Законы преобразования энергии

Энергия (гр. energeia - деятельность) - источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами.

Энергия - одно из основных свойств материи - способность производить работу; в широком смысле - сила.

Очевидно, что законы превращения энергии проявляются во всех процессах, происходящих в природе и обществе, включая экономику, культуру, науку и искусство. Энергия - движущая сила мироздания. Компонент энергии есть во всем: в материи, информации, произведениях искусства и человеческом духе.

Фундаментальные законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Любая естественная или искусственная система, не подчиняющаяся этим законам, обречена на гибель. Но для управления энергетическими процессами, прежде всего, необходимо понять роль энергии в экологических системах. Знание закономерностей энергетических потоков в природных экосистемах поможет предсказать будущее антропогенных систем. Проекты, связанные с изменением окружающей среды, также необходимо оценивать с позиций энергоэффективности. Например, не всякая переработка отходов нужна, поскольку некоторое количество отбросов является энергетическими ресурсами биосферы. Энергетический подход помогает определять, какой уровень жизни наиболее соответствует природным возможностям. Ясно, что будущее зависит от объединения энергетики, экономики и экологии (трех «э») в единую систему взаимосвязанных явлений и процессов. Изучение таких систем требует системного и энергетического подхода, поскольку энергия - это тот фундамент, который позволяет природные ценности перевести в разряд экономических, а экономические - оценивать с позиций экологии. Несмотря на огромное разнообразие природных систем, приспособленных к конкретным климатическим и биологическим условиям существования, в их поведении есть общие черты, связанные с принципиальным сходством энергетических процессов.

Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза, происходящего в зеленом листе, иллюстрирует действие двух законов термодинамики.

Солнечная энергия Q_cолн, получаемая поверхностью зеленого листа, уравнивается рассеянной (отраженной и тепловой) и концентрированной (фотосинтезируемого вещества) формами энергии: Q_cолн = q_pacc + q_конц.

Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии - гласит: энергия не создается и не исчезает, она превращается из одной формы в другую.

Экология, по сути дела, изучает связь между солнечным светом и экологическими системами, внутри которых происходят превращения энергии света.

Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованная зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (q_кон < Q_cолн). Незначительная часть энергии отражается, основная же ее часть превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу (рис. 3.1).

Рисунок 3.1- Действие законов термодинамики при фотосинтезе: Q_cолн = q_pacc + q_конц - первый закон;  q_конц < Q_cолн - второй закон

 

Второй закон термодинамики утверждает: любой вид энергии в конечном счете переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.

Отношения между растениями - продуцентами и животными - консументами управляются потоком аккумулированной растениями энергии, которая используется затем животными. Весь живой мир получает необходимую энергию из органических веществ, созданных растениями и, в меньшей мере, хемосинтезирующими организмами.

Пища, созданная в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы.

Животные, поглощая энергию пищи, также большую ее часть переводят в теплоту, а меньшую - в химическую потенциальную энергию синтезируемой ими протоплазмы.

Для всех энергетических процессов, в том числе и технологических, характерен переход от более высокого уровня организации («порядка») к более низкому («беспорядку»). Эту тенденцию потенциальной энергии к деградации выражают термином возрастания энтропии..

Энтропия является физической мерой беспорядка, т. е. мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования.

Одновременно энергетические потоки создают (возможно, спонтанно) из хаоса природных веществ порядок. Структуры, наделенные порядком, обладают низкой энтропией.

Все типы неживых систем регулируются теми же законами термодинамики, которые управляют и живыми системами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них потенциальной энергии, способны самовосстанавливаться, а машины приходится ремонтировать, используя внешнюю энергию. «Потребленная» энергия не исчезает: бензин, например, расходуется в автомобиле, но энергия, содержащаяся в нем, не исчезает, а превращается в формы, уже практически недоступные для использования.

 

Формы и качество энергии

Энергия существует во многих формах и видах: солнечная, тепловая, хими- ческая, электрическая, атомная, энергия ветра, воды и др. Формы энергии различны по способности производить полезную работу. Энергия слабого ветра, прибоя, маломощных геотермальных источников может произвести небольшое количество работы. Концентрированные формы энергии (нефть, уголь и др.) обладают высоким рабочим потенциалом. Энергия солнечного света по сравнению с энергией ископаемого топлива обладает низкой работоспособностью, а по сравнению с рассеянной низкотемпературной теплотой - высокой. Качество энергии, сконцентрированной в биомассе растений, животных, топливе, отличается от качества рассеянной тепловой энергии.

Качество энергии характеризует ее способность совершать работу, т. е. ее эксергию (гр. ех - высшая степень, ergon - работа).

Эксергия - это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой.

Эксергией называют полезную долю участвующей в каком-то процессе энергии, величина которой определяется степенью отличия какого-то параметра системы от его значения в окружающей среде.

