TIROS (Television and Infrared Observation Satellite) wystrzelonego przez USA 1960 roku.

Satelity meteorologiczne można podzielić ze względu na nachylenie i wysokość orbit na satelity orbit biegunowych i satelity geostacjonarne. Oba typy satelitów bardzo się od siebie różnią. Satelity orbit biegunowych, umieszczone są na niskich orbitach (ok. 500-1500 km) i nachylone pod dużym kątem w stosunku do płaszczyzny równika, co umożliwia zbieranie danych z obszaru całej kuli ziemskiej. Czas obiegu ok. 100 min, czyli w ciągu doby satelita okrąża kulę ziemską 14-15 razy.

Satelity geostacjonarne, wprowadzone na orbity na wysokość powyżej 35 tys. km nad powierzchnią Ziemi, w płaszczyźnie równika, których ruch jest zsynchronizowany z ruchem wirowym Ziemi, co sprawia wrażenie, że satelita znajduje się ciągle w tym samym miejscu.

4. SATELITY NAWIGACYJNE.

Sztuczny satelita wykorzystywany do nawigacji satelitarnej. Satelita nawigacyjny emituje sygnały radiowe, których odbiór oraz przetwarzanie pozwalają na pomiar długości i szerokości geograficznej, wysokości nad poziomem morza, kursu, prędkości ruchu odbiornika, czasu oraz określanie innych danych nawigacyjnych.
Pierwszego satelitę nawigacyjnego Transit 1A wystrzelili Amerykanie w roku 1959. System nawigacji NAVSAT zbudowany w oparciu o 5 takich satelitów pozwalał na ustalenie pozycji odbiornika z dokładnością 200 metrów. Po roku 1996 podstawą nawigacji stały się satelity systemu GPS pozwalającego na określenie pozycji z dokładnością 15 metrów.
Współczesne satelity nawigacyjne wyposażone są w precyzyjne zegary atomowe, pozwalające im na niezwykle dokładne generowanie impulsów radiowych odbieranych przez użytkowników systemu nawigacyjnego, co pozwala na osiągnięcie większej precyzji pomiarów nawigacyjnych.

6. SATELITA WYWIADOWCZY.

Satelita wywiadowczy potoczne nazywany satelitą wojskowym lub sondą szpiegowską służy głównie do obserwowania obiektów znajdujących się Ziemi i przechwytywania sygnałów z Ziemi w celach wojskowych i wywiadowczych. Często obserwacja polega na zrobieniu zdjęć o dużej rozdzielczości (poniżej 1 metra), która pozwala na śledzenie przemieszczenia wojsk przeciwnika lub zbiera informacje o potencjalnym celu. Stworzono też takie satelity, które mogą robić zdjęcia w nocy, a także kiedy satelity będą ukryte w chmurach. Cechą charakterystyczną satelitów szpiegowskich jest to, że możliwości techniczne satelitów i dane uzyskane przez nie są ściśle tajne i niezwykle rzadko udostępniane osobom niewtajemniczonym. Jeżeli już zdjęcia z satelity szpiegowskiego są pokazywane publicznie, dzieje się to tylko po ich uprzednim przetworzeniu w celu zatajenia prawdziwych możliwości technicznych satelity. Powszechnie sądzi się, że mogą rozpoznać przedmioty wielkości ołówka.

5. SATELITY BADAWCZE.

W satelitach badawczych zwanych też naukowymi możemy wyróżnić kilka ich typów:
-satelita astronomiczny
-satelita biologiczny
-satelita oceanograficzny
-satelita jonosferyczny
-satelita geofizyczny
-satelita geodezyjny.
Prawie każda satelita ma odrębne kryterium działania. Satelity oceanograficzne śledzą warunki na Ziemi tzn. podaje informacje kartografom, geologom oraz poszukiwaczom złóż ropy naftowej informacje na temat użytków stanów rolnych, wyciekającej ropy, pożarów lasów, dewastację dżungli tropikalnej oraz zanieczyszczenia atmosfery i mórz. Satelita biologiczny prowadzi badania nad organizmami w przestrzeni kosmicznej. Na przykład 29 listopada 1961 roku badacze z programu „Mercury” wysłali w przestrzeń kosmiczną szympansa pod imieniem Enos. Satelita astronomiczny jest satelitą przeznaczonym do prowadzenia obserwacji astronomicznej. Przykładem takich czynności są badania obejmujące mierzenie: promieniowanie gamma, promieniowanie ultrafioletowego, promieniowanie rentgenowskiego i inne. Satelita geodezyjny jest wykorzystywany do celów kartograficznych i geodezyjnych. Pierwszym satelitą geodezyjnym był satelita amerykański ANNA 1B. Do jego zadań należały: pomiary wartości i kierunku ziemskiego pola grawitacyjnego; wyznaczenie środka ciężkości Ziemi; wyznaczenia pozycji Ziemi.

Posted in Prace | Leave a comment

Anomalna rozszerzalność temperaturowa wody i znaczenie tego zjawiska w przyrodzie (załącznik jest ze zdjęciami)

Anomalna rozszerzalność temperaturowa wody i znaczenie tego zjawiska w przyrodzie

I Anomalna rozszerzalność temperaturowaa wody

Typowymi zjawiskami związanymi z wymianą ciepła z otoczeniem są zmiany rozmiarów i stanu skupienia ciał. Objętość prawie wszystkich ciał z małymi wyjątkami zmienia się liniowo wraz z temperaturą. Najpopularniejsza z cieczy – woda zachowuje się inaczej pod tym względem. Ogrzewając wodę od temperatury 0°C do 4°C, można zaobserwować zmniejszenie się jej objętości. W tym zakresie temperatur zachodzi zjawisko anomalnej rozszerzalności cieplnej wody. Zależność zmian objętości wody od temperatury przedstawiono na rys.1.

Rys. 1. Wykres zależności zmiany objętości wody od temperatury
(zależność nieliniowa i niemonotoniczna)

Objętość wody w zakresie od 0°C do 4°C maleje, a od 4°C do 100°C rośnie. To anomalne zachowanie wody związane jest z faktem, że w wodzie ciekłej w
temperaturze nieco powyżej 0°C istnieją resztki luźnej struktury lodu. Wzrost temperatury niszczy tę strukturę, pozwalając na gęstsze upakowanie cząsteczek, a więc objętość wody maleje. Woda zbudowana jest z cząsteczek o wiązaniu częściowo jonowym. Tlen ma nadmiar ładunku ujemnego, a wodory – dodatniego. Cząsteczka wody ma nieznikający moment dipolowy, z którym związana jest bardzo duża statyczna przenikalność dielektryczna (e około 81). Cząsteczki wody oddziałują elektrostatyczne. Na skutek tych oddziaływań struktura heksagonalnego lodu jest dość “luźna”. Energetycznie korzystne jest takie ustawienie, aby naładowane dodatnio “końce” jednych cząsteczek były blisko naładowanych ujemnie “końców” innych cząsteczek. W procesie topnienia struktura ta jest niszczona, cząsteczki znajdują się bliżej siebie, co jednak jest energetycznie mniej korzystne. Dlatego dostarczenie ciepła do lodu zwiększa energię układu, ale zmniejsza jego objętość.

Rys. 2. Struktura krystaliczna lodu.

