Энергия — универсальная мера движения в макромире

Источники энергии. Деградация, накопление и передача энергии.

Движения, наблюдаемые в макромире, качественно различаются. В зависимости от вида движущегося объекта их можно подразделить на механические, электромагнитные и внутренние.

Механическим называют движение ограниченного количества макроскопических тел.

Электромагнитное движение – это движение световых частиц — фотонов. В макромире мы воспринимаем, как правило, коллективные движения фотонов, представляющие собою электромагнитные волны. Примером электромагнитного движения может служить распространение радиоволны.

Внутренним считают беспорядочное движение молекул, составляющих макроскопическое тело. Внутреннее движение проявляет себя в макромире в виде тепла.

Эти движения могут превращаться друг в друга. Электрический генератор преобразует механическое движение в электромагнитное, а электродвигатель производит обратное преобразование. Когда электрический ток протекает по проводнику, электромагнитное движение превращается во внутреннее. Мы ощущаем его в виде тепла. Химические источники тока превращают внутреннее движение в электрическое. Процессы трения приводят к преобразованию механического движения во внутреннее. И, наконец, многочисленное семейство тепловых двигателей было создано для преобразования внутреннего движения в механическое.

Для измерения различного рода движений человечеством были придуманы всевозможные меры. Для измерения количества механического движения используется величина, равная произведению массы движущегося тела на его скорость. Использовать эту величину для измерения электромагнитного движения невозможно, так как непонятно, что считать массой. Поэтому для электрического движения придумали специальные величины, например, силу электрического тока. Мера механического движения не подходит и для измерения количества внутреннего движения, потому что невозможно однозначно определить, куда направлена скорость беспорядочного движения молекул. Поэтому количество тепла измерялось в специальных единицах — калориях.

Взаимное преобразование движений требует умения определять количество движения, переходящего из одного вида в другой. Для этого приходится сравнивать количества разнородных движений. Необходима общая мера, пригодная для измерения движений разного вида.

С похожей проблемой человечество столкнулось, пытаясь в процессе обмена сравнивать различные товары. Для такого сравнения были придуманы деньги как мера, позволяющая сравнивать товары в процессе их обмена. Деньги служат универсальным товарным эквивалентом.

В решении научных задач значительную роль играет концепция аналогии. Аналогия позволяет переносить в другую научную отрасль метод решения известной задачи. Метод аналогий обладает большой силой, так как позволяет значительно сократить время, затрачиваемое на решение задачи. Однако он таит в себе и многочисленные опасности. Аналогия может оказаться формальной, внешней. Решение “по аналогии” в таком случае окажется ошибочным.

Впрочем, даже формальные аналогии иногда дают удовлетворительные результаты. Так, при изучении магнитных явлений на них, используя внешнюю аналогию, перенесли методы электростатики. Так появилась теория магнитных зарядов. Аналогия оказалась несостоятельной. Согласно современным представлениям магнитных зарядов не существует. Однако формальные выводы, основанные на представлении о магнитных зарядах, подтверждались экспериментом. Впоследствии они получили надлежащую интерпретацию в классической теории электромагнитного поля.

Подобно тому, как это делалось в экономике, физики использовали идею универсального эквивалента для сравнения различных видов движения. Универсальная мера, позволяющая сравнивать различные движения, получила название энергии.

В какой-то мере энергия аналогична деньгам. Так же как не существует “денег вообще”, а существуют конкретные виды денег, так не существует и “энергии вообще”. Применительно к движениям, явно проявляющим себя в макромире, определены три вида энергии: полная механическая, электромагнитная и внутренняя. Каждый из них служит для определения количества движения соответствующего вида. Существенно то, что эти разновидности одной и той же характеристики движения, имеют одну и ту же единицу измерения. Благодаря этому они могут использоваться при оценке количества движения, испытавшего превращение.

Подобно тому, как это принято в бухгалтерских расчетах, при описании перехода движения из одного вида в другой используют уравнения энергетического баланса. В основу этих уравнений положено представление о неуничтожимости движения, сформулированное в виде закона сохранения энергии. Как видите, иногда естественные науки заимствуют концепции, принадлежащие экономике, и делают это довольно успешно.

