Научная история про речку

Даже медведь любит заниматься физикой и катать с горки камни. А уж дети тем более с удовольствием скатывают с горки мячи, колёса и прочие округлые предметы, используя такую школьную физическую закономерность как переход потенциальной энергии в кинетическую (ну, строго говоря, это очень нетривиальное взаимодействие стремления тела двигаться по геодезической в искривлённом пространстве, перекрытое реакцией опоры или ускорением из-за воздействия земной поверхности). Если поверхность горы идеальная и шарик очень круглый, то потенциальная энергия полностью переходит в кинетическую, поэтому шар разгоняется – чем дальше, тем быстрее.

Течение речки во многом подобно движению шара – вода скатывается по наклонной поверхности к морю. Но это движение неидеально – вода испытывает трение о землю (и о воздух), поэтому скорость реки не увеличивается бесконечно, а выходит на какую-то постоянную скорость – и вся последующая потенциальная энергия уходит в тепло, выделяющееся при трении (быстро потрите ладони друг о друга – чувствуете, как они согрелись?). Тепло выделяется в прибрежной зоне, где скорость реки падает до нуля, поэтому температура увеличивается пропорционально вязкости воды и квадрату градиента скорости течения.

Что происходит при постройке гидроэлектростанции? Она вмешивается в энергетическую цепь: потенциальная энергия – кинетическая энергия – вязкое тепло. Станция отнимает часть кинетической энергии, тем самым уменьшая вязкое тепло.
Но если рассмотреть общий тепловой баланс, то понятно, что эти потери тепла могут быть малы на фоне других факторов.

От чего греется река?

1. Солнечное излучение
2. Вязкий нагрев (см.выше)
3. Ветровое волнение (в шторм море теплеет)
4. Фазовые переходы и химические реакции (при замерзании реки лёд выделяет тепло кристаллизации и греет незамерзающую воду)
5. Радиоактивный распад и подземное тепло (насколько я помню, распад, например, калия 40 обеспечивает нагрев земных недр)
6. Гниение биологического материала (водорослей и т.д.) и прочее биотепло.

От чего река остывает?

1. Инфракрасное излучение
2. Потери тепла из-за испарения (замечали, что мокрые руки быстро замерзают?)
3. Фазовые переходы и химические реакции (таяние льда, да и растворение многих минеральных солей – эндотермические реакции)
4. Теплопередача в грунт (если он холоднее реки)

Приоритетность притоков и стоков тепла расставлена на физический глазок. Но малость нагрева из-за вязкого трения никак не обесценивается на фоне других стоков и источников тепла, потому что это единственная энергетическая цепь, на которую принципиально завязана гидроэлектростанция. На другие энергетические цепи она может влиять, а может и нет.

Если все другие источники тепла остаются те же, то выработка энергии на станции понижает температуру реки (например – если взять две одинаковые реки с двумя одинаковыми станциями и водохранилищами, лишь в одной станции вода течёт по водоводам свободно, а в другой – стоят генераторы). Для Саяно-Шушенской ГЭС я оценил эту потерю температуры в 0.1 градуса.
Но если взять ту же самую реку – до и после постройки станции – то замедление течения реки и разлив водохранилища может вызвать повышенный нагрев реки солнцем и, тем самым, вода увеличит свою температуру. Теперь вы лучше понимаете высказывание:

«Интересно, что правильность ответа на вопрос: где выделится энергии больше, на первом или втором этаже? – сам по себе, как показывает анализ прошлых экзаменов, оказывается не очень важен».

Пример: идёт веселый человек и посвистывает, глядя на птичек. В кармане у человека всего сотня рублей, зато в банке у него миллион.

Я – грабитель, которому нужно кормить себя и кошку, поэтому я отбираю у человека его сотню. То, что у него есть миллион, мне неважно – эти деньги для меня недосягаемы. Погрустнел человек, опустил голову к земле – идёт дальше. И находит кошелёк с тысячей рублей. Ограбил ли я его? Да. Уменьшил «свой» энергопоток. Но одновременно я увеличил другой энергопоток, отчего человек разбогател. То есть, конечный и конкретный ответ не так важен, как общее и глубокое понимание динамики реки. Ну, когда в следующий раз будете купаться в речке, вам будет о чём подумать!

Ник Горькавый