XIX век. 1807 г. Одним из первых термин «энергия» применительно к живой силе стал использовать английский ученый Т
1807 г. Одним из первых термин «энергия» применительно к живой силе стал использовать английский ученый Т. Юнг.
1808 г. Английский химик Г. Дэви впервые получил из навоза хорошо известный сейчас всем горючий газ метан и углекислоту. На фоне выдающихся открытий того времени лабораторный опыт Дэви выглядел более чем скромно, и вряд ли кто-нибудь, даже сам ученый, мог предположить, что в конце XX в. биохимики и микробиологи, вооруженные самыми современными приборами, будут в мельчайших подробностях изучать этот процесс, математики моделировать его с помощью ЭВМ, а инженеры — конструировать специальные двигатели, работающие на биогазе.
Хотя первый в мире аппарат по переработке навоза в биогаз был создан в 1895 г. в Англии, долгое время считалось, что биогазовая энергетика — удел слаборазвитых стран, где ее развитию способствуют и дефицит топливных ресурсов, и жаркий климат.
Действительно, на сегодняшний день основное количество биогазовых установок (БГУ) сосредоточено в Индии, Китае, Бангладеш, Пакистане, Таиланде, Новой Зеландии. Только в Индии ежегодно вводят в эксплуатацию 5-6 тыс. БГУ.
Специалисты Бангладеш утверждают, что навоза от четырех коров вполне достаточно, чтобы дать энергию средней сельской семье — и для отопления, и для хозяйственных нужд. В Китае работают более 7 млн. мелких БГУ, которые вырабатывают топливо для местных электростанций, а также несколько крупных, обеспечивающих работу ТЭЦ.
Без каких-либо преувеличений можно считать, что в 1808 г., а затем в 1895-м г. английские ученые и специалисты подарили миру одну из самых универсальных энергосберегающих технологий, которая получила мировое признание, но в России до сих пор эта технология не используется в необходимых масштабах.
1824 г. С. Карно предсказал рабочий цикл другой тепловой машины — поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Этот цикл соответствовал четырем ходам поршня: 1 — всасывание воздуха; 2 — сжатие его, в конце которого подается и сгорает топливо; 3 — рабочий ход — расширение газообразных продуктов сгорания; 4 — выпуск их. Забегая вперед, отметим, что изобретатели не сразу осуществили этот цикл — в их машинах вначале отсутствовал ход сжатия, вследствие чего КПД первых ДВС был невысок (до 10-15%). С введением хода сжатия КПД возрос до 25-40%, значительно превысив КПД паровых машин (до 10-15%).
Дату опубликования указанной работы С. Карно называют также днем рождения термодинамики.
1829 г. Г. Кориолис уточняет выражение живой силы, поделив ее пополам – тω2/ 2. Позже энергию движущей системы, например камня или газа, стали называть кинетической, а энергию системы, приведенной в «напряженное» состояние, которое позволяет получить движение — камень поднят над землей и т. п. — потенциальной.
1830 -1840 гг. Появились определения «механическая энергия», «химическая энергия» и др.
1834 г. Опубликовано сочинение «О движущей силе теплоты» член-корреспондента Петербургской Академии наук Б. Клапейрона, в котором он «перевел» труд С. Карно (1824 г.) на математический язык, вскрыв его великое содержание. Он впервые стал применять графический метод теоретического исследования работы тепловых машин.
1847 г. Получил обоснование закон сохранения количества энергии при взаимопревращениях ее видов в изолированных системах — всеобщий закон природы (первый закон термодинамики).
Осознается решающая роль энергии в жизни и прогрессе человечества. Энергия получает титул «царицы мира».
1850 г. «Царствование его величества пара, перевернувшего мир в прошлом столетии, окончилось; на его месте станет неизмеримо более революционная сила — электрическая искра» (из разговора К. Маркса с К. Либкнехтом).
