Энергоэффективность и чистая полезная энергия

Повышение эффективности ис­пользования энергии. Оба закона термодинамики помогают понять, как, оценивая получаемую из различ­ных источников энергию, можно со­кратить потери путем повышения ее эффективности. Например, лишь 16% всей производимой энергии, ко­торая поддерживает экономику Сое­диненных Штатов, прямо выполняет полезную работу или расходуется в процессе производства продуктов нефтехимии, из которых в свою оче­редь получают пластмассы, лекарства и многое другое (рис. 3-13). Это оз­начает, что в США теряется 84% производимой энергии. Около 41% этой энергии теряется неотвратимо при рассеянии тепла, согласно второ­му закону термодинамики. Но потери остальных 43% можно было бы избе­жать.

Один путь сокращения потерь энергии и сбережения средств, по крайней мере в долгосрочной перс­пективе, — это повышение эффективности использования энергии, то есть увеличение доли общего коли­чества энергии, затрачиваемой на прямое выполнение полезной работы за счет сокращения ее потерь на об­разование в теплоэнергетических си­стемах низкокачественного, по суще­ству бесполезного, тепла. Использу­емые в настоящее время устройства для преобразования энергии сильно различаются по своей эффективно­сти (рис. 3-14). Применяя наиболее эффективные из доступных нам про­цессов и технических устройств либо пытаясь повысить их эффектив­ность, мы в состоянии сократить энергопотери.

 

Можно сберечь энергию и денеж­ные средства, покупая домашние отопительные системы, водонагрева­тели, автомобили, кондиционеры воздуха, холодильники и другие предметы бытовой техники, облада­ющие самым высоким коэффициен­том полезного действия. Первона­чальные затраты на такие модели несколько выше, чем обычно, но в конечном итоге они экономят средст­ва, поскольку за весь срок эксплуа­тации они оказываются выгоднее: первоначальная цена плюс затраты на их эксплуатацию — ниже.

Чистая эффективность процесса энергообеспечения отопительной системы, водонагревателя или автомобиля определяется путем оценки эф­фективности каждой стадии преоб­разования энергии в рамках всего процесса. Эти ступени включают до­бычу горючего, очистку и обогаще­ние его до необходимой концентра­ции, перевозку и, наконец, исполь­зование.

На рисунке 3-15 показано, как ме­няется чистая энергоэффективность при обогреве хорошо изолированного дома за счет поступления прямой солнечной радиации через обращен­ные к солнцу окна и при использо­вании электроэнергии, выработанной на АЭС, поступающей к дому по ли­нии электропередач и превращенной в тепловую форму (теплоту сопротивле­ния). Анализ показывает, что превращение высококачественной энергии, извлекаемой из ядерного топлива, в тепловую энергию с температурой в несколько тысяч градусов и далее в высококачественную электроэнергию, а затем использование этой энергии для поддержания температуры в доме на уровне 20°С является чрезвычайно расточительным процессом. Используя же солнечную радиацию, поступа­ющую естественным путем или улав­ливаемую специальными устройства­ми, можно получить нужное количест­во тепловой
энергии без дополнитель­ных потерь в окружающую среду.

Использовать высококачествен­ную энергию для производства низко­качественного тепла — это все равно что резать масло циркулярной пилой или бить мух кузнечным молотом. Основным принципом использования энергии должно быть соответствие качества энергии поставленным за­дачам: нельзя использовать высоко­качественную энергию для выполне­ния тех задач, которые можно выпол­нить с помощью низкокачественной энергии (рис. 3-6,3-7).

На рисунке 3-16 приводится диаг­рамма, где показано соотношение ко­эффициентов полезного действия энергии, получаемой из различных источников и используемой для отоп­ления. Наилучшим способом отопле­ния, особенно в районах с холодным климатом, является строительство зданий, абсолютно изолированных от внешней среды. Подобные здания на­столько герметичны, что даже в тех районах, где температура воздуха зи­мой падает до -40° С, отопление всех его помещений можно производить за счет прямого поступления солнечной энергии (около 59%), побочного тепла, выделяемого работающими элект­роприборами (33%) и излучения теп­ла находящимися внутри этого зда­ния людьми (8%).

