Využití

Uhlí se využívá hlavně jako palivo, ale daleko výhodnější je jeho zpracování jako suroviny v chemickém průmyslu. Při karbonizaci (zpracovávání) se získává:
• plyn (koksárenský nebo svítiplyn),obsahující hlavně vodík a jedovatý oxid uhelnatý. Používá se především jako plynné palivo.
• černouhelný dehet, který obsahuje několik set látek. Získává se z něj např. benzen, naftalen, barviva, léčiva, desinfekční prostředky, čistící a mycí prostředky, voňavky, umělá hnojiva, prostředky proti plevelu a hmyzu, lak na nehty. Dokonce i sladidlo sacharin lze vyrábět z uhlí.
• koks, který obsahuje téměř čistý uhlík. Používá se jako palivo při výrobě železa ve vysoké peci.
K vedlejším produktům patří amoniaková voda, která se používá při výrobě dusíkatých hnojiv.
Uhelné plyny tvoří směsi různých plynů. Obsažen je zvláště metan a oxid uhličitý. Uhlí se dá též zkapalňovat.

V hlubinném dole se pracuje dvěma základními způsoby:

Starší, který se používá hlavně ve Spojených státech, se nazývá dobývání komorováním. Horníci vyrubají řadu komor skrz uhelnou sloj a nechají stát pilíře uhlí, které pomáhají podpírat střechu štoly. Touto metodou lze však vytěžit jen část uhlí nalézajícího se ve sloji.
• Druhá metoda se nazývá stěhování. Je hlavní metodou používanou v Evropě a čím dál víc se začíná používat ve Spojených státech. Při ní se razí dva paralelní tunely vzdálené od sebe přibližně 20 metrů. Stroj na rubání uhlí (brázdící stroj , brázdička) se pohybuje sem a tam mezi oběma tunely a razí dlouhou potrubní stěnu. Jak těžba pokračuje nechá se střecha za horníky zhroutit. Touto metodou lze vytěžit zhruba 90% uhlí.

B)

Hlubinné dolování je hlavní metodou v Británii a v kontinentální Evropě. Tímto způsobem se získává také zhruba 40% uhlí ve Spojených státech a více než polovina uhlí v Austrálii. Mnohé uhelné sloje leží velmi hluboko. Nejhlubší Britský důl je hluboký 1 300 metrů. Aby horníci mohli těžit v takové hloubce, musejí vyhloubit vertikální šachty, kterými sfárají pomocí důlního výtahu dolů a stejným způsobem se uhlí dopravuje nahoru. Důlní dílo (porub) pod zemí často dosahuje v horizontální rovině délky několika kilometrů a elektrické vláčky vozí horníky a uhlí mezi porubní stěnou uhelné sloje a šachtou důlního výtahu. V místech, kde lze dosáhnout uhelné sloje ze svahu kopce nebo hory, se hloubí svažující se šachta zvaná štola (galerie). Horníci se dopravují touto štolou podzemní železnicí a uhlí se dopravuje ven na dopravním páse.

Práce začínají

odstraněním úrodné půdy (ornice) a navrchu ležících hornin, které jsou následně navršeny na okrajích povrchového dolu. Slouží jako stěna, která má tlumit hluk a zakrýt nevábný pohled. Potom se uhlí dobývá s použitím obrovských rypadel(kolesové, lanové, korečkové). Tato rypadla naberou najednou desetitisíce tun.Velký "Muskie", který pracuje ve státě Ohio v USA, má kapacitu naběráků (korečků) 10 000 tun. Největší rypadlo na světě je kolesové rypadlo v Hambachu v Německu, do jehož naběráku se vejde 13 000 tun. Když se v povrchovém dole veškeré uhlí vytěží, vrací se krajina do původního stavu.

Dobývání

Uhelné sloje jsou různé tloušťky. Od několika milimetrů až po několik metrů. Tento fakt však nemůže vyvrátit to, že jsou dva způsoby dolování uhlí, a to:
A) Povrchové, které je vhodné, je- li uhlí uloženo blízko zemského povrchu. Používá se často v Austrálii, ve Spojených státech a ve Východní Evropě. Tímto způsobem se těží hnědé uhlí. Ve většině povrchových dolů v Británii se dobývá uhlí, které leží přibližně 33 metrů pod zemským povrchem. V jiných zemích bývají povrchové doly mnohem hlubší. Nejhlubší jsou v Německu, kde jejich hloubka činí až 325 metrů. Povrchové dobývání vytváří v krajině pustiny. Jsou odkryty velké plochy země a krajina není na pohled vůbec vábná.

