Вопрос про гидроэлектростанциям

[Flash-04]

логично, скорость воды уменьшилась, замерзать стало легче.

[AndreyT]

Гидроэлектростанция уменьшает скорость течения реки. Если бы ее не было, та же энергия рассеивалась бы или от трения обо дно русла реки, или в процессе циркуляции воды в океане. И да, превращалась бы в тепловую.

Гидроэлектростанция НЕ уменьшает общую скорость течения реки. Если бы гидроэлектростанция уменьшала скорость течения реки, т.е. общий flow (в литрах в секунду) был меньше ниже по течению чем выше по течению. В результате водохранилище гидроэлектростанции бы переполнялось (втекает больше, чем вытекает). В реальности переполнения водохранилища не происходит. Можно, конечно, вывести некоторое уменьшение flow за счет более интенсивного испарения с большей поверхности водохранилища и турбулентном в водосбросе, но это не более чем побочный фактор.

Плотина гидроэлектростанция лишь перепрофилирует процесс превращения потенциальной энергии воды в кинетическую, путем создания относительно длинного участка русла, на котором падения потенциальной энергии не происходит (водохранилище), за которым следует короткий участок русла, на котором это "задержанное" превращение делается быстро: падение воды "стремительным домкратом" непосредсвенно за плотиной. Отбор энергии воды (кинетической, разумеется, в случае современной турбины) производится именно на этом коротком участке.

На самом деле понятно, что никакого выигрыша в энергии такое перепрофилирование потока не дает (и, разумеется, не может давать). Дело тут лишь в максимизации эффективности. Если бы мы каким-то образом умели эффективно собирать энергию движущейся воды прямо из исходной нетронутой реки, не выполняя вышеописанного перепрофилирования (т.е. не строя плотины), то с одной и той же длины русла реки мы бы собирали бы в точности то же самое количество энергии. Но в современной технике не существует решений, способных эффективно забирать энергию у относительно медленного и длинного (в плане) потока. Максимум эффективности современных турбин достигается в относительно быстро текущем коротком (в плане) потоке. Для получения такого потока и строится плотина.

Та энергия, которую забирает ГЭС - это та энергия, которая превратилась бы в тепло только на том участке реки, на котром произошло перепрофилирование потока, т.е. фактически участок русла, теперь покрытый водохранилищем ГЭС.

[vaduz]

Гидроэлектростанция уменьшает скорость течения реки. Если бы ее не было, та же энергия рассеивалась бы или от трения обо дно русла реки, или в процессе циркуляции воды в океане. И да, превращалась бы в тепловую.

Гидроэлектростанция НЕ уменьшает общую скорость течения реки.

Точнее, не изменяет расход воды.
А скорость течения ниже ГЭС может и уменьшиться, и увеличиться по сравнению с тем, что было до строительства плотины.

[AndreyT]

Точнее, не изменяет расход воды.
А скорость течения ниже ГЭС может и уменьшиться, и увеличиться по сравнению с тем, что было до строительства плотины.

Скорость течения реки на любом локальном участке русла однозначно определяется двумя факторами: расходом воды и профилем русла. ГЭС не меняет расхода воды (опять же, игнорируя в рамках данного рассмотрения побочные водопотери засчет повышения интенсивности испарения и т.п.). Если профиль русла вниз по реке не менялся при строительстве ГЭС, то никакого изменения линейной скорости перемещения воды в реке нет и быть не может.

[vaduz]

Скорость течения реки на любом локальном участке русла однозначно определяется двумя факторами: расходом воды и профилем русла. ГЭС не меняет расхода воды (опять же, игнорируя в рамках данного рассмотрения побочные водопотери засчет повышения интенсивности испарения и т.п.). Если профиль русла вниз по реке не менялся при строительстве ГЭС, то никакого изменения линейной скорости перемещения воды в реке нет и быть не может.

При постоянном расходе:
- Если скорость воды уменьшилась, а профиль русла не изменился, то повысится уровень воды в реке ниже ГЭС.
- Если скорость воды увеличилась, а профиль русла не изменился, то уровень воды понизится.