Использование прямой солнечной энергии — это один из наиболее эф­фективных и дешевых способов отоп­ления зданий, применяющийся на протяжении тысячелетий. Еще один новый, высокоэффективный способ отопления — отопление за счет сжи­гания природного газа. А наименее эффективный и наиболее дорогостоя­щий способ отопления зданий — по­требление электроэнергии, вырабаты­ваемой на АЭС. Например, средняя цена 250 000 килокалорий (1 миллио­на британских тепловых единиц), вы­рабатываемых в США и идущих на отопление и нагревание воды, состав­ляла 5,34 ам. доллара при использо­вании природного газа, 5,87 ам. дол­лара — нефти и 22,83 ам. доллара — электроэнергии.

Компании, занимающиеся комму­нальными услугами, часто рекламируют тепловые насосы, главным об­разом потому, что нагрев и кондицио­нирование воздуха производятся в комбинированных установках за счет электроэнергии. Отапливать помеще­ние с помощью теплового насоса вы­годно, пока температура воздуха сна­ружи не опустится ниже -15° С. В противном случае тепло начинает производиться за счет электрического сопротивления, а это самый дорогой, связанный с наибольшими потерями электроэнергии способ отапливать любое помещение. Тепловые насосы пригодны для мест с теплым клима­том. Но там они используются в ос­новном для кондиционирования воз­духа. Кондиционеры воздуха в соче­тании с большинством типов тепловых насосов гораздо менее эффективны в плане использования энергии, чем те и другие, используемые раз­дельно.

Сравнительный анализ коэффициентов полезного действия энергии по­казывает, что наименее эффективный и самый дорогой способ нагревать во­ду для бытовых нужд — использо­вать электроэнергию, вырабатывае­мую атомными электростанциями. Наиболее выгодно применять контак­тные водонагреватели, нагреваемые природным или сжиженным газом. Такой нагреватель устанавливается под раковиной и начинает работать только тогда, когда открывают водо­проводный кран. Вода моментально нагревается, когда проходит через маленькую нагревательную камеру. Установка работает только в то вре­мя, в течение которого требуется го­рячая вода. Напротив, при использо­вании широко распространенных га­зовых водонагревателей или основан­ных на действии электрического со­противления требуется большой ре­зервуар, в котором вода нагрета день и ночь, а в случае большого расхода воды горячая вода может внезапно кончиться. Безрезервуарные водонаг­реватели широко используются во многих районах Европы, но очень медленно приживаются в Соединен­ных Штатах. Столь же эффективен хорошо изолированный водонагрева­тель на природном или сжиженном газе.

Коэффициент полезного действия машины, приводимой в движение дви­гателем внутреннего сгорания, как уже отмечалось выше, составляет все­го около 10%. Аналогичный коэффи­циент электродвигателя на аккумуля­торах, которые подзаряжаются выра­батываемой ГЭС электроэнергией, почти в три раза выше, чем к.п.д. бен­зинового двигателя внутреннего сгора­ния. Но в Соединенных Штатах повсе­местно пользоваться гидроэлектроэ­нергией невозможно, поскольку дале­ко не везде существуют благоприят­ные условия для строительства гидро­электростанций, а там, где они есть, ГЭС, как правило, уже построены. До­бавим, что эксплуатация электромоби­лей не станет экономичной, пока уче­ные не разработают более дешевые ак­кумуляторы большой емкости.

Эффективной автомобильной сис­темой является также газотурбинный двигатель, основанный на сжигании бензина. В Америке, Японии и Евро­пе автомобилестроители уже создали опытные образцы дизельных двигате­лей, но мы до сих пор не знаем, рен­табельны ли они. Таким образом, в настоящее время самый лучший спо­соб сэкономить деньги и бензин — ез­дить на машине с экономичным дви­гателем, имеющим минимальный рас­ход топлива (1 галлон по крайней ме­ре на 35—50 миль), а также, если возможно, ездить на велосипеде или ходить пешком.

Если бы инженеров попросили специально придумать три устройст­ва с громадными потерями энергии, они, возможно, изобрели бы следую­щее: (1) лампы накаливания (теряет­ся 95% поступающей к ним энергии),

(2) машину или трактор с двигателем внутреннего сгорания (теряется 90% энергии, заключенной в горючем) и

(3) атомную электростанцию, электроэнергия которой идет на отопление помещений и нагревание воды (при этом теряется 86% энергии, содержа­щейся в топливе). Эти устройства бы­ли сконструированы и получили ши­рокое распространение в то время, когда энергия была дешевой и ее бы­ло много. Поскольку ситуация изме­нилась, необходимо чем-то заменить эти устройства, играющие столь важ­ную роль в жизни современного об­щества, или резко повысить их коэф­фициент полезного действия.

