nguyên lý bảo toàn năng lượng và khối lượng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ KHOA MÔI TRƯỜNG Tiểu luận: NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG VÀ KHỐI LƯỢNG Môn: Các nguyên lý Khoa học Môi trường Học viên: Phạm Thị Nguyệt GV hướng dẫn: TS. Trần Anh Tuấn Huế, tháng 5/2015 1. Đặt vấn đề Nguyên lý bảo toàn năng lượng và khối lượng là những khái niệm cơ bản của vật lý, là một nguyên lý tổng quát cho tất cả các lý thuyết vật lý, là một trong những phát hiện quan trọng nhất của tất cả các lĩnh vực khoa học và là nguyên lý cơ bản nhất trong toàn giới tự nhiên. Đây là định luật nhiệt động lực đầu tiên, là chìa khóa để đi tìm lời giải cho sự chuyển hóa năng lượng và tính hoán đổi giữa các dạng năng lượng khác nhau. 2. Nội dung - Định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng không đổi và năng lượng không tạo ra hoặc không bị phá hủy. Năng lượng có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác nhưng tổng năng lượng bên trong hệ là cố định. Theo định luật này, tổng năng lượng của một hệ kín là không đổi. Phát biểu cách khác: Nhiệt năng truyền vào một hệ bằng thay đổi nội năng của hệ cộng với công năng mà hệ sinh ra cho môi trường. Từ mệnh đề đã phát biểu như trên ta có thể phát biểu ngắn gọn lại như sau: năng lượng không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác mà thôi. Từ định luật bảo toàn năng lượng đối với một hệ thống bất kỳ có thể viết: Năng lượng vào = Năng lượng ra – Sự thay đổi nội năng Trong đó nội năng là năng lượng dự trữ trong hệ. - Định luật bảo toàn khối lượng: trong một phạm vi nghiên cứu, khối lượng giữ nguyên không đổi tức là khối lượng hoặc không được sinh ra hoặc không bị mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. Từ định luật này chúng ta có thể thiết lập được các phương trình tính sự biến đổi chất ô nhiễm từ nơi này đến nơi khác, phương trình cân bằng vật chất được viết như sau: Lượng chất đi vào = Lượng chất đi ra + Lượng chất tích tụ + Lượng chất tiêu hủy. Như vậy, nguyên lý bảo toàn năng lượng và khối lượng có thể khái quát là: trong phạm vi của một hệ nghiên cứu, định luật bảo toàn năng lượng và khối lượng có thể được hiểu như sau: vật chất không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi mà nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. 3. Ứng dụng nguyên lý bảo toàn năng lượng và khối lượng trong khoa học môi trường Nguyên lý bảo toàn năng lượng và khối lượng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống xã hội. Ở đây chỉ xét ứng dụng của nguyên lý này trong mối quan hệ giữa môi trường tự nhiên – hoạt động sản xuất – tiêu thụ chất thải (Mối quan hệ giữa kinh tế - môi trường). Những đầu vào chủ yếu của khu vực sản xuất lấy từ môi trường tự nhiên là các vật chất ở dạng rắm như nguyên liệu, khoáng sản và gỗ, chất lỏng như nước, dầu mỏ, nhiều loại khí tự nhiên và oxy. Tất cả các loại hàng hóa và dịch vụ này đều bắt nguồn từ các dạng vật chất nhờ sử dụng năng lượng đưa vào. Như vậy hàng hóa và dịch vụ đã được sản xuất ra chính là hiện thân của một phần nguồn vật chất và năng lượng này để rồi sau đó hướng đến người tiêu thụ. Sản xuất và tiêu thụ tạo nên chất thải bao gồm tất cả các loại cặn bã vật chất thải vào không khí hoặc nước, hoặc đất. Khối lượng các chất thải lớn và chủng loại của chúng cũng rất đa dạng. Xét về tính chất vật lý, năng lượng thải ra dưới dạng nhiệt, tiếng ồn và phóng xạ mang đặc trưng của cả vật chất và năng lượng cũng như chất thải quan trọng của sản xuất. Trên quan điểm vật lý, vấn đề chất thải của sản xuất và tiêu thụ được thể hiện như sau: MÔI TRƯỜNG THIÊN NHIÊN Tái tuần hoàn Rdp SẢN XUẤT Chất thải Rp Chất thải bỏ Rdp Nguyên liệu (M) Hàng hóa G TIÊU THỤ (C) Chất thải bỏ Rdc Tái tuần hoàn Rdc MÔI TRƯỜNG THIÊN NHIÊN Sơ đồ mối quan hệ giữa kinh tế và môi trường. (Nguồn: Barry C.Field. Kinh tế học môi trường: Một giới thiệu. 