[ESN]

.хотя

[AndreyT]

Скорость течения реки на любом локальном участке русла однозначно определяется двумя факторами: расходом воды и профилем русла. ГЭС не меняет расхода воды (опять же, игнорируя в рамках данного рассмотрения побочные водопотери засчет повышения интенсивности испарения и т.п.). Если профиль русла вниз по реке не менялся при строительстве ГЭС, то никакого изменения линейной скорости перемещения воды в реке нет и быть не может.

При постоянном расходе:
- Если скорость воды уменьшилась, а профиль русла не изменился, то повысится уровень воды в реке ниже ГЭС.
- Если скорость воды увеличилась, а профиль русла не изменился, то уровень воды понизится.

Это замечательно, но с чего бы это вдруг такие процессы должны происходить? Уже на минимальном удалении от ГЭС вниз по реке, поведение воды в любом локальном участке русла будет описываться, опять же, расходом воды и профилем русла. Т.е. при фиксированом расходе и профиле баланс между уровнем воды (т.е. площадью поперечного сечения потока) и скоростью ее течения будет устанавливаться именно и только локальными соображениями минимизации потенциальной энергии системы. Т.е. все будет происходить точно так же, как оно бы происходило в обыкновенной реке без какой-либо ГЭС.

В любой обыкновенной реке тоже всегда есть свобода выбора баланса между площадью поперечного сечения потока и скоростью его течения. Тем не мнее река ведет себя устойчиво, т.е. эти параметры остаются практически постоянными. Постоянны они потому, что для данных параметров расхода и профиля русла существует конкретный устойчивый потенциальный минимум, в котором локальный участок русла и будет находиться. Я не вижу, как ГЭС может сдвинуть это минимум.

Как вы себе представляете механизм распространения "последейсвия" ГЭС вниз по реке? "Разогнанная вода продолжает бежать быстрее на многие километры вниз по реке"? Не верю. Любой эффект разгона воды в реке гасится практически сразу взаимодействием с руслом и турбулентностью в самой воде.

[vaduz]

При постоянном расходе:
- Если скорость воды уменьшилась, а профиль русла не изменился, то повысится уровень воды в реке ниже ГЭС.
- Если скорость воды увеличилась, а профиль русла не изменился, то уровень воды понизится.

Это замечательно, но с чего бы это вдруг такие процессы должны происходить?

С того, что ГЭС может отбирть энергии больше/меньше того, что отбиралось естественным образом раньше.
Конечно, утверждения даны для случая сферического коня в ваккууме и сразу после плотины.
Что будет происходить вдали от плотины в реальной жизни - вопрос отдельный...

[Hamster]

Это замечательно, но с чего бы это вдруг такие процессы должны происходить? Уже на минимальном удалении от ГЭС вниз по реке, поведение воды в любом локальном участке русла будет описываться, опять же, расходом воды и профилем русла. Т.е. при фиксированом расходе и профиле баланс между уровнем воды (т.е. площадью поперечного сечения потока) и скоростью ее течения будет устанавливаться именно и только локальными соображениями минимизации потенциальной энергии системы. Т.е. все будет происходить точно так же, как оно бы происходило в обыкновенной реке без какой-либо ГЭС.

До постройки плотины в точке "икс" реки у нас была высота поверхности реки H и скорость течения реки V.

Мы построили плотину. Она поднимает уровень воды выше плотины и превращает потенциальную энергию приходящей воды в электричество. Из плотины вода вытекает с некоторой новой скоростью V' < V.

Поскольку расход остается постоянным, это значит, что должен увеличиться профиль, и соответственно, уровень реки, H' > H. При этом затапливаются низины вниз по течению.

Для примера, можете сравнить карту Самарской Луки 1939 года, до постройки Куйбышевской ГЭС

http://velosamara.ru/maps-big/sam-luka-1939.jpg

и тот же район сейчас на спутниковых фото

http://g.co/maps/3vdkm

Сейчас Волга заметно шире. Сравните русло возле островов на 60º 30' В / 54º H, остров на 61º10'.

Или сравните Днепр сразу за ДнепроГЭС до и после постройки плотины

http://www.life.zp.ua/wp-content/upload ... ickogo.jpg

http://g.co/maps/mjjzz

Река стала вдвое шире, было три мелких острова, все три затоплены.

