Конспект урока «Простые энергетические решения против изменения климата» по физике

Страна: Казахстан

Название урока: Простые энергетические решения против изменения климата

Фамилия, имя автора : Сакеева Кажар Кагдаулетовна

Должность, категория: Учитель физики,высшая

Название, номер образовательного учреждения : Коммунальное Государственное учреждение «школа Рыкова»

Адрес:Восточно-Казахстанская область. Катон-Карагайский район. Cело Катон-Карагай

Международный конкурс школьных проектов по энергоэффективности «Энергия и среда обитания»

Урок на тему: Простые энергетические решения против изменения климата

Введение

В условиях перехода Казахстана к рыночной экономике резко обострились проблемы, связанные с усилением антропогенного и техногенного воздействия на окружающую природную среду и климат. Это говорит о том, что земной разум может внести свою (пусть скромную) лепту в регулирующую функцию вселенного разума, и надеяться, что этот вклад будет достоин вида, который присвоил себе определение – разумный. Практической деятельности по снижению последствий изменения возобновляемых источников энергий для местных нужд и энергетические решение против изменение климата- это: повышение уровня образование школьников доступно, научно. Просвещение населения по вопросам эффективного использования и сбережения энергии. Урок, который я представляю для факультативного занятия и родительского всеобуча, раскрывает универсальную значимость природы, ответственность человека за судьбу планеты.

Я помню, когда мне было 7 лет, над берегами маленького ручейка, глухо шумели и скрипели лиственницы. Солнечные лучи только начали пробиваться сквозь их мохнатые ветви, а в воздухе слышались назойливые писки комаров. Внизу груды обомшелых каменных глыб чередуются с зарослями черной смородины. Маленький бурундучок выбежал из- за камня и чутко прислушался в знакомому шуму леса в который вторглись новые звуки.

Спустя 40 лет, я удивилась, там нет ни ручейка, ни смородины, а вместо лиственницы, пустота.

Проблемный вопрос № 1

Куда исчезла та красота природы? Какова роль энергии в истории человечества?

Ответ: Весь длительный процесс освоения энергии человеком можно разделить на 4-5 этапов.

І- этап мускульной энергии, он уходит глубь тысячилетий и длится до V- VII веков нашей эры. Одним из самых замечательных достижений этого периода является овладение огнем, вначале поддержание костра, а затем добывание огня и запасание первого энергетического ресурса- дров.

II- этап (VII- XIIIвв.) относится к использованию энергии движущей воды и ветра, он связан с изготовлением специальных сооружений, требовавших коллективного труда и творчества. Техническая основа разработок этого времени- колесо.

III- этап (с XVIII в. до начало XX в.) соответствует все более широкому применению «движущей силы огня», источником которого является химическая энергия топлива, накопленного в былых биосферах: каменного угля, нефти, газа, горючих сланцев.

IV- этап (с XX- XXI вв.) не зря называют «золотым веком электричества и атома». Благодаря его открытию оказалось возможным освоить и энергетически обеспечить все уголки нашей планеты. Поэтому на берегу ручейка возникла теплоэлектростанция, которая потребляет огромное количество энергии. Главную часть этой энергии составляет энергия ископаемого топлива. Топливо используется в отопительных, обжигательных, доменных, и прочих печах, в безчисленных нагревательных приборах, в тепловых машинах электростанций. Большое количество топлива потребляет транспорт. Топливом называют те горючие вещества, которые при сжигании выделяют значительное количество теплоты, достаточно широко распространенное в природе, причем добыча их не связана с большими затратами, а продукты сгорания практически безвредны. Ценность топлива определяется величиной, которая называется теплотой сгорания топлива, количеством теплоты, выделяемой 1 кг топлива при его полном сгорании. Основными горючими элементами почти каждого вида топлива являются углерод и водород, которые входят в его состав в виде сложных соединений- углеводородов. Чем больше в топливе углерода и водорода, тем выше его теплота сгорания. Содержание в топливе серы, влаги, минеральных элементов (золы), называемых топливным балластом, характеризует засоренность топлива. Главными видами топлива, которые используется в разных отраслях промышленности, в том числе теплоэлектростанциях, являются ископаемый уголь, природный газ,торф и нефть. Промышленность, в том числе электростанции, свободно сбрасывали в окружающую среду различные отходы. Их количество со временем увеличивалось и в настоящее время на всей Земле составляет около 500 млн. т ежегодно. Одними из наиболее токсичных соединений, поступающих в атмосферу из технических источников, являются оксиды серы, азота и сернистый ангидрид. Он составляет до 99 % от выбросов сернистых соединений энергоустановками. Он участвует в различных каталитических, фотохимических реакциях, переходит в сульфаты и, растворяясь в парах воды, образует серную кислоту. Сходным образом оксиды азота дают азотную кислоту. Получающиеся из- за этого кислотные дожди стали опасными для изменения климата на Земле. Многие из этих отходов оказались вне естественного кругооборота веществ в биосфере, нарушая природное равновесие.

