ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Необходимые для общества формы энергии из "Химические источники энергии" Простейшая деятельность человека — целесообразное изменение первоначальных продуктов природы, защита от неблагоприятных внешних условий (холода, непогоды или диких зверей) — требует в первую очередь механической работы. Большое значение для человека имеет и тепло — явление, также связанное с изменением энергии и в известном смысле аналогичное работе (см. гл. II, 1). [c.15] Первобытный человек собирал пищу, создавал свои примитивные орудия, охотился и рыбачил, устраивал жилье, применяя механическую работу. Даже в современном обществе энергия используется преимущественно в форме механической работы в промышленности и сельском хозяйстве, строительстве и транспорте, быту и т. д. машины производят для нас механическую работу. Кроме того, еще и сегодня очень важна механическая работа, производимая самим человеком. [c.15] Наряду с механической работой с древних времен большую роль в жизни человека играло тепло. В древности, чтобы получить его искусственным путем, то есть добыть огонь, нужно было затратить очень много механической работы на трение сухого дерева и разогрев его до такой температуры, чтобы оно воспламенилось. Мы и сейчас не можем обойтись без механической энергии для получения огня, но наши нынешние остроумные приспособления (спички, зажигалки) позволяют это сделать с ничтожными затратами сил. Открытие способа добывать огонь означало большой шаг в развитии человечества. С тех пор огонь сделался неизменным слугой человека. [c.15] которое освобождается в результате химического превращения и проявляется в виде огня, используется современным человеком не только непосредственно для обогрева, но и как некая переходная ступень превращения химической энергии в механическую работу. Нужно заметить, что образование тепла не всегда желательно. Однако почти каждое превращение энергии сопровождается образованием тепла. Поскольку тепло не может быть полностью превращено в работу (см. гл. И, 1), в ряде случаев (например, при трении) его можно считать формой энергии, полностью потерянной для человека. [c.16] Первым в истории человечества искусственно вызванным химическим процессом было, пожалуй, горение — разложение при помощи окисления растительной массы, имеющей сложный химический состав, на вещества более простые, такие, как вода, углекислый газ и др. Огонь помог человеку использовать и другие химические процессы, именно благодаря огню человек смог сделать свои продукты питания мягче, вкуснее и удобоваримее. Позднее при помощи огня удалось из руды получить металл. [c.16] Долгое время человек получал световую энергию исключительно при помощи сжигания (окисления) нагретых до каления твердых веществ. В факелах, масляных лампах, в свечах, керосиновых лампах и газовых фонарях свет излучают либо возникающие в результате неполного сгорания раскаленные угольные частички, либо введенные в пламя другие твердые вещества (например, так называемая калильная сетка). В современных лампах накаливания свет дает также раскаленное твердое вещество (вольфрамовая нить накаливания), но здесь свет излучается не благодаря освобождающейся в результате окислительного про- цесса химической энергии, а за счет превращения электри- еской энергии в световуюДаже наша повседневная речь отражает эти изменения раньше мы говорили зажечь % вет , сейчас мы все чаще говорим включить свет . [c.17] Все же превращение электрической энергии в световую рн посредстве тепла неэкономично. Поэтому ныне прилага- ются усилия к исключению тепла как посредника при этом превращении. В новейших осветительных приборах элек-I трическая энергия превращается в световую без сколько- нибудь значительного выделения тепла, поэтому такие приборы отдают при одинаковом потреблении электрической энергии в три-четыре раза больше световой энергии, чем лампы накаливания. [c.17] Электрическую энергию можно передавать на большие расстояния с относительно малыми потерями и, таким образом, легко подводить к потребителям, поэтому ее следует считать лучшей и наиболее легко поддающейся использованию формой энергии, с помощью которой имеющиеся в природе энергетические ресурсы распределяются в соответствии с нашими нуждами. [c.18] Ныне электрическая энергия производится в основном в результате превращения химической энергии угля или нефти сначала в тепло, которое дает возможность