Rys. 3. Model szkieletowy cząsteczki wody

H2O H2O
faza ciekła faza stała

Rys. 4. Cząsteczki zamarzniętej wody tworzą otwartą strukturę heksagonalną i dlatego
woda przy zamarzaniu się rozszerza. Lód wskutek tego mniejszą gęstość niż woda
Powstała struktura lodu daleka jest od struktury gęstego upakowania. Każdy atom tlenu ma czterech bezpośrednich sąsiadów, gdy tymczasem w strukturze gęstego upakowania sąsiadów tych byłoby dwunastu. W konsekwencji zamarzająca woda zwiększa swoją objętość o ok. 10% względem fazy ciekłej, a powstające kryształki lodu odznaczają się dużą kruchością. Odwrotnie jest podczas topnienia. Wiązania wodorowe pękają a odległości między najbliższymi sąsiadami rosną. Dzięki możliwości ruchu rozmieszczenie cząsteczek staje się ciaśniejsze i w rezultacie objętość wody maleje. Niezależnie od obecności kryształków lodu, wraz ze wzrostem temperatury w wyniku wzrostu ruchu cieplnego cząsteczek objętość wody rośnie. Nałożenie się tych dwóch procesów prowadzi w konsekwencji do anomalnego zachowania się wody (rys.1) W temperaturze 4 0 C woda osiąga największą gęstość.

II Znaczenie tego zjawiska w przyrodzie
Fakt, że w temperaturze 40C woda wykazuje największą gęstość, ma doniosłe znaczenie dla utrzymania życia organicznego w wodzie w czasie zimy. Woda w zbiornikach naturalnych chłodzi się od powierzchni. Po osiągnięciu temperatury 40C dalsze jej obniżanie spowoduje, że woda o tej temperaturze, jako mająca największą gęstość, czyli najcięższa, opadnie na dno zbiornika wodnego, a woda chłodniejsza o mniejszej gęstości wypłynie na powierzchnię. Proces ten trwa aż do osiągnięcia temperatury 00C. Wtedy woda zaczyna zamarzać, a lód, który ma gęstość jeszcze mniejszą niż woda (dlodu @ 0,9g/cm3) utrzymuje się z łatwością na jej powierzchni. Dodatkowym czynnikiem utrudniającym zamarzanie zbiorników wody do dna, jest złe przewodnictwo cieplne lodu. Pod warstwą lodu, blisko dna, temperatura wody utrzymuje się na poziomie 40C, zapewniając rybom i innym zwierzętom odpowiednie warunki do przeżycia.

Natomiast zjawisko rozszerzania się zamarzającej wody może być szkodliwe w skutkach. W zimie zdarza się, że zamarzająca w rurach wodociągowych czy kaloryferach woda powoduje ich pękanie. Zjawisko to jest także przyczyną procesu wietrzenia skał. Woda, dostająca się w szczeliny pomiędzy skałami, w czasie mrozów zamarza i zwiększa swoją objętość, krusząc skały.

Posted in Prace | Leave a comment

Rodzaje źródeł energii

Energia to podstawowa wielkość fizyczna, opisująca zdolność danego ciała materialnego do wykonania określonej pracy.
ZASADA ZACHOWANIA ENERGI
całkowita energia
Izolowanego układu ciął pozostaje stała, przy czym poszczególne rodzaje energii mogą zmieniać swoja wartość Pole zachowawcze-pole, w którym wykonana praca nie zależy od drogi na której została wykonana Pole jednorodne-pole ,w którym natężenie pola ma taka sama wartość w każdym punkcie oraz stały kierunek i zwrot Pole radialne-pole, w którym wektor natężenia pola ma wartość, która zależy tylko od odległości od źródła pola samo pole jest radialnie symetryczne Elektronowolt- jednostka energii potencjalnej w polu elektrycznym Energia wewnętrzna -suma wszystkich rodzajów energii wszystkich cząsteczek Temperatura to średnia Ek cząsteczek Liczba stopni swobody-liczba współrzędnych, którymi możemy opisać daną cząsteczkę ilość ciepła pobranego przez jednostkę masy danego układu powodująca wzrost temperatury układu o jeden stopień Kelvina (1K).
Rozwój społeczny i gospodarczy każdego państwa wiąże się ze zwiększonym zapotrzebowaniem na energię. Stąd światowa produkcja surowców energetycznych od czasu pierwszej rewolucji przemysłowej systematycznie wzrasta.

CZY ENERGIA JEST NAM POTRZEBNA ?
Energia zawsze była i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej wykorzystywanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej do produkcji energii elektrycznej, w transporcie, ogrzewaniu domostw i oświetlaniu.
Źródła energii pierwotnej to: konwencjonalne (organiczne) paliwa kopalne ( węgiel, ropa, gaz ), paliwo jądrowe, energia geotermiczna i tzw. odnawialne źródła energii. Do odnawialnych źródeł energii zalicza się energię słoneczna, wodną, wiatrową, pływów i fal morskich, a także energie biomasy. Energia końcowa to energia dostarczana odbiorcy. jest na ogół inną przetworzoną formą energii pierwotnej, choć nie zawsze. Na przykład gaz ziemny jest jednocześnie pierwotnym i końcowym nośnikiem energii. Najcenniejsza forma energii końcowej jest energia elektryczna, która sprawnie i bez zanieczyszczenia środowisko przetwarza się w energię użytkową.
Takie surowce energetyczne jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny to konwencjonalne źródła energii. Perspektywy wyczerpania się paliw kopalnych oraz obawy zanieczyszczenia środowiska naturalnego znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii.

Alternatywne źródła energii i stopień ich wykorzystywania w Polsce i na świecie

Energia była, jest i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej postać, forma czy wykorzystanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej przy produkcji przemysłowej, transporcie, ogrzewaniu czy oświetleniu. Początkowo tej energii dostarczało nam środowisko w postaci zasobów naturalnych nieprzetworzonych opału i paliw np. drewna, węgla, ropy naftowej czy gazu. Również dawniej przetwarzano energię w wiatrakach czy młynach wodnych. Jednak ciągły wzrost zapotrzebowania na energię i to w różnych postaciach, kurczenie się zasobów kopalnianych, względy ekologiczne i ekonomiczne stawiają przed ludźmi nowe zadania i wyzwania w tej dziedzinie. Rozwój techniki w drugiej połowie XIX wieku i powstanie ogromnej ilości urządzeń elektrycznych. wymusił rozwój elektrowni, których zadaniem jest dostarczać prąd elektryczny do poszczególnych odbiorców. Elektrownie mogą pobierać energię potrzebną do wytworzenia prądu z różnych źródeł. Mogą być to elektrownie cieplne, jądrowe, wiatrowe, słoneczne, geotermalne.

Źródła energii dzielą się na dwie zasadnicze grupy:
- Odnawialne
- Nieodnawialne
Do nieodnawialnych źródeł energii zalicza się surowce, które po wykorzystaniu ulegają rozkładowi należą do nich paliwa kopalne (tj. węgiel, ropa naftowa) oraz energia jądrowa. Z kolei do odnawialnych źródeł energii należą: energia wiatrowa, wodna, słoneczna, geotermiczna (geotermalna) oraz biomasa.

RODZAJE ENERGI :

ENERGIA SŁONECZNA
Energia cieplna pochodząca z promieniowania słonecznego dociera do nas nie tylko wtedy gdy słońce świeci pełnym blaskiem, ale również przy ciemnym zachmurzonym niebie. Energia ta jest najbezpieczniejsza ze wszystkich źródeł uzyskiwania energii. Jest ogromna, ale bardzo rozproszona. By wytworzyć z niej energię elektryczna buduje się elektrownie i ogniwa fotowoloiczne. Do budowy elektrowni wykorzystuje się stal i cement, a do produkowania ogniw – arsen, selen i tellur, czyli pierwiastki toksyczne. Większość tych substancje ulatnia się do atmosfery, zanieczyszczając ją.
Wszystkie domy ogrzewane są przez słońce, ale tylko niektóre są skonstruowane tak, aby uzyskać jak najwięcej energii cieplnej. W takich domach buduje się specjalne okna od strony bardziej nasłonecznionej, a na dachach umieszcza się panele, przez która przepływa zimna woda, która pod wpływem promieni słonecznych nagrzewa się.
Baterie słoneczne, czyli urządzenia elektroniczne też produkują energię elektryczną. Wykorzystują one zjawisko fotowotloiczne do przemiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża liczba ogniw wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy.

