Подавляющее число людей не понимают главного: в отличие от материалов, которые могут служить многократно, энергию можно использовать только один раз, и практически вся она сконцентрирована в ядрах атомов. Энергия — понятие древнее: оно встречается уже у Аристотеля, где означает некое деятельное начало. С возникновением науки стали различать потенциальную и кинетическую энергию, тепловую энергию, энергию химических реакций и т.д. и, наконец, работу, которую можно выполнить, используя различные виды энергии. Трудами Роберта Майера (1842) и Германа Гельмгольца (1847) был установлен закон сохранения энергии (первый закон термодинамики, по словам Майкла Фарадея, «высший из всех, доступных человеческому пониманию»): энергия не возникает и не уничтожается, она только переходит из одной формы в другую.

В1847 г. Джеймс Джоуль установил механический эквивалент теплоты: 1 ккал = 427 кгм, и встал вопрос о законах превращения тепла в работу. В действительности он возник еще раньше, когда тепло представляли себе как некую невесомую жидкость — теплород, а распространение тепла — как перетекание этой жидкости от горячего тела к холодному.

В1824 г. молодой офицер инженерных войск Сади Никола Карно написал сочинение «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в котором установил, что с помощью тепловых машин в работу можно превратить не все тепло, а только его часть n = (T1-T2)/T3, где T1 и T2 — абсолютная начальная и конечная температура тепловой машины. Важно отметить, что обычно использование энергии проходит через стадию тепла, а следовательно, подчиняется принципу Карно. При этом только часть тепла можно обратить в работу, а другая его часть безвозвратно теряется (переходит в низкопотенциальное тепло, которое в работу обратить нельзя); мера этих потерь называется энтропией. Энтропия замкнутой системы непрерывно растет, пока в ней совершается работа, и этот факт составляет содержание второго закона термодинамики.

Сегодня общая мощность энергетики мира составляет = 1.6 1013 Вт, т.е. в среднем ~2 кВт на человека, а в индустриально развитых странах даже 6-12 кВт/чел. Рост производства энергии (1.5%/год) опережает рост населения (1.17%/год) (в основном за счет развивающихся стран), и становятся актуальными вопросы: насколько этот рост обеспечен природными ресурсами топлива, существуют ли пределы роста генерации энергии и насколько они обоснованы.

Основной ресурс энергии на Земле — излучение Солнца: его общая мощность, достигающая поверхности Земли, равна 0.81017 Вт, т.е. примерно в 5 тыс. раз превышает мощность всей энергетики мира, а его средняя мощность равна ~160 Вт м². Из этой мощности только ~0.3% (~21014 Вт) усваивается растениями в процессе фотосинтеза, а остальная часть расходуется на ветры, облака, течения — все, что мы называем климатом и погодой.

В древности основным источником энергии служили дрова, т.е. продукция фотосинтеза, образующаяся под действием солнечных лучей. В эпоху промышленной революции (XVIII в.) стали использовать уголь, в1856 г. пробурили первую нефтяную скважину, а в ХХ в. начали интенсивно жечь природный газ. Во всех случаях при этом используется химическая энергия горения углерода, которая на протяжении веков согревала человека: C + O2-CO2 + 4.2 эВ.

Энергию деления ядер урана: U-осколки + 200 МэВ — человек начал использовать только в середине ХХ в. В каждом акте деления выделяется энергия в 50 млн. раз большая, чем при сгорании одного атома углерода, поэтому потенциальные запасы энергии в Земле много больше, чем думали 100 лет назад.

Энергию синтеза ядер человек еще не освоил, но уже научился освобождать — пока только в виде взрыва термоядерной бомбы, в которой инициируется реакция d + t-He + n + 17.6 МэВ.

Чтобы обеспечить такую энергетику дровами, необходимо сжигать ~20% ежегодной продукции фотосинтеза. Нефть и газ также не могут решить эту задачу, поскольку при прогнозируемой мощности будущей энергетики, по оценкам, их ресурса хватит не больше, чем на 50 — 100 лет. Угля хватит лет на 300-500, однако экологический ущерб от его сжигания оценивается сегодня как неприемлемый. После этого останется только ядерная энергия, а также энергия солнечного излучения — тоже ядерная: Солнце светит за счет реакции слияния четырех протонов в ядро гелия (4p 4He + 26.73 МэВ).

Существует также проблема «теплового загрязнения», а именно — предел роста производства энергии без нарушения равновесия биосферы Земли. Если численность населения нашей планеты стабилизируется на уровне ~12 млрд. человек и все они захотят жить на уровне современных развитых стран, т.е. потреблять энергию ~10 кВт/чел, общая мощность энергетики вырастет до ~1014 Вт = 105 ГВт. Эта энергия вдвое больше, чем прогноз на конец ХХ1 в. и составляет ~0.1% от мощности солнечной энергии, приходящей на Землю. Такой рост энергии приведет к приросту средней температуры Земли примерно на 0.1°С, т.е. даже максимальный сценарий роста энергетики не должен разрушить тепловой баланс биосферы Земли (но уже близок к допустимому пределу).

Средняя мощность излучения Солнца у поверхности Земли с учетом ночных часов и облачных дней не превышает ~50 Вт/м², а если учесть эффективность (~20%) современных преобразователей излучения в электричество, она снижается до ~10 Вт/м². Чтобы обеспечить бытовые потребности (~1 кВт/чел), достаточно покрыть фотоэлементами крышу дома площадью100 м², что вполне реально и уже сейчас делается в южных странах. Таким способом можно удовлетворить все бытовые нужды (хотя и очень дорого), но это не решает проблем промышленности, транспорта и любого крупного производства, которое требует значительно большей концентрации энергии. В отдаленном будущем, когда будут исчерпаны все земные запасы топлива, излучение Солнца останется единственным источником энергии, и, если к этому моменту человечество еще будет существовать, оно обязано найти способ его эффективного использования. Топливный ресурс ядерной энергетики, с учетом запасов урана в океане и земной коре, — миллионы лет, так что у человечества достаточно времени для перехода в эпоху солнечной энергетики, которая свободна от проблемы «теплового загрязнения».

Добавить комментарий