Cercuri ştiinţifice studenţeşti, cercetare şi creativitate, cursuri on-line, articole, biblioteca electronică şi o listă de discuţii

Cercetarea ştiinţifică în domeniul energiei

Scopul pentru cercetarea în domeniul energiei este găsirea unor noi principii, metode, materiale sau tehnologii nedescoperite încă. Cercetările ştiinţifice se pot împărţi în două categorii: cercetare ştiinţifică fundamentală şi cercetare ştiinţifică aplicativă.

Cercuri ştiinţifice   Subiecte ştiinţifice   Cum rezolvăm o problemă?

Textul publicat în aceeastă pagină este original. Toate drepturile sunt rezervate. Copyright © 2002-2006 Universul Energiei.
Reproducerea integrală sau parţială a materialului, fără acordul autorilor, intră sub incidenţa Legii privind Dreptul de Autor.

1. Cercetarea în domeniul energiei

Istoria ingineriei energetice a fost din totdeauna strâns legată de istoria dezvoltării celorlalte ştiinţe, precum şi de modul în care energeticianul a reuşit să le subordoneze necesităţilor sale.

Pentru cercetarea în energetică, scopul îl reprezintă găsirea unor noi principii, metode, materiale sau tehnologii nedescoperite încă. Adoptând drept criterii nivelul de cunoaştere de la care se porneşte în căutarea noului şi domeniul de aplicare al rezultatelor obţinute, ne vom limita la împărţirea cercetărilor ştiinţifice energetice în două categorii:

• cercetarea ştiinţifică fundamentală, care îşi propune să îmbogăţească zestrea cunoştinţelor de bază ale energeticii şi

• cercetarea ştiinţifică aplicativă, care prin detalierea şi dezvoltarea rezultatelor obţinute în cadrul cercetării fundamentale, urmăreşte să soluţioneze problemele de actualitate pe care le generează evoluţia societăţii.

1.1. Gândirea experimentală

La început, în energetică a fost preponderentă arta măsurătorilor şi a evaluărilor cantitative din sfera vieţii materiale. Aceasta a constituit pentru multă vreme esenţa ingineriei energetice.

A urmat apoi experimentul de laborator, cu scopul declarat de a obţine cât mai multe date despre materialele, sistemele şi procesele analizate.

1.2. Gândirea analitică

În paralel cu gândirea experimentală, în ingineria energetică a început să se dezvolte gândirea aplicativă. Punctul ei de plecare îl constituie matematica, cu multiplele ei posibilităţi de modelare a fenomenelor fizice sub forma unor ecuaţii şi a descrierii comportamentului diferitelor materiale prin relaţii constructive. De exemplu, mişcarea unui fluid poate fi descrisă printr-un sistem de ecuaţii care exprimă legile de conservare a masei, a impulsului şi a energiei, împreună cu relaţia constitutivă a vâscozităţii.

Calculul ingineresc, ca instrument de proiectare energetică, s-a dezvoltat în mod sistematic, pe baze experimentale. Caracteristicile generale ale calculului sunt:

• numărul redus de parametri,

• prezenţa substanţială a coeficienţilor de corelaţie şi

• folosirea frecventă a coeficienţilor de siguranţă.

Limitele de aplicabilitate ale acestui calcul încep să devină evidente o dată cu creşterea complexităţii sistemelor tehnologice şi a imposibilităţii practice de reproducere în laborator a unor procese energetice.

Prezentare PowerPoint: Eleganţă profesională

În proiectarea energetică se urmăreşte în principal realizarea unor situaţii noi, folosindu-se principii, metode şi tehnologii deja cunoscute.

1.3. Experimentul ştiinţific

Necesitatea rezolvării unor probleme tot mai complexe l-au condus pe cercetătorul energetician la realizarea unei sinteze neaşteptate între gândirea analitică şi cea experimentală, creînd aşa-numitul experiment ştiinţific. În esenţă, experimentul încearcă să modeleze evoluţia unui proces fizic, pornind nu de la sistemul material studiat, ci de la modelul său analitic transfigurat într-o formă accesibilă implementării pe calculator. Impunând apoi diferite condiţii iniţiale şi de limită pentru modelul numeric, se obţin variaţii ale parametrilor investigaţi aşa cum s-ar obţine serii de date experimentale în laborator.