ENERGIA MECHANICZNA,
energia związana z ruchem układu mech. jako całości lub poszczególnych jego części względem siebie (energia kinet., energia potencjalna).

ENERGIA ELEKTRYCZNA,
energia układu ładunków elektr. nieruchomych (energia elektrostat.) lub ruchomych (energia elektrodynamiczna); w praktyce przez e.e. rozumie się energię prądu elektr.; może być zamieniana w energię promieniowania elektromagnet. (żarówka, dioda luminescencyjna, urządzenia ogrzewcze), lub energię mech. (silniki elektr., głośniki).

ENERGIA SPRĘŻYSTA
(energia odkształcenia sprężystego), energia potencjalna nagromadzona w ciele sprężystym podczas odkształcenia wywołanego obciążeniem; zwracana (prawie w całości) po odciążeniu.

ENERGIA ZEROWA,
energia kinet., jaką zgodnie z mechaniką kwantową ma układ fiz. w najniższym stanie energ. (stan całkowitego spoczynku jest bowiem niemożliwy).

ENERGIA WZBUDZENIA,
energia potrzebna do przeniesienia elektronu ze stanu podstawowego do stanu o wyższej energii (stanu wzbudzonego); ponieważ przejść takich może być wiele, istnieje wiele skwantowanych wartości e.w.

ENERGIA WIĄZANIA,
energia, którą trzeba dostarczyć układowi fiz. (np. jądru atom., cząst.), aby rozdzielić go na poszczególne składniki; e.w. atomów w cząst. jest rzędu eV, nukleonów w jądrze atom. — od kilku do tys. MeV; e.w. układu jest proporcjonalna do niedoboru masy tego układu; zob. też Einsteina . E.w. między atomami w cząst. związków chem. zależy od rzędu wiązania (pojedyncze, wielokrotne) oraz rodzaju atomów i wartościowości pierwiastka; ma w przybliżeniu tę samą wartość w różnych cząst., np. dla C—C wynosi ok. 345 kJ/mol, C=C 602 kJ/mol, a C≡C — 835 kJ/mol.
ENERGIA SWOBODNA
(funkcja Helmholtza, F ), jedna z funkcji stanu termodynamicznego; F = U — TS ( U — energia wewn. układu, S — jego entropia, T — temp. bezwzględna); w izotermicznych procesach odwracalnych równa pracy wykonanej nad układem.

ENERGIA SŁONECZNA,
energia wytwarzana przez Słońce; gł. źródłem e.s. są reakcje termojądr. zachodzące w jądrze Słońca, polegające na przemianie jąder wodoru w jądra helu.

ENERGIA POTENCJALNA,
część energii mech. układu fiz. zależna od wzajemnego rozmieszczenia części układu (np. energia sprężysta) i ich położenia w zewn. polu sił (np. polu grawitacyjnym, polu elektr.).
ENERGIA JONIZACJI,
energia potrzebna do oderwania elektronu od obojętnego atomu lub cząst. i wytworzenia jonu; wartość e.j. zależy od rodzaju atomu (cząst.) i stanu elektronu w atomie; energie potrzebne do oderwania kolejnych elektronów z otrzymanego jonu zwą się odpowiednio drugą, trzecią, …, e.j.; wyrażana zwykle w elektronowoltach (eV).
ENERGIA WEWNĘTRZNA
( U ), jedna z funkcji stanu termodynamicznego; równa całkowitej energii układu (w e.w. nie uwzględnia się energii kinet. ruchu układu jako całości i energii potencjalnej układu w zewn. polach sił); zmiany e.w. w dowolnym procesie określa I zasada termodynamiki.

ENERGIA WIATROWA
Wiejący wiatr to masy powietrza atmosferycznego poruszające się nad powierzchnią ziemi z pewna prędkością. Masa i prędkość to energia. Energię wiatru można okiełzać i wykorzystać przy pomocy turbin wiatrowych. Elektrownie wiatrowe produkują energia, która wprowadzana jest do sieci energetycznych. Turbiny wiatrowe produkują energię w sposób ekologicznie bezpieczny, jednak niektórzy zarzucają im, że szpecą krajobraz, zakłócając jego naturalne piękno i hałasując.
Energetyka wiatrowa staje się coraz powszechniejsza na świecie. Jej rozwój w nowoczesnej formie datuje się od lat 70-tych. Obecnie moc wszystkich elektrowni wiatrowych na świecie sięga 8000MW.
Dzięki sile wiatru człowiek był w stanie przed pięciuset laty rozpocząć odkrywanie nowych lądów. Żagle pozostały głównym napędem statków do czasów wynalezienia silnika.
Takie wiatraki są charakterystycznym elementem krajobrazu Holandii i USA.

ENERGIA JĄDROWA
Wyzwolenie energii jądrowej polega na rozszczepieniu jądra ciężkiego atomu, złożonego z protonów i neutronów, na dwa jądra pierwiastków lżejszych, wydzielając w skutek ubytku masy energię cieplną i wyzwalając od 0 do 8 neutronów. Wyemitowane neutrony mogą trafić w inne jądra, które ulegają rozszczepieniu. W rezultacie powstaje coraz więcej swobodnych neutronów i coraz więcej jąder ciężkich atomów rozszczepia się, co zwiększa porcję energii.
Oprócz zjawiska rozszczepiania jąder ciężkich atomów energię możemy otrzymać także innym sposobem. Poprzez tzw. “syntezę jądrową”, polegająca na łączeniu dwóch jąder lekkich atomów w jedno jądro atomu ciężkiego. Energia wydziela się w skutek różnicy mas pomiędzy substratami a produktami reakcji.
Energetyka jądrowa była do niedawna najszybciej rozwijającą się dziedziną produkcji energii. Wynikało to głównie z ogromniej wydajności pierwiastków promieniotwórczych, a więc niskich kosztów wytwarzania energii. Przykładem tego będzie następujące porównanie : z 1 grama uranu 235 uzyskuje się tyle samo energii elektrycznej, ile w tradycyjnej elektrowni cieplnej z 2,5 tony paliwa umownego.
Obecnie ok. 19% światowej produkcji energii elektrycznej przypada na elektrownie atomowe. Udział energii utrzymuje się na niezmiennym poziomie od początku lat 80-tych. Główne przyczyny to:
- wysokie koszty budowy elektrowni,
- problem składowania odpadów radioaktywnych,
- negatywne nastawienie opinii publicznej – zwłaszcza po pamiętnej katastrofie w Czarnobylu na Ukrainie w 1986 r.
Elektrownie jądrowe podczas eksploatacji wywierają negatywny wpływ na środowisko poprzez :
- wydzielanie produktów promieniotwórczych do atmosfery
- wydzielanie ciepła odpadowego do wody chłodzącej
- podczas produkcji paliwa jądrowego powstają również odpady radioaktywne.
ENERGIA GEOTERMALNA