Использование тепловых отходов. Мы не можем вторично исполь­зовать энергию высокого качества. Но мы можем замедлить потери тепла в окружающую среду при трансформации высококачественной энергии в низкокачественную. Например, плохо изолированный дом в холодное время года теряет тепло с такой же скоростью, с какой оно производятся. И напротив, хорошо изолированное, герметичное здание может удержи­вать тепло от пяти до десяти часов, а прекрасно спроектированный, сверхизолированный дом — даже в тече­ние четырех дней.

В некоторых административных зданиях тепло, исходящее от светиль­ников, компьютеров и других прибо­ров, аккумулируют и перераспреде­ляют, благодаря чему сокращаются затраты на отопление при холодной погоде и на охлаждение воздуха при жаркой погоде. Тепловые выбросы промышленных предприятий и элект­ростанций можно передавать по изо­лированным трубопроводам и ис­пользовать для обогрева находящих­ся поблизости зданий, теплиц, пру­дов, что и делается в некоторых евро­пейских странах.

Используя тепло, выбрасываемое при эксплуатации промышленных па­ровых котлов, можно производить электроэнергию, и она обойдется в два раза дешевле, чем если ее поку­пать у компании, предоставляющей коммунальные услуги. Завод может использовать электроэнергию сам или продать ее местной электриче­ской компании для общего использо­вания. Такое комплексное производ­ство высокотемпературного тепла и электроэнергии, известное под назва­нием когенерации, широко применя­ется на промышленных предприяти­ях по всей Европе.

Если при эксплуатации всех па­ровых котлов в Соединенных Шта­тах станет применяться принцип когенерации, можно будет получить столько же электроэнергии, сколько ее смогли бы произвести от 30 до 200 (в зависимости от технологии) крупных электростанций, работаю­щих на ядерном топливе или угле, и к тому же в два раза дешевле. Это снизило бы стоимость электроэнер­гии и устранило необходимость стро­ительства мощных электростанций до 2020 г.

Чистая полезная энергия: получе­ние одного вида энергии требует за­трат других ее видов. Чистой полез­ной энергией называют такое количе­ство высококачественной энергии, полученной из определенного объема энергетического ресурса, которое мо­жет быть практически использовано. Она равна общему количеству энер­гии, которое можно получить при сжи­гании топлива, за вычетом полезной энергии, истраченной на сжигание (первый закон термодинамики), без­возвратно теряемой энергии (второй закон термодинамики), а также той энергии, которая израсходована на по­иск и разработку месторождений, обо­гащение и перевозку горючего к потре­бителю. Например, если для произ­водства десяти единиц ядерной, сол­нечной энергии или энергии, получае­мой при сжигании ископаемого топли­ва (возможно, извлекаемого из глубо­кой морской скважины), требуется за­тратить девять единиц энергии, полу­ченной при сжигании ископаемого топлива, чистая выгода составит лишь одну единицу энергии.

Такую взаимосвязь можно выра­зить отношением количества произведенной полезной энергии к полному количеству полезной энергии, затра­ченной на ее производство. В приве­денном выше примере это отношение равно 10/9, или 1,1. Чем больше отно­шение, тем выше показатель чистой полезной энергии, или практический коэффициент полезного действия. Ког­да же отношение меньше 1, это означа­ет, что в процессе работы какой-либо системы фактически происходит по­теря энергии. На рис. 3-17 приве­дены практические коэффициенты полезного действия для различных источников отопления помещений, для производства высокотемператур­ного тепла, используемого в промышленном производстве, а также для газообразного и жидкого автомобильно­го горючего.