Naleziště

Ze všech fosilních paliv se v přírodě nejvíce vyskytuje uhlí. Odhaduje se, že známé světové zásoby uhlí by při součastné rychlosti spotřeby měly vystačit na více než 200 let. Mnozí experti se domnívají, že dosud neobjevené zásoby uhlí představují alespoň patnáctinásobek známých zásob. Dvě třetiny ze známého množství uhlí nacházejícího se ve světě jsou ve třech zemích. Spojené státy mají přibližně 30%, Rusko a jeho spojenecké země mají kolem 25% a Čína zhruba 10%. Většina zbývajících zásob uhlí se nachází v Austrálii, Kanadě, Německu, Indii, Jižní Africe a v Británii. V Jižní Americe mají zásoby uhlí pouze čtyři země - Argentina, Brazílie, Chile a Kolumbie. Většina těchto zásob je ukryta pod tropickými deštnými lesy, kde by byla jejich těžba velice obtížná. V Africe se doluje uhlí pouze v osmi z 52 afrických zemí. Největší zásoby jsou v Jižní Africe a Zimbabwe, dále se uhlí dobývá v Alžírsku, Maroku, Mosambiku, Nigérii, Tanzanii a v Zairu.

Dalším krokem

je seismický průzkum. Pomocí výbušnin a jiných prostředků vyvolají geologové v zemi rázové vlny. Citlivými přístroji zvanými geofony sledují ozvěny těchto vln od různých vrstev hornin. Různé horniny odrážejí rázové vlny s různou silou a analýzou těchto odrazů lze určit, jaký druh horniny se dole nachází, v jaké hloubce a jakou má strukturu. Aby geologové našli skutečně uhlí a zjistili, jak hluboko se nachází, musejí provést průzkumné vrty. Potom analyzují jejich vzorky. Jinou často používanou metodou při zkoumání geologických vrstev je zjišťování geologického profilu vrtu, který byl původně vyvinut pro průzkum ropy a zemního plynu. Při používání tohoto způsobu se do vrtu spustí sonda a potom se určitou rychlostí vytahuje. Citlivé přístroje v sondě měří pórovitost a radioaktivitu hornin, detekují zlomy (praskliny mezi různými vrstvami hornin) a elektrický odpor hornin, neboli jak horniny vedou elektřinu.

Hledání uhlí

Než se však toto všechno zjistilo, muselo se uhlí nejdříve najít, vytěžit a zpracovat.
Uhlí se někdy objevuje na zemském povrchu na svazích řek nebo na březích řek. Tímto způsobem jej pravděpodobně objevili Číňané přibližně před 3 000 lety. Vykopávali ho a hloubili tunely do země do uhelných slojí. V dnešní době hledají uhlí geologové. Ze zkušenosti již vědí, pod jakým druhem terénu se nachází. Většinou je to tam, kde se nacházejí horniny z doby karbonu. Pravděpodobná místa výskytu pomáhají identifikovat letecké fotografie a satelitní snímky.

Uhlí je třeba zahřát

na teplotu několika set stupňů C bez přístupu vzduchu a potom spálit. Uhlí se rozpadne na různé látky, vyloučí se voda a prchavé látky, vytvoří se popřípadě koks a nakonec zbyde zbytek - popel. V našem ostravsko-karvínském revíru rozeznávají odborníci 4 druhy kamenného uhlí:
• uhlí plamenné (sálavé) s vysokým obsahem hořlavých prchavých látek, jež činí uhlí rozpadavým,
• uhlí spékavé (mastné, žírné) tj. vlastní uhlí koksové,
• uhlí plynové, mající vysoké procento prchavých látek a nehodící se tudíž k výrobě metalurgického koksu,
• uhlí antracitické (hubené), které má nepatrné množství prchavých látek, a proto rovněž nekoksovatelné.

Mezi jednotlivými druhy černého uhlí jsou značné rozdíly. Podle jeho použitelnosti v průmyslu se černé uhlí dělí na dvě hlavní skupiny:
1. Uhlí hubená (antracitická), která mají málo prchavých látek (plynů a par), nedají se proto koksovat a užívá se jich hlavně v energetice.
2. Uhlí mastná (žírná, spékavá), mající 20 - 28% prchavých látek, a proto se hodící k výrobě metalurgického koksu.