Население Земли неуклонно растет, оно уже перевалило за 6 млрд, достигнет 2020 г. 7,4 млрд. В настоящее время человечество потребляет в год около 10 млрд тонн условного топлива, и это количество постоянно растет, в первую очередь за счет развивающихся стран, стремящихся обеспечить своим жителям такие же условия, как в высокоразвитых странах. Общие потребности в энергии вырастут к 2020 г. 34 млрд тонн условного топлива. Безудержный рост энергетики очень опасен- он может вызвать тепловой «перегрев» Земли и необратимые изменение климата.

Не может ли решить топливную проблему бионефть? А нельзя ли выращивать или получать продукт, близкий по теплотворной способности к самой нефти? Да, можно. Есть целый ряд тропических деревьев, обычных кустарников и сорных трав, которые могут выделять в больших количествах соки, легкие углеводороды, близкие по энергетическим свойствам к типичным бензинам. Самые перспективные среди них – растения семейства молочаевых, чертополохи и многие сорта кактусов. При культивировании этих деревьев, и прежде всего знаменитого каучуконоса – гевеи, с одного гектара можно получить в год до железнодорожной цистерны жидкого топлива. Кокосовую пальму называют иногда «деревом лентяев», поскольку она, не требуя особого ухода, дает местному населению и пищу, и напитки, и материал для текстиля. Топливо, выжимаемого из копры- сердцевины кокосового ореха, дающего для электростанции мощностью 165 кВт ток, достаточно для приведения в действие опреснителя, вырабатывающего из океанской пресную воду и обеспечивающего ею людей, живущих на острове. Дерево, сахарный камыш, камыш «слоновая кость» являются незаменимым топливам для энергетических ресурсов. Таким образом можно выращивать такие деревья каждому, и найти способ его применение. Некоторые виды растений вырабатывают в своих тканях горючие углеводороды, по составу похожие на те, которые содержатся в нефти. Есть дерево, которое называют ханга. Его орехи содержат масло, по своему составу почти совпадающее с нефтью. Из дерева капаибу можно собрать отличное дизельное топливо. Заслуживают особого внимания направления работ, связанные с получением энергии из органики, накопленной не в прошлых биосферах, а образуемой в нашей биосфере под влиянием непосредственного потока энергии от Солнца. Пример такой возобновляемой органики давно известен- это древесина. Из- за низкой калорийности ее доля в общем энергопотреблении резко упала уже в середине нашего века. Из- за угрозы усиления парникового эффекта, обусловленного ростом в атмосфере Земли углекислого газа, мы должны каждый год посадить по 10 деревьев. У нас есть такая пословица: «бір ағаш кессең, он ағаш ек», «спилил одно дерево- посади десять».

Проблемный вопрос № 2.

Солнце разлито поровну.

Вернее, по справедливости,

Вернее, по стольку разлито,

Кто сколько способен взять.