Так, у нефти практический коэф­фициент полезного действия доволь­но высок, поскольку в основном она поступает из богатых легкодоступных месторождений в Саудовской Аравии и в других районах Среднего Восто­ка. Когда же эти источники истощат­ся, практический коэффициент по­лезного действия нефти снизится, а цена подскочит. Чтобы найти и до­быть нефть из менее богатых место­рождений, залегающих гораздо глуб­же под землей, либо в отдаленных и суровых районах, как, например, на Аляске, в Арктике и Северном море, то есть там, откуда достаточно далеко до основных потребителей энергии, потребуется гораздо больше денег и высококачественного ископаемого топлива.

Поскольку для строительства и эксплуатации атомных электростан­ций требуются огромные энергозатра­ты, полученная в результате ядерного деления энергия характеризуется до­вольно низкими значениями практи­ческого коэффициента полезного дей­ствия. Кроме того, чтобы через 25-30 лет работы прекратить эксплуата­цию АЭС и захоронить высокорадиоактивные отходы, требуется дополни­тельное количество энергии.

Крупные гелиоустановки, произ­водящие электроэнергию или высоко­температурное тепло для нужд про­мышленного производства, имеют так­же достаточно низкий практический коэффициент полезного действия. Чтобы получить необходимые высокие температуры, нужно в определен­ном месте принять и сконцентрировать слабый по интенсивности поток высо­кокачественной солнечной энергии. Необходимо затратить большое коли­чество денег и высококачественной энергии, чтобы добыть, обработать и перевезти материалы, которые ис­пользуются для создания громадных антенн, фокусирующих зеркал, труб и прочего оборудования. Вместе с тем пассивные и активные гелиоустанов­ки, используемые для отопления ин­дивидуальных домов и нагревания во­ды, характеризуются достаточно вы­сокими значениями практического Ко­эффициента полезного действия, по­скольку они расходуют энергию на подпитку сравнительно небольших объемов тепла, характеризующихся средними температурами.

Научные законы, рассмотренные в данной главе, подсказывают нам, что мы можем и что не можем делать, ис­пользуя ресурсы вещества и энергии. Люди же, которые не знают этих зако­нов и не чувствуют своей ответственно­сти перед обществом, нередко склонны выдвигать или воспринимать довольно нелепые идеи.

3-7. ЗАКОНЫ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ И ПРОБЛЕМЫ ОКРУ­ЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И РЕСУРСОВ

Общество, производящее отхо­ды. Согласно закону сохранения ве­щества и второму закону термодинамики, использование ресурсов каж­дым из нас автоматически увеличива­ет количество отходов тепла и веще­ства, поступающих в окружающую среду, тем самым повышая ее энтро­пию. Чем больше ресурсов вещества и энергии мы используем и теряем, тем быстрее растет энтропия окружа­ющей среды.

Если рассматривать Ваше личное потребление ресурсов вещества и энергии и Ваш личный «вклад» в общее количество отходов, может показаться, что благодаря Вам энт­ропия окружающей среды возрастет на крайне незначительную величину. Но Вы — это только один человек из 1,2 млрд. людей, живущих в про­мышленно развитых странах, где с огромной скоростью используют гро­мадное количество ресурсов. Между тем 4,0 млрд. людей, населяющих менее развитые страны, вероятно, способны использовать еще большее количество этих ресурсов.

Современные развитые промыш­ленные государства представляют «отходопроизводящие общества», чей все ускоряющийся экономический рост поддерживается за счет увеличе­ния скорости использования и потерь вещества и энергии. Науч­ные законы о веществе и энергии ут­верждают: если все большее и боль­шее количество людей возрастающи­ми темпами будет продолжать ис­пользовать ресурсы и создавать отхо­ды, рано или поздно способность ок­ружающей среды рассеивать и разру­шать выброшенные вещества и погло­щать выпущенное тепло окажется превышена на локальном, региональ­ном и глобальном уровнях.

Общество, утилизирующее отхо­ды. Одним из кардинальных реше­ний проблемы отходов является пре­образование общества, производяще­го отходы, в общество, утилизирую­щее отходы. Целью такого измене­ния должно быть продолжение эконо­мического развития, но при условии отказа от истощения ресурсов вещества, значительного загрязнения и де­градации окружающей среды.

Но, как мы уже убедились, ничто не дается даром. Согласно двум зако­нам термодинамики, вторичное ис­пользование ресурсов вещества тре­бует высококачественной энергии, ко­торая сама не может быть повторно утилизирована. Тем не менее если ве­щество, например алюминий или бу­мага, рассеяно не слишком сильно, очень часто вторичное производство требует гораздо меньших затрат энер­гии, нежели поиск, добыча и обработ­ка первичных ресурсов.