Modelarea numerică permite cercetarea unor fenomene greu de reprodus în laborator. De exemplu, analiza transferului de căldură în zona activă a unui reactor nuclear poate fi realizată atât în laborator, cât şi pe un model numeric. Simularea unor condiţii de avarie în laborator este extrem de costisitoare (datorită distrugerilor provocate) şi foarte periculoasă, fapt pentru care în asemenea situaţii se foloseşte modelarea numerică.

În energetică s-au realizat experimente combinate, în care modelarea experimentală şi modelarea numerică sunt calibrate pe calculator, prin experienţe de laborator. Decizia în energetică trebuie să ţină seama de cinci consideraţii fizice importante:

• necesarul de resurse energetice,

• timpul necesar,

• impactul cu mediul,

• necesarul de resurse ne-energetice,

• cheltuieli totale necesare.

Scopul urmărit pentru fiecare problemă din domeniul energiei este reprezentat de optimizarea (în general, minimizarea) schimbărilor în cadrul celor cinci variabile intercondiţionate, pe tot timpul procesului condus. În general, pentru fiecare activitate economică se urmăreşte:

• utilizarea a cât mai puţine resurse energetice,

• activitatea să se realizeze într-un timp cât mai scurt,

• impactul cu mediul să fie minim,

• cantitatea de materiale consumate să fie cât mai mică,

• efortul financiar să fie cât mai mic.

De aici se poate trage concluzia că este necesară o abordare cu mai multe criterii în toate aspectele energetice.

2. Descoperirea energiei

Omul primitiv investiga natura pentru a obţine informaţiile de care avea nevoie în scopul transformării acesteia, astfel încât să obţină cele necesare pentru supravieţuire. Acelaşi lucru are loc la scara unei societăţi moderne: avem o activitate de investigare a naturii prin ştiinţă şi o activitate de transformare a naturii prin crearea unei activităţi productivo-economice.

În fiecare clipă apare ceva nou în această lume: atâţia oameni îşi imaginează lucruri care, în afară de faptul că sunt bune sau rele, ne pot fi utile mai devreme sau mai târziu. Pe plan mondial, problema care se pune la ora actuală este aceea a excesului de informaţii referitoare la multiplele subiecte care ne pot interesa: suntem puşi în situaţia de a alege acele informaţii care ne sunt cu adevărat utile.

Pagini Web: Ummite Physics and Metaphysics - The Essential Texts      UMMO-SCIENCES

O descoperire este o relaţie între natură şi omul de ştiinţă, cu precizarea că în natură descoperim ceea ce are o semnificaţie pentru inteligenţa umană. Descoperirea este specifică interacţiei om-natură în etapa noologică, aşa cum stimul-răspuns este specific etapei biologice de evoluţie.

The history of every major Galactic civilization tends to pass through three distinct and recognizable phases, those of Survival, Inquiry and Sophistication, otherwise known as the How, Why and Where phases. - Douglas Adams

Ce descoperim? Descoperim stări şi transformări, sau altfel spus, dacă utilizăm denumirile categoriilor platoniciene: stazis şi kinezis.

Stările generează complexe de stări cu o anumită unitate, cu o anume permanenţă, care se conservă şi pe care le denumim obiecte. Obiectele formează categoria tauton (unitar, „acelaşi”), opusul acesteia fiind heteron (heterogen, „diferit”), această din urmă categorie implicînd diferenţierea.

Putem stabili următoarele relaţii între cele patru categorii:

• starea S (stazis) generează obiectul unitar T (tauton), deci formeazã o familie, aşa cum transformarea K (kinezis) generează heterogenitatea H (heteron) şi formează o altă familie;

• starea S (stazis) este opusă transformării K (kinezis), aşa cum obiectul unitar T (tauton) este opus heterogenităţii H (heteron), deci componentele familiilor sunt complementare câte două.

Astfel, avem patru concepte generale, patru categorii platoniciene, cu care putem caracteriza descoperirile. Rămâne să ne convingem că putem să construim un cod epistemic al descoperirilor, în care o descoperire tip este caracterizată printr-o trecere succesivă prin trei din cele patru categorii ale existenţei, ale acelui „ON“ al lui Platon.

