«РЕАЛИЗАЦИЯ УГЛУБЛЕННОГО ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ЧЕРЕЗ ВНЕУРОЧНУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ» - ВКР

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3

Глава 1. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И СВОЙСТВА ГИДРАТОВ ГАЗОВ 6

1.1. Основные сведения о газовых гидратах 6

1.2. Условия образования гидратов 10

1.3. Диэлектрические свойства газовых гидратов 13

Глава 2. ВНЕУРОЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ КАК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ОБУЧЕНИЕ 15

2.1. Что такое внеурочная деятельность 15

2.2. Особенности ФГОС второго поколения 17

Глава 3. РАЗРАБОТКА ВНЕУРОЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 21

3.1. Пояснительная записка 21

3.2. Ресурсные материалы к занятиям программы 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64

ЛИТЕРАТУРА 65

Введение

Одной из основных проблем современной энергетики является неизбежное сокращение в средне- и долгосрочной перспективе запасов основных традиционных ее источников получения (в первую очередь нефти и газа).

Поэтому и приходится разрабатывать труднодоступные залежи нефти и газа в суровых природно-климатических условиях, на больших глубинах и, кроме того, обращаться к не конвенциональным углеводородам (нефтяные пески и горючие сланцы). Все это, значительно увеличивая стоимость получаемой энергии, так и не решает окончательно существующую проблему.

В связи с имеющейся ограниченностью и невосполнимостью традиционных ресурсов природного (горючего) газа, а также с растущим в XXI в. спросом на этот энергоноситель, человечество вынуждено обратить внимание на его значительные ресурсы, заключенные в нетрадиционных источниках, и прежде всего природных газовых гидратах.

Газовые гидраты - кристаллические соединения газов и воды переменного состава. Выглядят как снег или лед и имеют сходные с ними физические свойства. Образуются они при контакте газа и воды в определённых термобарических условиях, причем чем холоднее климат, тем чаще встречаются такие условия. В наиболее распространенном в земной коре гидрате метана соотношение между газом и водой примерно 1 к 6. При этом удельное газосодержащие гидрата метана достигает 164 куб. м газа на 1 куб. м гидрата. По общему мнению, нефтегазовых геологов, природные газовые гидраты содержат основной объем природного газа в литосфере.

Газовые гидраты — это новый сложный физический объект с фазовым переходом, представляющий важное народно-хозяйственное значение. В связи с этим, актуальность исследования обусловлена необходимостью изучить газовые гидраты во внеурочное время.

Целью исследования является исследование диэлектрической релаксации газовых гидратов и разработка внеурочной деятельности для углубленного изучения старшеклассниками.

Задачи исследования:

1. Выяснить условия образования и свойства гидратов газов.

2. Рассмотреть, как в школе изучаются фазовые переходы.

3. Изучить применение гидратов.

4. Разработать внеурочную деятельность.

Считается, что гидраты метана образуются, когда природный газ, образованный в глубинах земли, просачивается по геологическим разломам и выходит наружу на дне океанов или в областях вечной мерзлоты. При контакте с водой при низкой температуре и высоком давлении образуются кристаллические клатраты.

В 1940-е годы советские учёные высказывают гипотезу о наличии залежей газовых гидратов в зоне вечной мерзлоты (Стрижов, Мохнаткин, Черский). В 1960- е годы они же обнаруживают первые месторождения газовых гидратов на севере СССР. Одновременно с этим возможность образования и существования гидратов в природных условиях находит лабораторное подтверждение (Макогон).

В 1969 г. началась разработка Мессояхского месторождения в Сибири, где, как считается, впервые удалось (по чистой случайности) извлечь природный газ непосредственно из гидратов. Согласно оценке, сделано до начала добычи, запасы Мессояхского месторождения были равны 79 млн куб. м газа, из которых одна треть содержалась в гидратах, перекрывающих зону свободного газа (ЗСГ) залежи. Добыча газа из ЗСГ началась в 1969 г. В течении первых двух лет эксплуатации месторождения давление снижалось в соответствии со сделанным прогнозом. Позже, в 1971 г., было зарегистрировано более высокое давление, чем ожидалось, и больший объём добычи. Это расхождение было отнесено за счет добыча газа из СПГ, так как снижение давления в ЗСГ сопровождалось снижением давления в зоне газовых гидратов (ЗГГ) и выделением газа вследствие их разложения. Количество газа, добытого из ЗГГ на Мессианском месторождении,

оценивалось в 5 млрд куб. м или 36 % от общего количества.