Energia geotermalna – energia wnętrza Ziemi – czyli naturalne ciepło wnętrza naszej planety zgromadzone w skalach i wypełniających je wodach. Jest to stosunkowo młoda metoda pozyskiwania energii gdyż, po raz pierwszy energie geotermalna zastosowano do produkcji elektryczności dopiero w 1904 r. w Larderello (Włochy). Eksploatacje tzw. wodno-dominujących studni geotermalnych rozpoczęto uruchomieniem w 1958 roku siłowni o mocy 50 MW w Nowej Zelandii. Większość obecnie pracujących studni geotermalnych pochodzi z lat 70 i 80. tego stulecia. Najbardziej znanym miejscem wykorzystania jest sztuczny geologiczny zbiornik ciepła w Los Alamos (USA), utworzony w skalach o temperaturze 200°C, na głębokości 2000 m. Obecnie coraz powszechniej stosowane są pompy cieplne umożliwiające korzystanie z energii geotermalnej niskotemperaturowej. Energia geotermalna niskotemperaturowa występuje poniżej głębokości l do 1,5 m. w skalach i wodach je wypełniających. Pompy cieplne uruchamiane energią elektryczną lub gazową pozwalają na zamianę niskich temperatur uzyskiwanych z ziemi (10°C – 30°C) temperatury przydatnej w ciepłownictwie (45°C – 80°C). Powszechność występowania energii geotermalnej pozwala żywić nadzieje, że w przyszłości stanie się ona głównym źródłem ogrzewania budynków wolnostojących, odległych od scentralizowanych systemów ciepłowniczych, tak jak to jest obecnie w USA, Szwajcarii, Szwecji i w wielu innych rozwiniętych krajach świata. Aktualnie w Polsce wody geotermalne wykorzystuje się do celów ciepłowniczych zaledwie w dwóch miejscach: w Banskiej Niżnej koło Zakopanego i w Pyrzycach koło Szczecina. Szacuje się, że Polska powinna pokrywać około 15% swoich potrzeb energetycznych.
Jednakże ten sposób pozyskiwania energii nie jest tak ekologiczny jak energia wiatru czy słońca. Eksploatacja energii geotermalnej powoduje poważne problemy ekologiczne, z których najważniejszy polega na kłopotach wiązanych z emisją szkodliwych gazów uwalniających się z geopłynu. Dotyczy to przede wszystkim siarkowodoru H^S, który powinien być pochłaniany w odpowiednich instalacjach, co podniosłoby oczywiście koszt produkcji energii elektrycznej. Inne potencjalne zagrożenie dla zdrowia powoduje radon, produkt rozpadu radioaktywnego uranu, wydobywający się wraz z parą ze studni geotermalnej. Ograniczenie szkodliwego oddziaływania tego gazu na środowisko naturalne stanowi otwarty, nie rozwiązany do tej pory problem techniczny.
ENERGIAWODNA
Energetyka wodna ( hydroenergetyka ) zajmuje się pozyskiwaniem energii wód i jej przetwarzaniem na energię mechaniczną i elektryczną przy użyciu silników wodnych ( turbin wodnych ) i hydrogeneratorów w siłowniach wodnych ( np. . w młynach ) oraz elektrowniach wodnych , a także innych urządzeń ( w elektrowniach maretermicznych i maremotorycznych) . Energetyka wodna opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu energii wód śródlądowych ( rzadziej mórz – w elektrowniach pływowych ) o dużym natężeniu przepływu i dużym spadzie – mierzonym różnicą poziomów wody górnej i dolnej z uwzględnieniem strat przepływu . Wykorzystanie w elektrowniach energii wód śródlądowych oraz pływów wód morskich polega na zredukowaniu w granicach pewnego obszaru ( odcinek strumienia , rzeki , część zatoki ) naturalnych strat energii wody i uzyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu . Poza energetycznym, elektrownie wodne zbiornikowe mogą spełniać jednocześnie inne zadania, jak zabezpieczenie przeciwpowodziowe, regulacja przepływu ze względu na żeglugę. Duże znaczenie mają elektrownie wodne szczytowo-pompowe, pozwalające na użycie wody jako magazynu energii. Rozwój hydroenergetyki jest uzależniony od zasobów energii wód, tak zwanych zasobów hydroenergetycznych. Dla Polski dominujące znaczenie ma hydroenergetyki maja dolna Wisła oraz Dunajec. W 1990 roku produkcja energii elektrycznej z energii wód w Polsce wynosiła 3,3 TW*h, a na świecie – około 2162 TW*h. Ostatnio coraz większą uwagę poświęca się energetycznemu wykorzystaniu niewielkich cieków wodnych przez budowę tak zwanych małych elektrowni wodnych; w pierwszej kolejności dotyczy to tych cieków, na których istnieją już urządzenia piętrzące wykorzystywane do innych celów. Za rozwojem hydroenergetyki przemawia fakt , że koszt energii elektrycznej produkowanej w elektrowni wodnej jest niższy niż energii elektrycznej produkowanej w elektrowni cieplnej .

ENERGIA FAL MORSKICH
Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną albo powietrzną. W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku tym jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową Kaplana, sprzężona z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Wykorzystana jest więc przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu. Instalacja taka pracuje od 1986r. na norweskiej wyspie Toftestallen koło Bergen dając moc 350kW. Takie rozwiązanie jest znane pod skrótem OWC. W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale powietrze wprawia w ruch turbinę Wellsa, która napędza generator. Rozwiązanie takie jest znane pod skrótem MOSC. Na rysunku pokazano schemat takiej elektrowni, zbudowanej na wyspie Jslay u wybrzeży Szkocji. Norwegia buduje elektrownie wykorzystujące fale morskie o mocy MW na wyspie Tongatapu na południowym Pacyfiku, kosztem 7,1$.
Elektrownię typu MOSC projektuje się obecnie w Szkocji. Będzie ona miała moc 2000MW i będzie składała się z modułów po 5MW. Będzie ona też ochraniała brzeg morski przed zniszczeniem.

ENERGIA CIEPLNA OCEANU
Przemiana energii cieplej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Jest to możliwe na obszarach równikowych; woda morska ma tam na powierzchni temperaturę ok. 30 0C, a na głębokości 300-500m temperaturę ok. 7 0C. Wykorzystanie tej różnicy polega na zastosowaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300-500m. Czynnikiem takim jest amoniak, freon lub propan. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na platformie pływającej.
Energia geotermiczna
Energia geotermiczna to energia wydobytych na powierzchnię ziemi wód geotermalnych. Energię tę zliczamy do kategorii energii odnawialnej, bo jej źródło – gorące wnętrze kuli ziemskiej – jest praktycznie niewyczerpalne. W celu wydobycia wód geotermalnych na powierzchnię wykonuje się odwierty do głębokości zalegania tych wód.
W pewnej odległości od otworu czerpalnego wykonuje się drugi otwór, którym wodę geotermalną po odebraniu od niej ciepła, wtłacza się z powrotem do złoża. Wody geotermiczne są z reguły mocno zasobne, jest to powodem szczególnie trudnych warunków pracy wymienników ciepła i innych elementów armatury instalacji geotermicznych. Energie geotermiczną wykorzystuje się w układach centralnego ogrzewania jako podstawowe źródło energii cieplnej. Drugim zastosowaniem energii geotermicznej jest produkcja energii elektrycznej. Jest to opłacalne jedynie w przypadkach źródeł szczególnie gorących. Zagrożenie jakie niesie za sobą produkcja energii geotermicznej to zanieczyszczenia wód głębinowych, uwalnianie się rodanu, siarkowodoru i innych gazów.
Gorące źródła tzw. gejzery są charakterystycznym elementem krajobrazu Islandii, która wykorzystuje je jako źródło ogrzewania i ciepłej wody. Nie wpływa to ujemnie na środowisko naturalne.

