Роль энергетики в развитии цивилизации В.Г. Казаков
История человечества и становления цивилизации - это история раз- вития энергетики и освоения энергии человеком, весь продолжительный процесс которой условно можно разделить на пять этапов. Первый этап - этап мускульной энергии, который начался много ты- сячелетий назад и длился до V-VІІ ст.н.э. Великим достижением этого пе- риода явилось овладение огнем, ознаменовавшее один из важнейших пе- реломных моментов в истории цивилизации. Постепенно люди стали ис- пользовать силу животных, энергию ветра и воды. К началу нашего лето- счисления относится запуск первой мельницы с колесом, которое приво- дилось в движение кинетической энергией водяного потока. Второй этап (VІІ-ХVІІ ст.) – начинается с освоения энергии ветра и воды. К ХІ ст. относится первый опыт использования водяных и ветряных мельниц. Появляются прядильные и ткацкие станки, маслобойные и бума- гопроизводящие машины, лесопильные установки. Все это требовало ог- ромного количества металла, а также - энергии. Для производства большо- го количества древесного угля сводили на нет огромные площади лесов. Возникает первый серьезный экологический кризис антропогенного про- исхождения, связанный с развитием промышленности. Появилась потреб- ность в новых, более мощных и постоянно действующих приводах, кото- рые не зависели бы от размещения и времени года. Выход из этого энерге- тического кризиса был найден с помощью овладения «движущей силой огня» для нагрева и испарения воды, а также применение силы сжатого па- ра. Наступила эра третьего этапа в развитии энергетики. Третий этап (от ХVІІІ к началу ХХ ст.) связан с более широким при- менением огня, источником которого является химическая энергия топли- ва, накопленного в литосфере: каменного угля, нефти, газа, горючих слан- цев и т.п.. К середине ХVІІІ ст. были реализованы давние попытки получить ме- ханическую энергию за счет тепловой: 1755 г. - английский кузнец Томас Ньюкомен конструирует первую практически полезную паровую машину, 1763 г. - русский изобретатель Иван Ползунов создает оригинальную рав- номерно работающую паровую машину. У паровых машин того времени было много недостатков: большие размеры и масса, очень низкий коэффи- циент полезного действия, узкая сфера применения и др.
Развитие капитализма в ХVІІ-ХVІІІ ст. обусловило зарождение науки, которая сформулировала первые законы создания энергетических двигате- лей. Промышленная революция, как часто называют эту эпоху больших открытий, коренным образом изменила жизнь на нашей планете. Главным следствием этого стало окончательное падение феодализма и укрепление капиталистических производственных отношений. Во второй половине ХVІІІ ст. в Англии Джеймс Уатт разработал про- образ современной паровой машины непрерывного действия, которая «раскрутила» колесо истории до небывалых в то время оборотов. В Анг- лии, а потом в континентальной Европе и Северной Америке быстро рас- пространились паровые машины. Получаемую с их помощью энергию ста- ли использовать для приведения в движение заводских механизмов и агре- гатов. Возникают первые тепловые машины-двигатели. Далее научная кон- структорская мысль приводит к созданию двигателей внутреннего сгора- ния, паровых, газовых и парогазовых стационарных турбин, авиационных и транспортных газовых турбин, реактивных и ракетных двигателей. Но все это будет намного позднее, а пока началось «золотое столетие водяно- го пара». Наряду с развитием практической теплотехники развиваются ее тео- ретические основы - теория тепловых двигателей или, как ее теперь назы- вают, техническая термодинамика. Уже в ХІХ столетии на основе наблю- дений за тепловыми явлениями и работой тепловых машин Джоуль, Май- ер, Гельмгольц, Карно, Клаузиус установили первый и второй законы тер- модинамики, которые легли в основу этой фундаментальной дисциплины, изучающей взаимное преобразование тепловой и механической энергии. Однако даже такой быстрый рост количества паровых машин и их не- прерывная модернизация до конца ХІХ ст. уже