В.Солоухин

Объесните сказанное. «Солнечная энергетика»

Ответ: Солнце- источник всего на Земле: света, тепла, жизни. Только солнечный свет дарил людям тепло до того, как они научились добывать огонь,- солнечная энергетика была первой, освоенной человеческим сообществом. Недаром само это сообщество возникло, как утверждают палеонтологи, под жарким солнцем экватора, в центральной Африке. Энергетика Солнца станет самой приемлемой и в будущие эпохи благодаря своей естественности, неисчерпаемости и экологической чистоте. Солнечная энергия является «чистой», ее потребление не связано со сложными технологическими процессами, которые дают вредные побочные продукты- ядовитые газы, золу, дым- загряняющие окружающую среду. Плотность солнечной радиации на орбите Земли составляет 1,4 кВт /м². За год на Землю приходит 10¹⁸ кВт∙ ч. солнечной энергии, 2 % которой могут быть использованы без заметного ущерба для окружающей среды, что эквивалентно энергии, получаемой от сжигани 2∙ 10¹² тонн условного топлива. Полная светимость Солнца равна 4∙10 ²³ кВт или мощности 10¹⁷ крупных АЭС.

Средний поток солнечной радиации на поверхности Земли на широте 40⁰ составляет 0,3 кВт /м² –почти в пять раз меньше того, что падает на границу атмосферы. Чтобы скомпенсировать эти недостатки, надо собирать солнечный поток с большой площади, применяя различные концентраторы, и запасать энергию на нерабочее время с помощью аккумуляторов. Используются разные способы преобразования солнечной энергии: фототермический, фотоэлектрический и фотохимический. Применяется в солнечных установках фотоэлектрические преобразователи на основе кристаллов кремния и арсенида галлия. Солнечные станции намного «чище» тепловых, прогресс науки и улучшение международного климата, когда СЭС, распаложенная в пустынной местности, будет снабжать энергией сразу несколько стран, будут способствовать их внедрению.

Мощные СЭС были бы чрезвычайно громоздки, для их постройки нужно отчуждать огромные территории в пустынных местах и передавать электроэнергию на большие расстояния. При этом пропадает экологическая «чистота» и не устраняется тепловой нагрев Земли. Чтобы предназначенное было полностью выполнено, надо выносить СЭС в космическое пространство.

Большое преимущество солнечных установок заключается в том, что они служат лишь преобразователями поступающей от Солнца энергии и не увеличивают содержание углекислоты в атмосфере, а потому не нарушают теплового равновесия нашей планеты.

Солнечным называют пруд, в котором уменьшена конвекция, перемешивание слоев воды. В отсутствие конвекции нижние слои воды значительно прогреваются проникающими в них прямыми солнечными лучами, аккумулируя таким образом солнечную энергию. Эту энергию можно использовать, извлекая горячую воду, пропуская ее через теплообменники встречаются в природе: в них конвекция подавлена разным содержанием соли и возвращая обратно так, чтобы не нарушился общий режим пруда. Солнечные пруды в слоях воды. Как источники энергии природные солнечные пруды обходятся дешевле и экологически чисто.

Практическая работа № 1.

Оборудование: два контейнера, два термометра, сухая почва, вода, кусок черной ткани.

Ход работы: 1. Заполнить один контейнер водой, а другой- сухой почвой или садовым компостом .

2. Поместить в каждый из них термометр и поставить контейнеры в солнечное место. Заметить температуру в каждом контейнере.

3. Прикроить контейнеры куском черной ткани и оставить их на солнце на 2- 3 часа. Какой из них нагревается быстрее? Какой из них нагревается до более высокой температуры?

Таким простым образом можно использовать энергию контейнера.

Проблемный вопрос № 3.

Все обменивается на огонь и огонь на

все, как на золото- товары, на товары- золото.

Гераклит

Гераклит что хотел объяснить? «Потоки энергии и тепла, куда уходят в тихоря».

