О научных основах энергосбережения

В течение двадцатого века исследователи неоднократно обраща­лись к «лицам» «тени» энергии — энтропии. При этом отмечалось, что, как и подобает тени, энтропия не передает всего многообразия красок и оттенков энергии — виды ее значительно менее разнообраз­ны и не совпадают с видами энергии. Назовем основные из них — тепловая, структурная и информационная.

О тепловой энтропии мы уже упоминали. Структурная энтропия слу­жит мерой неупорядоченности строения систем. Так, если из строитель­ных деталей собрать дом, а из деталей автомобиля — автомобиль, то энтропия этих систем уменьшится, ибо упорядоченность их возрастет,

Получить представление об информационной энтропии поможет следующий классический пример. При охлаждении газа до темпера­туры абсолютного нуля он сначала переходит в жидкое состояние, а затем — в твердое, т.е. из менее упорядоченного состояния во все боле упорядоченное. Соответственно растет и информация о расположе­нии частиц газа, достигающая максимальной величины при абсолют­ном нуле, когда все они займут вполне определенное положение в твердом теле.

Таким образом, информация эквивалентна отрицательной энтропии, или, как предложил называть ее французский физик, один из творцов теории информации Л. Бриллюэн, «негэнтропии». Следовательно, ин­формационная энтропия — это мера неопределенности сообщения.

Л. Бриллюэн, основываясь на 2-м законе, виды энергии по ценно­сти делит на три категории: А) механическая и электрическая, Б) хи­мическая (атомная — не ядерная), В) тепловая. Наиболее ценны виды энергии А, которые способны полностью превращаться в виды Б и В. Химическая энергия занимает промежуточное положение из-за теп­ловых эффектов, сопровождающих химические реакции.

Возрастание энтропии приводит к постепенной деградации энер­гии, которая последовательно переходит все ниже — из класса А в класс Б и далее в класс В.

Во всякой изолированной системе энтропия возрастает, а негэнтропия убывает. Следовательно, негэнтропия характеризует качество энергии, а 2-й закон выражает закон деградации, обесценения, сни­жения уровня энергии. Поэтому система, способная производить ме­ханическую или электрическую работу, должна рассматриваться как источник негэнтропии (сжатая пружина, поднятый груз, заряженный электроаккумулятор и т.п.).

В неживой природе, где действует 2-й закон, понятие ценности свя­зано с инертной материей, или, точнее, с энергией. В других областях «ценность», по-видимому, можно определить независимо, но и в боль­шинстве таких случаев она подчиняется закону естественной убыли.

Из 2-го закона следует, что в состоянии полного равновесия сис­темы с окружающей средой ее энтропия достигает максимального значения:

S = S_{max’ ,}

после этого система не может как-либо изменяться — функциониро­вать, развиваться.

Поскольку энтропия в состоянии равновесия системы, достигнув максимума, больше не изменяется, скорость ее возрастания в этом состоянии равна нулю:

ΔS/τ = 0.

Однако в некоторых случаях достижению системой равновесного состояния препятствуют какие-то внешние условия (теплоизоляция холодильного шкафа, герметизация баллонов со сжатым газом и т.п.). Тогда она приходит в состояние стационарно неравновесное, харак­теризующееся минимальным значением скорости возникновения эн­тропии при данных внешних условиях:

ΔS/τ = (ΔS/τ)_min ^,

Это положение было впервые сформулировано в 1947 г. И. Пригожиным и названо принципом минимума возникновения энтропии.

В уточненном виде, позволяющем применить этот принцип для решения ряда задач, он формулируется так: из всех устойчивых ста­ционарных состояний системы, допускаемых граничными условиями, законами переноса и сохранения, а также 2-м законом, реализуется состояние с минимальным производством энтропии. В такой форме этот принцип приобретает смысл принципа максимально возможно­го сохранения структуры системы в неравновесном состоянии.

