Реферат: Проблема качества энергии

Реферат: Проблема качества энергии

С. И. ЯКОВЛЕНКО

Около трехсот лет назад в существенной части так называемого цивилизованного общества сформировалась труднообъяснимая вера во всесилие человека, в безграничные возможности удовлетворения различных материальных потребностей и даже прихотей путем использования научного знания. Эта вера глубоко проникла в сознание как общественных деятелей, так и ученых. Все, конечно, понимают, что нарушить законы природы человек не может. Однако многим кажется, что эти законы существенной преграды для человеческого могущества не представляют, а, наоборот, помогают человеку реализовать над природой неограниченную власть. Нельзя, например, иметь ковер-самолет, но можно построить реактивный лайнер. Нет волшебного зеркальца, но есть телевизор. Нельзя обеспечить себя теплом, светом, и уютом, не затрачивая энергии, но, казалось, ученые рано или поздно найдут неисчерпанные источники этой энергии.

Дерзость мысли стала похвальной, даже если она переросла в самоуверенность. Не так давно обещали осчастливить человечество самым научным устройством общества, искусственным интеллектом, электрохимическим синтезом живых организме. Подавляющее большинство ученых верило в то, что развитие живых организмов от амебы к человеку произошло за счет наследования случайных изменений, контролируемых естественным отбором, а наиболее последовательные сторонники этой веры собирались выращивать соловья из кукушки. Дело доходило до -того, что крупные математики всерьез рассматривали возможность аксиоматизации физики, т. е. вывода всех законов природы из конечного числа умозрительных предположений.

Не стоит, конечно, строго судить издержки периода детства и юношества современной науки. Тогда, например, мнение, что животные полностью аналогичны механическим автоматам, считалось научным. Блажен, кто смолоду был молод. Однако сейчас наука вышла из детского возраста, во многом определяет пути развития человечества и даже способна угрожать самой возможности его существования. При этом, хотя влияние науки на развитие общества усилилось, рост возможностей влияния на природу как бы замедлился. Все чаще мы сталкиваемся с тем, что законы природы не столько дают над нею власть, сколько ограничивают наши претензии. И жестоко себя накажет человечество, если не будет замечать ограничений, налагаемых законами природы.

Два важнейших закона-ограничителя

Одним из наиболее сейчас известных общих законов является закон сохранения энергии. Он состоит в том, что энергия может переходить из одной формы в другую, но не может возникать из ничего или пропадать в никуда. Уверенно пользуясь этим законом, как чем-то очевидным, не все помнят, что окончательно установлен он всего лишь в середине прошлого века (Майер, Джоуль). До этого даже образованные, но лишенные творческой интуиции ученые, пытались построить вечный двигатель, т. е. устройство, которое производит работу, не потребляя энергии. Им казалось, что создать такое устройство мешают лишь технические трудности, которые можно преодолеть.

Практически одновременно с законом сохранения энергии (и даже, можно сказать, несколько ранее его) был установлен другой важнейший закон-ограничитель, получивший название второго начала термодинамики (Карно, Клаузиус, Томсон). Он может быть сформулирован как невозможность превращения тепла в механическую энергию в отсутствие холодильника, т. е. тела с температурой, меньшей температуры того тела, тепло которого переводится в механическую энергию. Итак, для превращения тепловой энергии в механическую необходим не только нагреватель, но и холодильник, причем максимально возможный коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины равен отношению разности температуры нагревателя и холодильника к температуре нагревателя (КПД цикла Карно).

Ограничительные свойства второго начала термодинамики наглядно иллюстрируются следующим примером. В Мировом океане содержится очень много тепловой энергии. Если понизить его температуру всего на градус, то выделится энергия, во много раз превосходящая ту, которая может быть получена от сжигания всех мировых запасов угля и нефти. Однако не видно соответствующего холодильника, который бы позволил эффективно преобразовать, например, в электричество какую-либо заметную часть этой огромной тепловой энергии.

