Источник энергии Солнца
Для поддержания наблюдаемой светимости Солнца в течение длительного времени необходимы достаточные запасы его внутренней энергии и процессы, перерабатывающие эту энергию в излучение. На первый взгляд, энергия, выделяемая одним килограммом солнечного вещества в секунду, равная:
— величина небольшая, она примерно равна количеству теплоты, выделяемому одним килограммом гниющих листьев. Но химической энергии, запасенной в листьях, при таком энерговыделении едва хватает на год. Солнце, по современным данным, существует около 5 млрд, лет, причем его светимость за это время существенно не изменилась, следовательно, запасов внутренней энергии солнечного вещества должно хватить еще на миллиарды лет.
Зная светимость Солнца T= 4* 10 26 Вт и продолжительность его жизни t=5*10 9 лет = 1,5-10 17 секунд, легко найти энергию, выделенную Солнцем за этот промежуток времени: 4*10 26 Вт * 1,5-10 17 с = 6*10 43 Дж. Поделив эту энергию на массу Солнца, получим, что за это время жизни Солнца каждый килограмм его вещества выделил 3*10 13 Дж энергии.
Удельная теплота сгорания самого калорийного химического горючего — бензина — равна 4,6*10 7 Дж/кг, что значительно меньше внутренней энергии, выделяемой 1 кг солнечного вещества. Поэтому идея о свечении Солнца за счет химических реакций, высказанная в середине XIX в., была несостоятельной. Если бы это было так, то запасов энергии хватило бы только на 800 лет.
Примерно в то же время известный немецкий физик Г. Гельмгольц (1821 —1894 гг.) выдвинул гипотезу, которой пытался объяснить энерговыделение Солнца за счет его гравитационного сжатия; сжатие приводит к выделению тепла и к уменьшению запасов потенциальной энергии солнечного вещества. Однако простые подсчеты показывают, что при современной светимости Солнца запасов его потенциальной энергии хватило бы всего на несколько миллионов лет.
Единственным приемлемым источником энергии, поддерживающим излучение Солнца, может служить термоядерная энергия, выделяемая при образовании (синтезе) ядер атомов гелия, из ядер водорода.
Для протекания ядерных реакций необходима температура в несколько миллионов кельвинов, при которой участвующие в реакции частицы с одинаковым электрическим зарядом смогли бы получить достаточную энергию для взаимного сближения, преодоления электрических сил отталкивания и слияния в одно новое ядро. Ядерные реакции, протекающие при высоких температурах, получили название термоядерных реакций. Именно такие реакции протекают в недрах Солнца.
Расчеты показывают, что в результате термоядерных реакций синтеза из водорода массой 1 кг образуется гелий массой 0,99 кг и выделяется около 9*10 14 Дж энергии. Если сравнить эту величину с энергией (3*10 13 Дж), которую Солнце уже выделило каждым килограммом водорода за 5 млрд, лет своей жизни, то оставшегося в нем водорода должно было бы хватить почти на 150 млрд. лет. Но так как реакции синтеза протекают только в ядре Солнца, содержащем примерно десятую долю всей его массы, то запасов ядерного горючего хватит еще на 10 млрд. лет.
Источник
Солнце и солнечная энергия
Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – это не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).
С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам.
Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечной энергетикой.
Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчас все более насущной.
Общие сведения о Солнце
Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2.
Характеристики Солнца
629 тыс. км
Строение Солнца
В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та “печка”, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром (см. рис.1). В ядре, где температура достигает 15 МК, происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.
Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов. Кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы печка внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.
На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым.
Фотосфера – это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Каждое такое зерно размером почти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячего вещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темные области — солнечные пятна. Они на 1500˚С холоднее окружающей их фотосферы, температура которой достигает 5800˚С. Из-за разницы температур с фотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными. Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемый хромосферой, то есть окрашенной сферой. Такое название хромосфера получила благодаря своему красному цвету. И, наконец, над ней находится очень горячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы — корона.
Солнце – источник энергии
Наше Солнце – это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.
Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.
Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.
Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).
Солнце излучает огромное количество энергии — приблизительно 1,1×1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час — это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% — на процесс образования фотосинтеза в природе.
Исследование солнечной энергии
Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в начале XX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.
Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называется термоядерной.
Основное вещество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» Солнца служит именно водород. Из четырех атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6×10 11 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0ºC до точки кипения 1000 м 3 воды.
Потенциал солнечной энергии
Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 10 13 ) кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.
В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 10 13 ) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.
Источник
Горение водорода на Солнце происходит без участия кислорода. Да или нет?
Проверьте свои знания. Согласны ли вы с этим утверждением? Большинство участников акции «Открытая лабораторная» не смогло дать верный ответ.
Задумывались ли вы о том, что там вообще горит на Солнце? Сам термин «горение» означает самоподдерживающийся химический процесс окисления, протекающий при высокой температуре, с выделением энергии, которая поддерживает эту температуру. В земных условиях горение без кислорода невозможно. А вот в составе Солнца кислорода очень мало. Да и вообще, химическое горение там невозможно, поскольку при таких температурах не могут существовать молекулы, которые являются продуктами такого горения.
Энерговыделение Солнца обеспечивается не химическими, а термоядерными реакциями превращения водорода в гелий, которые протекают в его ядре.
Однако это тоже высокотемпературный процесс, который поддерживается за счет выделяемого тепла. Поэтому о нем часто говорят как о горении, но в переносном, не строго научном смысле. Кислород для термоядерного горения водорода не требуется и в качестве продукта реакции тоже не образуется.