Работы Л. Бриллюэна и И. Пригожина, выполненные в прошлом веке, позволяют сформулировать основные принципы энергосбере­жения:

• из всех изменений, которые наблюдаются в реальных изолиро­ванных системах, следует использовать в первую очередь те, кото­рые способствуют снижению интенсивности возрастания энтропии (ограничению темпов деградации энергии);

• обеспечение в любой изолированной системе состояния с мини­мальным производством энтропии и есть энергосберегающий прин­цип функционирования этой системы;

• принцип максимально возможного сохранения структуры систе­мы в неравновесном состоянии и есть одно из условий энергосбере­гающего развития этой системы;

• энергосберегающая деятельность включает в себя следующие ос­новные направления (по числу видов энтропии):

• мероприятия по снижению темпов деградации любых видов энергии, связанных с их переходом в тепловую энтропию;

• реализация мер, способствующих росту упорядоченности стро­ения любых систем. Конечной целью здесь является формирование устойчивого общества, учитывающего интересы будущих поколений;

 

• обмен информацией между отдельными частями в любой сис­теме (и в обществе, в целом) должен способствовать накоплению негэнтропии (отрицательной энтропии), пусть даже и за счет роста рас­хода энергии.

1909 г. Присуждение Нобелевской премии по химии В. Освальду (1853-1932). Он известен как один из многих ученых того времени, увлеченных энергией. В. Освальд считается главой «энергетизма» — полуфилософского учения, провозгласившего замену материи энер­гией, а также проповедником «принципа экономии мышления». Смысл этого принципа — любые задачи можно решать с помощью термодинамики! В. Освальд предлагал «устранить противополож­ность» материи и духа сведением их к энергии. Конечно, это не было подтверждено в научном мире той поры.

Но когда А. Эйнштейн установил зависимость между энергией Е и массой т в виде:

E = mc^2,

где с — скорость света, равная 300 тыс. км/с, поднялась новая волна, названная неоэнергетизмом.

В рамках этого направления утверждалось, что в соответствии с формулой Эйнштейна масса «исчезает», превращаясь опять же в энер­гию... Но, конечно, это не так. В природе одни виды материи и фор­мы движения превращаются в другие, но теперь появилась необходи­мость помимо понятия массы покоя т_о дать представленим о динамической массе m_q ио переходе их друг в друга, ибо т=т_o + m_q. Так, при слиянии вещественных частиц электрона и позитрона об­щей массой Σm_о образуются частицы электромагнитного поля — фо­тоны, общей массой Σm_о, но Σm_о =Σm_q, где m_q = h у/с (h — постоян­ная Планка — «квант действия», у — частота).

Но тем не менее под влиянием идей авторов «энергетизма» в XX в. было немало попыток распространить термодинамику за пределы те­ории тепловых машин. Следует отметить, что были и удачные пред­ложения в этом направлении.

На наш взгляд, одним из них следует считать и попытки создания термодинамических основ энергосбережения как системы развиваю­щихся знаний, через которую за счет улучшения эффективности ис­пользования энергии достигается сокращение расходной части энер­гетического баланса.

Энергетизм был одним из направлений формирования модели ус­тойчивого развития общества за счет максимальной реализации энер­гетических возможностей человечества.

1920 г. Принятие плана, разработанного Государственной комис­сией по электрификации России (ГОЭЛРО). План был рассчитан на 10-15 лет. Предусматривал коренную реконструкцию экономики страны на базе электрификации (строительство крупных предприя­тий, сооружение 30 районных электростанций, в том числе и на мест­ных видах энергии (торф, гидроэнергия — 10 ГЭС). Общая мощность станций 1,75 млн. кВт с годовой выработкой 8,8 млрд. кВт ч. План был выполнен в основном к 1931 г.

Несмотря на все военные, революционные, системные потрясения в обществах многих стран, именно в эти годы сформировались ос­новные представления о сохранении биосферы Земли, ее эволюции и регулировании обмена веществ в обществе с природой. Появились и новые технологии, имеющие энергосберегающую основу.

ТЕОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОСФЕРЫ.

 

Эволюция органического мира прошла несколько этапов: 1) воз­никновение биологического круговорота — биосферы; 2)усложнение циклической структуры жизни в результате появления надстройки из многоклеточных организмов; эти два этапа называют периодом биогенеза; 3) возникновение человеческого общества.

Деятельность людей, разумная по своим намерениям, в масштабе биосферы часто оказывается разрушительной, ограничивающей воз­можности дальнейшего развития. Промышленность функционирует на природном сырье, но вносит в природу вещества, не используе­мые живыми организмами планеты, а нередко и весьма ядовитые. Происходит не только уничтожение отдельных видов растений и жи­вотных, не только нарушение их естественных комплексов — биогео­ценозов (экосистем), разрушается структура биосферы — ее цикли­ческая организация, способность к самоочищению. Однако с помощью все расширяющегося прогнозно-планового регулирования происходит постепенное превращение биосферы в сферу разума — ноосферу.