Гипотетическую тепловую машину, преобразующую тепловую энергию в механическую или электрическую с нарушением второго начала термодинамики, называют вечным двигателем второго рода. В соответствии со вторым началом создание его невозможно. Иногда даже второе начало формулируют как невозможность создания такого двигателя.

Удивительно, но если с ограничениями, обусловленными законом сохранения энергии, общественное мнение смирилось практически сразу, то второе начало термодинамики воспринимают далеко не все. Видимо, поэтому его изучают не в средней школе, а только в технических вузах. Более того, даже среди людей с высшим техническим образованием находится как не понимающие смысл второго начала, так и старающиеся опровергнуть этот представляющийся им неприятным закон и создать вечный двигатель второго рода.

У энергии есть качество

Одним из важнейших выводов, следующих из второго начала термодинамики, является то, что, хотя энергия сохраняется, она не может быть преобразована из одной формы в другую по одному лишь нашему усмотрению. Это наводит на мысль, что энергия характеризуется не только количеством, но и качеством. Например, можно сказать, что вечный двигатель второго рода построить нельзя постольку, поскольку энергия среды, находящейся при более низкой температуре, имеет и более низкое качество. Энергию же низкого качества нельзя непосредственно перевести в энергию более высокого качества. Нельзя, например, скипятить чайник, погрузив его в воды Мирового океана, даже если это произойдет на экваторе.

Однако объективно и достаточно полно оценивать качество энергии тел, не находящихся в термодинамически равновесном состоянии, пока наука не умеет. По-видимому, это дело науки следующего века. В прошлом веке физики разобрались с качеством тепловой энергии. В нашем же веке они были заняты в основном другими вопросами (квантовой механикой и теорией относительности). При этом, хотя проблемы преобразования различных форм энергии без потери качества уже давно стали насущными, они как-то недостаточно проникли в общественное сознание.

Удивительно, но инженеры, как правило, лучше ощущают ограничения, связанные с качеством различных форм энергии, чем ученые, особенно — ученые, обсуждающие глобальные проблемы настоящего и будущего человечества. До сих пор сохраняется, например, тенденция оценивать развитость общества по количеству потребляемой энергии в топливных единицах. Это примерно то же, что оценивать интеллект человека по силе его мышц, или сравнивать вычислительные возможности современных и первых электронно-вычислительных машин по потребляемой ими энергии.

Возможно, качество энергии не имеет какой-либо абсолютной шкалы и характеризуется не одним числом, а совокупностью различных характеристик. Тем не менее кое-какие предварительные соображения о сравнительном качестве различных форм энергии можно высказать. Во-первых, ясно, что энергия более высокого качества может быть преобразована в энергию низкого качества с меньшими потерями, чем энергия низкого качества в высококачественную. Во-вторых, более высоким качеством обладает энергия, которую можно с меньшими; потерями концентрировать или передавать на большие расстояния. Например, лазерный луч несет энергию более высокого качества, чем поток света от лампочки. Кроме того, более высоким качеством обладает энергия, неравномерно распределенная по энергоносителям. Например, раскаленная игла и стакан с холодной водой до охлаждения иглы в стакане имеют энергию более высокого качества, чем после охлаждения.

Возрастание энтропии — деградация энергии

Более глубокое понимание вопроса о качестве энергии может дать статистическая механика—наука, использующая статистические методы для изучения динамики макроскопических (состоящих из большого числа частиц) объектов. Она создана в основном трудами Клаузиуса, Максвелла, Больцмана, Гиббса. В рамках статистической механики второе начало термодинамики является следствием стремления неживой материи к состоянию максимального хаоса, который соответствует состоянию термодинамического равновесия. Мерой хаоса является энтропия. Энтропия является некоторой однозначной функцией состояния макроскопических систем. Чем больше энтропия, тем в состоянии большего хаоса находятся составные части макроскопического объекта (микроскопические частицы). Считается, что энтропия может только расти (в предельном случае термодинамического равновесия — оставаться неизменной) и рост энтропии имеет вместо для так называемых замкнутых систем, не взаимодействующих с окружающим миром.

