Модуль 21. Физические основы энергосбережения и возобновляемых форм энергии (стр. 1 )

Модуль 21. Физические основы энергосбережения и возобновляемых форм энергии

Представлена необходимость и актуальность знания физических основ энергосберегающих технологий. В модуле рассмотрены: основные понятия энергосбережения; понятия энергии: формы и свойства ; первый энергетический закон: сохранение энергии; второй энергетический закон: снижение качества энергии; энергосбережение: физические основы; невозобновляемые источники энергии: уголь, нефть, природный газ, атомная энергия.

Лекция 1. Введение. Основные понятия энергосбережения (2часа)

Основные понятия энергосбережения. Понятия энергии: формы и свойства.

Основные понятия энергосбережения

Основное понятие энергосбережения – энергия. Прежде, чем приступить к поиску способов разумного потребления энергии, мы должны выяснить, что же это такое - энергия, чем она измеряется и каким законам подчиняется.

Так что же такое энергия? Этот вопрос так же легко задать, как трудно на него ответить. Начнем с того, что энергия - это абстрактное понятие, введенное физиками для того, чтобы описывать едиными терминами различные явления, связанные с теплотой и работой.

Большинство ученых - астрофизиков считает, что наша Вселенная возникла около 14 миллиардов лет назад. В этот момент вся энергия и масса были спрессованы в ничтожно малом объеме, можно сказать, в одной точке. Энергия не могла удерживаться в таком состоянии, в результате произошел так называемый Большой Взрыв, и наша Вселенная начала расширяться. Нам нет необходимости подробно изучать сейчас эту теорию - важно то, что энергия существовала с самого начала и будет существовать вечно.

Рис.2.1. Большой Взрыв http://www. *****/science/popular/ksanfomaliti. htm

Так что же такое энергия? Этот вопрос так же легко задать, как трудно на него ответить. Начнем с того, что энергия - это абстрактное понятие, введенное физиками для того, чтобы описывать едиными терминами различные явления, связанные с теплотой и работой.

Это оказалось так удобно, что сейчас энергия является фундаментальным понятием не только во всех естественных науках, но и во всех сферах жизни. Мы говорим: “Он энергичный человек” - и всем понятно, о каких качествах человека идет речь. Невозможно представить себе деятельность, которая не связана с энергией, ведь даже процесс мышления требует энергии.

Конечно, можно рассуждать о том, как обеспечить достаточное количество энергии в будущем, не зная ничего о её свойствах. Точно так же вы можете наслаждаться телепередачей, не зная устройства телевизора и умея только нажимать кнопки. Но если вы заглянете немного глубже в природу энергии, это даст вам ключ к пониманию многих проблем окружающей среды и убедит в необходимости искать новые пути получения энергии в будущем. В результате знакомства с проблемами энергопотребления у вас возникнут определенные навыки и образ мышления, необходимые для жизни в будущем обществе.

Понятия энергии: формы и свойства

Мы описываем предметы и окружающую обстановку, используя такие физические понятия и величины, как цвет, вес, температура, скорость и т. д. Не все эти величины мы используем одновременно или не все они одинаково важны для нас. Тем не менее, одна величина - энергия - присутствует всегда и везде.

Энергия - скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие. 

Энергия проявляется в различных формах

В настоящее время имеется научно обоснованная классификация видов или форм энергии. Приведем виды энергии, которые к настоящему времени наиболее часто используются как в повседневной жизни, так и в научных исследованиях [1].

Ядерная энергия – энергия связи нейтронов и протонов в ядре, освобождающаяся в некоторых случаях деления тяжелых и синтеза легких ядер; в последнем случае ее называют термоядерной.

Химическая (логичнее – атомная) энергия – энергия системы из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия высвобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях.

Электростатическая энергия – потенциальная энергия взаимодействия электрических зарядов, то есть запас энергии электрически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодоления им сил электрического поля.

Магнитостатическая энергия – потенциальная энергия взаимодействия «магнитных зарядов», или запас энергии, накапливаемый телом, способным преодолеть силы магнитного поля в процессе перемещения против направления действия этих сил. Источником магнитного поля может быть постоянный магнит, электрический ток.

Упругостная энергия – потенциальная энергия механически упруго измененного тела (сжатая пружина, газ), освобождающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии.