ROPA NAFTOWA
Istnieją dwie teorie dotyczące pochodzenia ropy naftowej. Według jednej z nich jest ona nieorganiczna. Powstaje w wyniku reakcji chemicznych zachodzących we wnętrzu ziemi. Teorie tę popiera nieliczna grupa badaczy. Powszechnie natomiast przyjmuje się, że ropa naftowa ma pochodzenie organiczne. Powstała ze szczątków organizmów roślinnych i zwierzęcych, które w dawnych okresach geologicznych występowały na Ziemi, w morzach i oceanach. Po śmierci osunęły się w błoto na dno morza. Ciepło z głębokich podziemnych rejonów i rosnący ciężar tego błota przemieniły je w ropę naftową, która wytryskuje z wnętrza Ziemi zwykle jako gęsty, czarny, surowy olej. Aby dowiedzieć się gdzie szukać jej złóż należy wykonać odpowiednie badania geologiczne. Potencjalnym miejscem jej występowania są pokłady skał nieprzepuszczalnych pokrywające położone głębiej skały przepuszczalne. Skład ropy jest zmienny i zależy od miejsca wydobycia. Jest przerabiana metodami : destylacji, krystalizacji i rafinacji. Podczas gdy ropa jest ogrzewana, ulatniają się par, które są rozdzielane według temperatury wrzenia i skraplania w specjalnych zbiornikach. Powstałe produkty, zwane destylatami, są podstawą do dalszej obróbki w wyniku której otrzymujemy : chemikalia, tworzywa sztuczne, detergenty, gumy, kosmetyki, środki znieczulające, materiały wybuchowe, kleje, farby.
Ropa naftowa nie jest nowością. Znano ją w już starożytności. Wykorzystywano do balsamowania ciał, robienia pochodni, jako leki, a także w technice wojennej jako środek zapalający. Jest ona głównym źródłem energii w transporcie. Podczas jej przewozu dochodzi do katastrof, które wyrządzają duże szkody w środowisku naturalny, skażenia wód oraz zanieczyszczenia fauny i flory. Ropa wylana na powierzchnię morza, może wyrządzić ogromne straty w środowisku, konieczna jest wtedy szybka akcja ratownicza. Gdy plama ropy osiągnie wybrzeże czyszczenie plaży jest czasochłonne i kosztowne.

BIOMASA
Biomasę określa się jako masę materii organicznej, zawartą w organizmach zwierzęcych lub roślinnych. Wyrażana jest w jednostkach tzw. świeżej masy (naturalna masa organizmów) oraz suchej masy (masa bezwodna).
Termin biomasa dotyczy całego szeregu odnawialnych technologii energetycznych, obejmujących:
• spalanie biomasy roślinnej (np. drewno opałowe z lasów, odpady drzewne z tartaków, zakładów meblarskich i in., słomspecjalne uprawy energetyczne; spalanie biomasy może tu odbywać się:
• w sposób bezpośredni – w paleniskach otwartych (ogniska) lub zamkniętych (piece, kotły),
• przy wstępnej gazyfikacji w odrębnych gazy fikatorach, a następnie poprzez spalanie otrzymanego w ten sposób gazu palnego np. w kotłach lub zasianie nim silników spalinowych.
• spalanie śmieci komunalnych (wstępna gazyfikacja lub metoda bezpośrednia);
• wytwarzanie oleju opałowego z roślin oleistych (np. rzepak) specjalnie uprawianych dla celów energetycznych);
• fermentację alkoholową trzciny cukrowej, ziemniaków lub dowolnego materiału organicznego poddającego się takiej fermentacji, celem wytworzenia alkoholu etylowego do paliw silnikowych,
• beztlenową fermentację metanową odpadowej masy organicznej (np. odpady z produkcji rolnej lub przemysłu spożywczego) w celu wytworzenia biogazu, a następnie spalanie biogazu w paleniskach kotłowych lub zasilanie nim silników spalinowych, napędzających np. generatory prądu elektrycznego,
• energetyczne wykorzystanie gazu wysypiskowego (stosowana jest technologia odmienna niż w poprzedniej kategorii).

Obecnie w Polsce biomasa wykorzystywana w przemyśle energetycznym pochodzi z dwóch gałęzi gospodarki: z rolnictwa i leśnictwa. Poniżej przedstawione zostały produkty wykorzystywane przy pozyskiwaniu energii.
W roku 1984 biomasa roślinna pokrywała 13% światowej produkcji energii, w tym Kanada pokrywała biomasą 7% potrzeb energetycznych, a USA 4% potrzeb. W roku 1990 udział biomasy w światowej produkcji energii wynosił 12%. Ogólnie z 1 ha użytków rolnych zbiera się rocznie 10-20 t biomasy, czyli równowartość 5 – 10 ton węgla. Rolnictwo i leśnictwo zbierają w Polsce biomasę równoważną pod względem kalorycznym 150 mln ton węgla. Wartości opałowe produktów biomasy na tle paliw konwencjonalnych wynoszą: słoma żółta 14,3 MJ/kg, słoma szara 15,2 MJ/kg, drewno odpadowe 13 MJ/kg, etanol 25 MJ/kg, natomiast węgiel kamienny średnio około 25 MJ/kg, a gaz ziemny 48 MJ/kg. Szczególnie cenne energetycznie są słomy rzepakowa, bobikowa i słonecznikowa, zupełnie nieprzydatne rolnictwie. Wykorzystanie słomy w 16% daje potencjał 80 PJ energii. W Danii na przykład istnieje 12 000 małych (o mocach 110 MW) i 40 dużych kotłowni opalanych słomą. W Polsce nie ma ani jednego takiego obiektu, pilotowe kotłownie do spalania biomasy będą budowane w najbliższym czasie. Jeśli zaś chodzi o całkowitą biomasę drzew, to jest ona dwukrotnie większa niż produkcja drewna użytkowego. Można zatem stwierdzić, że najpoważniejszym źródłem biomasy jako źródła energii odnawialnej w Polsce są słoma i odpady drzewne.

