Термодинамическая оценка риска негативного воздействия на окружающую среду

Для решения проблем производственноэкологической безопасности необходимо принятие единой методологии, обосновывающей выбор объекта, основных методов исследования и совершенствования безопасности технологических, производственных процессов, что позволяет сформулировать энергоэнтропийную концепцию [1-2]. Существующая энергоэнтропийная концепция опасностей включает следующие основные положения:

• -    ежедневная (повседневная) деятельность человека (в большей степени производственная часть) теоретически опасна вследствие использования разных промышленных, технических и других процессов, связанных с энергопотреблением (производством, хранением и преобразованием механической, электрической, ядерной или другой энергии) или с использованием вредных веществ;

• -    в результате выхода энергии, как контролируемого, так и неуправляемого, в среду обитания возникает различные опасности для жизни и здоровья людей, окружающей их среды; вместе с выходом энергии опасность представляют выбросы, сброс в водную, воздушную среды загрязняющих веществ;

• -    к последствиям неожиданного выхода энергии, выброса вредных веществ относятся происшествия, связанные с травма-

• ми, гибелью людей, повреждением сооружений и оборудования, ухудшением состояния среды обитания,

• -    происшествия, связанные с гибелью людей, другими негативными последствиями, являющиеся следствием причинной цепи предпосылок, обусловленных недостатками, сбоями в работе используемой техники, нерасчетными внешними воздействиями и неверными действиями людей.

Предложенная концепция опасностей позволяет оценить с точки зрения законов термодинамики техногенные риски в технических системах и окружающей природной среде, так как любая опасность проявляется в результате значительного неконтролируемого выхода энергии. В данной работе мы рассматриваем вопрос оценки опасностей и рисков исходя из термодинамических представлений.

В результате действия опасностей снижается упорядоченность среды обитания, а с нарастанием беспорядка повышается энтропия. Рассмотренная концепция базируется на экспериментальных данных, а также согласуется со вторым началом термодинамики - все реальные процессы сопровождаются неизбежным ростом энтропии (закон возрастания энтропии).

Допустим, что вся энергия, выбрасываемая в окружающую среду при опасности, приведёт к увеличению беспорядка в этой среде (увеличивается термодинамическая энтропия среды). Тогда можно представить количественную оценку опасности и выразить её в энергетических единицах.

Согласно второму началу термодинамики, в результате физического или химического преобразования полное изменение энтропии (AS _полн ) определяется выражением [2-4]:

^^полн

= AS

система

+ AS

окружение

Для любых самостоятельных процессов AS _полн > 0, тогда уравнение (1) можно записать в следующем виде:

AS

LAO полн

= AS

система

ДИ

Т ’

где АН - изменение энтальпии.

Или после умножения последнего уравнение на (—Т):

-TASполн = AН-TASсистема.

В этом уравнении —'ГAS _полн и определяет изменение свободной энергии рассматриваемой системы:

AG = -ГAS полн ,       (4)

где AG - изменение свободной энергии системы (изменение энергии Гиббса).

Из последнего выражения можно выразить:

ASn0JIH = — —.                  (5)

полн

Таким образом, это выражение позволяет определить полное изменение энтропии при действии опасности в рассматриваемой системе и ее окрестности.

Рассмотрим практическое вычисление величины AG. Если давление, температура остаются неизменными (их также можно считать постоянными если изменение параметров очень мало) при воздействии опасности на систему и ее окрестности, то полная работа, направленная на разрушение среды обитания и приводящая к увеличению AS _полн для процессов со стабильным потоком энергии, может быть рассчитана через величину изменения свободной энергии Гиббса при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 [3, 4]:

AG = G1 — G2, (6)

где G 1 , G 2 - свободные энергии системы в состоянии 1 и состоянии 2 соответственно.

Отрицательное значение AG означает, что работу над внешней средой производит сама система. Положительный знак перед величиной AG наоборот указывает, что работа над системой производится извне [3]. Обозначим максимальную работу И Вн , тогда можно записать:

AG = — И вн (7) или —AG = И _вн . (8)

В случае самопроизвольного совершения работы системой над окружающей средой (AG < 0) И Вн - положительна, в обратном случае И Вн отрицательна.

Рассмотрим схематически действие опасности на систему (рисунок), заключающееся в совершении работы, направленной на ее разрушение. Допусти, что эта работа будет равна полной энергии опасности, выделяемой в окружающую среду. Из выражений (5), (7) получим:

ASn0JIH = —. (9)

полн гр \ /

Рисунок. Действие опасности на систему.

Величину W_BH можно отнести к работе разрушения системы и ее окрестностей. Таким образов, используя последнее выражение, можно количественно оценивать результат действия опасности на рассматриваемую систему в предположении, что работа полностью идет на разрушение системы и ее окрестности. Данный результат как видно определен величиной ^5_попн, следовательно, используя выражение (9) можно реализовать количественную энергоэнтропийную оценку опасностей.

Далее рассмотрим вопрос о проведении термодинамической оценки возникновения риска. С точки зрения теории вероятностей риск R можно выразить следующей формулой [1]:

R = ^, (10)

^общ где Мобщ - общее число событий за конечный период времени (как правило один год), ^нж - число нежелательных событий за тот же период. Из последнего выражения явным образом следует, что вероятность появления нежелательных событий за определенный промежуток времени является риском.