1994, tr. 24) Trong hệ thống này, xét theo định luật thứ nhất nhiệt động học và định luật nổi tiếng về bảo toàn vật chất, chúng ta thấy rằng: M = Rdp + Rdc Nếu hệ thống ngày càng lớn lên thì nó có thể giữ lại một tỷ lệ nào đó những đầu vào lấy từ môi trường tự nhiên theo hướng tăng quy mô của hệ thống (do dân số tăng lên, thiết bị chủ yếu được tập trung và tích tụ lại…). Nhưng nếu khi hệ thống không lớn lên nữa thì điều này không còn. Sự tái tuần hoàn rõ ràng có thể làm chậm tốc độ tích lũy chất thải. Nhưng sự tái tuần hoàn không bao giờ có thể hoàn chỉnh, mỗi chu kỳ sẽ mất đi một tỷ lệ nào đó chất được tái tuần hoàn. Điều này đưa đến một kết luận cơ bản là: nếu chúng ta muốn giảm khối lượng chất thải vào môi trường tự nhiên, thì chúng ta phải giảm số lượng nguyên liệu đưa vào hệ thống. Cụ thể, chúng ta có thể thay thế M theo dòng: M = G + Rp – Rrp – Rrc Nghĩa là số lượng nguyên vật liệu (M) bằng hàng hóa sản xuất ra (G) cộng với chất thải sản xuất (Rp) trừ đi tổng lượng chất thải được tái tuần hoàn của người sản xuất (Rrp) và của người tiêu thụ (Rrc). Như vậy, có 3 cách chủ yếu để giảm M (và từ đó giảm lượng chất thải vào môi trường tự nhiên): - Giảm G: Tức là giảm chất thải dựa vào việc giảm số lượng hàng hóa, dịch vụ do nền kinh tế sản xuất ra. - Giảm Rp: Thay đổi tổng lượng chất thải sản sinh trong quá trình sản xuất với số lượng thành phẩm sản xuất đã cho. Có 2 cách để giảm Rp: + Nghiên cứu, áp dụng công nghệ mới vào sản xuất nhằm tạo ra lượng chất thải ít hơn trên một đơn vị sản phẩm. + Thay đổi thành phần bên trong của sản phẩm. Sản phẩm G hiện nay bao gồm một số lượng lớn hàng hóa và dịch vụ khác nhau (chuyển đổi cơ cấu sản xuất) - Tăng (Rrp + Rrc): Tăng tái tuần hoàn, đưa chúng trở lại quy trình sản xuất. Nhờ tái tuần hòa mà chúng ta có thể thay thế một phần dòng khởi nguyên của các nguyên vật liệu chưa khai thác (M) và do đó giảm bớt lượng chất thải đồng thời duy trì lượng hàng hóa dịch vụ. Tuy nhiên tái tuần hoàn không bao giờ có thể hoàn chỉnh được, ngay cả khi chúng ta dành cho nó rất nhiều nguồn lực, bởi quy trình sản xuất làm thay đổi cấu trúc vật lý của nguyên liệu đầu vào nên gây khó khăn cho việc tái sử dụng chúng. Nguồn vật chất đã chuyển hóa thành năng lượng thì không thể nào có thể phục hồi được. Thêm nữa bản thân quy trình tái tuần hoàn cũng có thể tạo nên chất thải. Hi vọng rằng trong tương lai sẽ có nhiều nghiên cứu phát hiện ra nhiều phương pháp tái tuần hoàn mới, nhiều quy trình công nghệ không có hoặc có ít chất thải. 4. Kết luận Nguyên lý bảo toàn năng lượng và khối lượng là những nguyên lý cơ bản trong vật lý, là cơ sở để giải thích các vấn đề trong tự nhiên và xã hội. Cách giải thích này cho chúng ta cái nhìn rõ ràng và khoa học hơn, không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ bản chất vấn đề mà còn là cơ sở giúp chúng ta đưa ra những giải pháp xử lý đúng đắn, hiệu quả. 5. Tài liệu tham khảo [1]. Kinh tế chất thải, Nhà xuất bản chính trị quốc gia, 2005 [2]. Giáo trình Hóa lý kỹ thuật môi trường, TS. Nguyễn Văn Sức.  ... định luật bảo toàn lượng hệ thống viết: Năng lượng vào = Năng lượng – Sự thay đổi nội Trong nội năng lượng dự trữ hệ - Định luật bảo toàn khối lượng: phạm vi nghiên cứu, khối lượng giữ nguyên không... Lượng chất vào = Lượng chất + Lượng chất tích tụ + Lượng chất tiêu hủy Như vậy, nguyên lý bảo toàn lượng khối lượng khái quát là: phạm vi hệ nghiên cứu, định luật bảo toàn lượng khối lượng hiểu... khác Ứng dụng nguyên lý bảo toàn lượng khối lượng khoa học môi trường Nguyên lý bảo toàn lượng khối lượng ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống xã hội Ở xét ứng dụng nguyên lý mối quan hệ