Černé uhlí

Černé (kamenné) uhlí má výhřevnost 7 000 - 8 500 kcal, malé procento vody a prchavých látek. Od hnědého uhlí se liší větší výhřevností a menším množstvím popela, který zbyde po shoření, barvou a tvrdostí. Obvykle mívá střídající se horizontální matné a lesklé pruhy. Matné vznikly ze zbytků menších rostlin, zatímco lesklé ze dřeva. V černém uhlí je přítomna rovněž měkká látka připomínající dřevěné uhlí. Tato látka způsobuje, že uhlí při manipulaci s ním špiní. Nejjakostnějším druhem uhlí je antracit. Hoří velice horkým plamenem a vydává málo kouře, avšak obtížně se zapaluje.

Hnědé uhlí

Hnědé uhlí bývá uloženo nehluboko pod povrchem, dá se těžit skrývkou a těžba je proto levná. Podle stupně prouhelnění rozeznáváme několik druhů hnědého uhlí s různým obsahem uhlíku, různou výhřevností a množstvím vody. Nejkvalitnější je tzv. hnědý antracit - smolné uhlí s výhřevností 3 900 kcal a obsahem vody jen 40%. Hnědé uhlí se vyskytuje v různých světadílech, ale nejvíce se ho těží v Evropě. Nejvíce lignitu a hnědého uhlí je na území Německa. Užívá se jako topivo v elektrárnách i v domácnostech a může se tepelně zpracovávat podobně jako černé uhlí. Značné množství se koksuje (je to polokoks, použitelný v metalurgii) a součastně při koksování se získává hnědouhelný dehet a z něho umělý benzín. Lignit hodně kouří a vydává relativně málo tepla.

Tato tabulka ukazuje procentické zastoupení prvků ve vybraných palivech:
%C %H %O
Dřevo 50 6 43
Rašelina 60 6 32
Hnědé uhlí 70 5 24
Kamenné uhlí 82 5 12
Antracit 94 3 3
Tuha 100 0 0

V útvarech starších než křída

se vyskytuje pouze uhlí černé, v křídě uhlí černé i hnědé a v útvarech pokřídových pouze uhlí hnědé. Zvláštním druhem hnědého uhlí je lignit(xylit), na němž je vlivem slabého prouhelnění dosud patrna struktura dřeva. Kvalita uhlí jako paliva závisí především na obsahu uhlíku. Černé uhlí obsahuje 75% až 95% uhlíku, hnědé uhlí 60% až 75% uhlíku a lignit 40-60% uhlíku, 50%vody a zbytky dřeva (ostatní vlastnosti jsou shodné s vlastnostmi hnědého uhlí). Největší procento uhlíku (94%) a nejméně prchavých látek má antracit.

Jsou to tedy nánosy sladkovodní, neboli limnické, které vznikaly podobně jako uhlí z rašelinisek v pobřežních zálivech a lagunách. Takto vzniklé černouhelné pánve se nazývají paralické. V nich se střídají uhelné sloje s písčitými a štěrkovými vrstvami a obsahují mořskou zvířenu. Ačkoli se uhlí vyskytuje i v jiných formacích, např. v křídě, přece nejvíce uhlí poskytuje karbon a třetihory.

V době karbonu byla zemská kůra ve stavu ustavičného zdvihání a klesání. Během těchto geologických poruch se na rašelinu vrstvil písek a bahno. Vrstvy půdy a rašeliny potom zalilo moře, z něhož se po čase tyto vrstvy zase vynořily na zemský povrch. Vznikaly nové bažiny a vytvořila se nová vrstva rašeliny. Tento proces známý jako cyklická sedimentace se mnohokrát opakoval. Některé sloje jsou silné pouze několik milimetrů zatímco jiné mají tloušťku mnoha metrů. Uhlí mohlo vzniknout z vnitrozemských rašelinisek.

Uhlí

Z vrstvy silné 10 až 15 metrů se utvoří uhelná sloj o tloušťce přibližně jeden metr. Nejstarší černé uhlí a antracit vznikají pouze vlivem silného tektonického tlaku a vysoké teploty, což bývá v dobách orogenetických. Je to složitá směs látek, jejichž podstatnou služkou je vázaný uhlík a některé další vázané prvky (vodík, kyslík, dusík, síra aj.). Dostane-li se do hnijícího bahna náplavem nebo navátím příměs organických minerálních látek, vzniká hlinitý a vápnitý hnilokal neboli sapropel. Jeho fosilní druhy jsou bituminosní břidlice a bituminosní vápence. Popel, který zůstane po spálení uhlí, dokazuje, že jeho složkou jsou i nespalitelné minerální látky.