Ekologiczne źródła energii i ich wykorzystanie.
aby funkcjonował współczesny świat, by mogły pracować wszystkie maszyny, fabryki i człowiek mógł wygodnie i spokojnie żyć, potrzeba ogromnych ilości energii. Większość tej energii dostarczają surowce energetyczne: ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel.
Wykorzystanie paliw kopalnianych do produkcji energii elektrycznej niesie za sobą wiele zanieczyszczeń i niebezpieczeństw dla człowieka i jego środowiska. Dlatego człowiek powienien wykorzystać w pełni inne, przyjazne dla środowiska naturalnego żródła energii, których nie brakuje na naszej planecie. Są nimi między innymi: Słońce, wiatr, woda a nawet niektóre rośliny.
WODA
Woda posiada olbrzymie zasoby energii. Od zarania świata drążyła doliny, przecinała góry i formowała całe obszary lądowe.tę siłę wody można ujarzmiać i wykorzystywać.
Już około 2000 lat temu wykorzystywano (bezpośrednio) siłę przepływającej wody, np. w młynach do obracania kół młyńskich. W tym celu wody strumieni lub rzek kierowano na koła bezpośrednio połączone z młynem. Woda spadała na koło młyńskie z góry i napędzała je swoją energią potencjalną. W niektórych średniowiecznych klasztorach za pomocą koła napędzano nie tylko młyny, ale także dzięki systemowi osi i kół zębatych duże maszyny kuchenne służące do wyciskania, mieszania i zgniatania. W późniejszych czasach koło napędzało także urządzenia przemysłowe.
Energia wody musiała być wykorzystana w miejscu jej wytwarzania – było to wadą. Dziś w elektrowniach wodnych przetwarza się energię mechaniczną wody na energię elektryczną, którą przesyła się poprzez sieć energetyczną . Woda ze zbiornika górnego w godzinach szczytowego poboru mocy spuszczana jest rurami w dół; na końcu trafia na turbinę z generatorem i wytwarza prąd; trwa to około 4,5-5 godzin. Najczęściej nocą, gdy zapotrzebowanie na prąd elektryczny w sposób naturalny radykalnie spada – przeprowadza się cykl odwrotny. Silnik napędzający turbinę (w poprzednim cyklu pełnił rolę generatora) pobiera energię elektryczną z sieci – o tej porze jest jej nadmiar i należałoby odstawić bloki w elektrowniach cieplnych, co jest i nieekonomiczne, i kłopotliwe technicznie, elektrownia szczytowo-pompowa akurat odbiera nadmiar mocy. W ciągu 6 godzin zbiornik górny jest ponownie napełniony.Ponad 6% energii potrzebnej ludzkości jest “produkowane” w ten sposób. Wodzie nie grozi wyczerpanie się, jak paliwom kopalnym – przynajmniej w pewnych obszarach geograficznych – dlatego człowiek powinien wykorzystać ją w pełni, budując coraz więcej hydroelektrowni.Dwa razy dziennie opada w oceanach poziom wody – jest to tzw. odpływ. W niektórych regionach woda opada o kilka centymetrów, w innych np. u francuskich wybrzeży Atlantyku, nawet o kilka metrów. Tam też u ujścia rzeki Rance, wybudowano (w 1966 roku) pierwszą elektrownię wykorzystującą energię fal morskich przypływów i odpływów. Elektrownia ta wytwarza 544 mln kW energii.Na świecie istnieje niewiele takich elektrowni. Powodem tego jest trudność w wyborze dogodnych miejsc u wybrzeży (aby nie niszczyć przy tym nadmiernie przyrody), gdyż różnica poziomów przypływu i odpływu musi być odpowiednio duża (by opłacał się nakład sił i środków). Idea wykorzystania przypływów i odpływów do wytwarzania energii nie jest nowa. Już przed 900 laty, głównie w Anglii, budowano młyny wykorzystujące w ten sposób energię fal.
WIATR
Od tysięcy lat energia wiatru w wiatrakach była wykorzystywana do pompowania wody lub mielenia ziarna. Energia wiatru służyła też jako napęd dla żaglowców. Już przed 5000 lat Egipcjanie używali prostych statków z jednym żaglem. W połowie XIX wieku nastąpił prawdziwy rozkwit żeglarstwa. Amerykańskie klipery (żaglowce) wielomasztowe o dużej powierzchni żagli krążyły po morzach z prędkością dochodzącą aż do 40 km/h.
Obecnie prowadzone są badania nad wykorzystaniem (głównie na obszarach nadmorskich, gdzie ciągle wieje wiatr) energii wiatru jako źródła energii nie zanieczyszczającego środowiska. Współczesne elektrownie wiatrowe nie służą już do wytwarzania energii mechanicznej (np. do poruszania kół młyńskich) lecz do “produkcji” energii elektrycznej. Podstawową rolę w tych elektrowniach pełnią najrozmaitszych kształtów gigantyczne wiatraki z łopatkami o szerokości dochodzącej 100m. Wiatraki te napędzają generatory prądu, kierując w ten sposób powstały prąd bezpośrednio do sieci lub akumulują go w akumulatorach na okres, gdy siła wiatru bardzo słabnie.
Pierwsze wiatraki w Holandii pojawiły się już w VIII wieku. Największy rozwój wiatraków następował w XVI i XVII wieku, a po wynalezieniu maszyny parowej nastąpił w ich rozwoju regres. Pod koniec XX wieku wobec kurczących się światowych zasobów paliw energetycznych oraz coraz większej randze nadawanej problemom ochrony środowiska następuje renesans wiatraków.
Prawdziwą potęgą w Europie w dziedzinie produkcji i wykorzystania wiatraków jest obecnie Dania. W tym kraju zainstalowanych jest obecnie ok. 4000 wiatraków, co zaspakaja ok. 10% potrzeb energetycznych tego państwa. Obecna produkcja wiatraków w Danii stanowi, co do wartości trzeci produkt eksportowy tego kraju. W USA do sieci energetycznej przyłączone jest obecnie ok. 2000 elektrowni wiatrowych, co zaspakaja ok. 1% ogólnej mocy całego systemu energetycznego tego państwa (ok.1700MW). Przewiduje się w USA, że do roku 2050 elektrownie wiatrowe pokryją 10% zapotrzebowania tego kraju na energie elektryczną.
Średnie zasoby wiatrów na całej kuli ziemskiej są ponad 1700 razy większe od energii wytwarzanej przez wszystkie istniejące elektrownie cieplne.
W Polsce największe zasoby wiatru znajdują się w Tatrach, Karkonoszach i na wybrzeżu Bałtyku. Ale nawet na obszarze Polski centralnej siła wiatru w ok.40% ma prędkość od 10km/h do 60 km/h.
Czy wiatraki służą jedynie do napędzania młynów i generatorów energii elektrycznej?
Otóż nie. Kolejnym ważnym zastosowaniem jest wykorzystanie wiatraka do napędu pompy wodnej. W historii ludzkości tysiące takich pomp nawadniało lub osuszało pola pompując wodę. Rolnictwo Australii czy USA stosowało takie rozwiązania bardzo często. Pompa wodna charakteryzuje się niskim kosztem eksploatacji i stosunkowo niskim kosztem początkowym. Ponieważ pompy te stosowane są od wieków, więc również mają bardzo dojrzałe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne. Szczególnie atrakcyjne kosztowo jest zastosowanie tych pomp w rolnictwie gdzie można przy ich pomocy dostarczać taniej wody użytkowej z istniejących zbiorników otwartych i oszczędzać w ten sposób drogiej wody pitnej. Światowe zasoby wody pitnej są zresztą skromne i ich oszczędzanie jest wskazane. Dlatego nawet kraje wysoko rozwinięte technologicznie używają tych pomp. Pompa wiatrowa doskonale nadaje się również do oczyszczalni ścieków, która to najczęściej oddalona jest od terenów zabudowanych a więc i infrastruktury energetycznej, co znakomicie zmniejsza koszty dalekiego doprowadzania sieci energetycznych o stosownych mocach.
Czy zatem wykorzystywanie siły wiatru ma wyłącznie znaczenie dla ochrony naszego naturalnego środowiska? Myślę, że możemy śmiało powiedzieć, że istnieje również aspekt ekonomiczny skłaniający nas do korzystania z tego darmowego źródła energii.
SŁOŃCE
Energia słoneczna (solarna) także może być bezpośrednim źródłem energii dzięki zastosowaniu tzw. ogniw solarnych. Ogniwo solarne to płaska płytka, składająca się z dwóch bardzo cienkich warstw (jedna z krzemu, druga ze stopu krzemu z bizmutem). Padające na nią promienie słoneczne powodują powstanie prądu elektrycznego przesyłanego do obwodów elektrycznych lub akumulatorów. Ogniwa solarne są stale udoskonalane. Być może w przyszłości miejscem ich rozmieszczenia staną się rozległe tereny nie zamieszkane przez ludzi ze względu na panujące tam duże upały. W ten sposób energia uzyskana na obszarach pustynnych mogłaby być przesyłana odbiorcom w innych krajach.