С учетом последнего определения, по нашему мнению, можно оценить риск с точки зрения термодинамики, а именно, как вероятную величину изменения полной энтропии системы и ее окрестности, возникающей в результате действия работы разрушения (опасности) за определенный промежуток времени:

Лт = 45П0ЛН-Л = Л-—, (11)

1 полн где RT - термодинамический риск, Т -температура.

Из выражения (11) следует, что размерность термодинамического риска R t - Дж /( К -т), где т - рассматриваемый период времени (1 год), в таком случае размерность термодинамического риска Дж /( К • год ).

Далее покажем, возможности использования полученных выражений для оценки рисков и опасностей. В качестве примера, рассмотрим такие природные опасности, как землетрясения и цунами.

Определим опасность действия цунами, энергия которого оценивается в 10¹³Дж [5]. Расчет проведем при Т = 298 К по выражению (9):

^^а 298 полн

W ц 298

= 3,36 •

107кДж/К (12)

Энергия землетрясения может быть рассчитана по формуле [5]:

Е = 1о(5,24+1,44М)дж,   (13)

где М - магнитуда или мощность землетрясения, измеренная по Ч. Рихтеру в баллах (0-9 баллов). Будем предполагать, что вся энергия землетрясения расходуется на совершение работы разрушения W B_H .

Используя величину А5 _полн можно дать термодинамическую оценку опасности землетрясений различной мощности. Полученные результаты представлены в таблице.

Таблица. Результаты оценки опасности землетрясения

Мощность землетрясения, М	Работа разрушения Швн, кДж	0„„ Д5098 полн , кДж/К
0	0,17 • 103	0,57
1	4,79 • 103	16,07
2	0,13 • 106	0,44 • 103
3	3,63 • 106	12,18 • 103
5	2,75 • 109	9,23 • 106
9	1,58 • 1015	5,30 • 1012

Результаты сравнения полученных величин с результатом оценки опасности цунами, можно сделать вывод, что опасность цунами превосходит опасность землетрясения мощностью 5 баллов примерно на один порядок величины.

Проведем оценку некоторых техногенных опасностей. Определим величину Д5 °_{98 полн} для звуковых шумов интенсивностью 120 дБ на частоте ν =1000 Гц . Как известно [1]:

L i = 10lg^,f,             (14)

^! 0

где: L [ - уровень интенсивности звука, дБ ; I 1 - интенсивность звука, Вт/м²; I₀ -интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости человеческого уха (I ₀ = const; I ₀ = 10^-12Вт/м²   при v =

1000 Гц).

Преобразуем выражение (14):

^L- ^=10 io .       (15)

1о                               Х Z

L1

Отсюда: 1 1 = I₀ • 10 io .(16)

Рассчитаем значение I 1 при величину L ! = 120 дБ:

I1 = 10-12 • 1012 = 1 Вт/м2.   (17)

Теперь оценим энергию звуковой волны Е_зв, проходящую за одну секунду через площадку поверхностью 1 м², расположенную перпендикулярно фронту распространения звуковой волны:

Езв = ^вн = 1 ВТ • 1 м2 • 1 с = 1 Дж. (18) м

Тогда получим значение величины

Р„„

^Д5 298 полн :

^5098 полн " = 0,34 • 10-2Дж/град.

Проведем оценку опасности электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение, например, микроволновых печей также представляет опасность [1]. Интенсивность воздействия электромагнитного излучения микроволновых печей составляет 15 Вт/м² [1]. По аналогии с расчетом энергии звуковой волны, можно рассчитать энергию электромагнитного излучения Е _ЭМИ :

Ети  HL  15 -—1 м-1 с =

м

15 Дж.(20)

Величина Д⁵ °9₈ полн

для электромаг-

нитного излучения составит:

Д5 098 полн   ^5-0,05 Дж/К. (21)

Определим термодинамическую опасность ионизирующего излучения. Рассчитаем величину Д5 °_{98 полн} ионизирующего излучения, создающего 1 рентген (1 Р) рентгеновского или γ-излучения в одном килограмме сухого воздуха. Величина 1 Р=87,7 Дж / кг , тогда значение Д5 °_{98 полн} :

Д5098 полн = ^Т^Т;1 - 0,29 Дж/К. 298

Аналогично определим Д5 °_{98 полн} в одном килограмме биологической ткани при поглощении 1 зиверта (1 Зв ) энергии рентгеновского или γ-излучения. Величина 1 Зв =1 Дж / кг, тогда Д5 °98 полн :

Д$°°98 полн ^   0,34'10—2 ДЖ/К.

В заключение проведем термодинамическую оценку риска опасности землетрясения. Допустим, что в некоторой местности вероятность пятибалльного землетрясения в год: R = 10^-2 в год. Рассчитаем R_T по формуле (11), используя величины, полученные ранее и представленные в таблице:

R = 10-2 • ^S'109 = 9,23 • T                298

104 кДж/(К • год).(24)

Эта величина с точки зрения термодинамики оценивает риски возникновения землетрясения в течение года.

Выводы . Предложены методы термодинамической оценки опасностей и рисков негативных воздействий. Проведен расчет и получена термодинамическая оценка различных природных, техногенных опасностей, а также оценка риска возникновения землетрясения. Предложенная методика предполагает, что вся работа идет на разрушение системы и ее окрестностей. В случае же, если совершается полезная работа при действии опасности, то для термодинамической оценки необходимо из общей работы вычесть полезную.