ЧТО ТАКОЕ ЭНЕРГИЯ. энергия – это способность к совершению работы, а работа совершается, когда на объект действует физическая сила такая, как давление или гравитация

  

Вся электронная библиотека >>>

 Источники энергии будущего >>>

  

 

 ОКЕАНЫ ЭНЕРГИИ

Источники энергии будущего


Раздел: Наука

 

II. ЧТО ТАКОЕ ЭНЕРГИЯ.

  

Поскольку эта книга посвящена энергии, находящей-ся в океане, обсудим прежде всего, что же такое энергия, для чего она нужна, откуда ее можно получить. Рассмот-рим также условия, при которых ее можно извлечь и ис-пользовать.

В нашем индустриальном обществе от энергии зави-сит все. С ее помощью движутся автомобили, улетают в космос ракеты. С ее помощью можно поджарить хлеб и сварить яйца, обогреть жилище и привести в действие кондиционеры, осветить улицы, вывести в море корабли.

Могут сказать, что энергией являются нефть и при-родный газ. Однако это не так. Нефть и газ – виды топли-ва. Чтобы освободить заключенную в них энергию, их необходимо сжечь, так же как бензин, уголь или дрова.

Ученые могут сказать, что энергия – это способность к совершению работы, а работа совершается, когда на объект действует физическая сила (такая, как давление или гравитация). Согласно формуле, работа равна произ-ведению силы на расстояние, на которое переместился объект. Попросту говоря, работа – это энергия в действии.

Вы не раз видели, как подпрыгивает крышка закипа-ющего кофейника, как несутся санки по склону горы, как набегающая волна приподнимает плот, кувыркает у бере-га ребятишек. Все это примеры работы, энергии в дей-ствии, действующей на предметы.

Подпрыгивание крышки кофейника было вызвано давлением пара, возникшем при нагревании жидкости. Санки ехали потому, что существуют гравитационные си-лы. Энергия волн двигала и плот, и детей, играющих у бе-рега.

В нашем работающем мире основой всего является энергия, без нее и не будет совершаться работа. Когда энергия имеется в наличии и может быть использована, любой объект будет совершать работу – иногда созида-тельную, иногда разрушительную. Даже музыкальный инструмент – рояль – способен совершать работу.

Представьте себе, что вдоль внешней стены много-квартирного дома поднимают сияющий рояль. Пока люди тянут за веревки, они прилагают силу, заставляющую ро-яль двигаться. В этом случае работу совершают люди, а не рояль. Он лишь накапливает потенциальную энергию по мере того, как все выше и выше поднимается над зем-лей. Когда, наконец, рояль достигает шестого этажа, он сможет висеть на этом уровне до тех пор, пока люди вни-зу поддерживают его с помощью веревок и блоков. Одна-ко представьте, что веревки обрываются. Немедленно проявится сила гравитации, и потенциальная энергия, накопленная роялем, начнет высвобождаться. Рояль рух-нет вниз. Он расплющит .все, что попадется на его пути, ударится о тротуар и разобьется вдребезги. Вся ситуация, разумеется, случайна, и тем не менее служит примером того, что и рояль может совершать работу. В данном слу-чае – разрушительную, но все же работу.

Мир наполнен энергией, которая может быть исполь-зована для совершения работы разного характера. Энер-гия может находиться в людях и животных, в камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах. Однако самыми большими резервуарами накопленной энергии являются океаны – огромные про-странства беспрерывно перемещающихся водных пото-ков, покрывающих около 71% всей земной поверхности.

Энергия может быть извлечена, но источником будет являться не океан вообще, а каждая из различных форм энергии, в нем содержащихся. Ученых-океанологов осо-бенно интересуют следующие формы энергии: приливная, волновая и энергия течений; тепловая, накопленная в во-де; химическая; запасы энергии, содержащиеся в водо-рослях.

Однако приливы, волны и течения постоянно изменя-ются: они то быстрые, то медленные, то более спокойные, то более бурные, так же изменчивы и температура океана и его химический состав. Поэтому энергосистемы не мо-гут находиться в состоянии устойчивого равновесия. Они скорее пребывают в состоянии постоянной неуравнове-шенности. Эта неуравновешенность неожиданно оказа-лась ключом, открывающим доступ к извлечению энер-гии.

Октав Левеншпиль, инженер-химик, ставший профес-сором университета штата Орегон, считает: «Если систе-ма не находится в состоянии равновесия, то именно в та-ком случае вы можете с ее помощью совершать работу. Это – главный принцип, лежащий в основе всех способов извлечения энергии: из семейных отношений, топлива, океанов – из чего угодно».

В океане отсутствие равновесия проявляется в трех основных формах: различиях в уровнях воды, разницах в температурах и химического состава. Именно эти разли-чия делают возможным извлечение энергии.

Разница в уровнях воды с готовностью признается ис-точником энергии. Кто из нас не испытывал воздействия водяных струй в душе, не наблюдал приливов и высоких гребней волн?