Тепловая энергия – часть энергии теплового движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды.

Механическая энергия – кинетическая энергия свободно движущихся тел и отдельных частиц и потенциальная энергия. Кинетическая энергия - энергия движения. Если между телами, находящимися на расстоянии друг от друга, действует сила (например, притяжение между Землей и Луной), то эти тела обладают потенциальной энергией. Потенциальная энергия - энергия взаимодействия. Она зависит от положения тел относительно друг друга, поэтому можно сказать, что потенциальная энергия - энергия положения. Потенциальная энергия готова выплеснуться наружу, превратиться в энергию движения. Поэтому её и называют “потенциальной”, т. е. “скрытой”, “возможной”.

Электрическая (электродинамическая) энергия – энергия электрического тока во всех его формах.

Электромагнитная (фотонная) энергия – энергия движения фотонов электромагнитного поля.

Часто в особый вид энергии выделяют еще и биологическую. Биологические процессы – это особая группа физико-химических процессов, в которых нет других видов энергии, кроме вышеперечисленных.

Из всех известных видов энергии на практике непосредственно используются всего четыре вида: тепловая (около 70–75 %), механическая (около 20–22 %), электрическая (около 3–5 %) и электромагнитная – световая (менее 1 %). Причем электрическая энергия, выполняет, в основном, роль переносчика энергии, так как ее удобно подводить от источника к потребителю по проводам.

Главным источником непосредственно используемых видов энергии служит пока химическая энергия минеральных органических горючих (уголь, нефть, природный газ др.), запасы которой, составляющие доли процента всех запасов энергии на Земле, вряд ли могут быть бесконечными (то есть возобновляемыми).

Некоторые страны (Россия, США, Франция) активно используют ядерную энергию. Первый ядерный реактор был введен в работу в декабре 1942 года в США.

В настоящее время в ряде стран все шире используются возобновляемые источники энергии, такие как энергия солнца, ветра. воды и др.

Практически в любом технологическом процессе используется несколько видов энергии. Для определения энергоемкости какого-либо технологического продукта было предложено все виды энергии классифицировать на три группы:

Первичная энергия Э1 – химическая энергия ископаемого первичного топлива или возобновляемого ресурса с учетом энергетических затрат на добычу, подготовку (обогащение), транспортировку и т. д.

Производная энергия Э2 – энергия преобразованных энергоносителей, например: пар, горячая вода, электроэнергия, сжатый воздух, кислород, вода и др., с учетом затрат на их преобразование.

Скрытая энергия Э3 – энергия, израсходованная в предшествующих технологиях и овеществленная в сырьевых исходных материалах процесса, технологическом, энергетическом и т. п. оборудовании, капитальных сооружениях, инструменте и т. д.; к этой же форме энергии относятся энергозатраты по поддержанию оборудования в работоспособном состоянии (ремонты), энергозатраты внутри - и межзаводских перевозок и других вспомогательных операций.

Для многих массовых видов продукции величина энергетических затрат в виде скрытой энергии, то есть вносимой оборудованием и капитальными сооружениями, являются относительно незначительной по сравнению с другими двумя видами энергии и поэтому в первом приближении может включаться в расчет по примерной оценке.

Кроме того, существует энергия вторичных энергоресурсов, которая вырабатывается в процессе производства данной продукции, но передается для использования в другой технологический процесс – Э4 .

Суммарные энергозатраты на производство единицы какой-либо продукции в этом случае можно записать в виде:

Эсум = Э1 + Э2 + Э3 – Э4

Суммарные энергозатраты (энергоемкость) называют также технологическим топливным числом (ТТЧ) или энергетическим эквивалентом конкретного вида продукции (стали, кирпича и др.) [1].

Свойство энергии: энергия - мера того, что может произойти

Различные формы энергии важны сами по себе, но еще более важно то, что происходит, когда энергия переходит из одной формы в другую. Все движущиеся предметы имеют кинетическую энергию. Когда предмет останавливается, его кинетическая энергия переходит в другую форму - подумайте над мрачноватым изречением: “Убивает не скорость, с которой едешь, а внезапная остановка”.

Если предмет находится на высоте над какой-то поверхностью, он имеет потенциальную энергию относительно этой поверхности. Человек на рисунке имеет потенциальную энергию относительно поверхности земли. И скоро он в этом убедится, когда его потенциальная энергия перейдет в кинетическую!