1852 г. Английский ученый Кельвин создал первый тепловой насос. Он назвал это устройство «умножителем тепла». Тепловой насос — это устройство, в котором тепло передается от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой. Несмотря на то, что тепловые насосы были изобретены 150 лет назад, принцип их действия у многих вызывает недоверие и по сей день. Действительно, не так-то просто поверить в то, что наружный воздух с минусовой температурой может быть источником тепла для обогрева помещения зимой! И тем не менее, это вполне доказанный факт. Бытовые кондиционеры, которые, по существу, являются тепловыми насосами, зимой работают именно по такому принципу. С помощью теплонасосной установки можно, затратив 1 кВт ч, получить 2, 3, 4 и более кВт ч. Невероятно? Но ничего противоестественного, идущего вразрез с законами термодинамики и тем более с законом сохранения энергии здесь нет.
Термодинамически тепловой насос идентичен холодильнику. Но только холодильник производит холод, а тепловой насос — тепло. При этом количество тепловой энергии, производимой тепловым насосом, всегда больше энергии, затраченной на работу агрегата, за счет добавочного тепла от низкотемпературного источника.
Так уж случилось, что Англия в XIX в. подарила миру еще одну энергосберегающую технологию — тепловой насос (умножитель тепла), которая у нас в России используется достаточно ограниченно. Объективная причина этому — более суровые климатические условия, чем во всех остальных странах мира.
1853 г. Английский ученый В. Томсон (лорд Кельвин) предложил первое строгое определение энергии: энергия материальной системы в определенном состоянии есть измеренная в единицах механической работы сумма всех действий, которые производятся вне системы, когда она любым способом переходит из этого состояния в произвольно выбранное нулевое состояние.
1865 г. Впервые сформулировано определение «тени» энергии — энтропии — меры рассеяния энергии. Слово «энтропия» предложил немецкий ученый Р. Клаузиус.
Изменение энергии системы определяется только разностью ее значений в начальном и конечном состоянии перехода, в противном случае система стала бы источником энергии «из ничего», что противоречит закону сохранения энергии. Поэтому энергию и подобные ей в указанном отношении величины называют «функциями состояния».
Энтропия тоже есть функция состояния системы, но количество тепла Q = TΔS, выражающее «потерю» энергии, зависит от характеpa совершающегося процесса, поскольку от него зависит количество тепла, рассеивающееся вследствие прямой теплоотдачи системы в окружающую среду и выделяющееся и рассеивающееся вследствие трения. Поэтому-то и действительная работа тоже зависит от характера процесса и никогда не бывает равна максимальной, то есть изменению энергии системы.
Поскольку опыт свидетельствует, что все процессы в реальных условиях сопровождаются трением и теплообменом, энтропия систем всегда возрастает при условии их полной изоляции (то есть без подвода энергии извне и утечек ее). В противном случае энтропия системы может возрастать и убывать уже под действием внешних сил. Это и дало возможность Р. Клаузиусу, В. Томсону и другим исследователям сформулировать новый закон — закон возрастания энтропии (ставший позже вторым началом, или законом, термодинамики): какие бы изменения ни происходили в реальных изолированных системах, они всегда ведут к увеличению энтропии.
1872 г. Больцман Л. выявил связь между энтропией S и термодинамической вероятностью А состояния систем в виде:
S=KlnA,
где k = 1,380 • 10-23 Дж/к (К — градус в абсолютной шкале температур Кельвина) — постоянная Больцмана.
Поскольку беспорядок всегда вероятнее, чем относительный порядок — энтропия увеличивается и становится максимальной, когда для данной системы в данных условиях наступает максимальный беспорядок (например, сгорели дрова в печке, разбилась тарелка и т. д.).
1878 г. «До сих пор неизмеримая сила, достигающая ежедневно Земли в виде лучеиспускаемой солнечной теплоты, почти нигде не имела промышленного применения. На Всемирной промышленной выставке впервые был выставлен аппарат-рефлектор, концентрировавший солнечные лучи, которые падали уже в таком виде на сосуд с водой, очень скоро приходившей в кипение. В последнее время эти солнечные машины нашли применение в земледелии». Это сообщение российский журнал «Техника» напечатал в 1883 г. Как видим, применением солнечной энергии люди интересовались еще в позапрошлом веке.
Солнечная паровая электростанция, основной частью которой было большое зеркало, фокусирующее солнечные лучи на специальный котел, демонстрировалась в Париже на Всемирной промышленной выставке 1878 г. Такие же установки были построены в 1901 г. в США (штат Калифорния) и в 1913 г. в Египте.