[OtecFedor]

До постройки плотины в точке "икс" реки у нас была высота поверхности реки H и скорость течения реки V.

Мы построили плотину. Она поднимает уровень воды выше плотины и превращает потенциальную энергию приходящей воды в электричество. Из плотины вода вытекает с некоторой новой скоростью V' < V.

Поскольку расход остается постоянным, это значит, что должен увеличиться профиль, и соответственно, уровень реки, H' > H. При этом затапливаются низины вниз по течению.

Ну да, закон Бернулли называется. Поскольку сечение реки выше плотины стало больше, скорость стала меньше и возросло давление которое перабатыватеся в полезную енергию.

[AndreyT]

Мы построили плотину. Она поднимает уровень воды выше плотины и превращает потенциальную энергию приходящей воды в электричество. Из плотины вода вытекает с некоторой новой скоростью V' < V.

Ну здрасте! Мое утверждение сводилось к тому, что скорость течения воды после ГЭС совсем не обязатально меняется, а если и меняется, то совсем не обязательно уменьшается. Вы же, как я понял, пытаетесь доказать мне обратное, при этом тихонько используя доказываемое утверждение в качестве аксиомы в своем доказательстве. Так, извините, можно доказать все, что угодно

С чего вы взяли, что V' < V??? Я могу согласться, что V' будет меньше Vp, где Vp есть скорость падения воды по "рабочим" каналам плотины на турбины, но откуда берется V' < V мне по прежнему не видно. И V, и V', как я уже говорил выше, зависит в первую очередь от локального профиля русла. Если за плотиной ГЭС русло естественным образом сужается (ущелье там или еще что), то скорость течения V' там будет намного выше, чем V до плотины. Да, собственно, и до ГЭС так было.

[AndreyT]

Ну да, закон Бернулли называется. Поскольку сечение реки выше плотины стало больше, скорость стала меньше и возросло давление которое перабатыватеся в полезную енергию.

Ужос. Хоть это и о другом, но тем не менее

[Hamster]

С чего вы взяли, что V' < V??? Я могу согласться, что V' будет меньше Vp, где Vp есть скорость падения воды по "рабочим" каналам плотины на турбины, но откуда берется V' < V мне по прежнему не видно.

Это вытекает из закона сохранения энергии. До того, как мы построили плотину, скорость была V. Плотина извлекает часть энергии, поэтому или средняя кинетическая энергия воды в реке, или потенциальная, или обе будут ниже, чем до постройки. Обе одновременно быть ниже не могут, потому что, если потенциальная энергия ниже, то ниже уровень, а значит, меньше расход воды, и мы имеем противоречие. Значит, одна из двух будет выше, другая ниже, причем их сумма будет ниже.

Чтобы определить, которая энергия будет ниже, нужно определить знак частной производной общей энергии как функции скорости при постоянном расходе. Вообще говоря, этот знак зависит от профиля русла, но в пределе идеально плоских берегов это, очевидно, "плюс" (при падении скорости река разливается в ширину, но ее средняя потенциальная энергия существенно не меняется).

[ESN]

.. или средняя кинетическая энергия воды в реке, или потенциальная, или обе будут ниже, чем до постройки...

За плотиной (ниже по течению) ничего не меняется. Ни кинетическая, ни потенцильная. Ибо расход не меняется и профиль русла тоже.
Вернее профиль русла меняется у любой реки с течением времени, но это небыстрый процесс и от наличия/отсутствия плотины выше по течению не зависит.
Во всяком случае с точки зрения физики вообще и законов сохранения в частности.
Может быть геологи или мелиораторы могут дополнить, но не физики. (Ну, разве что - таки да - испарение с поверхности водохранилища увеличивается, что ведёт к уменьшению расхода, но скорее всего это пренебрежимо малая величина.)

[AndreyT]

С чего вы взяли, что V' < V??? Я могу согласться, что V' будет меньше Vp, где Vp есть скорость падения воды по "рабочим" каналам плотины на турбины, но откуда берется V' < V мне по прежнему не видно.