Это две простые иллюстрации общего правила: каждый раз, когда энергия меняет форму, что-то происходит, и наоборот, каждый раз, когда что-то происходит, энергия меняет форму.

Таким образом, можно сказать: энергия - это то, что может заставить что-нибудь произойти.

Контрольные вопросы

1. Что такое энергия?

2. Что такое энтропия?

3. Что определяет энергия?

4. Перечислите свойства энергии.

5. Какие бывают формы энергии?

6. Охарактеризуйте такие виды энергии, как кинетическая и потенциальная.

7. Как определить суммарные энергозатраты технологического процесса?

Литература

1. Использование ресурсов и энергии: Учебное пособие для элективного курса «Энергосбережение» в старших классах / , , – Екатеринбург, 2010. – 122 с.

2. Лукашевич : социально-экологический проект : учебно-методическое пособие / , . – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та. – 2009. – 40 с.

3. Основы энергосбережения: учебник / , ; под ред. . Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 20с.

4. , Щелоков проблемы использования топлива. Екатеринбург; Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

5. , Щелоков для начинающих. Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

6. , Щелоков для всех. Екатеринбург: Энерго-Пресс. 2003 гс.

7. , , Лисиенко энергоэффективных технологий и техники (введение в хрестоматию энергосбережения для юношества) - Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

8. Энергосбережение. ШПИРЭ. Школьная программа использования ресурсов и энергии: учебное пособие для средней школы: Санкт- Петербург. 2004. URL:  http://esco-ecosys. *****/2007_8/art179-end. htm.

9. Основы энергосбережения: Учеб. пособие / , , .2-е изд., стереотип. – Мн.: БГЭУ, 2002. – 198 с.

Лекция 2. Энергетические законы: сохранение энергии и качество энергии (2 часа)

Фундаментальность энергетических законов. Первый закон как закон сохранения энергии и закон количества. Второй закон как закон возрастания энтропии.

Фундаментальность энергетических законов

Физики сформулировали два важных энергетических закона. Эти законы фундаментальные, т. е. их нельзя нарушить: они действуют везде и всегда, независимо от вашего желания и даже независимо от того, знаете вы их или нет. У этих законов много названий, и выражаются они по-разному. Первый закон часто называют Закон Сохранения Энергии, а второй - Закон Возрастания Энтропии. Образно первый закон можно назвать законом количества, а второй - законом качества энергии. Скоро вы увидите, почему.

Рис. 2.2. Невозможное превращение энергии на картине М. Эшера

Закон сохранения энергии обычно формулируют так: Энергия не может исчезнуть бесследно или возникнуть ниоткуда.

Или так: Энергия может только менять форму и место.

Или по-другому: Количество энергии во Вселенной неизменно.

Откуда мы знаем, что энергия сохраняется, если даже не можем точно сказать, что такое энергия? Но физики и энергетики научились измерять различные формы энергии. Если мы сложим все значения, соответствующие разным формам энергии, то сумма их всегда будет одинаковой. Если вдруг выясняется, что энергия не сохраняется в каком-то явлении, ученые придумывают новую форму энергии и говорят, что “исчезнувшая” энергия на самом деле не исчезла, а превратилась в эту новую форму. И снова общая сумма остается неизменной. Может показаться, что сохранение энергии - просто выдумка ученых. Но это не так. Например, с помощью закона сохранения энергии были предсказаны теоретически и потом открыты экспериментально новые элементарные частицы.

С древних времен и до наших дней люди, не верящие в закон сохранения энергии, пытаются построить устройство, которое совершало бы полезную работу, не расходуя энергии, т. е. не получая её ниоткуда. Это так называемый вечный двигатель. Не пытайтесь повторить их попытки! Это также невозможно, как построить в действительности сооружение, изображенное на рисунке 2.2. На первый взгляд, все правдоподобно. Но когда вглядишься внимательно - абсурд. Так и различные проекты вечных двигателей. На первый взгляд, в чертежах все хорошо и должно работать. А включаешь - не работает. И не будет! Закон сохранения энергии запрещает. А если все-таки работает - где-то спрятан источник энергии. Если совершаешь полезную работу - обязательно тратишь энергию! За всю историю человечества никто и никогда не наблюдал нарушения закона сохранения энергии.

