Лекция 1: Введение. Использование энергии человеком. Энергосбережение и энергоэффективность как способ сокращения энергопотребления.

1. Понятие энергии.

2. История использования энергии человеком.

3. Классификация источников энергии.

4. Критерии качества и измерение энергии.

5. Особенности энергетической политики в мире.

6. Причины энергетического кризиса и пути выхода из него.

7. Энергосбережение и его задачи.

8. Прямое и косвенное энергосбережение.

9. Принципы энергосбережения.

10. Понятие энергетической безопасности.

11. Перспективы энергосбережения в различных отраслях народного хозяйства:

А) при производстве энергии.

Б) в промышленности.

В) в сельском хозяйстве.

Г) в транспортной отрасли.

Д) в жилых помещениях и в быту.

12. Мероприятия по энергосбережению.

1. Энергия является мерой способности физической системы совершить работу, поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.

Термин «энергия» происходит от слова energeia, которое впервые появилось в работах Аристотеля.

В 1807 году Томас Юнг первым использовал термин «энергия» в современном смысле этого слова взамен понятия живая сила. Гюстав Гаспар Кориоли́с впервые использовал термин «кинетическая энергия» в 1829 году, а в 1853 году Уильям Ренкин впервые ввёл понятие «потенциальная энергия».

Известно много видов энергии:

тепловая (энергия хаотического движения и взаимодействия молекул вещества);

механическая (энергия взаимодействия, движения отдельных тел и частиц);

электрическая (энергия движущихся по электрической цепи электронов);

химическая (энергия, которая высвобождается или запасается при химических реакциях между веществами);

ядерная (энергия, заключенная в ядрах атомов радиоактивных веществ);

электромагнитная (энергия движущихся электрического и магнитного полей);

гравитационная (энергия, обусловленная взаимодействием массивных тел (сила тяжести)).

Основным источником энергии на Земле является Солнце. Под действием солнечных лучей растения образуют органическое вещество и выделяют кислород. Животные и человек, питаясь растительной пищей, преобразуют и накапливают энергию, заключенную в растениях. Уголь, газ, торф, нефть - это запасы лучистой энергии Солнца. Энергия воды и ветра - тоже результат солнечной активности: ветры возникают при неодинаковом нагреве Земли Солнцем, а вода получает потенциальную энергию при испарении с поверхности морей, рек, озер под действием Солнца и ветра.

Человек может использовать различные виды энергии, но большая часть энергии, потребляемой человеком, превращается в бесполезное тепло из-за низкой эффективности ее использования.

2. История использования энергии человеком

Самыми древними источниками энергии считаются Солнце и ручной труд (свой, рабов, слуг, рабочих). Позже стали использовать энергию сгорания древесины и энергию домашних животных. Потом научились применять энергию воды и ветра для строительства мельниц. Первым в истории человечества механическим Д. было водяное колесо, применявшееся для оросительных систем в странах Древнего Востока, в Египте, Китае, Индии. В средние века водяные колёса получили распространение в странах Европы как энергетическая база мануфактурного производства. В этот же период широко применялись ветряные Д. Примерно с 13 в. предпринимались попытки создания вечного двигателя.

Силу водяного пара освоили до нашей эры в Греции, где Герон построил модель парового двигателя.

Герон Александрийский (HeronusAlexandrinus)(гг. рождения и смерти неизвестны, вероятно, 1 в.), древнегреческий учёный, работавший в Александрии. Автор работ, в которых систематически изложил основные достижения античного мира в области прикладной механики, В "Пневматике" Г. описал различные механизмы, приводимые в движение нагретым или сжатым воздухом или паром: т. н. эолипил, т. е. шар, вращающийся под действием пара, автомат для открывания дверей, пожарный насос, различные сифоны, водяной орган, механический театр марионеток и т.д. В "Механике" Г описал 5 простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок. Г. был известен и параллелограмм сил. Используя зубчатую передачу, Г. построил прибор для измерения протяжённости дорог, основанный на том же принципе, что и современные таксометры. Автомат Г. для продажи "священной" воды явился прообразом наших автоматов для отпуска жидкостей. Механизмы и автоматы Г. не нашли сколько-нибудь широкого практического применения. Они употреблялись в основном в конструкциях механических игрушек, Исключение составляют только гидравлические машины Г., при помощи которых были усовершенствованы античные водочерпалки. В соч. "О диоптре" изложены правила земельной съёмки, фактически основанные на использовании прямоугольных координат. Здесь же даётся описание диоптра - прибора для измерения углов - прототипа современного теодолита.