Необходимо понимать, что энергия, будучи количественной мерой движения, не имеет самостоятельного существования. Расхожие выражения типа: “передача энергии”, “у него отобрали всю его энергию”, строго говоря, не верны. Передается, распространяется, отбирается движение. Энергия как атрибут движения, его количественная мера служит только для сравнения движений разных видов. В этом отношении она напоминает другие количественные меры, например: протяженность, которая не существует без материальных тел, или массу, являющуюся характеристикой инертных или тяготеющих тел и без них не существующую. Представление об энергии как самостоятельно существующей бесконечно тонкой неосязаемой субстанции, способной тем не менее производить работу, по-видимому, является пережитком парадигмы невесомых.

Ситуация с энергией напоминает хорошо известный в экономике товарно-денежный фетишизм, когда представление о товарном обмене заменяется представлением об обмене денежном. Следовало бы говорить об источниках движения и энергии, которой они обладают. Однако словосочетание “источники энергии” настолько укрепилось в текущей парадигме, что мы будем использовать его с учетом всего вышесказанного.

Источники энергии

Источники движения на нашей планете или на современном жаргоне “источники” энергии можно подразделить на внешние и внутренние. К внутренним источникам относится собственное тепло Земли и естественная радиоактивность составляющих ее полезных ископаемых. Радиоактивные элементы земной коры используются в качестве топлива для ядерных электростанций.

Земля — разогретая планета. Доля земного тепла в энергетическом балансе планеты весьма значительна. Оно незаметно пронизывает всю нашу жизнь. В технике земное тепло практически не используется. Исключение составляет несколько геотермальных электростанций и курортов с горячими подземными источниками.

Внешние источники энергии имеют космическое происхождение и представляют собой разнообразные космические тела. Вклад удаленных звезд и большинства планет в земную энергетику исчезающе мал. Более существенным является влияние нашего ближайшего спутника — Луны. Лунное тяготение возмущает жидкие и газообразные оболочки Земли, придавая им форму в несколько утрированном виде изображенную на рис. 6.1.

Рис. 6.1

Деформация этих оболочек, перемещаясь вместе с Луной, обходит земной шар примерно за сутки. В результате в течение суток в данном месте земной поверхности возникают две приливные волны. Атмосферные приливы практически неощутимы и обнаруживаются только из космоса. Водные приливы хорошо известны и используются в немногочисленных приливных электростанциях. Приливные волны возникают также в жидком ядре Земли. Однако их размах ограничивается жесткостью земной коры. Тем не менее это явление создает так называемые сухопутные приливы, поднимающие поверхность Земли на несколько сантиметров.

Такая деформация требует от земной коры некоторой подвижности. По данным современной геологии эта подвижность обеспечивается за счет существования тектонических плит, покрывающих всю поверхность Земли. Между тектоническими плитами находятся тектонические разломы. Плавающие на расплавленном ядре тектонические плиты могут незначительно смещаться друг относительно друга, позволяя приливной волне беспрепятственно обегать земной шар. В случае, когда подвижность одной из плит по каким-либо причинам ограничивается, может наступить землетрясение. Дополнительную подвижность земной коре сообщают жидкие и газообразные полезные ископаемые. В связи с этим интересно бы выявить, как все возрастающая добыча полезных ископаемых влияет на подвижность земной коры и статистику землетрясений. Сухопутные приливы в земной энергетике не используются.

По данным современной науки основным источником движения на нашей планете является Солнце. Энергия, которая приходит к нам от Солнца, поистине огромна. Она используется человечеством как непосредственно, так и опосредованно.

Вы непосредственно используете солнечную энергию, согреваясь на солнцепеке. Прямое использование солнечной энергии обеспечивают также солнечные батареи. К сожалению, использование солнечных батарей на сегодня ограничивается их высокой себестоимостью. Однако не исключено, что в будущем ситуация может измениться в лучшую сторону.

Значительная часть солнечной энергии уходит на разогрев атмосферы. Солнечные лучи нагревают разные участки атмосферы по-разному. Поэтому Солнце является основным источником разнообразных атмосферных явлений. Оно же вызывает круговорот воды в природе. Водяные колеса и ветряные двигатели таким образом используют энергию движений, создаваемых Солнцем. Это традиционные способы опосредованного использования солнечной энергии.