Установлено, что около 98 % залежей газогидратов являются аквамаринными и сосредоточены на шельфе и континентальном склоне Мирового океана (у побережий Северной, Центральной и Южной Америки, Северной Азии, Норвегии, Японии и Африки, а также в Каспийском и Черном морях), на глубинах воды более 200-700 м, и только всего 2 % - в приполярных частях материков. Сегодня установлено свыше 220 залежей газогидратов.

По прогнозным оценкам российских ученых Г.Д. Гинзбурга и В.А. Соловьева, общее количество метана в аквальных залежах газогидратов оценивается в 2x1010 м3, т.е. его объемы на порядки превышают запасы углеводородов в традиционных месторождениях.

Выдержка из текста работы

Глава 1. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И СВОЙСТВА ГИДРАТОВ ГАЗОВ

1.1. Основные сведения о газовых гидратах

Гидраты газов представляют собой твердые соединения (клатраты), в которых молекулы газа при определенных давлениях и температурах заполняют структурные пустоты кристаллической решетки, образованной молекулами воды с помощью прочной водородной связи [1].

Многие из компонентов, обычно входящих в состав природного газа, образуют гидраты в соединении с водой. Образование гидратов является одной из проблем, связанных с процессами добычи, переработки и транспортировки природного газа и его производных жидкостей.

В нефтегазовой промышленности «гидратами» называют вещества. которые при комнатной температуре обычно находятся в газообразном состоянии. В число таких веществ входят метан, этан, двуокись углерода. сероводород и др. Отсюда возник термин «газовые гидраты», а также одно из широко распространенных заблуждений, связанных с этим видом соединений. Многие ошибочно полагают, что неводные жидкости неспособны к гидрообразованию, однако на самом деле гидраты могут образовываться и другими жидкостями. В качестве примера вещества, которое при комнатных условиях находится в жидком состоянии. но все же образует гидрат, можно назвать дихпордифторметан (фреон-12).

Вода часто сопутствует природному газу. В газоносных пластах всегда присутствует вода. Поэтому добываемый природный газ всегда насыщен водой. Кроме того, в некоторых случаях из скважин вместе с газом добывается пластовая вода. Вода часто используется также в технологических процессах подготовки природного газа. В процессе очистки природного газа от сероводорода двуокиси углерода (так называемых кислых газов) часто используют водные растворы. Наиболее широко применяется метод очистки газа водными растворами алканоламинов [2].

Гидраты можно отнести к химическим соединениям, так как они имеют строго определенный состав, но это — соединения молекулярного типа, возникающие за счет вандерваальсовых сил. Химическая связь у гидратов отсутствует, поскольку при их образовании не происходит спаривания валентных электронов и пространственного перераспределения электронной плотности в молекуле.

Вандерваальсовые силы очень малы, однако энергия связи в клатратной молекуле равна около 20—40 кДж/моль благодаря росту вандерваальсовых сил по мере сближения молекул.

Гидраты газов достаточно широко распространены, имеют шесть различных форм в зависимости от молекулярной характеристики и структурных форм внутренних ячеек:

1) молекулярные сита, характеризующиеся взаимосвязанными сквозными полостями — проходами;

2) канальные комплексы, образующиеся, когда молекулы- клатратообразователи образуют кристаллическую решетку с трубчатыми полостями;

3) слоистые комплексы, в которых имеются чередующиеся слои молекул, образующих клатрат, и молекул-включений;

4) комплексы с внутримолекулярным полым пространством, когда образующаяся молекула представляет собой крупную молекулу, имеющую вогнутость или углубление, в котором располагается молекула-включение;

5) линейные полимерные комплексы образуются молекулами клатрата, имеющие трубкообразную форму;

6) клатраты, образуемые в тех случаях, когда молекулы-включения заполняют замкнутые ячейки, по форме близкие к сферическим [1].

Разложение гидрата в замкнутом объёме сопровождается значительным повышением давления. Процесс образования газогидрата происходит с выделением тепла, а его разложение - с поглощением тепла. На разложение природных гидратов в пласте необходимо затратить от б до 12% энергии, содержащейся в гидратированном газе.