Понятие «ноосфера» впервые введено в науку французским фило­софом Э. Ле Руа в 1927 г. По его мнению, ноосфера — это оболочка Земли, включающая человеческое общество с его индустрией, язы­ком и прочими видами разумной деятельности. Считалось, что ноос­фера идет на смену стихийно складывающейся и функционирующей биосфере. Дальнейшее развитие это понятие получило в работе пале­онтолога и теолога, друга Ле Руа, П. Т. де Шардена «Феномен чело­века» (переиздана на русском языке в 1965 г.). Заметим, что в 1922 — 1923 гг. перед публикацией своих работ эти французы прослушали в Сорбоннском университете в Париже курс лекций В. И. Вернадского по проблемам геохимии и биохимии.

Высказав в принципе правильную идею о ноосфере, они тракто­вали ее в идеалистическом плане — как «мыслящий пласт», который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается с тех пор над миром растений и животных вне биосферы и над ней.

В. И. Вернадский же развил материалистическое представление о ноосфере и наполнил это понятие реальным естественноисторическим содержанием. Поэтому именно В. И. Вернадского чаще называ­ют основоположником учения о ноосфере. В отличие от французских ученых он понимал под ноосферой не нечто внешнее по отношению к биосфере, а саму биосферу на ее новом этапе развития, когда будет происходить разумное регулирование отношений человека и приро­ды. Ноосфера, по Вернадскому, — это новая геологическая оболочка Земли, создаваемая на научных основах. «Единая научная мысль, — писал он, — охватила всю поверхность планеты, все на ней находя­щиеся государства. Всюду создались центры научной мысли и науч­ного искания. Это первая основная предпосылка перехода биосферы в ноосферу. Реально наука есть максимальная сила создания ноосферы».

Еще одна цитата, на наш взгляд, ключевая. «Человеческий разум не является формой энергии, а производит действия, как будто ей отвечающие», — писал В. И. Вернадский. То есть именно в эти годы началось активное понимание того, что настало время перехода че­ловеческого разума от идеи «покорения природы» к новой идее «ра­ционального природопользования через энергосбережение». Очевид­но, только при таком подходе возможно познать и рационально использовать внутренние законы развития ноосферы.

Критерии эффективности.

В этот период ученые и политики стали задумываться о единицах измерения и оценках технико-экономического уровня производства и экономики в целом.

В 1928 г. академик В. И. Вернадский писал, что «еще нет общей единицы для количественного сравнения всех естественных произво­дительных сил, или, вернее, мы не умеем все их свести к этой единой единице, не можем одной единицей, например, выразить добычу ме­таллов и горючего. А между тем необходимо и возможно свести к единице все; только при этом условии можно подойти к полному ко­личественному учету той потенциальной энергии страны, которая может дать удобное для жизни представление о пределах заключаю­щегося в данной стране народного богатства».

И действительно, надежным критерием целесообразности извле­чения энергоресурсов может быть только отношение количества энергии, содержащейся в добытом топливе, к затратам энергии (в том числе энергии, овеществленной в амортизируемом оборудовании, расходуемых материалах и т.д.).

В 1935 г. Н. М. Федоровский разработал новую классификацию полезных ископаемых, в основу которой положил их себестоимость, исчисляемую в условных величинах энергоемкости. Этим было дос­тигнуто единообразие в оценке различных технологических процес­сов добычи и переработки полезных ископаемых.

Академик А. Е. Ферсман, используя энергетический подход, при­шел к выводу, что в процессах биогенеза и особенно техногенеза (об­разования и развития техники) совершенствование объектов проис­ходит в направлении все большего накопления энергии и негэнтропии.

Но в те же годы об ограниченности объемов природных запасов энергии еще мало кто думал, и люди рассматривали безудержно рас­тущее потребление невозобновляющихся запасов энергии как нечто само собой разумеющееся, поклоняясь только «золотому тельцу», и не подозревали, что именно поток энергии регулирует денежное обра­щение. Денежный цикл функционирует только при наличии постоян­ного притока к нему энергии, хотя движение энергии и движение де­нег в нем противоположны. Деньги циркулируют непрерывно, энергия же высокого качества потребляется для поддержания производства, но часть ее необратимо рассеивается в виде тепла. Поэтому мы будем вынуждены к этой проблеме вернуться.