При вторичной утилизации ресур­сов необходимо руководствоваться четырьмя принципами:

• Нельзя вторично использовать вы­сококачественную энергию.

• Вторичное производство вещества всегда требует определенных за­трат высококачественной энергии, но при эффективном вторичном производстве потребляется мень­ше высококачественной энергии, чем при производстве новых про­дуктов традиционным путем добы­чи и переработки первичных мате­риалов.

• Нельзя рассеивать, разбрасывать и смешивать продукты, содержащие годные к реутилизации материаль­ные ресурсы.

• Необходимо содействовать повтор­ному использованию вещества, снижая налоги или предоставляя промышленникам, использующим вторичные материалы, различные субсидии; в то же время для от­раслей промышленности, занятых добычей первичных ресурсов, суб­сидии надо снизить или отменить вовсе. В случае ограниченности финансовых ресурсов следует от­менить все субсидии и дать воз­можность добывающей промыш­ленности и отраслям, связанным с вторичной переработкой, конку­рировать по законам свободного рынка.

В перспективе общество, исполь­зующее свои отходы, основой которо­го является безостановочное экономи­ческое развитие, должно обладать не­исчерпаемыми источниками доступ­ной высококачественной энергии. А окружающая среда должна обладать безграничной способностью погло­щать и нейтрализовывать тепловые отходы, а также рассеивать и разла­гать отходы вещества.

Среди специалистов нет единого мнения по поводу того, каким коли­чеством высококачественной энергии, годной к использованию, мы облада­ем. Однако очевидно, что запасы уг­ля, нефти, природного газа и урана ограниченны. А доступные запасы

нефти (наиболее широко используе­мого дополнительного вида энергети­ческих ресурсов) будут исчерпаны уже через несколько десятилетий.

"Ах, — скажете Вы, — но разве у нас нет фактически неисчерпаемого источника энергии в виде солнечного излучения, поступающего на Зем­лю?" Однако проблема заключается в том, что каждую минуту и каждый час очень малое количество солнеч­ной энергии достигает сравнительно небольшого участка земной поверхности, ночью же она не поступает вовсе.

Неплохое впечатление с точки зрения термодинамики и экономики производят хорошо сконструированные устройства по улавливанию и сохранению солнечной энергии, концентрирующие ее до такой степени, чтобы можно было нагревать воду и отапливать дом. Но получать высо­кие температуры для плавки метал­лов или производства электроэнергии с помощью солнечной энергии нерен­табельно. Почему? Потому, что в этом случае практический коэффици­ент полезного действия чрезвычайно низок (табл. 3-17). Чтобы сконцентри­ровать солнечную энергию и значи­тельно повысить ее качество, требует­ся затратить очень большое количест­во энергии.

Вообразим, что дешевые солнеч­ные батареи, термоядерная реакция при комнатной температуре или ка­кое-либо другое изобретение обеспе­чили нас практически неисчерпаемым источником доступной энергии. Ре­шит ли это все наши проблемы, свя­занные с окружающей средой? Нет.

Конечно, такое изобретение было бы важным и полезным. Но второй закон термодинамики гласит: чем больше масштабы использования энергии для превращения вещества в продукты и для вторичной переработ­ки этих продуктов, тем быстрее в ок­ружающей среде накапливаются низ­кокачественное тепло и отходы веще­ства.

Таким образом, чем настойчивее становятся наши попытки «покорить» планету, тем чаще мы сталки­ваемся с проблемами неблагополучия окружающей среды. Ученые могут продолжать спорить о том, достигли мы пределов своего роста или нет, но законы сохранения вещества и энер­гии утверждают, что такой предел объективно существует.

Природосберегающее общество. Основываясь на знании трех фунда­ментальных физических законов, оп­ределяющих поведение вещества и энергии, можно утверждать, что в долгосрочной перспективе наилуч­шим путем решения проблем сохране­ния окружающей среды и ее ресурсов является переход от отходопроизводящего общества, стремящегося к по­стоянному увеличению масштабов ис­пользования вещества и энергии (при этом огромное количество природных ресурсов неизбежно теряется и идет в отходы), к природосберегающему обществу.