Заключение

Газовые гидраты важны для общества, потому что встречаются в природе и могут быть источниками природного газа. Есть связь между газовыми гидратами и изменением климата. Объём, который в настоящее время храниться в твердой форме в глубинах, при нагревании или изменении давления, может мигрировать, и если он мигрирует к атмосфере, то в следствии этого происходит мощный парниковый эффект. Если это не предотвращать или даже способствовать, то произойдет изменение климата из-за газовых гидратов. Природный газ, действительно может стать источником энергии будущего, чем другие жидкие нефтепродукты, в качестве источника энергии он эффективнее на 40%. Потребуется несколько десятилетий для того, чтобы мы смогли перейти на полностью природную экономику. Природный газ может стать любимым топливом для планеты, особенно если мы сможем предоставить его странам третьего мира, где топлива и энергии недостаточно.

Конечно, человечество должно быть очень осторожным, должно изучить и продумать всесторонние аспекты экологических проблем в пользу природы, которые могут быть связаны с разработкой газовых гидратов.

В связи с этим в данной работе были исследованы условия образования, свойства и применение гидратов газов. Рассмотрено изучение фазовых переходов в школе. Изучила и описала внеурочную деятельность как метод дополнительного внеклассного обучения. На основе всего этого была разработана внеурочная деятельность до 15 часов, в котором рассматриваются газогидраты начиная от легкого к сложному – постепенно. Также были разобраны примеры, где разъясняется опасность добычи природного газа.

Цель считается достигнутым.

Список литературы

1. Воробьев, А.Е. Инновационные технологии освоения месторождений газовых гидратов/ А.Е. Воробьев, В.П Малюков. Учеб. пособие. — 2-е изд., исп. и доп. — М.: РУДН, 2009. — 289 с.

2. Дегтярев, Б.В. Борьба с гидратами при эксплуатации газовых скважин в северных районах/ Дегтярев, Б.В. Бухгалтер Э.Б. - М.: Недра, 1976. - 200 с.

3. Дядин, Ю. А. Газовые гидраты / Ю. А. Дядин, А.Л. Гущин. - Соросовский образовательный журнал, №3, 1998. 64 с.

4. Кабанов, Н.Н. Фазовое распределение и экологические вопросы использования метанола в качестве реагента / Н.Н. Кабанов. - М.: ВНИИЭгазпром. 1996,19 с.

5. Макогон, Ю.Ф. Вискерные кристаллы газогидратов / Ю.Ф. Макогон, Дж. С. Хольсти. - Рос. хим. ж. т. XLVII, № 3 - 2003. – 43-48.

6. Макогон, Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование / Ю.Ф. Макогон. - М: Недра, 1985. - 232 с.

7. Макогон, Ю.Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы / Ю.Ф. Макогон. - Рос. хим. ж.– 2003. – т. XLVII, № 3. – 70-79.

8. Низаева, И.Г. Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья / И.Г. Низаева. Ю.Ф. Макогон. - Геология и полезные ископаемые Мирового океана. - 2013. - №3. - 42-54.

9. Черников, К.А. Словарь по геологии нефти и газа/ К.А. Черников: Недра. 1988- 300 с.

10. Чухарева, Н.В. Определение условий гидратообразования при транспорте природного газа в заданных технологических условиях эксплуатации промысловых трубопроводов. / Н.В. Чухарева. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета. 2010. - 30 с.

11. Шабаров, А.Б. Проектирование установки ускоренного роста газогидрата из ледяных частиц микронного размера в потоке газа/ А.Б. Шабаров, М.Ю. Данько, А.В. Ширшова. - Вестник Тюменского государственного университета, 2011. №7- 22с.

12. Ширшова, А.В. Исследование газогидратов/ А.В Ширшова, - Тюмень: ТюмГУ, 2016. - 50 с.

13. Davidson, D.W. Water in crystalline hydrates aqueous solutions of sample nonelectrolytes / D.W. Davidson. - NY: Plenum Press. 1973. - Chap.3. - 115-234.

14. Sun, Y. F. Dielectric method of high-resolution gas hydrate estimation. / Y.F. Sun. D. Goldberg. - Geophysical research letters. - 2005. - №32. - L04313.

15. Takeya, К. Terahertz time-domain spectroscopy: Proceedings of the seventh International Conference on Gas Hydrates/ К. Takeya. - Edinburgh. Scotland, United Kingdom July 17-21, 2011.