12.2 Источники энергии

В большинстве случаев природа поставляет нам энергию не в той форме, в какой она нужна для наших конкретных целей. Поэтому мы вынуждены преобразовывать имеющуюся в нашем распоряжении энергию. Для получения работы мы должны найти соответствующие источники энергии, т.е. такие вещества, которые являются носителями наиболее пригодного для реализации вида энергии.

Следует отметить, что живые организмы (в том числе человек) сами являются носителями значительных запасов энергии. Живые организмы содержат относительно большое количество химической энергии. В ходе таких и до сих пор недостаточно изученных химических процессов происходит превращение энергетически богатых сложных веществ живого организма в простые вещества, которое сопровождается выделением энергии. Эти превращения являются источником мускульной работы человека и животных, при помощи которой они поддерживают свои жизненные функции, перемещаются, обеспечивают себе пропитание, а также могут производить необходимые и полезные изменения окружающей среды. Эти "естественные" источники энергии, питаемые химической энергией собственного тела, удовлетворяли человека только на ранней стадии человеческого общества, длившейся, однако, многие тысячелетия. Уже в первобытную эпоху человек поставил себе на службу "внешний" энергетический источник – мускульную силу животных, что позволило ему значительно увеличить объем производимых работ. В дальнейшем в связи с разделением труда одни люди стали претендовать на мускульную силу других. Позднее, еще через многие тысячелетия, человек заставил работать на себя энергию воды, которая приводила в движение мельничные колеса и устройства оросительных систем и ветра, а он вращал крылья мельниц и надувал паруса судов.

Можно считать, что первые сознательные действия для получения энергии человек совершил тогда, когда научился извлекать огонь из сухих растений. Огонь давал человеку тепло, помогал улучшать пищу и отпугивать диких зверей. Однако использовать огонь для получения механической работы наши предки еще не умели. Известно, что уже во II веке до нашей эры Герон в Александрии открыл способ превращения тепла с помощью пара в кинетическую энергию вращающегося тела (в сущности, он открыл паровую турбину), но в течение двух тысячелетий никто не пытался использовать это явление для получения работы. Такое пренебрежение к неживым источникам энергии объясняется не только относительно низкими потребностями тогдашнего общества, но и дешевизной рабочей силы, легкостью ее эксплуатации – не было нужды в изобретении сложных орудий для замены этой силы.

Только с развитием капиталистического способа производства потребности в энергии настолько возросли, что не могли уже полностью удовлетворяться за счет эксплуатации существовавших в то время источников энергии. Примерно 200 лет тому назад был открыт пар как носитель энергии. Во второй половине XVIII века в Англии, в то время наиболее развитой индустриальной стране, была сконструирована паровая машина, которая начала применяться в широких масштабах и обеспечила невероятно высокий, невиданный до тех пор темп промышленного развития. Поэтому XIX век, а также начало XX, по праву считают веком пара. На исходе XIX века у паровой машины появились конкуренты – двигатели внутреннего сгорания (бензиновые и дизельные). Преимущества двигателей внутреннего сгорания особенно велики для машин малой и средней мощности; для очень больших мощностей все же выгоднее паровая машина.

Уже в конце XIX века наряду с паром получила распространение электрическая энергия, а в первые десятилетия XX века она заняла ведущее место. Мы можем с полным правом сказать, что живем в век электричества. Правда, большую часть электрической энергии еще и сегодня получают с помощью паровых машин, но производство ее сосредоточено преимущественно на огромных тепловых электростанциях. Мощные паровые турбины электростанций гораздо рентабельнее малых паровых машин. Электрические моторы и двигатели внутреннего сгорания все больше вытесняют паровую машину как силовую установку. Электромоторы имеют высокий КПД, работают без отходов и бесшумно, электроэнергия может передаваться по проводам на многие тысячи километров от источника.

Наряду с тепловыми электростанциями растет значение гидроэлектростанций, где генераторы электрического тока приводятся в движение не паровыми, а гидротурбинами. Однако при строительстве современных гидроэлектростанций необходимо сооружать водяные плотины и производить другие дополнительные работы, и в большинстве своем они требуют больших капиталовложений, чем тепловые электростанции. Все же производство электроэнергии на гидростанциях обходится дешевле благодаря использованию энергии воды, поставляемой самой природой, но распространение их ограничено в связи с тем, что экономичны они только там, где достаточно воды и благоприятен рельеф местности. Топливо же для котлов тепловых электростанций (уголь, нефть или газ) необходимо добывать из недр Земли весьма трудоемким путем и доставлять к месту потребления.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положи-тельную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т.е. изменяются ее макроскопи-ческие параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.