получать механическую работу за счет этой работы и получается в дальнейшем электрическая энергия. Такое непрямое превращение весьма неэкономично, так как при этом пропадает значительная часть энергии. При современном состоянии науки и техники мы не можем обойтись без такого, связанного с большими потерями, способа получения электрической энергии, хотя теоретически мы уже знаем, как можно избежать этих потерь. Соответствующие методы уже применяются в лабораторных условиях. Однако надежное и экономически оправданное непосредственное превращение в больших масштабах химической энергии в электрическую потребует еще очень большой исследовательской работы. [c.18] Незначительная часть электрической энергии производится не из химической, а из механической (потенциальной и кинетической) энергии воды на гидроэлектростанциях. В последнее время начинает получать некоторое распространение новый метод получения электроэнергии — путем превращения атомной энергии в электрическую, — однако и здесь потери энергии в виде тепла значительны. [c.18] В настоящее время находят также применение, правда в весьма ограниченных масштабах, такие виды энергии, как акустическая и магнитная. [c.18] В большинстве случаев природа поставляет нам энергию не в той форме, в какой она нужна для наших конкретных целей. Поэтому мы вынуждены преобразовывать имеющуюся в нашем распоряжении энергию. Для получения работы мы должны найти соответствующие источники энергии, то есть такие вещества, которые являются носителями наиболее пригодного для реализации (с учетом современного состояния науки и техники) вида энергии. [c.19] Следует заметить, что живые организмы (в том числе человек) сами являются носителями значительных запасов энергии. Живые организмы содержат относительно большое количество химической энергии, характер которой будет рассмотрен в 6 настоящей главы. В ходе тонких и до сих пор еще недостаточно изученных химических процессов происходит превращение энергетически богатых сложных веществ живого организма в простые вещества, которое сопровождается выделением энергии. Эти превращения являются источником мускульной работы человека и животных, при помощи которой они поддерживают свои жизненные функции, перемещаются, обеспечивают себе пропитание, а также могут производить необходимые и полезные изменения окружающей среды. Эти естественные источники энергии, питаемые химической энергией собственного тела, удовлетворяли человека только на ранней стадии развития человеческого общества, длившейся, однако, многие тысячелетия. Уже в первобытную эпоху человек поставил себе на службу внешний энергетический источник — мускульную силу животных, что позволило ему значительно увеличить объем производимых работ Позднее, еще через многие тысячелетия, человек заставил работать на себя энергию воды, которая приводила в движение мельничные колеса и устройства оросительных систем, и ветра, который вращал крылья мельниц и надувал паруса судов. [c.19] Только с развитием капиталистического способа производства потребности в энергии настолько возросли, что не могли уже полностью удовлетворяться за счет эксплуатации существовавших в то время источников энергии. Появилась острая необходимость в открытии новых и привлечении не использованных ранее источников энергии. Примерно 200 лет назад был открыт пар нак носитель энергии. Во второй половине XVIII века в Англии, в то время наиболее развитой индустриальной стране, была сконструирована паровая машина, которая начала применяться в широких масштабах и обеспечила невероятно высокий, невиданный до тех пор темп промышленного развития. Поэтому XIX век, а также начало XX по праву считают веком пара. На исходе прошлого столетия у паровой машины появились конкуренты — двигатели внутреннего сгорания (бензиновые и дизельные). Преимущества двигателей внутреннего сгорания особенно велики для машин малой и средней мощности для очень больших мощностей все же выгоднее паровая машина. [c.20] Наряду с тепловыми электростанциями растет значение гидроэлектростанций, где генераторы электрического тока приводятся в движение не паровыми, а гидротурбинами. Однако при строительстве современных гидроэлектростанций необходимо сооружать водяные плотины и производить другие дополнительные работы, и в большинстве своем они требуют больших капиталовложений, чем тепловые электростанции. Все же производство электроэнергии на гидростанциях обходится дешевле