Первый энергетический закон: Количество энергии остается неизменным

Плотина гидроэлектростанции перегородила реку, образовалось водохранилище. Уровень воды в водохранилище поднялся по сравнению с уровнем в русле реки за плотиной, поэтому вода в водохранилище обладает потенциальной энергией. Падая с этой высоты, вода теряет потенциальную энергию, но приобретает кинетическую. Попадая на лопатки гидротурбины, вода отдает свою кинетическую энергию турбине, и та приобретает кинетическую энергию вращения. Турбина вращает электрический генератор, в котором механическая энергия вращения переходит в электрическую энергию. По проводам электрическая энергия доходит до электролампочки в вашей квартире, и в ней превращается в тепловую (большая часть) и в световую (меньшая часть). По пути часть энергии теряется на нагревание проводов, на трение в подшипниках турбины и генератора.

Этот пример показывает, что энергия может превращаться из одной формы в другую. При этом, если учесть все потери, величина энергии во всей цепочке превращений не изменяется.

В соответствии с законом сохранения энергии неправильно говорить о “расходовании” энергии. Как будто мы её израсходовали, и она исчезла, как израсходованные деньги исчезли из вашего кошелька. Нет, энергия перешла в другую форму, может быть, бесполезную для нас, или даже вредную. Можно говорить о расходовании электрической энергии - при этом она переходит в тепловую.

Этот закон дает нам простое решение проблемы нехватки энергии в будущем. Берегите энергию и используйте её повторно, превращая в ту форму, которая вам нужна. Второй закон энергии объясняет, почему это все не так просто.

Второй энергетический закон: снижение качества энергии

Все виды энергии в конечном счете превращаются в тепло, которое, переходя к более холодным телам рассеивается в окружающей среде, излучаясь затем в мировое пространство. Поэтому ученые ввели новый термин, отражающий меру рассеяния энергии, и назвали её энтропией. По мере изучения рассеяния энергии Р. Клаузиусом и другими был сформулирован новый закон возрастания энтропии, который отражает снижение качества энергии, ставший позже вторым законом термодинамики. Какие бы изменения не происходили в реальных изолированных системах, они всегда ведут к увеличению энтропии (невозможно помешать рассеянию энергии).

Рассмотрим изменение энергии и ее качества на примере движения автомобиля. Часть химической энергии бензина преобразуется в двигателе в кинетическую энергию и используется для разгона и движения автомобиля. Мы называем это полезной энергией, или работой. Остальная часть энергии (помните закон количества?) переходит в окружающую среду как тепловая энергия. Мы называем эту часть энергии энергетическими потерями.

Этот упрощенный пример демонстрирует другое свойство энергии: каждый раз, когда энергия переходит из одной формы в другую, только часть энергии расходуется с пользой, остальная часть теряется бесполезно и переходит в виде тепла в окружающую среду. Величина полезной части сильно различается в зависимости от формы энергии и используемой технологии.

Тепловые машины превращают тепловую энергию в удобную для потребления энергию, например, механическую или электрическую. Бензиновый двигатель - пример такой машины. Тепловые машины превращают энергию не очень экономно. Большинство тепловых электростанций превращают в электроэнергию не более 40% энергии, получаемой при сгорании нефти, газа или угля. При этом оставшиеся 60% энергии выбрасываются в окружающую среду в виде тепла. Атомные электростанции в этом смысле ещё хуже. Реально они превращают в электроэнергию не более 30% энергии ядерного горючего, а 70% уходят на нагревание окружающей среды.

Не все формы энергии для нас, потребителей, одинаково ценны: у них разное энергетическое качество. Что это значит? Попробуем оценить качество энергии, или её энергетическую ценность для нас. Сравним одинаковые количества электрической и тепловой энергий. Первую мы можем использовать и для освещения, и для обогрева, и для совершения механической работы. Вторую мы можем использовать практически только для обогрева, и при этом значительная её часть при передаче на расстояние безвозвратно теряется. Та или иная форма энергии обладает высоким качеством, если большая часть энергии в этой форме может превращаться в другую полезную форму с малыми потерями. Чем большую часть данного вида энергии можно использовать для производства полезной работы, тем выше качество данного источника энергии. Вот почему в приведенном нами примере качество электрической энергии выше, чем тепловой.