Значительная часть энергии солнечного излучения поглощается живыми организмами. При этом происходят многочисленные фотохимические реакции. Важнейшей из них является реакция фотосинтеза, благодаря которой растения связывают находящуюся в воздухе углекислоту и наращивают свою живую массу. Растения в буквальном смысле строят свое тело из воздуха и солнечных лучей.

Роль фотосинтеза в жизни растения впервые подробно исследовал выдающийся отечественный биолог К. А. Тимирязев. Именно он путем прямых экспериментов показал увеличение массы растения за счет фотосинтеза. Возможно, вам покажется это странным, но молодой побег растет и утолщается, начинаясь с вершинки, а не от корня. Если плотно перевязать молодое растение, то ниже повязки его толщина останется практически неизменной, в то время как верхняя будет утолщаться постепенно “наплывая” на повязку.

Накопленная растениями биомасса вовлекается во множество пищевых цепочек, давая жизнь животным и человеку. Кроме того, она может вступать в реакцию окисления, выделяя запасенное солнечное тепло и углекислоту. Сидя у костра или затопленной печки, мы в конечном итоге греемся запасенным солнечным теплом. К сожалению, процесс накопления энергии в биомассе весьма длителен, а ее высвобождение при химических реакциях, например горении, весьма непродолжителен. Отапливая жилой дом дровами, можно сжечь 60–70-летнюю сосну в течение нескольких дней. Поэтому полученное в результате фотосинтеза топливо следует считать слабо восполнимым ресурсом.

Созданное в XX в. общество потребления привело к неоправданно высоким расходам энергии. Покрыть их за счет поступления энергии от Солнца и других природных источников не удалось. Поэтому человечество начало интенсивный поиск дополнительных источников энергии. Они были обнаружены в рамках другой материальной системы — микромира. На сегодня значительная часть электроэнергии получается на электростанциях, извлекающих энергию атомного ядра. Получаемая на ядерных станциях энергия лежит вне энергетических цепочек, существующих в макромире, что обусловливает значительные экологические проблемы, присущие этому виду энергетики.

Деградация энергии

Движения, которые можно охарактеризовать равными количествами энергии, вообще говоря, различаются по своей полезности. Традиционно наиболее полезным считается механическое движение. При отсутствии сил трения оно может быть полностью использовано в виде механической работы. Практически целиком в механическую работу превращается электромагнитная энергия. В то же время внутреннее движение, проявляющееся в виде тепла, использовать гораздо сложнее. Принципиальной особенностью внутреннего движения является то, что его энергия не может быть полностью использована в виде работы. В этом смысл утверждения, известного в физике под именем “второе начало термодинамики”.

В природе всегда существуют силы трения. Они превращают высококачественные виды движения во внутреннее. Так, в механике трение систематически уменьшает количество механического движения, превращая его энергию во внутреннюю. Аналогично в случае движений электромагнитной природы сопротивление проводников и рассеяние, и поглощение электромагнитных волн неуклонно снижают количество электромагнитного движения, превращая его во внутреннее. Осуществить обратное превращение в полном объеме принципиально невозможно.

Для обозначения процесса необратимого перехода высококачественных видов энергии во внутреннюю в начале XX столетия был придуман термин “деградация” полезной энергии. Осознание качественного различия движений с непохожей физической природой потребовало его количественной оценки. С этой целью физикой была создана новая характеристика движения, получившая название “энтропия”.

Накопление и передача энергии

Собственно говоря, и в этом разделе речь идет о накоплении и передаче движения, ибо энергия самостоятельного существования не имеет. Всюду в дальнейшем говоря “энергия”, мы будем подразумевать движение, обладающее данной энергией.

Полная механическая энергия, как известно, бывает двух типов: кинетическая, или энергия существующего движения и потенциальная — энергия движения, которое может возникнуть при определенных условиях. Запасти потенциальную энергию можно, поднимая вверх массивное тело, например, гирю настенных часов, или деформируя упругое тело, скажем, пружину тех же часов.

Запасти кинетическую энергию несколько сложнее, обычно накопляют энергию вращения, используя для этого массивные колеса — маховики. Маховиками снабжают большинство используемых на практике механизмов. На пороховых заводах использовали любопытные устройства — инерционные кары. Основу такого кара составлял тяжелый маховик, имеющий привод на колеса. Маховик предварительно раскручивали при помощи стационарного дизельного двигателя, после чего кар мог перемещаться по цехам с взрывоопасной продукцией и перевозить грузы в течение почти часа.