1880 г. Начало развития теории энергоэнтропийной картины жизни в работах С. А. Подолинского.
С. А. Подолинский (1850-1891), украинский марксист, получивший физико-математическое образование в Киевском университете и медицинское — во Вроцловском. Известно, что он в 1872 г. встречался с К. Марксом.
В русском журнале «Слово» (1880, № 4-5) была опубликована работа С. А. Подолинского «Труд человека и его отношение к распределению энергии». В ней он утверждал, что в растениях совершается работа по «подъему» части солнечной энергии с низшей ступени на высшую, а вся механическая работа в организме животных имеет своим началом энергию, «сбереженную растениями в пище в виде химической энергии». Причем он отмечал, что только часть этой энергии может быть превращена во внешнюю работу в процессе труда.
Он считал, что организмы выживают в борьбе с неорганической природой, если у них запас «превратимой энергии» больше, чем в неорганических веществах вокруг.
С.А. Подолинский сумел в основном правильно сформулировать главные принципы и закономерности и прийти к удивительно современно звучащему выводу: «усовершенствование» человеческой жизни должно заключаться главным образом в количественном увеличении энергетического бюджета каждого человека, а не только в качественном превращении низшей энергии в высшую, так как последнее возможно только в очень ограниченной степени, значительно меньшей, чем количественное накопление. Поэтому только общество, стремящееся к быстрому накоплению энергии, может быстро идти вперед. Застой в данном случае почти равносилен рассеянию накопленной энергии, так как общественная жизнь без развития теряет всякую ценность и всякий смысл. На этом основании С.А. Подольский считал и произвольное ограничение населения Земли равноценным рассеянию энергии — росту энтропии.
Используя в своих работах труды К. Маркса, Подолинский вместе с тем высказывает свои соображения о роли двигателя как одного из трех элементов любой машины (двигатель + передаточный механизм + рабочая машина) в социально-экономическом прогрессе человечества. «Очень может быть, — писал он, — что Маркс прав и что промышленная революция XVIII в. была совершена изобретением инструментов для рабочих машин, а не применением пара, как обыкновенно думают, но в таком случае это чисто случайный факт и произошел оттого, что ко времени применения пара эти инструменты рабочих машин еще не были изобретены. Если бы они уже существовали в то время, то все-таки применение пара произвело бы немалый переворот в промышленности». В подтверждение своего мнения он приводил слова Маркса: «Если мы всмотримся поближе в рабочую машину, то мы откроем в ней, хотя нередко в очень измененной форме, те же самые аппараты и инструменты, которыми работают ремесленник или мануфактурный работник; но только они являются теперь не инструментами человека, а инструментами механизма или механическими инструментами. Итак, —резюмирует Подолинский,— рабочей машине мы можем приписать только сбережение энергии при работе, в том же смысле, как мы его приписываем нашим простейшим орудиям вроде ножа, топора, веретена и т.п.».
Иными словами, с технической точки зрения машина-двигатель, выполняющая функции человека-двигателя, по существу, тоже представляет собой «рабочую машину», которая с помощью «орудий труда — водяных колес, ветряных крыльев, поршней, турбинных дисков и т.д. — преобразует энергию природных источников в упорядоченную полезную энергию — работу инструментальных машин. Ведь если бы и при К. Марксе рабочий выполнял, как в древности, и функции двигателя, то применение паровой машины увеличило бы армию безработных еще в большей степени, чем передача технологических, инструментальных функций человека машинам.
Ф. Энгельс высоко оценил статью С. А. Подолинского и в письме К. Марксу специально подчеркнул, что его действительное открытие состоит в том, что человеческий труд в состоянии удержать на поверхности земли и заставить действовать солнечную энергию более продолжительное время, чем это было бы без него».
Но основной итог здесь, пожалуй, в том, что на основании своих рассуждений С. А. Подолинский приходит к заключению, что «с увеличением потребностей... идет увеличение производительности самого труда, т. е. благодаря различным усовершенствованиям меньшее количество превратимой энергии человеческого труда способно превращать большие количества низшей энергии в высшие формы, чем это делалось прежде». Иными словами, в ходе исторического развития возрастают возможности людей совершать все большую работу при все меньших затратах физического труда. Эта особенность представляет собой закон роста производительности тру да. Здесь он является частным случаем общего принципа.
