Роль энергетики в развитии цивилизации

В.Г. Казаков

Современные проблемы теплоэнергетики, теплотехники и теплотехнологии

С-Петербург

Лекция 1.

Роль энергетики в развитии цивилизации

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?»