Vznik Uhlí

Uhlí je hořlavá hornina vzniklá v průběhu desítek až stovek milionů let složitými procesy, které se v dřívějších dobách říkalo hořlavý kámen. Většina světových zásob uhlí se začala tvořit v období karbonu, geologické epoše, která začala před 360 milióny let a skončila před 286 milióny let.To znamená, že uhlí vzniklo z tropických slatin starších geologických dob, rostoucích v bažinách. Ve slojích černého uhlí se zachovaly otisky stromových přesliček, plavuní a kapradin, v ložiskách hnědého uhlí otisky jehličnatých i listnatých stromů. Trouchnivěním, rašeliněním (za vzniku metanu - tzv. bahenního plynu) a pozvolným uhelnatěním rostlinných látek v močálech za nedokonalého přístupu vzduchu při vlhkém a teplém podnebí pozbývaly tyto látky vodík a kyslík, vytvářely uhlík, ztrácely rostlinnou strukturu a stávaly se tmavší. Jsou to tedy fosilní ložiska humusových hornin. Z rostlinných látek vznikala nejdříve rašelina, potom při pokračujících poklesech a překrytí pískem a jílem hnědé uhlí a z něho černé uhlí a antracit. Aby se rašelina přeměnila v uhlí, musí být stlačena.

Nakreslete schéma

hladin energie pevné látky. Jak se od sebe liší energetické diagramy kovů, polovodičlů a nevodičů? ( V kovovém vodiči leží nejvyšší energiová hladina uprostřed energiového pásu. Pás je částěčně zaplněn. V nevodiči je nejvyšší obsazený pás úplně zaplněn a zakázaný pás mezi ním a prázdným pásem umístěným nad ním je poměrně široký. Polovodič připomíná nevodič s tím rozdílem, že zakázaný pás mezi valenčním a vodivostním pásem je poměrně úzký.)
10. Vysvětlete pojem stimulovaná emise. ( Atom v excitovaném stavu je ozářen světlem o frekvenci dané rovnicí h*f = Ex-E0. Foton o energii h*f může stimulovat atom, aby přešel do svého základního stavu. V tomto procesu atom emituje další foton, jehož energie je rovněž h*f. Tento proces nazýváme STIMULOVANÁ EMISE. Stimulované proto, že tato událost je spouštěna vnějším fotonem.)

Napište Schrödingerovu rovnici v bezčasovém tvaru. ( Ep(x) – změna potenciální energie při pohybu podél osy x, E – celková mechanická energie, ((d2ψ)/(dx2))+((2m)/(h´2)) * (E – Ep(x))*ψ = 0 – Schrodingerova rovnice pro pohyb v jednom směru, h´= h/2π, (d2ψ)/(dx2)+h2ψ = 0 – Schrodingerova rovnice pro volnou částice.)
7. Co rozumíme kvantováním energie? (Při emisi nebo absorbci světla atomem se nepředává energie spojitě, ale diskrétně, tedy po malých kouscích energie – kvantech. Toto kvantum světla se nazývá foton.)
8. Zapište výraz pro frekvenci záření vyzařovaného při přechodu elektronu ze stavu o energii Em do stavu o energii En. ( En = (h2/8mL2)*n2, n=1,2,3.., n – určuje kvantový stav elektronu – kvantové číslo, L – délka, m – hmotnost elektronu (me – 9,11*10-31kg)

Vyjádřete matematicky Stefanův – Bolzmannův zákon. ( Pr = σ*ε*S*T4 , kde Pr – výkon vyzařujícího předmětu, S – povrch tělesa, T – teplota v kelvinech, σ – Stefanova-Bolzmannova konstanta (5,6703*10-8Wm-2K-4), ε – emisivita povrchu předmětu (0-1).)
4. Napište vztah mezo vlnovou délkou de Broglieho vlny a hybností částice. ( λ = h/p – de Broglieho vlnová délka, p – hybnost fotonu, h – Planckova konstanta.)
5. Jak souvisí elementární pravděpodobnost dp výskytu částice v určité části prostoru dV s vlnovou funkcí ψ(x,y,z,t). ( Pravděpodobnost detekce částice (za jednotku času) v malém objemu se středem v daném bodě je pro de Broglieho vlny úměrná hodnotě abs(ψ2) v tomto bodě. (Funkce ψ bývá obvykle komplexní).)

Moderní fyzika

1. Napište vztah mezi frekvencí a vlnovou délkou fotonu a jeho hybností a energií. (Energie fotonu: E = h*f, f – frekvence světelné vlny, h – Planckova konstanta (6,63*10-34Js = 4,14 *10-15eVs), E = h*c/λ, E – energie fotonu, Hybnost fotonu: p = (h*f)/c = h/λ, λ = c/f, E = h*f = h*c/λ, f = c/λ, p = E/c)
2. Formulujte slovně i matematicky Einsteinovu rovnici pro fotoefekt. (h*f = Ek, max + Θ (fotoelektrický zákon) f – frekvence foton, Θ – výstupní práce. Zákon vyjadřuje zachování energie pro jednotlivou interakci mezi fotonem o frekvenci f a elektronem z terče o výstupní práci Θ. Zbývající energie (hf- Θ), kterou elektron získá při interakci, se projeví jako jeho kinetická energie. Za nejvyhodnějších podmínek může elektron vystoupit z povrchu bez úbytku této kinetické energie a ocitne se pak mimo terč s maximální možnou energií.)