были не в состоянии удов- летворить потребности экономики в энергетических мощностях. Очевид- ными стали недостатки первых паровых машин: низкий КПД, большой расход топлива, передача механической энергии от машин к станкам через сложные и ненадежные системы трансмиссий, неблагоприятные экологи- ческие последствия. Атмосфера городов с тысячами заводских дымовых труб становится непригодной для жизни. Но, как свидетельствует история, из кризисных явлений всегда есть выход. В 1831 г. был открыт способ преобразования механической энергии в электрическую. Начинается новая эра - эра электричества. Четвертый этап (с начала ХХ ст.) - золотое столетие электричест- ва. В ХХ ст. электричество вступило в права основного энергодателя, энергопреобразователя и энергопередатчика. Тем самим был дан сильный толчок к использованию тепловой энергии и тепловых двигателей, появле- нию и широкому применению электрических машин и моторов, в которых механическая энергия превращается в электрическую и наоборот. Очевид- ными стали преимущества электрической энергии по сравнению с механи- ческой: быстрота и относительно малые потери при ее передаче на боль- шие расстояния, относительная простота преобразования в другие виды энергии. Появление тепловых двигателей обеспечило широкое использование для получения механической энергии огромных природных энергетиче- ских ресурсов в виде угля, нефти, газа, горючих сланцев, торфа и т.п. Ус- пехи по созданию машин и двигателей, которые вырабатывают за счет те- пловой энергии электрическую, обусловили быстрое развитие мощных те- пловых электрических станций, преобразующих тепловую энергию в ме- ханическую, а потом в электрическую. Вместе с тем, благодаря научным открытиям ХХ ст., человечество вступило в новую эпоху - эпоху использования атомной энергии. Пятый этап - создание и развитие атомной энергетики. Атомная энергетика основывается на расщеплении тяжелых ядер не которых химических элементов (урана, плутония, тория). В результате по- падания в ядро нейтрона развивается цепная реакция с выделением огром- ного количества энергии (теплоты). Один из трех названных элементов - плутоний - распространен на Земле в ничтожно малых количествах. На со- временных атомных электростанциях ядерным топливом служит обога- щенный природный уран и искусственно получаемый плутоний. Торий, запасы которого больше, чем урана, пока еще не применяют в ядерной энергетике, рассматривая его как перспективное ядерное топливо. Ядерные реакции с огромным выделением энергии могут происходить также в ре- зультате синтеза ядер элементов, у которых маленький атомный вес, на- пример изотопов водорода - дейтерия и трития. Но это уже - термоядерная реакция. Каждый исторический этап развития науки и техники ставит перед учеными и инженерами много проблем. Одна из основных проблем совре- менности и ближайшего будущего - обеспечение человечества достаточ- ным количеством энергии. Проблема эта довольно острая, так как имеет не только сугубо технический характер. Слова энергия и энергетический кри- зис каждый день произносят с экранов телевизоров, не сходят со страниц журналов и газет, не говоря уже о специальных изданиях. Энергетическая ситуация в отдельных государствах существенным образом влияет на жизненный уровень и культуру населения, сказывается на внутренней и внешней политике. Страны без ТЭР прилагают огромные усилия, чтобы обеспечить себя необходимыми источниками энергии. Страны - экспортеры нефти, нефтяные монополии получают огромные прибыли и сверхприбыли. С другой стороны, отдельные страны вынаши- вают политические и военные планы перераспределения и сохранения нефтяных и газовых промыслов. Понятие нефтяное эмбарго вызывает па- нику в целом ряде стран и становится орудием экономического и полити- ческого шантажа. Все чаще возникают вопросы: «Как жить дальше без нефти и газа? Чем отапливать жилье и производственные помещения? Как обеспечить работу машин и агрегатов? Как поддерживать технологические процессы? Откуда брать энергию, каждый день все больше энергии?»
|