Проект универсального парового Д. был предложен в 1763 русским механиком И. И. Ползуновым, который сдвоил в своей машине цилиндры, получил Д. непрерывного действия. Вполне развитую форму универсальной тепловой Д. получил в 1784 в паровой машине английского механика Дж. Уатта. Внедрение паровых машин обусловило независимость размещения промышленного производства от природных источников энергии и привело к быстрому развитию промышленности на новой энергитической основе. К 1880 мощность использовавшихся в мировом хозяйстве паровых машин превысила 26 млн. квт (35 млн. л. с.)

Первый практически пригодный Д. в. с. был сконструирован в 1860 французским механиком Э. Ленуаром. В 1876 Н. Отто в Германии создал более совершенный 4-тактный газовый Д. По сравнению с паровой машиной Д. в. с., освобожденный от парокотельного агрегата, имел более высокий кпд, был более простым и компактным Д. В 1897 немецкий инженер Р. Дизель, работая над повышением эффективности двигателя, предложил Д. в. с. с воспламенением от сжатия. Дальнейшее усовершенствование этого Д. позволило применить в качестве дешёвого топлива нефть, в результате чего Д. в. с. становится экономичным стационарным Д. В то же время Д. в. с. получает широкое распространение на транспорте. В 60-е гг. 20 в. около 80% суммарной мощности всех существующих Д. падает на долю транспортных.

Уатт (Watt) Джеймс (19.1.1736, Гринок, Шотландия, - 19.8.1819, Хитфилд, Англия), английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины, член Лондонского королевского общества (1785). С 1757 работал механиком в университете в Глазго, где познакомился со свойствами водяного пара и сам с большой точностью провёл, пользуясь котлом Д. Папена, исследование зависимости температуры насыщенного пара от давления. В 1763-64, налаживая модель паровой машины Т. Ньюкомена, пришёл к выводу, что значительный расход пара в этой машине объясняется охлаждением стенок цилиндра до температуры охлаждающей воды во время её впрыскивания в цилиндр и что сократить расход пара можно отделением конденсатора пара от цилиндра. Используя эту идею, У. в 1765 построил экспериментальную машину с диаметром цилиндра 16 см, а в 1768 - первую большую паровую машину, конструкция которой, однако, имела ряд недостатков: неудачным оказался конденсатор, требовалось дополнительное уплотнение поршня. В 1769 У. получил английский патент на "способы уменьшения потребления пара и вследствие этого - топлива в огневых машинах", в котором излагался ряд новых технических положений: применение паровой рубашки для поддержания температуры в цилиндре, проект парового ротационного двигателя и др. В 1782 получил английский патент на паровой двигатель с расширением. У. ввёл первую единицу мощности - лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности - ватт).

С развитием общества энергии необходимо больше!

В начале 19 века Майкл Фарадей изобрел электродвигатель и электрогенератор.

ФАРАДЕЙ (FARADAY) МАЙКЛ (1791-1867) английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле, иностранный почетный член Петербургской АН (1830). Обнаружил химическое действие электрического тока, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом. Открыл (1831) электромагнитную индукцию - явление, которое легло в основу электротехники. Установил (1833-34) законы электролиза, названные его именем, открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Доказал тождественность различных видов электричества. Ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн.

В конце 19 века для сжигания в паровых двигателях вместо угля начинают использовать нефть. Освоено бурение, нефтеперегонка, изобретен двигатель внутреннего сгорания. 1998 г. - немецкие инженеры Карл Бенц и ГотлибДаймлер создали первый трехколесный автомобиль с бензиновым двигателем. От использования нефти было меньше загрязнения по сравнению с углем, легче транспортировать. В ходе конкуренции за источники сырья определяется политика государств.

Первая половина 20 века – строительство гидроэлектростанций и тепловых электростанций; используют уголь, позже - нефтепродукты (мазут). На этом этапе природный газ, сопутствующий нефти сжигали без направленного использования. После второй мировой войны построили сеть газопроводов, и возросло его использование (так как он экологически чище, имеет относительно низкую стоимость).

1960 годы – ввод в действие первой атомной электростанции (1954 г. СССР). Овладение ядерной энергией - одно из важнейших научно-технических достижений ХХ века. Этому предшествовал пуск первого атомного реактора (1942 г США); взрыв первой атомной бомбы - 1945 США; 1949 – СССР – Казахстан.

Вторая половина 20 века - возрастает интенсивность использования энергоресурсов. Возникают регулярные энергетические кризисы, экологические проблемы.

1973 г. - первый энергетический кризис. Его результатом стало использование в Бразилии спирта как топлива для автомобилей.