В природе показателем качества энергии может служить количество калорий солнечного света, которое должно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии.

Преобразование солнечного света в пищевой цепи, или цепи генерации электричества, или другой цепи превращений всегда сопровождается уменьшением количества и повышением качества аккумулированной на каждом этапе энергии (рис. 3.2, 3.3).

Рисунок 3.2- Изменение количества и качества энергии в пищевой цепи (по Ю. Одуму)

На рис. 3.2 показано, что количество энергии, поступающей от Солнца, на каждом последующем уровне снижается, но качество ее возрастает. Чтобы образовалась 1 ккал биомассы растения, требуется приблизительно в 10 раз меньше килокалорий солнечного света, чем для образования 1 ккал биомассы растительноядного животного. Способность совершать работу единицы биомассы животного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений.

Рисунок 3.3- Изменение количества и качества энергии в цепи генерации электричества (по Ю. Одуму)

Рабочий потенциал электрической энергии также во много раз выше рабочего потенциала древесины (рис. 3.3). В сущности, качество энергии измеряется длиной пути, пройденного ею от Солнца.

 Использование энергии в биосфере определяется количественным распределением и ее качеством. Солнечный свет падает на планету с энергией

2 кал*см ^-2мин ^-1 (солнечная постоянная), но, проходя через атмосферу, он ослабляется, и даже в ясный летний день до поверхности Земли доходит не более 67 %, т. е. 1,34кал*см ^-2мин ^-1  . Судьба солнечной энергии в биосфере такова: отражается 30 %, превращается в теплоту 46 %, расходуется на испарение воды, осадки 23 %, преобразуется в энергию ветра, волн, течений 0,2 %, идет на фотосинтез 0,8 -1,0%.

Клетки растений, связывая на свету СО₂ и Н₂О, образуют гидраты углерода (СН₂О) - строительные блоки органических веществ, обладающие высокой эксергией, а экспортируемая в космическое пространство рассеянная энергия снижает свою эксергию. Под воздействием определенных условий (температуры, давления и др.) в течение тысяч и миллионов лет органические вещества превращались в торф, уголь, нефть, т. е. энергия накапливалась в виде ископаемого топлива. В XX веке эти запасы интенсивно эксплуатировались для обеспечения жизни искусственных систем, созданных человеком: городов, заводов, машин, автомобилей и т. п. Уже сейчас в поисках новых месторождений топлива мы все глубже вгрызаемся в землю, уходим в море. Поэтому освоение таких ресурсов становится все более дорогостоящим. Огромная работа, выполняемая биосферой (сохранение и развитие жизни, накопление горючих ископаемых и др.) за счет небольшого количества (0,8 %) сконцентрированной растениями солнечной энергии, объясняется высокой эксергией аккумулированной части энергии.

В эпоху открытий новых источников ископаемого топлива большинство людей не понимают, что концентрированная энергия, необходимая для поддержания жизнедеятельности городов и всего общества, потребует рано или поздно разработки способов концентрации энергии. Энергия высокой концентрации совершает больший объем работы, управляет большим числом процессов. Чтобы сконцентрировать энергию, разные виды ее должны взаимодействовать.

Но, пока недостаточно разработаны технологии концентрации энергии, возможно использовать и низкокачественную энергию для «низкокачественных работ»; например, солнечную энергию для отопления зданий.

При разработке будущей стратегии в стране и в мире в целом необходимо руководствоваться важнейшим принципом - использовать энергию такого качества, которое соответствует выполняемой работе.

Горючие ископаемые должны идти в основном на поддержание механизмов, требующих высококачественной энергии (самолетов, автомобилей и др.); не следует их тратить в котельных и печах там, где обогревать дома может Солнце. Запасы нефти и угля сохранятся дольше и позволят выиграть время для разработки технологий получения высококачественной энергии.

Важным показателем эффективности использования энергии является отношение количества энергии на выходе системы ко всей энергии на входе.

Мы привыкли отождествлять энергию, затрачиваемую в процессе производства, с энергией топлива, или электроэнергией, забывая об энергии человеческого труда и использованных материалов. На самом деле энергия, затраченная на добычу, производство, обработку и перевозку топлива, может превышать энергию, получаемую при сжигании этого топлива. Очевидно, что энергетические затраты на движение автомобиля гораздо больше, чем затраты на бензин. Они включают в себя энергию, затраченную на производство автомобиля, запасных частей, обучение шофера и подготовку ремонтных рабочих, на создание автомобильных дорог и другие работы.

В экономике также следует исходить из понятий полезной энергии. Энергоэффективность должна рассчитываться как отношение энергии, воплощенной в продукции, ко всем затратам энергии. Большинство достижений экономики основано на применении многих скрытых косвенных интеллектуальных или дополнительных форм энергии, которые часто не учитываются при оценках стоимости продукции.

Необходимо разрабатывать меры по сохранению как количества, так и качества энергии.