Можно классифицировать формы энергии по качеству следующим образом:

Отличное качество. Примеры: потенциальная энергия, кинетическая энергия, электрическая энергия.

Высокое качество. Примеры: ядерная энергия, химическая энергия, высоко-температурная тепловая энергия (температура выше 100 °С).

Низкое качество. Пример: низкотемпературная тепловая (температура ниже 100 °С).

Вы можете спросить, почему ядерная энергия имеет высокое качество, а атомные электростанции дают так мало полезной энергии (только 30%)? Дело в том, что на АЭС электрическая энергия вырабатывается электрическими генераторами, которые приводятся во вращение паровыми турбинами, как на обычных тепловых электростанциях. Ядерная энергия в ядерном реакторе преобразуется сначала в тепловую, а затем в турбине и генераторе - в электрическую. Ядерная энергия превращается в тепловую очень хорошо, а вот тепловая в электрическую - как и на обычных тепловых электростанциях - не очень.

Таким образом, любое энергетическое превращение сопровождается образованием тепла, которое, в конце концов, безвозвратно рассеивается в окружающую среду. Иными словами, полезная энергия убывает. Теряется не энергия вообще, а энергия, которая могла бы быть направлена для производства полезной работы.

Об этом свойстве энергии говорит второй закон:

Высококачественная энергия способна превращаться в низкокачественную с малыми потерями, но обратное превращение невозможно.

Вообще, конечно, можно получать энергию более высокого качества из низкокачественной. Например, можно превратить часть высококачественной энергии в энергию отличного качества, скажем, химическую энергию в электрическую на тепловой электростанции. Но одновременно при этом бóльшая часть начальной высококачественной энергии будет превращаться в энергию низкого качества (тепловую). В результате все равно качество энергии в целом снижается.

Это фундаментальное свойство энергии и её превращений (второй энергетический закон) можно выразить ещё в такой форме:

Невозможно создать машину, которая полностью превращала бы данное количество тепловой энергии в полезную работу.

Или: Когда данное количество энергии превращается в другую форму, качество энергии снижается.

Поэтому мы называем второй закон законом качества энергии.

Развитие учения об энергии и ее превращениях постоянно сопровождалось попытками создания теорий и принципов работы оборудования, выходящих за рамки первого и второго начала термодинамики. Самый известный из них – вечный двигатель (перпетуум-мобиле) [9].

Различают два рода вечных двигателей.

Вечный двигатель первого рода, который можно сейчас определить как непрерывно действующую машину, которая, будучи как-то запущенной, совершала бы работу без получения энергии извне.

Вечный двигатель второго рода – тепловая машина, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью использует теплоту, получаемую от какого-то «неисчерпаемого» источника (океана, атмосферы и т. п.), для совершения работы.

Объединяет эти двигатели одно общее, весьма существенное свойство – они не могут существовать в реальности, так как двигатель первого рода противоречит первому закону термодинамики, а второй – второму.

Но, пожалуй, наиболее впечатляющей была теория все того же Р. Клаузиуса – теория «тепловой смерти Вселенной». Он попытался распространить положения второго начала термодинамики на всю Вселенную. Согласно этим утверждениям, через какой-то достаточно длительный промежуток времени вся энергия, имеющаяся на Земле и в других частях Вселенной, превратится в теплоту, а равномерное распределение последней между всеми телами Земли и Вселенной приведет к невозможности каких бы то ни было дальнейших превращений энергии. Это и будет означать тепловую смерть Вселенной.

Эта теория была опровергнута рядом исследователей, в том числе,
Л. Больцманом в 1872 году. На основе молекулярно-кинетической теории он продемонстрировал, что закон возрастания энтропии неприменим к Вселенной, потому что он справедлив только для статистических систем, состоящих из большого числа хаотически движущихся объектов, поведение которых определяется изменением параметров состояния (например, для газов – давлением, температурой, удельным объемом), подчиняется законам теории вероятностей. Возрастание энтропии таких систем указывает лишь наиболее вероятное направление протекания процессов.