Интересно еще вот что: на поздних стадиях эволюции Солнца (примерно через 6,5 млрд лет) горение водорода в его ядре сменится горением гелия, который будет превращаться в углерод, а в дальнейшем и в кислород. Солнце при этом значительно увеличит свою светимость и вырастет в размерах, став красным гигантом. Именно такие ядерные реакции в звездах предыдущего поколения наработали тот кислород, которым мы дышим. В конце жизни этих звезд часть их вещества, обогащенного кислородом, была рассеяна в окружающей среде и вошла в состав звезд и планет, которые образовались из него в дальнейшем.
Правильный ответ: Да.
Если хотите проверить свои знания о космосе, пройдите наш «Большой космотест». Он наверняка расширит границы вашего восприятия Вселенной.
Источник
Почему Солнце до сих пор не сгорело?
Персональный обогреватель нашей планеты невероятно эффективен.
Наше Солнце — довольно средняя звезда в галактике Млечный путь — не самая яркая, не самая большая и существует всего 4,5 миллиарда лет. Она уникальна только тем, что её свет и тепло поддерживают жизнь на единственной обитаемой планете, которую мы знаем во Вселенной. К счастью для нас, людей, Солнце не сгорело с тех пор, как мы появились несколько сотен тысяч лет назад. Но откуда у него могло быть столько топлива? Почему оно не погасло, как свеча или костер? И когда оно наконец сгорит?
Это был насущный вопрос в XIX веке. В 1848 году немецкий естествоиспытатель Роберт фон Майер ( Robert von Mayer) выдвинул гипотезу, согласно которой Солнце нагревается благодаря бомбардировке его метеоритами. Разумеется, эта теория даже в то время не выдерживала критики. Поэтому, во второй половине XIX века наиболее правдоподобной считалась теория, выдвинутая немецким и британским физиками Германом Гельмгольцем ( Hermann von Helmholtz) и Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), согласно которой Солнце нагревается за счёт медленного гравитационного сжатия. Этот процесс известен, как механизм Кельвина — Гельмгольца — остывание поверхности небесного тела приводит к падению внутреннего давления, из-за чего звезда сжимается, что в свою очередь приводит к разогреванию её ядра.
Однако, основанные на этом механизме расчёты оценивали максимальный возраст Солнца в 20 млн лет, что значительно меньше его действительного возраста.
Согласно другой гипотезе, популярной в XIX веке, Солнце буквально горит, т.е. происходит химическая реакция, которую мы видим, когда зажигаем спичку или разводим костер. Но и расчеты возраста Солнца по это гипотезе давали результат, который не соответствовал тому, что мы знали о возрасте Солнечной системы — 4,5 миллиарда лет. Если бы Солнце сжималось или горело, у него бы закончилось топливо задолго до того, как мы появились в этом мире. Очевидно, что-то происходило ещё, помимо сжатия и горения.
Спустя несколько десятилетий, в 1920-х годах, было найдено правильное объяснение механизмов «горения» Солнца. Сначала «отец» ядерной физики и лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года Эрнест Резерфорд ( Ernest Rutherford) предположил, что источником энергии Солнца является радиоактивный распад .
Позднее, вооружившись знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc², которое утверждает, что всё, что имеет массу, должно иметь эквивалентное количество энергии, британский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон ( Arthur Stanley Eddington) предположил, что Солнце фактически преобразует свою массу в энергию. Вместо печи, которая превращает древесину и уголь в золу (попутно испуская свет и тепло), центр Солнца больше похож на гигантскую атомную электростанцию.
Солнце содержит огромное количество атомов водорода. Как правило, нейтральный атом водорода содержит положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, который вращается вокруг него. Когда этот атом встречает один из других атомов водорода, их соответствующие внешние электроны магнитно отталкиваются друг друга. Это предотвращает столкновение и слияние протонов друг с другом. Но ядро Солнца настолько горячее и сжатое, что атомы носятся с такой громадной кинетической энергией, что они преодолевают силу, связывающую их частицы вместе, и электроны отделяются от своих протонов. Это означает, что протоны, обычно защищенные электронами внутри ядра атома водорода, могут соприкасаться друг с другом и соединяются вместе в процессе, называемом термоядерным синтезом.
Так же, как внутри ядерного реактора, атомы внутри ядра Солнца постоянно врезаются друг в друга. Чаще всего четыре протона водорода сливаются друг с другом, чтобы создать один атом гелия. Попутно в этом процессе крошечная часть массы в этих четырех микроскопических протонах «теряется», но поскольку Вселенная сохраняет материю, она не может просто так исчезнуть. Эта «потерянная» масса ежесекундно трансформируется в огромное количество энергии, которую и излучает Солнце. Мощность этого излучения составляет 3,9×10²⁶ Вт. Это настолько огромное количество энергии, оно больше, чем всё электричество на Земле, которое будет использоваться свыше нескольких сотен тысяч столетий.
Эффективность термоядерного синтеза является основной причиной того, что Солнце так долго излучает тепло. Энергия, выделяемая при превращении всего одного килограмма водорода в гелий, такая же, как при сжигании 20 000 тонн угля. Поскольку Солнце очень массивное и относительно молодое, ученые считают, что оно использовало только около половины своего производящего энергию водорода.
В конце концов, ядро Солнца преобразует весь внутренний водород в гелий, и наша звезда умрет. Но, это произойдет только через около пяти миллиардов лет.
Источник