Энтропия растет по мере заполнения макроскопической системой всех доступных ей состояний (степеней свободы), и чем больше степеней свободы, тем больше максимально возможная энтропия системы. О процессе заполнения системой своих степеней свободы говорят как о диссипации (рассеянии) энергии. Максимальная энтропия (предельно большой хаос) соответствует термодинамически равновесному состоянию. Это такое состояние, в котором любой набор индивидуальных характеристик микроскопических частиц системы (совместимый с законом сохранения полной энергии) равновероятен — система заполнила с ^разной вероятностью все свои степени свободы. При этом в термодинамическом равновесии полностью утрачивается память о предыдущей эволюции системы. Совершенно естественно трактовать процессы, идущие с увеличением энтропии, как деградацию энергии рассматриваемого объекта. Недаром процессы, привозящие к повышению энтропии, часто называют не только релаксационными и 1диссипативными, но и деградационными, а термодинамически равновесное состояние — тепловой смертью. Ясно, что при таких процессах энергия тела хотя и не уменьшается, но становится хуже качеством. Продеградировавшую энергию трудно, а часто и невозможно использовать для практических целей. Можно скипятить воду, сжигая кусок угля размером меньше чайника, но, погрузив тайник в воды Мирового океана, обладающего огромной тепловой энергией, горячую воду можно только охладить. Ясно, что энергия, содержащаяся в куске угля, выше качеством тепловой энергии Мирового океана. Сжигая уголь, мы уменьшаем качество содержащейся в нем энергии и утрачиваем возможность ее дальнейшего практического использования.

Сейчас принято считать, что все процессы в природе приводят к повышению суммарной энтропии взаимодействующих тел. Это носит название закона возрастания энтропии. Результатом этих деградационных процессов должна быть тепловая смерть Земли и, возможно, Вселенной. В рамках этой картины мира утешает лишь то, что перспектива тепловой смерти, по мнению основоположников статистической физики, невообразимо далека. Впрочем, этот сравнительно оптимистический вывод был сделан давно и без учета влияния на природу результатов человеческой деятельности.

Надо, однако, отметить, что предположение о неизбежном росте энтропии системы частиц, двигающихся по законам механики и не подвергающихся вероятностному (стохастическому) внешнему воздействию, с самого начала вызвало заслуженную критику со стороны ряда ученых (Пуанкаре, Лошмидт, Цермело и др.). Они обратили внимание на то, что картина Мира, основанная полностью на динамических законах, противоречит закону возрастания энтропии. Динамические законы обратимы во времени, а рост энтропии характеризует необратимые физические процессы. Иначе говоря, второе начало термодинамики не может быть следствием законов Ньютона, а является дополнительным постулатом. Позднее была доказана теорема о сохранении энтропии в системе частиц, двигающихся по законам квантовой механики. Недавно мне с группой теоретиков удалось найти интересный пример, демонстрирующий, что деградационные процессы не являются следствием одних лишь законов взаимодействия частиц, а должны привноситься извне[1]. Однако не будем здесь останавливаться на этих сложных и тонких вопросах, в частности на том, что является источником роста энтропии. Достаточно знать, что закон ее возрастания подтверждается огромным количеством экспериментальных данных.

Из сказанного ясно, что при оценке качества энергии должно быть очень существенно, насколько эта энергия хаотизирована, т. е. насколько велика ее энтропия (мера беспорядка). Система, обладающая большей упорядоченностью (меньшей энтропией), должна, по-видимому, обладать и более высококачественной энергией.

Однако, судя по всему, энтропия является не единственной характеристикой качества энергии. Например, ее величина непосредственно не связана со сроком возможного хранения энергии без потерь. Важно также и то, насколько трудоемким оказывается процесс высвобождения энергии. Точнее, сколько энергии и какого качества понадобится, для того чтобы выделяемой энергии оказалось достаточно для покрытия расходов на запуск процесса энерговыделения. Этот вопрос мы обсудим ниже в связи с проблемами термоядерного синтеза.

Страницы: 1, 2