В период опровержения теории тепловой смерти Вселенной немецкий ученый В. Нернст предположил, что с приближением абсолютной температуры к нулю энтропия тоже стремится к нулю, что впоследствии стало третьим законом термодинамики. Основываясь на этом законе, за нулевую точку отчета энтропии любой системы можно принимать ее максимальное упорядоченное состояние.

Эти три закона и молекулярно-кинетическая теория составляет основу термодинамики, которая в настоящее время является одной из фундаментальных основ современного естественнонаучного знания.

Контрольные вопросы

1.Назначение паровоза и электровоза одинаково. Почему электровозы вытеснили паровозы с железных дорог?

2. Попробуйте перечислить все каналы потерь энергии при движении автомобиля.

3. Какие превращения энергии происходят при:

- запуске на орбиту космического корабля,

- ударе футболиста по мячу,

- подъеме в лифте,

- забивании гвоздя в доску.

4. Почему большинство метеоритов сгорает в атмосфере Земли, и только самые крупные долетают до поверхности?

5. Среди полезных хозяйственных советов часто встречается такой. Если вы храните картошку зимой на лоджии, чтобы картошка не замерзла, в ящик, где она хранится, поместите электрическую лампочку и включайте её периодически (например, на ночь). Зачем? Разве в темноте холоднее, чем на свету?

Литература

1. Лукашевич : социально-экологический проект : учебно-методическое пособие / , . – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та. – 2009. – 40 с.

2. Основы энергосбережения: учебник / , ; под ред. . Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 20с.

3. , Щелоков проблемы использования топлива. Екатеринбург; Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

4. , Щелоков для начинающих. Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

5. , Щелоков для всех. Екатеринбург: Энерго-Пресс. 2003 гс.

6. , , Лисиенко энергоэффективных технологий и техники (введение в хрестоматию энергосбережения для юношества) - Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

7. Энергосбережение. ШПИРЭ. Школьная программа использования ресурсов и энергии: учебное пособие для средней школы: Санкт- Петербург. 2004. URL:  http://esco-ecosys. *****/2007_8/art179-end. htm.

8. Основы энергосбережения: Учеб. пособие / , , .2-е изд., стереотип. – Мн.: БГЭУ, 2002. – 198 с.

9. Использование ресурсов и энергии: Учебное пособие для элективного курса «Энергосбережение» в старших классах / , , – Екатеринбург, 2010. – 122 с.

Лекция 3. Энергетическая эффективность(2 часа)

Энтропийный капкан. Виды потерь энергии.

Энтропийный капкан

В предыдущей лекции сообщалось, что по мере поиска и освоения энергии был сформулирован первый закон термодинамики (закон сохранения энергии). Согласно ему, при любых физических или химических взаимодействиях, при любом перемещении вещества из одного места в другое, при любом изменении температуры энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одного вида в другой. Другими словами, энергия, полученная или затраченная какой-либо живой или неживой системой, должна быть равна той энергии, которую одновременно получила от системы или отдала ей окружающая ее среда. Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: выход энергии всегда равен ее затратам; нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить.

Другая особенность превращения энергии из одного вида в другой – всегда происходит снижение качества энергии, или уменьшается количество полезной энергии. Закон снижения качества энергии известен как второй закон термодинамики. Представим его на примерах.

1.  Когда движется автомобиль, в механическую энергию, приводящую его в движение, и электрическую энергию всех его систем превращается всего лишь около 10 % получаемой при сгорании бензина высококачественной химической энергии. Остальные 90 % в виде бесполезного тепла и вредных выбросов рассеиваются в окружающей среде.

2.  Когда электрическая энергия проходит через проволоку лампы накаливания, 5 % этой энергии превращается по назначению в световое излучение, а 95 % в виде тепла рассеивается в окружающей среде.

3.  Когда Вы употребляете пищу, при изменении ее химического состава в вашем организме выделяется энергия (используемая организмом для обеспечения процессов жизнедеятельности). В конечном итоге она также идет на увеличение внутренней энергии окружающей среды.

Из всех этих примеров видно, что мы практически никогда не можем восстановить или повторно использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы. Будучи раз использованной, сконцентрированная высококачественная энергия, которая содержится в литре бензина, полене дров или куске урана, рассеивается в окружающей среде в виде низкопотенциального тепла. Мы можем частично поправить положение, используя часть бесполезно теряемой энергии в одном процессе для нагрева воздуха или воды в других процессах.