Кое-где разница между уровнями воды во время при-ливов и отливов незначительна. Однако в некоторых ме-стах, например в устье реки Ранс или в заливе Фанди, эта разница огромна: 44 и 60 футов (13 и 18 м) соответствен-но. Инженеры прекрасно знают, как использовать ее во время приливов и отливов. Они строят дамбы, чтобы за-держивать поднимающуюся воду в резервуарах. Когда начинается отлив, ее пропускают через турбину, которая начинает вращаться за счет энергии падающей воды, и та-ким образом приводят в действие генератор. Такой способ позволяет превращать часть приливной энергии в элек-тричество.

Инженерам так же известно и как извлечь энергию волн, постоянно меняющих свою высоту. Они работают в настоящее время над строительством волновых или мор-ских помп и специальных экспериментальных плавучих станций для получения электроэнергии. Но в любом слу-чае каждая установка работает лишь потому; что поверх-ность океана постоянно вздымается и опускается, никогда не находясь в состоянии равновесия.

Разницу в температуре воды океана труднее предста-вить в качестве источника энергии. Если вы, идя купаться на море, захватите с собой термометр, то обнаружите, что на поверхности вода одинакова тепла или одинаково хо-лодна – в зависимости от погоды. Но стоит вам войти в нее – и вы вскоре ощутите разницу. На глубине 5 футов (1,5 м) вода уже холоднее. Теперь, если хотите, вспомни-те, что в тропиках температура воды на поверхности 82° по Фаренгейту (28°С), а на глубине 2000 футов (600 м) – 35-38° по Фаренгейту (2-4°С). Разница температур, со-ставляющая около 45° по Фаренгейту,– еще один пример системы, которая находится в состоянии неуравновешен-ности.

Если бы в океане не существовало разницы темпера-тур, если бы показания термометра были одинаковыми и на поверхности, и на глубине, океан находился бы в со-стоянии термального равновесия. В таком случае извлечь энергию было бы невозможно, как невозможно и совер-шить работу.

Инженеры готовы воспользоваться разницей темпера-тур. Они уже разработали технологию строительства уни-кальных и остроумных по своей конструкции плавучих энергостанций, производящих электроэнергию и переда-ющих ее на берег по кабелю.

Инженеры настолько уверены в возможностях ис-пользования разницы температур в целях получения элек-троэнергии, что некоторые из них даже занимаются тео-ретизированием относительно условий, существующих в аду. Согласно преданиям, ад должен быть изотермален. А это значит, что температура там должна находиться в со-стоянии равновесия, то есть быть одинаковой во всем объеме. Если бы ад не был изотермален, то есть разница температур существовала бы, любой сообразительный инженер, попавший в это весьма неуютное, жаркое и душное местечко, сумел бы быстро воспользоваться та-ким обстоятельством. Он соорудил бы воздушный конди-ционер и превратил бы ад в место, не лишенное приятно-сти, прохлады и удобств. (Однако в действительности подразумевается, что все должно быть как раз наоборот.)

Есть и еще один источник энергии, который пока что никем не используется,– химические контрасты. Они наблюдаются в устьях рек, где пресная вода смешивается с соленой водой моря. Оказывается, что и в этом случае можно вырабатывать энергию, используя ее для размола зерна, для производства электричества или в любых дру-гих целях. Технология такого метода такая же, какая при-меняется при опреснении воды, с той лишь разницей, что действовать она должна наоборот, в обратную сторону. Существует только одна трудность – для широкомас-штабного получения энергии в устьях рек пока не разра-ботан эффективный и недорогой метод.

По общему мнению, энергию, накопленную в океане, можно извлечь. Точно так же все согласны с тем, что сто-ит это очень дорого, многие считают, что слишком дорого для того, чтобы этим заниматься.

Вопрос заключается в том, как уменьшить эту стои-мость? Ответ же находится в применении законов, управ-ляющих теплообменом, законов термодинамики.

Термодинамика – слово греческого происхождения. «Термо» – значит тепло, а «динамика» – движение тел под действием приложенных к ним сил. Хотя это звучит сложно, объяснить смысл можно очень просто: термоди-намика – наука о тепловой энергии и ее связи с другими видами энергии.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может лишь видоизменяться, трансформироваться или перехо-дить из одной формы в другую. Рассмотрим следующий пример. В угле, погруженном в кузов грузовика, содер-жится определенное количество химической энергии. При сгорании угля она преобразовывается в тепловую. Теперь используем ее для того, чтобы вскипятить котел воды. Тепловая энергия превратится в энергию водяного пара. Если использовать ее для вращения турбины генератора, она перейдет в механическую, а та, в свою очередь,– в электрическую энергию, которую можно использовать для того, чтобы привести в действие проигрыватель, пы-лесос, пишущую машинку или приготовить обед.

Согласно первому закону термодинамики мы можем подсчитать, какое количество энергии было заключено в угле, оценив, сколько мы получили энергии тепла, пара, механической и электрической энергии, энергии акусти-ческих колебаний, производимых проигрывателем. Мы сможем также оценить и потери энергии на каждом этапе. Таким образом, использование первого закона позволит нам подвести баланс в энергетических расчетах.