Energię słoneczną można wykorzystać do pozyskiwania energii cieplnej wykorzystując do tego celu instalacje solarne kolektorów słonecznych.Metoda polega na pochłanianiu energii promieniowania słonecznego przez maksymalnie rozwiniętą (mikroporowatą) i poczernioną powierzchnię absorbera.Ciepło z absorbera odprowadzane jest poprzez wężownicę miedzianą i magazynowane w zbiorniku ciepłej wody użytkowej.
W warunkach klimatycznych Polski średnie nasłonecznienie wynosi 1300-2000 godzin rocznie, zaś energia słoneczna przypadająca na 1 m2 wynosi 1100 kWh/m2 rocznie.Przy zastosowaniu płaskich kolektorów słonecznych można uzyskać około 3200 kWh energii rocznie przy instalacji o powierzchni 6m2 (straty wynikające z kąta padania promieni słonecznych, sprawnoci technicznej urządzenia..).
Skojarzenie układu konwencjonalnego z systemem solarnym jest uzasadnione ekonomicznie wtedy gdy uzyskane efekty pokryją koszty instalacji systemu solarnego.
Przy projektowaniu instalacji solarnych o średniej wielkoci (do 50 m2) zakłada się ,że ta energia słoneczna pokrywa 30 % zapotrzebowania ciepła na ogrzewanie budynku lub 65 % zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową.
Dla układu solarnego o powierzchni 6 m2 zainstalowanego w domu jednorodzinnym ( dla pięciu mieszkańców ) możana się spodziewać oszczędności rzędu 300 – 400 litrów oleju opałowego rocznie. Poziom cen polskich kolektorów słonecznych waha się od 500 zł./m2 do 1100 zł./m2 ,do tego należy doliczyć pompę obiegową ,magazyn ciepłej wody użytkowej o pojemnooci ca 250 litrów, sterownik ,rury, montaż. Można się spodziewać, że inwestycja skojarzenia systemu konwencjonalnego z systemem solarnym zamknie się kwotą 8000 do 12000 zł. ( w zależności od zastosowanych urządzeń). Biorąc pod uwagę kroczące ceny energii inwestycja powinna się zwrócić po ośmiu, dziesięciu latach.
W Niemczech realizowany jest program “milion słonecznych dachów”, pod tym hasłem stworzono preferencje prywatnym inwestorom montującym instalacje solarne. Już dwa lata temu pracowało w Niemczech 300.000 instalacji solarnych dając oszczędności gospodarce narodowej w ilości 100.000.000 litrów oleju opałowego i zmniejszając tym samym emisję dwutlenku węgla o 100 tysięcy ton. W chwili obecnej ilość instalacji solarnych wzrosła trzykrotnie oznacza to jednoczesne potrojenie oszczędności zużycia oleju opałowego (gazu) i dalsze ograniczenie emisji dwutlenku węgla.
Należy wierzyć ,że w niedługim czasie w Polsce zostanie stworzony dobry klimat dla inwestorów montujących instalacje solarne.
ENERGIA GEOTERMICZNA
Wnętrze Ziemi jest bardzo gorące. Co 100 m w głąb Ziemi temperatura wzrasta o 3*C . W niektórych miejscach na Ziemi, zwłaszcza w pobliżu uskoków geologicznych wrząca woda lub para wodna wytryskuje na powierzchnię jako gejzery. Są to źródła geotermiczne . Krainą gejzerów jest Islandia i Park Yellowstone (USA). Domy i mieszkania stolicy Islandii, Reykjaviku, są ogrzewane energią gorących źródeł tryskających z głębi Ziemi. Regularnie pracujące elektrownie geotermiczne wybudowano w niektórych miejscowościach we Włoszech, Nowej Zelandii, Japonii i USA.
Jak one działają? Otóż wykonuje się dwa odwierty w głąb Ziemi, w gorącą warstwę skalną. W jeden odwiert wpompowuje się pod ciśnieniem zimną wodę, która się rozgrzewa, zamienia w gorącą parę i drugim odwiertem dociera na powierzchnię, gdzie jak w każdej innej elektrowni, napędza turbiny wytwarzające prąd.
BIOGAZ
Bardzo korzystna dla środowiska naturalnago jest energia uzyskiwana z odnawialnych (bo odrastających) surowców pochodzenia roślinnego, tzw. bioenergia.
Skąd ona pochodzi?
Otóż głównie z roślin i odchodów zwierzęcych, przez wytwarzanie tzw. biogazu, głównie metanu. Gaz ten powstaje podczas rozkładu substancji organicznych (roślinnych i zwierzęcych), gdy proces ten przebiega bez dostępu powietrza.
Gospodarstwa rolne mogą wykorzystać odpady (np. nawóz naturalny, kompost, słomę), by wytwarzać w specjalnych urządzeniach metan, a następnie spalając go, ogrzewać pomieszczenia i napędzać, odpowiednio w tym celu przebudowane, maszyny gospodarcze. Tego typu urządzenia nie zagrażają środowisku, a ich eksploatacja jest stosunkowo tania.
Metan powstaje również samoczynnie podczas gnicia szczątków organicznych (nawozu naturalnego, kompostu). Nazywamy go gazem szklarniowym, gdyż wraz z dwutlenkirm węgla jest odpowiedzialny za efekt cieplarniany. Wobec tego zużywanie wyżej wymienionych odpadów w celu otrzymania biogazu jest dodatkowo korzystne, gdyż przynajmniej w minimalnym stopniu zmniejsza się możliwość powstawania efektu cieplarnianego.
W Indiach wykorzystuje się wysuszone odchody zwierzęce, które służą zamiast drewna za opał w piecach kuchennych i do ogrzewania domów. Spalając je w odpowiednich warunkach, uzyskuje się biogaz celem wytworzenia energii elektrycznej.
Również rośliny stanowią źródło energii, nie tylko służąc za pożywienie dla ludzi i zwierząt, ale również jako źródła biogazu. Hodowla wodorostów (alg morskich, morszczynów) daje możliwości wykorzystania ogromnych powierzchni wód. Np. na nadmorskich farmach u wybrzeży Kalifornii uprawia się pewien gatunek morszczynu, który przyrasta 0,5 metra dziennie. Z roślin tych po ich wysuszeniu i poddaniu procesowi fermentacji, uzyskuje się biogaz. Nadaje się on do wykorzystania w elektrowniach.
Ekologiczne źródła energii mogą w przyszłości pokryć zapotrzebowanie ludzi ne energię. Obecnie zdecydowanie za mały jest ich udział w produkcji energii elektrycznej.
ELEKTROWNIA WODNA
Hydro elekrownia produkuje prąd elektryczny wykorzystując energię spadku wody – najczęściej na zaporach wodnych. Woda przepływając z wyższego poziomu na niższy porusza turbiny wodne sprzężone z prądnicami (generatory). Takie elektrownie zwane przepływowymi, dzielą się na trzy grupy: niskiego spadu (do 15 metrów), średniego (15-50 metrów) oraz wysokiego – powyżej 50 metrów (górną granica osiągniętą jest około 2 tysiące metrów).
W roku 1869 francuski producent papieru Aristide Berges, którego fabryka znajdowała się w Alpach nad brzegiem strumienia, zbudował pierwszą na świecie elektrownię wodną. Pierwsza na świecie elektrownia wodna prądu stałego powstała koło Appleton (USA) w 1882 roku (z kołem wodnym o mocy 25 kW).
Pierwsza większa elektrownia powstała przy wodospadzie Niagara w 1895 roku.
Oprócz elektrowni przepływowych spotyka się również tzw. szczytowo-pompowe gdzie są dwa zbiorniki – górny i dolny, prądnice mogące pracować jako silniki, turbiny oraz pompy. W okresie małego zapotrzebowania mocy woda jest pompowana z dolnego do górnego zbiornika, a wówczas kiedy zapotrzebowanie na prąd jest duże, ruch wody jest odwrotny. Najstarsza tego typu elektrownia powstała w 1907 roku w Szwajcarii. Największą obecnie w Europie jest Dinorwic w Walii.
Ciekawą, choć nieliczną odmianą elektrowni wodnej jest elektrownia pływowa – wykorzystująca różnicę poziomów przypływu i odpływu morza.
W 1984 roku uruchomiono największą elektrownię świata – Itaipu na zaporze na rzece Parana. Elektrownia jest własnością rządów Brazylii i Paragwaju i wytwarza 13 320 megawatów energi.
ELEKTROWNIA JĄDROWA
Elektrownia jądrowa pozwala częściowo zastąpić nieodnawialne źródła energii takie jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny. Najczęściej wykorzystuje się w nich ciśnieniowe reaktory wodne. Energii dostarcza tu uran, umieszczony w specjalnych elementach paliwowych, o kształcie kilkumetrowych prętów. Tworzą one rdzeń reaktora. Do kontrolowania zachodzących reakcji służą ruchome pręty sterujące. Przez rdzeń reaktora przepływa woda, odbierając ciepło pochodzące z rozpadu uranu. Choć jej temperatura sięga 300 stopni Celsjusza, to dzięki bardzo wysokiemu ciśnieniu nie dochodzi do wrzenia. Woda trafia następnie do wytwornicy pary. Tam powstaje para wodna rozpędzająca turbiny połączone z generatorami prądu.
Rozpad kilograma uranu dostarcza tyle energii co spalenie 2500 ton węgla kamiennego. Powstaje przy tym mniej zanieczyszczeń niż w tradycyjnej elektrowni.
I pomyśleć, że wystarczy zaledwie 4 gramy paliwa, żeby ogrzać spory dom w czasie zimy!