Cum orice descoperire implică modul de gândire al omului de ştiinţă, o primă indicaţie în acest sens ne este furnizată de necesitatea evoluţiei dialectice teză-antiteză-sinteză.

2.1. Stările

Stările (Stazis) se combină în obiecte caracterizate prin complexe de stări care au o unitate permanenţă şi se conservă. Dar şi obiectele pot deveni, în procesul unei descoperiri, stări ale unui nou obiect.

2.2. Transformările

Trecând la transformări (Kinezis), constatăm că avem o situaţie similară datorită faptului că o asociere de transformări, care lasă invariante anumite proprietăţi, nu este altceva decât o lege.

2.3. Unitate şi diversitate

Continuînd analiza dintre unitate (tauton) şi heterogenitate (heteron), putem caracteriza mijloacele noastre de interacţie cu natura.

Am trecut în revistă aceste lucruri pentru a sublinia că procedeul prin care facem descoperirile constă în transformarea obiectului de cercetare în mijloc de investigare şi de producere a altor obiecte de cercetare. Deci avem o trecere TKH, de la o unitate obiectuală, prin transformare, la heterogenitate obiectuală.

În concluzie, o descoperire poate fi descrisă printr-o succesiune de trei categorii. Desigur că este necesară o investigare critică a acestui cod, prin extinderea tipurilor de descoperiri şi pentru alte ştiinţe ale naturii sau ale societăţii. Aceste descoperiri capătă valoare numai în măsura în care sunt acceptate şi devin utile societăţii. Din acest punct de vedere, diferenţa dintre creaţia artistică şi cea ştiinţifică constă numai în criteriile diferite de atribuire a valorii de adevăr pentru afirmaţiile lor. Dacă opera de artă are o valoare în măsura în care este acceptată de societate, o teorie ştiinţifică, pe lângă acceptarea socială, depinde de capacitatea ei de a se lăsa verificată experimental.

Verificarea experimentală este un termen controversat, pentru că orice verificare se concepe în cadrul uneia sau mai multor teorii şi deci se presupune acceptarea socială a unei teorii înaintea stabilirii modalităţii de a „întreba“ natura.

3. Concepţii despre energie

Profesorul dr.ing. M. D. Cazacu a fost invitat să îşi exprime părerea referitoare la cercetarea din domeniul energiei. Profesorul Cazacu a dorit să precizeze următoarele adevăruri, ţinând seama de existenţa unor concepţii prea superficiale în acest domeniu, culminând cu afirmaţia profund eronată a lui Albert Einstein din anul 1905, precum că energia se transformă în materie şi invers, după formula simplistă E = mc², concepţie îmbrăţişată odinioară (1955) şi de Congresul Unional de Mecanică de la Moscova, în scopul lipsit de sens al afirmării primordialităţii materiei asupra energiei.

3.1. Construcţia lumii materiale

În realitate, materia ne apare ca având anumite stări stabile de agregare, lucru cunoscut încă din antichitate şi disputat numai în privinţa numărului acestor stări:

• starea solidă a corpurilor – concretizată prin Pământ,

• starea lichidă – prin apa râurilor mărilor şi oceanelor,

• starea gazoasă – prin aerul atmosferic,

• starea numită actualmente plasmă, odinioară – focul.

Aceste stări, în funcţie de greutăţile lor specifice şi a conceptului pe atunci încă necunoscut al gravitaţiei, ocupau în mod principial (situaţie constatată, dar neexplicabilă ştiinţific) după renumitul filosof Aristotel, poziţiile lor naturale: pămîntul jos, apele la mijloc, aerul sus, iar focul şi mai sus - tinzînd către ceruri.

Disputa consta doar în aceea că la baza construcţiei lumii (în concepţia atomistă) ar sta totuşi un singur element şi nu patru, şi aceasta deoarece apa poate şi îngheţa, se poate şi vaporiza, ba încă poate să şi ardă (apa de foc – denumire dată de locuitorii Americii alcoolului adus de europeni).

3.2. Mărimea forţelor ce acţionează la nivelul diferitelor structuri

Ce s-a constatat mai târziu a fost faptul că, la nivelul diferitelor stări de agregare ale materiei, forţele care iau naştere în procesul mişcării materiei sunt de mii de ori (1.600 - 2.300) mai mari în direcţia atomizării ei [1].

Legat de acest lucru cred că nu este lipsit de importanţă să reamintesc raţionamentul pe care l-am făcut odinioară, când cercetam problema curgerii lichidului vâscos la numere ale lui Reynolds mici [3].

În epoca modernă, prin fisionarea atomului de Uraniu de către Otto Hahn în 1938 folosind neutronii lenţi [7], s-a constatat defectul de masă δm care lipsea din însumarea greutăţilor atomilor rezultaţi, dar care se poate regăsi, prin ipoteza corpusculară a radiaţiei luminoase, emisă încă de Isaac Newton şi pusă în evidenţă de radiometrul lui William Crookes, care defect aparent de materie, propagându-se cu viteza luminii c, poate explica devierea razei de lumină prin prezenţa câmpului gravitaţional al unui corp ceresc, datorat condensării şi pe el a eterului cosmic.

3.3. Tendinţele din energetică

Din cele prezentate mai sus se poate explica vechea tendinţă a energeticienilor de a prefera combustibilii nobili, posedând o cantitate mai mare de energie pe unitatea de greutate.

Această concepţie a durat până la inventarea în anul 1914, de către profesorul ceh Victor Kaplan, a rotorului de turbină hidraulică axială cu paletaj reglabil, obţinându-se prin această construcţie menţinerea randamentului maxim al turbinei axiale aproape pe întregul câmp de variaţie al debitului, reglat în funcţie de necesarul de putere solicitată.

Ca urmare a acestui lucru, la aniversarea mondială UNESCO din 1964 a 50 de ani de aplicare a acestei remarcabile invenţii, renumitul hidro-energetician român, profesorul dr.ing. Dorin Pavel [8] îl elogia pe Victor Kaplan spunând că el a redat omenirii încă 50 % din energia râurilor de joasă cădere, până atunci neluată în consideraţie. Dar şi mai important pentru noi, inginerii energeticieni, a fost faptul că preţul energiei produse de aceste centrale hidraulice, utilizând căderile joase ale marilor fluvii, s-a dovedit a fi mult mai de mic.

În acest sens, pentru a mai contracara puţin epitetul lipsit de importanţă tehnico-economică al nobleţii combustibilului, am introdus noţiunea de grad de concentrare a energiei. Constatăm spre exemplu că:

• energia eoliană este mai puţin rentabilă, deoarece fiind distribuită în volumul atmosferei, necesită cheltueli suplimentare de construcţie şi exploatare,

• energia solară fiind distribuită superficial, necesită suprafeţe disponibile şi cheltueli sporite ale instalaţiilor şi exploatării lor,

• energia valurilor produse de vânt pe suprafeţele mărilor şi oceanelor se concentrează liniar prin propagarea lor spre ţărm, oferind şi o învestiţie liniară mai uşor de finanţat în timp,

• energia cursurilor de apă oferă avantajele maxime prin concentrarea ei punctuală în locul barajului.

Tendinţa de reducere a cheltuelilor de exploatare se manifestă şi la celelalte tipuri de centrale termo sau nuclear-electrice prin mărirea puterii unitare a grupurilor, deşi energia nu mai este gratuită ca în cazul surselor reînoibile de energie, iar costul aprovizionării cu purtătorii de energie în continuă epuizare şi totodată puternic poluatori ai mediului, constitue două importante probleme tehnico-economice dificil de rezolvat.

Particularităţile surselor inepuizabile de energie

În fine, câteva probleme deosebit de importante, ce apar chiar în cazul surselor inepuizabile şi mult mai puţin poluante de energie, mai mult la cele ce au ca origine energia soarelui (radiaţia solară, vântul, valurile, cursurile de apă, biomasa vegetală şi activitatea umană) şi mai puţin la cele de origine terestră (energia geotermală) sau depinzând de mişcarea giganticei Luni (energia mareelor), aceste probleme fiind următoarele [9][10]:

• caracterul aleator şi câteodată catastrofal al unora dintre ele (da şi deocamdată [11] nu la soare, da şi mai puţin la vânt, da şi mai mult la valuri, da şi în special la cursurile de apă2), ceea ce necesită exploatarea lor combinată sau a stocării energiei lor în reţeaua electrică, în acumulatori de apă (baraje cu lacuri), termici, electrici, cât şi dimensionarea construcţiilor pentru a rezista la forţele dezlănţuite ale naturii;

• necesitatea creşterii eficienţei lor economice, datorită numărului anual redus de ore de funcţionare şi care se poate obţine prin mărirea performanţelor instalaţiilor [12] şi utilizarea folosinţelor complexe [13] [14] [15] [16], precum: folosinţa complexă a apelor (irigaţii, piscicultură, transport naval şi rutier, turism, sport, protecţie a ţărmului, a plajelor, cât şi împotriva inundaţiilor), scăderea efectului de seră şi chiar a temperaturii mediului prin tehnici precum pila de concentraţie a lui Nicolae Vasilescu-Karpen [17] [18] [19],

• mărirea randamentului de conversie în electricitate sau căldură a energiei lor gratuite captate, ceea ce ar avea ca efect scăderea preţului energiei produse prin micşorarea cheltuelilor de investiţie şi amortizare mai rapidă a construcţiilor.

3.4. Mişcarea materiei

Alte observaţii importante pentru mecanicieni (ingineri, matematicieni, fizicieni ce se ocupă cu studiul mişcării materiei) constau în următoarele consideraţii asupra mişcării materiei la diferite nivele de organizare.

Mişcarea aparent dezordonată a particulelor unui mediu continuu, având o componenţă omogenă sau neomogenă, verificând totuşi legi statistice, cum ar fi spre exemplu cauza căldurii (nu flogistul), are loc în mod diferit la nivelul molecular (mişcarea Browniană din cazul lichidelor aflate sub influenţa forţelor de atracţie moleculară, sau mişcarea moleculelor de gaze pure sau în amestec, scăpate de sub această influenţă), faţă de agitaţia de nivel superior din cazul plasmei.

În constituţia plasmei fierbinţi are loc atât desfacerea moleculelor în atomi, cât şi ionizarea acestora prin pierderea electronilor, existând mai multe specii cu entităţi diferite în constituţia unei plasme formată din mai multe gaze, ale căror particule, în procesul ciocnirii lor, au viteze de agitaţie diferite, invers proporţionale cu masa lor, problemă de o deosebită importanţă în conversia directă a acestei energii termice dezordonate în electricitate prin intermediul generatoarelor electrice magneto-plasmo-dinamice [20][21], construite pe baza efectului electro-magneto-dinamic descoperit de Michael Faraday în 1831.

În procesul unei reacţii chimice exoterme (a aşa numiţilor purtători de energie existenţi în stare naturală) sau endoterme, creşterea sau scăderea de temperatură apare ca urmare a măririi sau micşorării agitaţiei moleculelor nou creiate, datorită afinităţilor chimice ale elementelor.

O problemă de alt gen o reprezintă producerea energiei termice în reactoarele nucleare de fisiune şi conversia ei în electricitate folosind instalaţiile actuale clasice, cât şi producerea şi conversia ei electrică în reactoarele de fuziune nucleară, în care cazuri trebuesc utilizate instalaţii termo-electro-mecanice speciale adecvate acestor scopuri şi care ocazionează rezolvarea altor probleme adiacente.

3.5. Probleme ale energiei

Probleme ale energiei termice

Energia termică, constând din mişcarea aparent dezordonată a particulelor unui mediu continuu - agent caloportor, constituite din moleculele, încarcerate în structura unui corp solid amorf sau cristalizat, supuse acţiunii mai blânde a forţelor de atracţie moleculară în cazul lichidelor, sau mai libere în cazul gazelor, respectiv al plasmei la temperaturi şi mai ridicate; se poate transforma în energie mecanică de mică viteză prin efectul termostatic al creerii forţei de presiune pe faţa unui piston, sau prin efectul dinamic al curgerii cu viteze mari a agentului termic peste suprafeţele curbate ale paletelor unei turbomaşini detentoare, beneficiind de turaţii mai ridicate, convenabile conversiei electrice mai eficientă din punct de vedere tehnico-economic.

Randamentul ambelor procese este limitat de temperatura finală T2 a agentului termic, de care depinde valoarea de nedepăşit a vitezei de propagare a sunetului, cât şi de eficienţa schimbătoarelor de căldură la nivelul sursei calde şi reci.

Probleme specifice energiei mecanice

În ce priveşte energia mecanică direcţională, se pot prezenta câteva adevăruri semnificative pentru înţelegerea fenomenelor energetice.

Această particularitate a mişcării unui corp în spaţiu a fost atribuită de cercetători în mod logic spaţiului şi nu materiei, masa unui corp fiind definită mai recent de renumitul nostru fost profesor de Mecanică tehnică Aurel Persu [22]÷[26], drept capacitatea de inerţie a unui corp în orice direcţie a spaţiului.

Astfel, spaţiul posedă această triplă entitate de existenţă în sine (in se), lucru criticat cu vehemenţă ca idealism de către filozofii materialişti, după care numai materia are existenţă, fiind în veşnică mişcare şi schimbare. Dar datorită acestei triple entităţi a spaţiului, s-a introdus în mecanica matematizată conceptul lui Leonhard Euler al variabilelor x, y, z, acestea fiind independente între ele şi dependente numai de timp, iar tot din acest motiv putem descompune şi compune mărimile vectoriale (dependente de direcţia spaţială) precum: vitezele, acceleraţiile, forţele, momentele.

Timpul

Cu această ocazie vom observa că în mod greşit unii cercetători consideră timpul ca o a patra variabilă spaţială, el fiind de fapt o a patra variabilă de care depind în mod total cele trei variabile spaţiale, dar rezultând din raportarea a două dintre mişcările independente perpendiculare de mai sus, motiv pentru care el curge la fel în oricare punct din spaţiul în care se mişcă materia, nedepinzând de nici una dintre variabilele spaţiale, mişcarea materiei fiind una singură, chiar dacă este observată din triedrul absolut sau este privită din cel relativ, depinzând numai de faptul, în care dintre triedre are ea existenţă reală, adică acolo unde apar şi forţele de frecări consumatoare de energie mecanică direcţională [27] ÷ [36].

Masa

Integrând în spaţiu relaţia ce defineşte principiul acţiunii al lui Isaac Newton şi admiţând realitatea forţei de inerţie manifestată prin efectele ei [22] ÷ [26], obţinem dovada după Aurel Persu că energia cinetică este lucrul mecanic al forţei de inerţie

(1) şi că o măsură mai bună a mişcării ar reprezenta-o pătratul vitezei sau forţa vie a lui Gottfried Wilhelm Leibnitz, decât forţa moartă a lui René Descartes obţinută prin anularea impulsului .

Mai mult decît atât, daca masa reprezintă acea constantă de proporţionalitate prin care un corp, sub acţiunea unei forţe, înmagazinează energie, apare clară şi ideea lui Einstein, că această capacitate ar putea fi diferită la diverse nivele ale energiei înmagazinate m = m (v), dar nu transformarea ei în energie.

De necrezut sunt afirmaţiile din ultimele decenii [37], prin care se admite că un câmp electrostatic al unui condensator ar putea suspenda efectul gravitaţiei.

Dar ceea ce este şi mai surprinzător este efectul acestui câmp electrostatic în privinţa anulării calităţii de masă inertă a corpurilor din spaţiul interior lui, ceea ce ar permite sburătorilor să efectueze manevre extrem de bruşte la viteze extraordinar de mari, apropiate de cea a luminii, corpurile lor ne mai fiind inerte.

3.6. Bibliografie recomandată

[1] S.Ţilenskii. Chimia suprafeţelor (traducere din limba rusă). Ed.Tehnică, Bucureşti, 1962.

[2] L.de Broglie.

[3] D.Dumitrescu, M.D.Cazacu, C.Crăciun. Solutions numériques et recherches expérimentales dans l’hydrodynamique des fluides visqueux à de nombres de Reynolds petits. Proc. of the XIth International Congress of Applied Mechanics, Munich, September 1964, Springer - Verlag, Berlin, 1170 - 1176.

[4] D.Dumitrescu, M.D.Cazacu - Theoretische und experimentelle Betrachtungen über die Strömung zäher Flüssigkeiten um eine Platte bei kleinen und mittleren Reynoldszahlen. Zeitschr. für Angew. Math. und Mechanik, 1, 50, 1970, 257- 280.

Izolarea însumează pentru un om toate nenorocirile posibile. - Thomas Carlyle

[ Structura sitului ][ Termenii de utilizare ][ Propuneri ]