С древних времен алхимики и приверженцы магии пытались получить дополнительную энергию с помощью «вечного двигателя». Они старались, трудились, создава-ли удивительнейшие устройства. Однако каждый раз тер-пели поражение, потому что не могли нарушить строгого правила, вытекающего из первого закона термодинамики- количество энергии в мире постоянно. Она не может ни создаваться, ни исчезать.

Кое-кто может успокаивать себя существованием это-го закона. Действительно, если постоянно обнаруживают-ся новые источники энергии (особенно в океане), как же может возникнуть ее дефицит? Конечно же, энергетиче-ский кризис – просто миф.

Энергетический кризис – не миф. Кстати говоря, он может проявляться постоянно, в той или иной степени. Причина?

Второй закон термодинамики гласит, что напрасно пытаться превратить всю теплоту

в полезную работу с помощью энергосистемы. Какое-то количество энергии все равно будет истрачено на не-нужный нагрев или трение. Это неизбежно. Это налог, ко-торый человек платит природе при любом преобразова-нии энергии.

Приведем характерный пример. Сейчас даже самый совершенный автомобильный двигатель использует всего 20% химической энергии бензина. Остальное идет на охлаждение цилиндров водой, трение и тепловое рассеи-вание. Короче говоря, если вы пользуетесь своим автомо-билем с эффективностью 20%, вы платите энергетический налог в 80%. Двигатели будущего могут стать совершен-нее, но платить какой-то налог за бесполезно растрачен-ное тепло придется всегда.

И еще один пример того, как велики потери энергии при любых ее переходах из одной формы в другую. Вер-немся к ситуации с углем и будем считать, что вначале вы имеете в наличии 100 единиц энергии. После сгорания уг-ля и образования пара останется лишь 60 единиц. Прого-ните пар через турбину – и вы генерируете всего 40 еди-ниц электроэнергии. Пропустите их по линиям электро-передач к вашему дому – и вы получите только 35 еди-ниц. Зажгите свет в своей комнате, сосредоточьте некото-рую его часть, положим, на силиконовом элементе сол-нечной батареи питания – и вы получите всего одну еди-ницу энергии. Если с помощью этой солнечной батареи вы приведете в действие свой проигрыватель для получе-ния удовольствия от прослушивания пластинки «Битлз», у вас останется только одна десятая часть энергоединицы. Чем не энергоналог?

В реальном мире второй закон термодинамики всегда приводит к возникновению этого налога на преобразова-ние энергии, и он никогда не равен нулю. Однако не бу-дем отчаиваться. Даже при условии, что мы должны пла-тить природе энергетический налог и что мировые по-требности в энергии будут вновь и вновь удваиваться, всегда будет существовать море – этот огромный резерву-ар возобновляемой энергии. Пока светит солнце, дуют ветры, накатываются приливы, вздымаются волны, тече-ния перемещают массы воды, океан всегда будет напол-нен энергией, потому что он сам получает ее из неиссяка-емого источника – из космоса. Но потребуется еще одно десятилетие, а может, и больше, чтобы найти пути ее эко-номического и безопасного извлечения конкретными дей-ствиями.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ:  ОКЕАНЫ ЭНЕРГИИ

 

Смотрите также:

 

Работа и энергия. Что такое энергия - расчет энергии

Наши рассуждения ясно показывают, что механическая энергия означает способность производить работу, но она не идентична самой работе.

 

...энергетика. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Освобождение и превращение химической энергии. Почему химическая энергия не высвобождается сама собой?
Что такое тепло.

 

Энергия ветра. Ветроэнергетика.

Энергия движущихся воздушных масс огромна. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты.

 

Химические связи как накопители энергии. Солнце как важнейший источник...

Химические связи как накопители энергии. Как уже отмечено выше, большинство источников энергии несет в себе энергию солнечного излучения в виде химической энергии...

 

Альтернатива. Свободная энергия

Рассмотрим, что сегодня подразумевается под термином "свободная энергия". Энергия в общем смысле означает "способность системы тел совершать работу".

 

Световая энергия, электрическая, химическая - Необходимые...

Необходимые для общества формы энергии.
Химическая энергия. Первым в "истории человечества искусственно вызванным химическим процессом было, пожалуй, горение...

 

Энергия приливов. Возможности получения энергии из океана

Первая возможность - это использование энергии приливов.
Энергия волн. Мировые запасы волновой энергии составляют около 2,7 млрд.кВт.

 

Законы сохранения и превращения энергии. Коэффициент полезного...

Законы сохранения и превращения энергии. Тысячелетний опыт науки и техники, бесчисленные эксперименты привели нас к выводу, что энергия не может ни возникнуть из ничего...

 

Химическая энергия не высвобождается сама собой. Освобождение...

Почему химическая энергия не высвобождается сама собой? Почему химические процессы, идущие с образованием энергетически более бедных соединений...

 

Последние добавления:

 

Стройматериалы  Насосы и компрессоры