Posted in Referaty | Leave a comment

Promieniowanie rentgenowskie.

Promienie rentgena zostały odkryte w roku 1895 przez Wilhelma Conrada Roentgena. W 1901r. dostał za to odkrycie nagrodę Nobla. Badając właściwości promieni katodowych, Roentgen postanowił sprawdzić czy promienie te przechodzą również przez zwykłą szklaną ściankę. W tym celu rurę Crookesa przykrył czarnym pudłem kartonowym oraz zasłonił okna w pokoju, aby światło rurki nie przeszkadzało w zobaczeniu ewentualnych zjawisk na szklanej ściance. W tym momencie zauważył fluorescencje leżącej o ponad metr od rury płytki pokrytej BaPt(CN)4 (tetracyjanoplatynianem barowym). Zjawisko to nie mogło zostać wywołane przez promienie katodowe ze względu na zbyt dużą odległość płytki od rury Crookesa. Okazało się, iż odkrył nowy rodzaj niewidzialnych promieni nazwanych przez niego promieniami X. Podczas badań nad tym nowym zjawiskiem zauważył również, że świecenie ekranu utrzymuje się, gdy pomiędzy nim a rurą umieszczał różne przedmioty takie jak tysiąc stronicowa książka czy dłoń. Badał przezroczystość różnych materiałów w stosunku do promieniowania. Fotografował kawałki drutu przez drewnianą grubą deskę i odważniki zamknięte w pudełku.

Roentgen odkryte przez siebie promienie nazwał promieniami X, a później nazwano je promieniami Roentgena.
Do wytwarzania promieni X służą dwie lampy: jonowa lampa rentgenowska oraz lampa Coolidge’a z żarzoną katodą, która służy do wytwarzania elektronów swobodnych za pomocą zjawiska termoelektrycznego. Jonowa lampa rentgenowska jest to bańka szklana, kulista o średnicy kilku lub kilkunastu centymetrów, wypełniona gazem o ciśnieniu kilku dziesiątych Pa. W bańce znajdują się trzy elektrody metalowe: płytka glinowa, która ma kształt wklęsłej miseczki o środku krzywizny w środku bańki i stanowi katodę, anoda, która jest połączona metalicznie (zamyka obwód prądowy dla elektronów) z trzecią elektrodą zwaną antykatodą. Jest to blaszka z trudno topliwego metalu; znajduje się dokładnie w środku bańki i jest ustawiona pod kątem 45° do osi bańki.

W celu uruchomienia lampy podłącza się między katodę i antykatodę napięcie rzędu kilkudziesięciu tysięcy Voltów. W bańce takiej występują jony dodatnie, które bombardując katodę wyzwalają z niej elektrony. Elektrony wylatujące z wklęsłej katody tworzą zbieżny strumień promieni katodowych skupiającej się na bardzo małej powierzchni antykatody.
Z każdym poruszającym się elektronem związane jest pole elektromagnetyczne. W wyniku hamowania elektronu na tarczy (anodzie) pole elektromagnetyczne zostaje zaburzone. Zaburzenie to rozchodzi się w postaci fali elektromagnetycznej promieniowania rentgenowskiego.
Powstają dwa typy promieniowania rentgenowskiego: o widmie ciągłym (promieniowanie hamowania) i o widmie liniowym. Szybko poruszające się elektrony trafiają na atomy bombardowanego pierwiastka i w ich polach elektrycznych gwałtownie zmieniają kierunki lub zostają wyhamowane. W tym czasie elektron traci część swojej energii, która zostaje wypromieniowana w postaci promieniowania hamowania Częstotliwość i energia emitowanego fotonu jest tym większa, im silniej jest hamowany elektron.. Gdy elektron zostaje całkowicie przez jądro wyhamowany, wówczas cała jego energia zamienia się na energię promieniowania. Częstotliwość tego promieniowania jest wtedy największa.
Krótkofalowa granica widma promieniowania rentgenowskiego zależy od napięcia przyśpieszającego. Elektrony promieni katodowych mogą przekazywać swoją energię elektronom atomów antykatody. Posiadają one dużą energię, a więc mogą wytrącić nie tylko elektrony zewnętrzne, ale także elektrony leżące najbliżej jądra. Wytrącony elektron albo wylatuje poza atom i staje się elektronem swobodnym albo zajmuje wolne miejsce w warstwie dalekiej od jądra(nie zapełnionej).Zwolnione miejsce przez niego natychmiast zajmuje elektron z wyższej warstwy, podczas tego przejścia następuje emisja energii w postaci fotonu.
Max Laue skierował prostopadle wiązkę promieni X(o widmie ciągłym) na powierzchnię cienkiego monokryształu, która po przejściu przez kryształ pada na kliszę fotograficzną. Na kliszy otrzymujemy zaczernioną plamkę centralną dla wiązki nie ugiętej, oraz plamki boczne dla wiązek ugiętych. Zespół regularnie ułożonych plamek nazywa się obrazem Lauego. Regularne ułożenie małych zaczernionych plamek świadczy o tym, że tylko w pewnych kierunkach ugięte promienie X wzmacniają się, w innych zaś znoszą się. Doświadczenie to pokazuje, że zachodzi interferencja promieni X.

Właściwości promieni rentgenowskich
Ř Rozchodzą się prostoliniowo
Ř Są niewidzialne, ale wywołują fluorescencję
Ř Wywołuje jonizację powietrza
Ř Promieniowanie przenika przez szkło, przez czarny papier i przez wiele ciał, które są nieprzeźroczyste dla światła
Ř Zaczernia kliszę fotograficzną
Ř Są pochłaniane bardziej przez pierwiastki o większej liczbie porządkowej Z
Ř W próżni mają prędkość światła
Ř Nie ulegają odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym

Promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się w badaniach pierwiastkowego składu chemicznego substancji (analiza rentgenospektralna) oraz do badania struktur kryształów (krystalografia rentgenowska). Ponadto promieniowanie rentgenowskie szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej (rentgenodiagnostyka). Ma również znaczenie w leczeniu nowotworów złośliwych oraz w niektórych schorzeniach skóry (rentgenoterapia)
W roku 1948 wykryto promieniowanie rentgenowskie pochodzące z przestrzeni kosmicznej, od tego czasu astronomowie poszukują promieni X we Wszechświecie. Mogą one ujawniać obszary aktywności energetycznej w przestrzeni kosmicznej. Umożliwiają również obserwowanie przyćmionych ciał, na przykład pulsarów.

Prawo Bragga
Prawo Wulfa-Braggów – zależność wiążąca stałą sieci krystalicznej d od długości padającego promieniowania i kąta odbicia. Jest jednym z fundamentalnych wzorów stosowanych w rentgenografii strukturalnej i rozmaitych wariantach dyfraktometrii umożliwiających ustalenie struktury analizowanych substancji na podstawie ich analizy ich obrazów dyfrakcyjnych.
Jej ostateczną postać podali William Henry Bragg i jego syn William Lawrence Bragg w 1913 r.:

gdzie:
•n – liczba nautralna określająca kolejne płaszczyzny sieciowe
•λ – długość fali promieniowania rentgenowskiego
•d – odległość międzypłaszczyznowa, albo ogólnie średnia odległość powtarzalnych warstw atomów, na których zachodzi rozpraszanie
•θ – kąt odbłysku mierzony jako kąt między wiązką promieni pierwotych a płaszczyzna odbijającą
Poniższy rysunek prezentuje graficzną interpretacje prawa Bragga w dwóch przypadkach interferencji fal odbitych:

Posted in Referaty | Leave a comment