Целью природосберегающего об­щества должно быть уменьшение энт­ропии. В основу его модели необхо­димо положить те же принципы, с по­мощью которых осуществляется ус­тойчивое развитие живых организмов в природе. Это общество не должно ограничиваться решением проблем повторного использования ресурсов, которые сегодня просто выбрасыва­ются. Необходимо также более эф­фективно использовать энергию, не применяя без особой необходимости ее высококачественные виды.

Другой целью природосберегаю­щего общества должно стать сокращение потребления и производства от­ходов за счет перехода к производст­ву продукции более долговечной, а также более удобной для рециркуля­ции, повторного использования и ре­монта. Не менее важно, чтобы приро­досберегающее общество стремилось к ограничению потребления природ­ных ресурсов путем регулирования роста населения.

Наконец, в природосберегающем обществе на всех уровнях — локаль­ном, региональном и глобальном — не должен быть превышен порог экологи­ческой устойчивости окружающей среды, определяемый ее способностью принимать низкокачественное тепло, а также разбавлять и разлагать массу от­ходов. При этом для ограничения по­терь ресурсов и предотвращения за­грязнения необходимо учитывать ин­формацию о воздействиях на окружа­ющую среду на «входе» в нее. Законы сохранения вещества и энергии дока­зывают, что такой подход, связанный с недопущением нежелательных вход­ных воздействий, с позиций термоди­намики и экономики оказывается бо­лее оправданным, чем контроль на вы­ходе. Например, значительно проще и дешевле предотвратить попадание токсичного загрязнителя в подземный горизонт питьевой воды, чем пытаться очистить уже загрязненную воду.

Наше выживание в соответствии с тремя основополагающими законами сохранения вещества и энергии нахо­дится в неразрывной связи с состоя­нием всех живых и неживых элемен­тов природы. Мы все составляем еди­ное целое. В следующей главе показа­но, как эти законы проявляются в живых организмах, а также рассмот­рены некоторые биологические прин­ципы, которые помогут понять, ка­ким образом должны строиться взаи­моотношения человека и природы.

Второй закон термодинамики, по-моему, занимает особое место среди законов природы... Если Ваша теория противоречит второму зако­ну, Ваше дело безнадежно.

Артур С. Эддингтон (1882-1944)

 

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

 

Вещество может существовать в разных агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном — и в разных химических формах — в виде элементов, соединений (сочета­ний элементов) и смесей элементов и соединений. Все вещество состоит из отдельных атомов или их сочетаний. Атомы содержат определенное коли­чество протонов и нейтронов в кро­хотных ядрах и электронов, вращаю­щихся вокруг них.

Вещество высокого качества упо­рядочено (низкая энтропия), скон­центрировано и обычно находится вблизи земной поверхности. Оно об­ладает значительным потенциалом использования в качестве ресурса. Вещество низкого качества не упо­рядочено (высокая энтропия), рассе­яно и часто находится глубоко под землей. Обычно оно обладает низким ресурсным потенциалом.

Энергия — это способность совер­шать работу, то есть перемещать ве­щество либо вызывать теплообмен между двумя объектами с разной тем­пературой. Все виды энергии можно подразделить на потенциальную энергию (энергию покоя) и кинетическую (энергию движения).

Высококачественная энергия упо­рядочена (низкая энтропия) или сконцентрирована и способна выпол­нять полезную работу. Низкокачественная энергия не упорядочена, (вы­сокая энтропия) или рассеяна обладает малой способностью выполнять полезную работу.

Элементы и соединения могут подвергаться физическим изменени­ям, при этом не меняется их химиче­ский состав; с ними могут происхо­дить химические изменения, в про­цессе которых меняется химическое состояние участвующих в реакциях элементов и соединений. В соответст­вии с законом сохранения вещества при любом физическом или химиче­ском изменении вещество не возника­ет и не исчезает, но лишь изменяет свое физическое или химическое со­стояние. Поэтому все, что мы, каза­лось бы, выбросили, в той или иной форме остается с нами. Иначе быть не может.