Это вытекает из закона сохранения энергии. До того, как мы построили плотину, скорость была V. Плотина извлекает часть энергии, поэтому или средняя кинетическая энергия воды в реке, или потенциальная, или обе будут ниже, чем до постройки. Обе одновременно быть ниже не могут, потому что, если потенциальная энергия ниже, то ниже уровень, а значит, меньше расход воды, и мы имеем противоречие. Значит, одна из двух будет выше, другая ниже, причем их сумма будет ниже.

Это какая-то ерунда написана. Не существует никакого "закона сохранения энергии" для суммы кинетической и понециальной энергий и никогда не существовало. Закон Сохранения Энергии требует рассмотрения кинетической, потенциальной и внутренней энергии. Как только внутренняя энергия исключается из рассмотрения, автоматически исключается из рассмотрения и Закон Сохранения Энергии.

Поведение воды в реке никоим образом не похоже на поведение ускоряющегося шарика, который в абсолютно упругом мире запустили по наклонной плоскости. Вода в реке (в отличие от шарика) на ускоряется по мере все большего и большего перехода потенциальной энегрии в кинетическую. Поведение жидкостей ближе к законам абсолютно неупругих взаимодействий. Любой прирост кинетической энергии воды (засчет падения потенциальной) тут же немедленно "теряется" в виде внутренней энергии, т.е. переходит в тепло. Не в скорость, а именно в тепло. Вследствие этого кинетическая энергия "поперечного слоя" воды в реке остается практически постоянной на протяжении всей реки, в то время как потенциальная постоянно падает. Т.е. ни о каком сохрании суммы этих энергий речи быть не может - эта сумма тоже постоянно и стремительно падает. И ГЭС для этого не надо - так ведет себя любая река. Например, река с постоянным профилем русла течет с одной и той же скоростью на всем его протяжении - где тут ваш "закон сохранения", а?

Таким образом любая река - это в первую очередь длинная печка, преобразующая потенциальную энергию воды в тепло на всем своем протяжении. Именно в тепло, и только в тепло, а не в кинетическую энергию воды, как вы похоже полагаете. Задача ГЭС состоит именно в том, чтобы на некотором участке русла реки прекратить безобразие с тепловым рабазариванием потенциальной энергии, и перенаправить ее в полезные приложения. ГЭС "собирает" только и именно ту энергию, которая бы без ГЭС превращалась в тепло. На уровень кинетической энергии воды вниз по реке ГЭС никак не влияет, да и не может повлиять. После ГЭС все возвращается на круги своя: огромный приход постоянно "высвобождающейся" потенциальной энегрии в малой своей доле конвертируется в кинетическую энергию воды, а оставшаяся энергия (несравнимо бОльшая доля) переходит в тепло.

Именно в этом и заключается вся соль процесса: по мере течения реки количество постоянно "высвобождающейся" потенциальной энергии настолько огромно по сравнению с кинетической энергией текущей воды, что любой отъем этой кинетической энергии у воды (хоть чайной ложкой, хоть плотиной ГЭС) тут же мгновенно компенсируется "высвобождающейся" потенциальной. И на это тратится лишь жалкая доля баланса потенциальной энегрии. Все остальное продолжает тупо уходить в тепло.

[vaduz]

Действительно похоже, что в (по-крайней мере медленно текущих) реках 99% потенциальной энергии сразу переходит в тепловую.
Если это так, то скорость воды на выходе из ГЭС не влияет на уровень воды ниже по течению, скажем через километр. Больше будет влиять режим сброса, т.е. расход воды.

[ESN]

Действительно похоже, что в (по-крайней мере медленно текущих) реках 99% потенциальной энергии сразу переходит в тепловую..

Я бы даже сказал - 100%. И не только в медленно текущих.

[AndreyT]

Вот читаю, что сам понаписывал, и понимаю, что не все так просто.

Вот предположим, есть у нас водонапорная башня с трубой постоянного сечения, ведущей вниз. Кран открыли, вода полилась на землю. В трубе, понятное дело, скорость движения воды (нерастагиваемой и несжимаемой жидкости) будет постоянной на всем ее протяжении. Т.е. кинетическая энергия единицы объема воды в трубе остается постянной на всем протяжении трубы, а потенциальная, разумеется, постоянно падает (по мере того, как эта единица объема приближается к земле). Согласно моей наивной логике, потенциальная энергия текущей по трубе воды первращается в тепло. Это, разумеется, бред. Теплопотери энергии в такой системе невелики.