Чтобы любой организм нормально функционировал, он должен потреблять получаемые извне вещество и энергию высокого качества. Используя эти ресурсы, он возвращает в окружающую среду низкокачественное тепло. Так, тело человека постоянно излучает такое же количество тепла, как электрическая лампочка мощностью 100 Вт. Кроме того, постоянно выделяются в атмосферу молекулы оксида углерода и водяных паров. При реализации любого технологического процесса в окружающую среду выбрасываются низкокачественное тепло, а также вредные выбросы, сбросы и отходы.

Получается, что формы жизни – это многочисленные хранилища порядка, который поддерживается созданием океана беспорядка в окружающей их среде. Определяющей чертой любого развивающегося общества следует считать постоянно возрастающие масштабы использования ресурсов вещества и энергии высокого качества для поддержания порядка в организме человека, а также в более крупных хранилищах порядка, называемых цивилизациями. Значит, современные промышленные сообщества повышают энтропию окружающей среды в бóльших масштабах, чем на любом предыдущем этапе человеческой истории. Это энтропийный капкан.

Да, согласно второму закону термодинамики, избежать увеличения энтропии окружающей среды нельзя. Но логика подсказывает, что с каждой новой энергетической эпохой развития общества человечество обязано не только механически увеличивать потребление энергии, но и сводить к минимуму то количество энтропии, которое производит само.

И конечными лимитирующими показателями здесь должны быть уровни удельного потребления энергии, других ресурсов, а также выхода выбросов, сбросов и отходов на единицу валового внутреннего продукта, а уже потом душевое потребление энергии на душу населения. При оценке затрат энергии на выпуск конкретной продукции этим показателем должна быть ее энергоемкость [9].

Виды потерь энергии

Если мы будем рассматривать промышленные предприятия как систему (рис. 2.3), то можем установить, что, с одной стороны, имеются затраты энергии, сырья и труда, а с другой стороны – выпуск продукции, выход вторичных энергоресурсов и материалов. На практике можно ограничиться выпуском продукции, а вторичную энергию и материалы можно не использовать, что нередко и наблюдается в реальной жизни. Это первый вид потерь энергии.

Непосредственно в производственном процессе может использоваться различное оборудование для реализации конкретных промышленных процессов, эффективность или КПД (коэффициент полезного действия) которого, в зависимости от уровня температуры, изменяется от 10 до 70 %. Это второй вид потерь энергии.

Труд Продукция Вторичные Энергия энергоресурсы Вторичные Сырье материалы Рециркуляция Рециркуляция

Рис. 2.3. Система промышленного производства [9]

Непосредственно в производственном процессе может использоваться различное оборудование для реализации конкретных промышленных процессов, эффективность или КПД (коэффициент полезного действия) которого, в зависимости от уровня температуры, изменяется от 10 до 70 %. Это второй вид потерь энергии.

КПД многих технологических процессов можно повысить за счет улучшения использования топлива на каждой стадии производства продукции, применения специальных устройств для производства энергии из вторичных энергоресурсов. Но, не рассматривая здесь экономические, инвестиционные и тому подобные возможности, отметим только, что вид и состояние используемой технологии не всегда способствуют реализации такой возможности.

Поясним это на примере обогрева хорошо изолированного дома. При его обогреве за счет поступления прямой солнечной радиации через обращенные к солнцу окна потери тепла составляют не более 10 %. Если есть такая климатическая и техническая возможность, то, используя солнечную радиацию, поступающую естественным путем или улавливаемую специальными устройствами, можно получить нужное количество тепловой энергии для отопления без значительных потерь в окружающую среду (5–10 %).

При обогреве того же дома за счет использования электроэнергии, выработанной на АЭС, подаваемой по линии электропередач и превращенной в тепловую форму (теплоту сопротивления), потери тепла составляют 86 %. Тепловые потери складываются из потерь:

добыча урана – 5 %,

обогащение и перевозка урана – 41 %,

электростанция – 37 %,

передача электроэнергии – 3 %.

Получается, что превращение высококачественной энергии, извлекаемой из ядерного топлива, в тепловую энергию с температурой в несколько тысяч градусов и далее в высококачественную электроэнергию, а затем целевое использование этой энергии для поддержания температуры в доме на уровне 18–20 оС является расточительным процессом.