благодаря использованию энергии воды, поставляемой самой природой, по распространение их ограничено в связи с тем, что экономичны они только там, где достаточно воды и благоприятен рельеф местности. Топливо же для котлов тепловых электростанций (уголь, нефть или газ) необходимо добывать из недр Земли весьма трудоемким путем и доставлять к месту потребления. [c.21] Наряду с тепловыми электростанциями, использующими химическую энергию, источниками которой являются уголь, нефть и газ, начинает завоевывать признание атомная энергия, носителем которой в настоящее время практически прежде всего является уран. Первая атомная электростанция, давшая промышленный ток, была построена в 1954 году в СССР, а в 1959 году со стапелей был спущен атомоход Ленин . С тех пор построено много более мощных атомных электростанций. Запасы урана достаточно велики, он дешев для транспортировки, отдаленность мест его добычи не имеет экономического значения. Если в будущем удастся осуществить управляемую термоядерную реакцию, то есть синтез ядер гелия из водорода, то топливо (водород, получаемый из воды) для производства электроэнергии мы будем иметь практически в неограниченном количестве. [c.21] Одна из этих возможностей заключается в том, что в некоторых химических соединениях под воздействием света может возникать до некоторой степени направленное движение электронов, то есть начинает течь ток . Это так называемый фотоэлектрический эффект, который используется в фотоэлементах. Здесь можно говорить о превращении световой энергии в электрическую без выделения сколько-нибудь значительного количества тепла. Принципиально световое излучение Солнца можно таким образом превращать в электрическую энергию без потерь. На практике из-за технического несовершенства фотоэлементы работают пока с к. п. д., не превышающим 10—12%, следовательно, превращают в электрическую энергию только 10—12% падающего на них излучения. На пути широкого внедрения фотоэлементов в технику имеются и другие препятствия, однако в особых условиях (например, в приборах, установленных в отдаленных пунктах, на космических кораблях и т. д.) они незаменимы. [c.22] На обычных электростанциях потери полезной работы возникают не только в связи с тем, что при превращении энергии она вначале переходит в тепло, но также из-за трения и износа твердых частей мащины. Поэтому предпочтительнее такие машины (даже в случае неизбежного превращения энергии в тепло при их работе), которые не имеют твердых движущихся частей. Теоретически, а в какой-то мере и практически такое устройство можно выполнить при помощи термоэлементов, состоящих из двух различных спаянных между собой металлов или полупроводников, где тепло непосредственно превращается в электрический ток. Магнитогидродинамические генераторы также не содержат твердых движущихся частей, электрический ток возникает здесь в сильно нагретом ионизированном газе, пропущенном через магнитное поле. Однако эти установки вследствие их технического несовершенства пока еще не могут обеспечить производство электроэнергии в широких масштабах. [c.23] Тысячелетний опыт науки и техники, бесчисленные эксперименты привели нас к выводу, что энергия не может ни возникнуть из ничего, ни исчезнуть. Мечта многих изобретателей о машине, которая производила бы механическую работу, не питаясь от внешнего энергетического источника (перпетуум мобиле), так и осталась мечтой. Этого факта было достаточно для того, чтобы сформулировать один из основных законов природы, так называемый закон сохранения энергии. [c.23] Переход одного вида энергии в другой может совершаться различными способами. Если не принимать во внимание технических несовершенств, то мы можем сказать, что из определенного количества энергии одного вида всегда возникает (в случае полного превращения) вполне определенное количество другого вида энергии независимо от того, каким способом и с помощью какого устройства совершено это превращение. Так, например, из 1 кГм механической работы всегда возникает 2,34 кал и из 1 кВт ч электрической энергии — всегда 860 ккал тепла (если при этом не возникают другие формы энергии). Когда в процессе превращения образуется несколько видов энергии, нужно учитывать сумму энергий всех видов, выраженных в одинаковых единицах. Исходя из этого, можно сказать, что закон превращения энергии является составной частью закона сохранения энергии. [c.24] Вернуться к основной статье