В чем тут дело вроде понятно: если рассматривать только трубу, то вода в трубе движется не только и не столько под собственным весом (т.е. не в контексте свободного падения), а под действием давления в баке водонапорной башни. Т.е. работа сил давления (потенциальная энергия воды в баке) как раз таки и передает воде в трубе ее кинетическую энегрию, которая остается постоянной на всем протяжении трубы. Собственная потенциальная энергия падающей по трубе воды тоже превращается в работу сил давления, а не в тепло.

Подозреваю, что в реке дело во многом обстоит так же... Хм. Кто-нибудь знаком с темой получше? Наколько же велики теплопотери в реке?

[vaduz]

Никаким образом вертикальная труба моделью реки быть не может.

[Palych]

Действительно похоже, что в (по-крайней мере медленно текущих) реках 99% потенциальной энергии сразу переходит в тепловую..

Я бы даже сказал - 100%. И не только в медленно текущих.

Думаю часть энергии уходит на бултыхание воды в океане или озере куда река впадает...

[vaduz]

Действительно похоже, что в (по-крайней мере медленно текущих) реках 99% потенциальной энергии сразу переходит в тепловую..

Я бы даже сказал - 100%. И не только в медленно текущих.

Думаю часть энергии уходит на бултыхание воды в океане или озере куда река впадает...

Не совсем.
В приведенном примере с ГЭС перепад высот на некоем участке реки составляет 65м, что соответствует увеличению скорости воды на 36м/с. Однако, река как текла 0.3м/с, так и течет.

Энергии совершенно некуда деваться, кроме как на тепло и механическую работу, типа разрушения берегов и переноса материала...

[Palych]

Действительно похоже, что в (по-крайней мере медленно текущих) реках 99% потенциальной энергии сразу переходит в тепловую..

Я бы даже сказал - 100%. И не только в медленно текущих.

Думаю часть энергии уходит на бултыхание воды в океане или озере куда река впадает...

Не совсем.
В приведенном примере с ГЭС перепад высот на некоем участке реки составляет 65м, что соответствует увеличению скорости воды на 36м/с. Однако, река как текла 0.3м/с, так и течет.

Энергии совершенно некуда деваться, кроме как на тепло и механическую работу, типа разрушения берегов и переноса материала...

Я про реку вообще, безотносительно ГЭС. При впадении в водоём скорость воды ненулевая, а стало быть энергия осталась, хотя речка закончилась. Значит КПД речки меньше 100%.

P.S. Опять же - смотря что считать ПД... Вобщем я оффициально запутался...

[ESN]

...При впадении в водоём скорость воды ненулевая, а стало быть энергия осталась, хотя речка закончилась. Значит КПД речки меньше 100%.
P.S. Опять же - смотря что считать ПД... Вобщем я оффициально запутался...

Это значит не вся энергия перешла в тепло к окончанию речки. Часть осталась в виде кинетической энергии, которая перейдёт в тепло в процессе торможения уже в океане.

...Собственная потенциальная энергия падающей по трубе воды тоже превращается в работу сил давления, а не в тепло...

Хе... А во что превращается работа сил давления? Именно в тепло всё оно и превращается.
В частности о башне - совершённая работа (aka выделившееся тепло) будет равна падению напора, обозначенному на схеме буквой h.
Повторю - полная аналогия с электротехникой, где напор - это аналог напряжения.

[vm__]

... Повторю - полная аналогия с электротехникой, где напор - это аналог напряжения.

И точно также всё переходит в тепло (в конце концов).

[AndreyT]

...Собственная потенциальная энергия падающей по трубе воды тоже превращается в работу сил давления, а не в тепло...

Хе... А во что превращается работа сил давления? Именно в тепло всё оно и превращается.

Ну в конечном итоге все рано или поздно в тепло превращается. Речь-то не об этом.

Пока в водонапорной башне есть вода, кинетическая энергия вылетающей из нижего конца вертикальной трубы воды будет выше, чем она была бы если бы эта вода падала с той же высоты в режиме свободного падения. Эта "лишняя" кинетическая энергия и есть результат работы сил давления.