Ядра определенных видов атомов могут претерпевать три основных ти­па ядерных превращений. Одно из них — естественная радиоактив­ность, при которой нестабильные яд­ра атомов самопроизвольно излучают ионизирующую радиацию одного или нескольких типов: быстрые альфа- или бета-частицы или мощные гамма-лучи. Другой тип превращений — ре­акция ядерного деления, при которой

ядра определенных видов атомов раз­биваются на части нейтроном, и тре­тий тип — термоядерная реакция, в процессе которой ядра определенных видов атомов объединяются при сверхвысоких температурах и давле­нии.

Первый закон термодинамики, закон сохранения энергии, утвержда­ет, что при любом физическом или химическом превращении, при любом перемещении вещества из одного мес­та в другое, при любом изменении температуры энергия не возникает и не уничтожается, а лишь переходит из одной формы в другую.

Второй закон термодинамики ут­верждает, что при любом переходе энергии из одного вида в другой не­которое количество первичной энер­гии всегда теряет свое качество и, следовательно, способность выпол­нять полезную работу. Обычно эта часть энергии превращается в низко­температурное тепло, рассеивающее­ся в окружающей среде. Это означа­ет, что высококачественная энергия (низкая энтропия) в отличие от веще­ства не может быть восстановлена или использована повторна.

Устройства и процессы, в которых происходит превращение энергии, различаются по энергетической эф­фективности, то есть доле затрачен­ной энергии, которая выполняет по­лезную работу. Если мы используем более экономичные печи, двигатели и приборы и не пользуемся высокока­чественной энергией там, где можно обойтись низкокачественной, мы мо­жем сократить бесполезные потери энергии. Мы можем также умень­шить неизбежные потери низкокаче­ственного тепла в окружающую сре­ду, если будем строить изолирован­ные, герметичные здания, использо­вать тепловые отходы, образующиеся при сжигании ископаемого топлива для производства электроэнергии (принцип когенерации).

Чистая полезная энергия — это ко­личество полезной энергии, полученной из исходных энергетических ре­сурсов, за вычетом затраченной на ее получение полезной энергии. Часто этот показатель выражается практиче­ским коэффициентом полезного дей­ствия. При выполнении конкретных задач различные виды энергетических ресурсов характеризуются разной ве­личиной коэффициентов полезного действия. Это очень важно учитывать при принятии решения о том, какие энергетические ресурсы следует ис­пользовать в каждом конкретном слу­чае.

Основная характеристика любого развитого промышленного общества — это постоянно возрастающий приток, или вход, высококачественной энер­гии и ресурсов вещества для того, чтобы на высоком уровне поддержи­вать порядок в отдельных человече­ских организмах и в том, что мы на­зываем цивилизацией. В результате современное развитое промышленное общество есть отходопроизводящее общество, увеличивающее энтропию окружающей среды в большей степе­ни, чем когда-либо в истории челове­чества.

Ученые прогнозируют, что в соот­ветствии с законом сохранения веще­ства и двумя законами термодинами­ки рано или поздно мы будем вынуж­дены во всем мире создать природосберегающее общество. Такое об­щество будет основываться на повы­шении эффективности использования энергии, сокращении ненужных за­трат и потерь энергии, рециркуляции и вторичном использовании ресурсов вещества, а также сокращении произ­водства отходов и необязательного потребления ресурсов вещества.

Наука пытается выявить формы упорядоченности в природе, а затем использовать эти знания для прогно­зирования того, что произойдет в природной среде. Посредством на­блюдений и измерений ученые соби­рают научные данные, или факты. Факты — это краеугольные камни научных законов, в которых обобщены все повторяющиеся и единообраз­ные явления природы. Научные тео­рии объясняют, как или почему что-то происходит именно так, а не ина­че.

Наука не устанавливает абсолют­ную истину. Ученых интересует, на­сколько полезны могут быть теории или законы при описании, объясне­нии и прогнозировании происходяще­го в природе. Способы, с помощью которых ученые собирают данные, формулируют и проверяют научные законы, называются научными мето­дами.

Технология — это теория и прак­тика создания новых продуктов и обеспечения нашего выживания, повышения комфорта и качества жизни часто технология базируется на зна­нии научных законов и теорий. Науч­ные или технические знания сами по себе не могут быть хорошими или плохими. И только наш выбор на­правления использования таких зна­ний может быть хорошим или пло­хим. Наша обязанность — применять научные знания для сохранения Зем­ли на благо людей и других живых существ.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: