Hamuval fűteni. avagy a csillagok termodinamikája 2. Dávid Gyula Az atomoktól a csillagokig

Átírás

1 Hamuval űteni avagy a csillagok termodinamikája 2. Az atomoktól a csillagokig Dávid Gyula

2 A csillagok termodinamikája 2. A termodinamika tudománya nem merül ki az ideális gáz állapotegyenletének napi ötszöri elírásában és átrendezésében. (Sir James Clark Maxwell) Friss, csodálkozó szemmel nézni a leghétköznapibb dolgokra ez a gyermekek és az igazi tudósok kiváltsága. (Albert Einstein) Most már épp eleget tudunk a izikából ahhoz, hogy megérthessünk egy olyan egyszerű dolgot, mint egy csillag. (Sir Arthur S. Eddington) Papa! Miért nem lehet hamuval űteni?! (D.E. 1982) 1

3 a Naptól Honnan kapja a Föld az energiát? természetes antennák a napenergia elvételére 2

4 Honnan kapja a Föld az energiát? a Naptól mesterséges antennák a napenergia elvételére 3

5 De honnan veszi a Nap a kisugárzott energiát? Magúzióval termeli! De miből? Egyáltalán: hogyan lehet energiát termelni??? hiszen azt tanultuk, hogy az energia megmarad Általános válasz: az energia termelése igazából a meglevő energia átalakítása, átrendezése Ez az átrendezhető energia gyakran nem nyilvánvaló, rejtett, potenciális ormában van jelen, és csak trükkös módon lehet hozzájutni, elszabadítani. 4

6 Ugyanazon anyagi rendszer két, energetikailag különböző állapotban DE = mgh Ha átmegy egyik állapotból a másikba, a potenciális energia különbsége munkát tud végezni sajnos, ez csak egyszeri esemény 5

7 Tartós energiatermeléshez tartósan ennmaradó potenciálkülönbség kell pótolni kell a nagy energiaszintű anyagot Az atomoktól a csillagokig dgy Hamuval ű űteni 6

8 első lehetőség: körorgalom Tartós energiatermeléshez tartósan ennmaradó potenciálkülönbség kell külső energiaorrás pótolni kell a nagy energiaszintű anyagot 7

9 másik lehetőség: óriási anyagkészlet nem szigorúan állandó, de emberi mértékkal nagyon sokáig tartó olyamat Kérdés: miért tart ilyen sokáig? Miért nem ömlik ki egyszerre az egész? pótolni kell a nagy energiaszintű anyagot 8

10 Kémiai energetika E ugyanazon atomok másajta elrendeződése: más energiájú rendszer DE C + O 2 CO 2 Kémiai olyamat: atomátrendeződés: a rendszer spontán átmegy a kisebb energiájú állapotba CH O 2 a DE energiakülönbség általában hőmozgás ormájában elszabadul CO H 2 O Kérdés: miért van még a világon tiszta szén, metán és oxigén? Miért nem alakult át mind? DE 9

11 Stabilitási viszonyok metastabil állapot kis kitérésre stabil nagy kitérésre instabil DE 0 stabil instabil a DE 0 gerjesztési energiát először be kell ektetni, hogy utána a sokkal nagyobb DE energianyereséghez hozzájussunk DE 10

12 Hogyan olyik ki a víz a metastabil gödörből? Hogyan olyik ki a lánc a metastabil gödörből? Elegendő az anyag egy részét gerjesztett állapotba hozni! A többit elintézi a kölcsönhatás, a visszacsatolás?? 11

13 Kémiai energetika revisited C + O 2 Kérdés: miért van még a világon tiszta szén és oxigén? Miért nem alakult át mind? a DE 0 gerjesztési energiát először be kell ektetni, hogy utána a sokkal nagyobb DE energianyereséghez hozzájussunk És vannak esetek, amikor egyszerűen nincs DE 0 energiánk DE reakcióhő DE 0 gerjesztési energia CO 2 12

14 Kémiai energetika revisited DE C + O 2 reakcióhő DE 0 gerjesztési energia Újabb kérdés: de ha a rendszer EGY RÉSZÉT sikerül gerjeszteni, reakcióba vinni, akkor mi történik? (Gondolj a láncra!) Akkor a elszabaduló DE energia edezi a rendszer többi részének gerjesztéséhez szükséges DE 0 gerjesztési energiát! A pozitív visszacsatolás önenntartóvá és öngerjesztővé teszi a rendszert! CO 2 Ezért elég egy gyua a gáztűzhely, a tábortűz és az erdőtűz gerjesztéséhez 13

15 Kémiai energetika revisited C + O 2 A visszatérő kérdés: ha elegendő néhány molekulát gerjeszteni, a többit elintézi a pozitív visszacsatolás, akkor mégis miért van még a világon tiszta szén és oxigén? Miért nem alakult át mind? Mert speciális mechanizmusok akadályozzák a pozitív visszacsatolás kialakulását!! DE reakcióhő DE 0 gerjesztési energia CO 2 Ezért NEM elég egy gyua a világ összes kémiai anyagának alapállapotba alakítására 14

16 Akadályozó mechanizmusok elületi érintkezés a reagensek szétválasztása, adagolása az égő széndarab vagy ahasáb csak a elületén, és nem egész anyagában érintkezik az oxigénnel, ez korlátozza a reakció továbbhaladását gáztűzhely, benzinmotor, rakéta, hegesztés: csak annyi anyag reagálhat, amennyi épp találkozik, amennyit engedünk lassú keveredés a rendszer túl gyorsan szétesik a reagáló molekuláknak meg kell találniuk egymást esetleg épp a elszabaduló energia dobja szét Akadálytalan reakció: molekuláris szinten elkevert anyag, csak molekulán belüli átrendeződés: gyors elemi lépések villámgyorsan terjedő reakció: robbanás 15

17 Mi köze a kémiai reakcióknak a csillagokhoz? A csillagokban nem atomok, hanem atommagok reakciója zajlik, de a reakcióenergetikai viszonyok hasonlóak a kémiához, (bár a szereplő energiák százezerszer nagyobbak) ezért hasonló ogalmakkal írhatók le, mint a kémiai reakciórendszerek. Részletek: Atomcsill, dgy: Kirándulás a nukleáris völgybe 16

18 neutron elektronok gluonok d-kvark u-kvark anyag Mi tartja össze az atommagot? atom A MAGERŐ (erős kölcsönhatás) VONZÓERŐ atommag ször kisebb méret ször nagyobb energia n n n p p p proton nukleonok itt még egy kis elektromos taszítás is ellép 17

19 Bogáncsizika Összetettebb atommag nagy bogáncsgömb elektromos taszítóerő MINDEN protonpár között a túl nagy mag kilöki elesleges részeit 18

20 protonok száma: Z Az atommagok térképe ala-bomlás STABIL MAG béta(+)-bomlás béta-bomlás proton-emisszió spontán hasadás neutronemisszió neutronok száma: N 19

21 Z 92 Az atommagok vázlatos térképe 235 U Bi N=Z stabil magok miért van a nagy magokban több n, mint p? miért van vége? 6 12 C N

22 Az atommagok kötési energiája: a szétszedésükhöz szükséges energia végig a stabil magok vonalán tömegszám A = Z + N 21

23 A nukleáris völgy kötési energia végig a stabil magok vonalán tömegszám A = Z + N 22

24 Magúzió a Napban 4 1 H 4 He + 2 e ν + E lassú protonok ütközése +e +e protonok E első lépés: két proton ütközése: elektromos taszítás e 2 /r 2 e 2 /r 2 gyors protonok ütközése protonok elektromos taszítás a Nap középpontjában 14 millió ok van! 23

25 Vizsgáljuk meg a magúziót termodinamikai szempontból! DE reakcióhő p + p + p + p DE 0 a protonok elektromos taszítása okozta potenciálgát Kérdés: miért van még a világon hidrogén atommag? Miért nem alakult át mind héliummá? a DE 0 gerjesztési energiát először be kell ektetni, hogy utána a sokkal nagyobb DE energianyereséghez hozzájussunk És vannak esetek, amikor egyszerűen nincs DE 0 energiánk Pl. itt a Földön 4 He A potenciálgát átlépéséhez nagy mozgási energia, tehát magas hőmérséklet kell. Kb. 10 millió K! 24

26 Vizsgáljuk meg a magúziót termodinamikai szempontból! p + p + p + p Kérdés: Újabb kérdés: miért van de még ha a a rendszer világon EGY RÉSZÉT hidrogén sikerül atommag? gerjeszteni, Miért reakcióba nem alakult vinni, akkor át mind történik? héliummá? (Gondolj a láncra!) Akkor a elszabaduló DE energia edezi a rendszer többi részének gerjesztéséhez szükséges DE 0 gerjesztési energiát! DE reakcióhő DE 0 a protonok elektromos taszítása okozta potenciálgát A pozitív visszacsatolás önenntartóvá és öngerjesztővé teszi a rendszert! 4 He 25