Для накопления электричества служат разнообразные конденсаторы и катушки индуктивности, запасающие электроэнергию в виде электромагнитного поля. Комбинированным способом накопления электричества является преобразование электрической энергии в энергию химического взаимодействия с последующим обратным преобразованием. По этому принципу работают аккумуляторы электричества, по сути своей представляющие восстановимые химические источники электрического тока.

Внутренняя энергия чаще всего запасается в топливе. Из топлива она освобождается при помощи различного рода реакций. Чаще всего это химические реакции, например интенсивная реакция окисления, известная в обиходе как горение. На протяжении тысячелетий для получения внутренней энергии человечество сжигало топливо. В прошедшем веке люди научились получать внутреннюю энергию при помощи ядерных реакций деления и синтеза. Вы должны понимать, что при всем своеобразии этих реакций их конечным результатом является получение большого количества внутренней энергии.

Способы передачи различных видов движения также хорошо изучены. Механическое движение передается при помощи различных трансмиссий. Примером может служить распространенная автомобильная трансмиссия, позволяющая передавать вращательное движение от автомобильного двигателя к колесам.

Для передачи внутреннего движения (теплопередачи) требуется теплоноситель. В качестве теплоносителя чаще всего используют воду и водяной пар. Именно такой теплоноситель передает тепло от котельной в вашу квартиру. Кроме того, перемещение тепла часто заменяют перемещением топлива с последующей выработкой тепла на месте. Это позволяет избежать теплопотерь в окружающую среду. Следует заметить, что теплопередача и выработка тепла всегда связана с его рассеянием в окружающую среду. Наблюдавшийся в течение прошедшего столетия стремительный рост производства привел к значительным тепловым загрязнениям атмосферы, которые грозят стать необратимыми. Это одна из неотложных проблем, стоящих перед человечеством.

Наиболее удобным для передачи оказалось электрическое движение. Электричество можно передавать как в виде электрического тока, по проводам, так и в беспроводной форме электромагнитных волн.

Мощность N, передаваемая по проводам, может быть определена как произведение силы тока I в проводнике на напряжение U на его концах

. (6.6.1)

Для передачи максимального количества энергии в единицу времени требуется увеличить это произведение. Это можно сделать, увеличивая силу тока через проводник или напряжение. Сила тока, протекающего через проводник, связана с электрическим напряжением на его концах законом Ома

(6.6.2)

где R — электрическое сопротивление проводника. Очевидно, что увеличить силу тока при данном напряжении можно, уменьшая сопротивление проводника.

На сегодняшний день существенно уменьшить сопротивление проводника возможно. Для этого следует увеличить его поперечное сечение. Такой путь кажется неприемлемым, так как для увеличения передаваемых мощностей он потребовал бы значительного увеличения затрат на материал проводов. Провода большого сечения было бы сложно протягивать и изолировать. Стоимость линий электропередач и без того немалая в этом случае многократно бы возросла.

Поэтому современные линии электропередач делают высоковольтными. Это позволяет снизить материалоемкость электроэнергетики. Однако повышение передаваемого напряжения до нескольких тысяч вольт ставит задачу обратного преобразования его к напряжению, безопасному для потребителя. Для этого в электроэнергетике используется разветвленная сеть трансформаторных подстанций.

Трансформаторы преобразуют только переменный ток. Поэтому по высоковольтным линиям электропередач протекает переменный ток. Провода таких линий работают как огромные антенны, излучая электромагнитные волны. Энергия этих волн теряется безвозвратно, усугубляя и без того нелегкую экологическую обстановку планеты электромагнитными загрязнениями.

Облегчить ситуацию могло бы сравнительно недавно открытое явление сверхпроводимости. Суть этого явления сводится к тому, что при определенных условиях электрическое сопротивление проводника может упасть до нуля. К сожалению, наблюдать явление сверхпроводимости возможно только при температурах, близких к абсолютному нулю. На сегодня такие температуры достижимы только в лабораторных условиях. Полагаю, что в свете сказанного вам понятны усилия, направляемые учеными на поиск так называемой высокотемпературной сверхпроводимости, которая позволила бы получать эффект сверхпроводимости при температурах, близких к комнатной.


Смежные предметы