Nakreslete graf závislosti intenzity světla na úhlové vzdálenosti při difrakci na dvojštěrbině. (Vlny procházející dvěma štěrb., z nichž každá má šířku ´a´ a mezi jejichž středy je vzdálenost ´d´, vytvářejí difrakční obrazec. jeho intenzitu I jako funkci úhlu θ udává vztah: I = Imax*(cos2β)*(sinα/α)2 kde β = (πd/λ)*sin θ.)
10. Napište vztah vyjadřující podmínku pro maxima při difrakci na mřížce. (Difrakční mřížka je soustava štěrbin používaná k rozložení vlny do složek o různých vlnových délkách tím, že oddělí a roztáhnou difrakční maxima těchto složek. Mřížku charakterizuje disperze D a rozlišovací schopnost R: D = Δ θ/Δλ = m/d*cos θ, R=λstř/λ = N*m. Rentgenová difrakce: 2d*sin θ = m*λ (m=1,2,3...) – Braggův zákon)

Napište vztah vyjadřující podmínku pro minima při difrakci na 1 štěrb. ( Vlny procházející dlouhou úzkou štěrb. šířky ´a´ vytvářejí difrakční obrazec na štěrb. Ten má centrální maximum a další maxima oddělená minimy. Měříme-li úhly od centrální osy, mají minima úhlovou souřadnici θ vyhovující rovnici: a*sin θ = m*λ (m=1,2)
8. Nakreslete graf závislosti intenzity světla na úhlové vzdálenosti při difrakci na 1 štěrb. ( Intenzita difrakčního obrazce pod libovolným úhlem θ je: I = Imax*(sinα/α)2 kde α = (πa/λ) *sin θ
9.

Napište vztah pro maxima a minima při interfer. na tenké vrstvě. (Maxima: 2k = (m+1/2) * λ/n2, minima: 2k = m* λ/n2. Když světlo dopadá na tenkou průhlednou vrstvu, vlny odražené d přední a zadní plochy interferují. pro případ téměř kolmého dopadu jsou podmínky pro maxima a minima intenzity světla odraženého od vrstvy ve vzduchu uvedeny výše. n2 – index lomu vrstvy, k – tloušťka vrstvy, λ – vlnová délka světla ve vzduchu. Jestliže světlo dopadá na rozhraní mezi prostředími o různých indexech lomu z prostředí s nižším indexem lomu, odraz způsobí v odražené vlně fázovou změnu πrad, tj. polovinu vlnové délky. V jiných případech nedochází při odrazu ke změně fáze. Lom na rozhraní nezpůsobí fázové posunutí.

Napište Brewsternův vztah pro polarizaci odrazem. (θb = arctg(n2/n1) – odražená vlna bude úplně polarizována s elektrickou intenzitou E kolmou k rovině dopadu, jestliže dopadne na rozhraní pod Brewsterovým úhlem)
4. Napište vztah pro polohu maxim a minim při Youngově pokusu. ( Interferenční maxima (světlé proužky): d*sin θ = m*λ, Inter. minima (tmavé): d*sin θ = (m+1/2)*λ, kde θ – úhel šíření světla se středovou osou ´o´, d – mezera mezi štěrbinami. Youngův pokus: světlo, které v Youngově interfer. (dvojšterbinovém) pokusu projde jednou štěrbinou, dopadá na dvě štěrb. ve stínítku. Světlo vycházející z těchto štěrb. se rozbíhá (vlivem difrakce) a v oblasti za stínítkem interferuje. Tak vznikaji na stínítku proužky.
5. Nakreslete graf závislosti intenzity světla na úhlové vzdálenosti při interf. ze dvou štěrb. ( graf je sestaven podle rovnice: I = 4*I0*cos21/2φ kde φ =(2πd)/λ *sin θ, I0 – intenzita světla, které přichází na stínítko z jedné štěrb., když druhá štěrb. je dočasně zakryta. Předpokládáme že ve srovnání s vlnovou déklou jsou štěrb. tak úzké, že intenzita světla z jedné štěrb. je prakticky stejná v celé oblasti stínítka, na kterém proužky zkoumáme.