Ответ: Значительная масса Земли обеспечивает удержание на ней гидросферы и атмосферы, а благодаря сравнительно небольшой удаленности Земли от Солнца на нее поступает достаточно мощный поток солнечной энергии. Живые существа населяют сушу, воды и атмосферу- все это области распространения жизни образуют так называемую биосферу Земли. В результате взаимодействия организмов между собой и с окружающей их средой поддерживается биологический круговорот веществ: продукты жизнедеятельности одних организмов жизненно необходимы для других, так и происходил этот круговорот до эпохи технического прогресса, который проложил совершенно новые пути перемещения энергии и вещества в биосфере, нарушая природное равновесие. До недавних пор люди мало обращали внимания на отдаленные последствия своей деятельности. Промышленность, сельское хозяйство, многочисленные города свободно сбрасывали в окружающую среду различные отходы. Особую роль играют выбросы в атмосферу, которые приводят к накоплению в ней углекислого газа. Всего в атмосфере Земли содержится около 2· 10¹² т углекислого газа. Это имеет ряд последствий. Известно, например, что углекислый газ интенсивно поглащает свет в его инфракрасной области. Поскольку максимум энергии в спектре солнечного излучение, поподающего на Землю, приходится на видимую область, а излучение Земли является инфракрасным, то атмосферный углекислый газ действует, как стекло в оранжерее, - солнечную радиацию и не выпускает обратно инфракрасное (тепловое) излучение Земли.Такой эффект называют парниковым. Следовательно, увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к потеплению климата на Землю. Так, если бы содержание углекислого газа в атмосфере удвоилась, то средняя годовая температура Земли повысилась бы на 4⁰С, что привело бы к таянию многолетних льдов в Северном Ледовитом океане, в Гренландии, в Антарктиде. В результате значительно поднялся бы уровень воды в Мировом океане. А отсутствие отражающих солнечные лучи льдов вызвало бы существенное изменение климата на Земле. В настоящее время выше сказанные катастрофы всплеснули мир. А так же, несмотря на внешнее разнообразие, для большинства процессов переноса тепла имеются общие закономерности, которые связывают скорость того или иного процесса и силы, вызывающие этот процесс. Как правило, подвод энергии не может осуществляться равномерно. Единственная возможность, реагирирования на внешнее возмущение, на постоянную накачку- это организация циклов вещества в замкнутой системе, или возникновение сложных структур под влиянием потоков энергии в разного рода открытых системах, где циклическое перемещение вещества вдру обретает устойчивые формы, когда сложная структура возникает, казалось бы, на пустом месте. Это явление носит название «самоорганизация сложных систем». Впервые организацию сложной структуры наблюдал французский физик Бенар 1900 г.

Практическая работа № 2.

Налить на сковородку немного растительного масло и нагреть ее на медленном огне. Пока теплые потоки малы, нагреб слаб, жидкость неподвижна, поток тепла усиливает молекулярную диффузию. Внизу образуется более горячий слой с меньшей плотностью, который стремится вверх, а на его место опускаются более холодные слои. По мере роста потока тепла должна возникнуть та самая конвекция, благодаря которой осуществляется выравнивание температуры в комнате. Однако при медленном возрастании перепада температур между верхним и нижним слоем, неожиданно вся поверхность масла преображается- она разбивается на отдельные ячейки, большинство из которых имеет форму шестигранников, призматических шестиугольных цилиндриков от поверхности до дна сосуда. Образуется цикл по веществу: жидкость поднимается вверх в центре ячейки и опускается внизу граней. Такая структура характеризуется более эффективным теплопереносом, при этом происходит конкуренция и «выживают» именно шестигранники- наиболее эффективные рассеиватели энергии, способные полностью заполнять пространство. Аналогичную физическую природу имеют вихри в жидкости, налитой между двумя концентрическими цилиндрами, при вращении внутреннего цилиндра с определенной частотой. Движущая сила- более высокая температура поверхности Земли. Организация циклов движениия воздуха такая же, как в практической работе. Энергетическая выгодность шестигранников также не вызывает сомнения. В системе с протоком свободной энергии- структура вторична, функция - первична

Надо научиться человечеству использовать энергию океанских приливов и отливов, ветра, солнца, тепла земных недр.

Заключение: У учащихся сформулировалось представление о роли энергетических вопросов гуманистической сущности климата, заинтересовались глобальными изменениями атмосферы. В ходе решения проблемных вопросов и практических работ дети осознали жизненную значимость изучаемого материала, и необходимости простых энергетических решений против изменения климата. Они поняли, что физика - это часть единого естествознания, и земной разум – не уникальное явление. И все проблемные вопросы направлены на выявления нравственной стороны и что к изучению живой природы необходим энергетический подход.