Таким образом, труд есть управление энергетическими потоками окружающей человека природной среды, причем источником энергии для этого служит сама природа.
Шитье одежды и постройку жилищ Подолинский тоже считал полезным трудом, потому что их конечная цель та же самая — сберечь часть превратимой энергии, накопленной в человеческом теле, защищая его от холода, ветра, дождя и т.д. При этом он подчеркивал, что одежда и жилище точно так же ведут к сбережению и наивыгоднейшему распределению энергии в теле человека, как, например, обучение ведет к наивыгоднейшему потреблению энергии во время работы.
Вместе с тем С. А. Подолинский не упускает из виду, что такой, казалось бы, самый энергетически выгодный труд, как добыча угля и торфа, позволявший получить в те времена в 20 раз больше энергии, чем затрачивалось, лишь относительно выгоден. «Не следует забывать, — писал он, — что каменный уголь есть запас солнечной энергии, собранный за громадный период времени, и что, потребляя его в большом количестве, мы вводим в наш бюджет случайно собравшиеся доходы прежних лет, а расчет ведем так, как будто мы действительно сводим концы с концами. Если бы мы посредством того труда, который идет на добывание каменного угля, умели фиксировать ежегодно такое количество солнечной энергии на земной поверхности, которое равняется энергии добытого угля, тогда действительно весь этот труд мог бы считаться полезным».
Высказав эти чрезвычайно современные (сейчас, спустя 120 лет!) соображения, С. А. Подолинский отмечал, что потребность в каменном угле так неизбежна, запасы его еще так велики и возможность новых изобретений (позволяющих использовать другие источники энергии) до их истощения так вероятна, что люди не могут поступать иначе, как до сего времени поступали, т. е. стараясь, по возможности, увеличить добыванием угля свой запас «превратимой энергии».
И здесь же он рассматривает возможности практического использования солнечной энергии в виде сконцентрированного зеркалами тепла: солнечный насос Соломона де Ко, испытанный в Англии в 1616 г.; солнечную паровую машину-двигатель А. Мушо, построенную во Франции в 1861 г, и показанную на Всемирной выставке в Париже в 1878 г.; воздушный поршневой солнечный двигатель шведского инженера (переселившегося в Америку) Эриксена и т.д.
Подолинский считал, что и умственный труд, и труд в области искусства может в определенных условиях способствовать накоплению энергии. Интеллектуальные решения, способствующие рационализации человеческой деятельности в различных областях, музыка, поэзия, живопись и т.д., вызывая прилив психической энергии, благородных чувств, взлет творческой мысли, тоже преобразуются в дальнейшем в новые запасы энергии.
Он отмечал также, что человеческая деятельность, противоположная труду, например войны, есть расхищение энергии, т. е. увеличение количества энергии, рассеиваемой в пространстве.
1886 г. Л. Больцман в докладе о втором законе говорил, что всеобщая борьба за существование живых существ — это борьба за энергию, которую можно использовать при переходе энергии от Солнца к Земле.
1892 г. Дизель Рудольф получил патент на четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Началось все с того, что Р. Дизель хотел повысить КПД паровой машины, который был в то время около 10%. В результате появился совсем другой двигатель. В его цилиндре сжималась не горючая смесь, а чистый воздух. И только к концу сжатия, когда температура достигала 600-650°С, в цилиндр под большим давлением впрыскивалось жидкое топливо. Оно воспламенялось, а газы, расширяясь, перемещали поршень. За счет этого Р. Дизелю удалось значительно повысить КПД двигателя. Система зажигания оказалась вообще не нужной, а работать данный двигатель мог на относительно дешевом топливе. Первый двигатель Р. Дизеля начал эксплуатироваться в 1897 г. и продолжает служить человечеству до сих пор. А появление его вызвано было сильным желанием конкретного человека повысить эффективность использования энергии топлива.
Дата добавления: 2015-09-02; просмотров: 1194;