27 A elszabaduló DE energia edezi a rendszer többi részének gerjesztéséhez szükséges DE 0 gerjesztési energiát! Ezt próbáljuk megvalósítani a úziós reaktorokban. Miért nem sikerül a tartós magúzió a Földön? A pozitív visszacsatolás önenntartóvá és öngerjesztővé teszi a rendszert Miért sikerül ugyanez a csillagoknak? Szobahőmérsékletű környezetben kell többször tízmillió okos plazmát létrehozni, melegen tartani és tárolni, stabilizálni, elszigetelni a környezettől és a berendezés alától, ugyanakkor ki kell vezetni a termelődő energiát. Egymásnak ellentmondó technikai eltételek Egyelőre a termelt energia nem elegendő a olyamat enntartásához, a rendszer instabil. Talán majd harminc év múlva Atomcsill, Zoletnik Sándor: Mágneses Nap a laboratóriumban -- szabályozott magúziós kutatások Zseniális megoldás/1: nem kell tartály! A rendszert összetartó eszköz maga az üzemanyag: a csillag anyaga, pontosabban ennek gravitációja. Zseniális megoldás/2: nem kell űtés! A rendszert elmelegítő tényező maga a gravitáció, a csillag összehúzódása. Atomcsill, dgy: A lehűléstől orrósodó tégla avagy a csillagok termodinamikája 1. Zseniális megoldás/3: nem kell hűtés! A csillaganyag elvezeti, majd kisugározza a termelt energiát. Harmonikusan összeillő technikai részletek: működő berendezés! 26

28 Vizsgáljuk meg a magúziót termodinamikai szempontból! p + p + p + p A visszatérő kérdés: ha a csillagokban elegendő néhány protonnyi úziót megvalósítani, a többit elintézi a pozitív visszacsatolás, akkor miért van még a világon hidrogén atommag? Miért nem alakult át mind héliummá? DE reakcióhő DE 0 a protonok elektromos taszítása okozta potenciálgát Mert speciális mechanizmusok akadályozzák a pozitív visszacsatolás kialakulását!! 4 He Vajon működnek-e a csillagokban a hagyományos akadályozó mechanizmusok? 27

29 Vajon működnek-e a csillagokban a hagyományos akadályozó mechanizmusok? elületi érintkezés a reagensek szétválasztása, adagolása lassú keveredés Akadálytalan reakció: semmiéle elület sincs, a csillag anyaga homogén ilyen sincs, sőt nincs is kétéle reagens, proton a protonnal reagál minden anyag össze tökéletesen össze van keverve atomi szinten elkevert anyag, közvetlen érintkezés, nagy hőmérséklet: gyors elemi lépések villámgyorsan terjedő reakció: robbanás 28

30 A Cár-bomba, 100 Mt,

31 A Földön valóban létre tudtunk hozni töredék másodpercig tartó magúziót Akadályozó mechanizmus: a rendszer túl gyorsan szétesik épp a elszabaduló energia dobja szét De miért nem robbannak el a csillagok? A H-bombák tervezői sokat dolgoztak azon, hogy legalább egy töredék másodpercig egyben maradjon a rendszer Ha valóban az lenne a reakció, hogy két proton összetapad, akkor el is robbannának! gyors protonok ütközése e 2 /r 2 protonok elektromos taszítás 30

32 Speciális stabilizáló mechanizmus akadályozza a villámgyors magúziós olyamatot (hasonló néhol a kémiában is előordul) az energiatermelő olyamat egyik kiinduló anyagát helyben, rissen kell létrehozni! ugyanis két proton kötött állapota, a 2 He atommag NEM LÉTEZIK! V(r) V(r) V(r) E > 0 E < 0 r r E > 0 r 2 He diproton 2 H deuteron dineutron 31

33 két proton kötött állapota, a 2 He atommag NEM LÉTEZIK! segít a gyenge kölcsönhatás: p n + e + + pozitron proton X H He neutrinó neutron ez a magúzió biztonsági szelepe! másik proton a további olyamatokat már az erős kölcsönhatás kormányozza: kb s deuteron: 2 H + energia a Napban egy protonnal ez átlagosan 1 millió évente történik meg Ha a diproton létezne, a úziót időskáláját is az erős kölcsönhatás szabályozná: az összehúzódó gázelhő a kritikus hőmérsékleten azonnal szétrobbanna 32

34 két proton kötött állapota, a 2 He atommag NEM LÉTEZIK! segít a gyenge kölcsönhatás: p n + e + + pozitron proton X H He neutrinó neutron ez a magúzió biztonsági szelepe! másik proton a további olyamatokat már az erős kölcsönhatás kormányozza: kb s deuteron: 2 H + energia a Napban egy protonnal ez átlagosan 1 millió évente történik meg Ha a diproton létezne, a úziót időskáláját is az erős kölcsönhatás szabályozná: az összehúzódó gázelhő a kritikus hőmérsékleten azonnal szétrobbanna 32

35 Csillag: ez a magizikai trükk mechanikus szelepek és csövek meg szilárd elületek nélkül megoldja az üzemanyag lassú adagolását további önszabályozási mechanizmusok: mechanikai, hidrosztatikai: termikus, hővezetési, energetikai: sugár- + hidrosztatikai nyomás gravitáció a csillag egy negatív visszacsatolású, önszabályozó nukleáris kazán mechanikai, termikus és sugárzási egyensúlyban Meddig? T R amíg el nem ogy a hidrogén... a centrális hőmérséklettől (azaz a tömegtől) üggően 10 millió 100 milliárd év r 33

36 Honnan származik a kisugárzott energia? E/A az atommagok kötési energiája avagy a Nukleáris Völgy H He E E C Fe E??? U A 4 He még nem a végső szó, még nem a legkisebb energiájú állapot! A E De a 4 He egy mély metastabil gödörben van: Kis energiával gerjeszthetetlen, inert anyag: HAMU 34

37 +e +e +2e +2e e 2 /r 2 elektromos taszítás protonok 4He magok protonok ütközése 4 He magok ütközése Négyszer nagyobb energia, azaz sokkal nagyobb központi hőmérséklet kell ahhoz, hogy a 4 He magok reakcióképes közelségbe kerüljenek! Ehhez el kell borítani a csillag jól bevált termikus és mechanikai egyensúlyát De az úgyis elborul, amikor elogy a centrumban a hidrogén elektromos taszítás 4 e 2 /r 2 35

38 Ha elogy a hidrogén... az egyensúly megbomlik, minden átrendeződik a gravitáció összehúzza a centrumot (közben a külső héj elúvódik) ismét a régi trükk a negatív ajhővel: a centrum melegszik ha eléri a szükséges hőmérsékletet, a metastabil helyzet kiolvad, a hamu aktivizálódik, üzemanyag lesz belőle: beindul a hélium-úzió Nap Föld vörös óriás FOLYT KÖV: a csillag termodinamikai kalandjai még nem értek véget bár van, akinek véget értek: a Napban nem lesz elég meleg a további úzióhoz... túl kicsi a tömege! ehér törpe kiégett Föld a vörös óriásból törvényszerűen ehér törpe lesz... (pol. incorrect, 1976) röpke ötmilliárd év múlva 36

39 nagyobb tömegű csillag tovább a nukleáris lejtőn... E/A H E He C Fe??? U A 4 He + 4 He + 4 He 12 C Heégető mag H- égető héj vörös óriás H He X C 4 He + 12 C 16 O O 37

40 Miért nem tudunk az otthoni kályha hamujával űteni? TUDUNK! az anyagban sokéle szabadsági ok gerjeszthető, különböző energiatartományokban a kályha hamuja elérte a kémiai szabadságokok energetikai minimumát: az elektronelhő további átrendezése nem csökkenti az energiát de az atommagjai még nincsenek a minimális energiájú állapotban (az a vas atommagja lenne) csak tetszhalott Csipkerózsika-álmot alszanak a metastabil potenciálminimumban dobjuk a hamut egy megelelő hőmérsékletű kazánba: kiolvadnak a metastabil állapotok, újra (nukleáris) üzemanyag lesz a kályha hamujából ehhez csak egy vörös óriást kell tartanunk a suniban de ha egyszer a gyerekeknek megigértük 42

41 A csillagok termodinamikája 2. A termodinamika tudománya nem merül ki az ideális gáz állapotegyenletének napi ötszöri elírásában és átrendezésében. (Sir James Clark Maxwell) Friss, csodálkozó szemmel nézni a leghétköznapibb dolgokra ez a gyermekek és az igazi tudósok kiváltsága. (Albert Einstein) Most már épp eleget tudunk a izikából ahhoz, hogy megérthessünk egy olyan egyszerű dolgot, mint egy csillag. (Sir Arthur S. Eddington) Papa! Miért nem lehet hamuval űteni?! (D.E. 1982) 1

42 Hamuval űteni avagy a csillagok termodinamikája 2. Az atomoktól a csillagokig Dávid Gyula