Промышленная резка бетона: rezkabetona.su
На главную  Энергопотребление 

Человечество на фоне универсальн

Неизбежность коренной перестройки энергетики в ближайшие 50-150 лет.

 

Мало кто сомневается на данный момент в самом факте потепления климата. За полвека, пишут эксперты, может подняться на градус или более, что повлечет катастрофические явления, начальные проявления которых наблюдаются на данный момент. Общественность обеспокоена, расширяется клуб стран, подписавших Киотский протокол, который направлен на ограничение выбросов в атмосферу веществ, делающих ее непрозрачной для инфракрасного излучения и создающих тем самым парниковый эффект. но не все винят парниковый эффект, многие – в их числе советник президента РФ Андрей Илларионов, выступавший против подписания Россией Киотского протокола, - утверждают, что потепление климата является обычным в истории Земли потеплением, за которым в свое время последует похолодание.

 

Посмотрим на проблему с другой стороны. Во-первых, если даже потепление климата имеет «нечеловеческое» происхождение, оно все равно остается опасным, приводя к природным катаклизмам. Пока его сменит похолодание, погибнет немало народа, а некоторые регионы исчезнут с лица Земли. Недавний ураган «Катрина» (а разрушительна сила ураганов растет с ростом температуры воды океанов) показал, как это может быть реально.

 

Во-вторых, если человек не повинен в на данный моментшнем потеплении климата, он необходимо повлечет его завтра, причем в апокаполиптических масштабах. Это связано с тем, что потребляя энергию, мы только превращаем одну ее форму в другую, в конечном же счете практически вся добываемая энергия рассеивается в виде тепла, нагревая среду. И дело не в том, что энергоустановки в линии электропередач работают с КПД меньшим единицы. Энергия, которая доходит до потребителя также фактически вся рассеивается в виде тепла. Такова конечная судьба энергии, расходуемой на отопление помещений, варку стали и пр. Лишь весьма малая ее часть идет на увеличение гравитационного потенциала (когда, например, строительные материалы поднимаются на высоту) или фокусируется в форме потенциальной энергии создаваемых структур. Доля нерассеиваемой энергии неизвестна (во всяком случае, автору этих строк) составляя, по-видимому, проценты или доли процента.

 

Экспоненциально возрастая, общемировая ежегодная добыча энергоресурсов увеличилась за 1860-1980 гг. с 4.56 до 89 • 109 МВт • час, что соответствует удвоению примерно за 27, 5 лет. Энергия солнечного излучения, достигающего за год земной поверхности, составляет 580 • 109 МВт • час. Сравнивая, находим, что в 1980 г. добыча энергоресурсов была примерно в 6200 раз меньше падающей на землю солнечной энергии (для 1980 г. взята цифра, средняя м. 89 и 98 • 109 МВт • час, т.е.93,5 МВт • час).

 

Удваиваясь каждые 27, 5 лет, потреблении энергии человеком сравнивается с энергией солнечной радиации приблизительно через 345 лет, отсчитывая с 1980 г., или через 320 лет, если считать с 2005 г. (оценка Л.М. Гиндилиса: «Современное производство энергии (на 1990 г. – С.Х..) по всему земному шару (точнее, вырабатываемая мощность) составляет около 1010 кВт. За последние 200 лет производство энергии росло экспоненциально с годовым приростом 3% (что соответствует удвоению за 23,5 года – С.Х.) Если такой рост будет продолжаться в будущем, то примерно через 300 лет производство энергии достигнет величины Е0 =1014 кВт, т.е. сравнивается с потоком энергии, поступающей на Землю от Солнца»). Когда это произойдет, предпринимать что-либо будет поздно - сколько-нибудь развитые формы жизни на Земле к тому времени погибнут, так что реагировать придется загодя. Одни эксперты полагают, что добываемая энергия не должна превышать 1 % от солнечной, другие – 0, 1%, В первом случае проявления потепления станут катастрофическими примерно через 140 лет, во втором – через 50 (оценка Гвиндилиса: «Обычно считается, что предельное значение (производства энергии – С.Х.) составляет 1 % от полной энергии, поступающей на Землю от Солнца. Более осторожная оценка составляет 0,1 %. Составляющие предельные значения производимой энергии: Е1 = 1011 кВт и Е2 = 1012 кВт. Назовем их первым и вторым тепловым пределом. Первый предел при темпах роста 3 % в год будет достигнут через 77 лет, а второй – через 153 года»). Не исключено, что именно их начало мы наблюдаем на данный момент.

 

При всей приблизительности этих оценок они приводят к неоспоримому, на мой взгляд, выводу, что в ближайшие 50-150 лет энергетику ожидают радикальные перемены. Этот вывод тем более верен, что – мы переходим ко второй составляющей энергетического кризиса – заканчиваются обычные энергоресурсы планеты. Угля, нефти и других традиционных энергоносителей по разным оценкам хватит на 100-150 лет («В настоящее время основным источником вырабатываемой энергии является химическое топливо: уголь, нефть, газ. по данным экспертов «Римского клуба» запасы нефти и газа… истощатся к 2020 г., а запасов угля хватит на весь ХХI век»). Альтернативные же источники энергии – ветер и океанические течения, приливы, горячие источники и пр. – в состоянии обеспечить, по некоторым оценкам, не более 30 % потребителей и производства. Водородная энергетика, за которой, как полагают некоторые, большой будущее, не дает нового источника энергии. Она «включает получ. Н2 из воды и другого природного сырья с затратой солнечной, ядерной или другой энергии, его хранение и использование как топлива, и химических способах передачи энергии на расстояние. Главные преимущества: высокая теплота сгорания (143, 06 МДж/кг); неограниченные запасы сырья, если в качестве сырья рассматривать воду, и экологическую безопасность, т. к. продукт его сгорания вода. При расщеплении природного водосодержащего соединения, как видим, здесь используются традиционные энергоносители, энергия которых частично (поскольку все установки работают с некоторым КПД) возвращается в ходе реакции синтеза воды. Основная идея водородной энергетики, т.о., состоит не в обращении к новому источнику энергии, но в разделении цикла потребления энергии на два этапа, связанные со стационарными и мобильными установками. Получ. водорода будет происходить в стационарных установках, которые легче сделать безопасными. Мобильные энергетические установки (автомобили) сделать экологически безопасными при применении обычных энергоносителей трудно: использование же здесь экологически чистого топлива решает проблему. Эта неминуемая перестройка энергетики потребует немалых усилий и времени, которого у нас не так уж много – если начать работу в этом направлении через 50 лет, то можно безнадежно опоздать.

 

Популярный сценарий: ограничение роста потребления.

 

Ученым эта угроза известна, однако, отношение к ней, на мой взгляд, чересчур легкомысленное. большинство авторов почему-то уверены в том, что человечество сможет затормозить рост добычи энергии. Распространена точка зрения, согласно которой человечество оказалось в наши дни на грани гибели из-за того, что необдуманно перешло на индустриальный путь развития, оказавшись в плену идеологии потребления. Технологическая цивилизация и общество потребления, пишут нам, обречены и должны уйти в прошлое.

 

Дж.Рафкин, предлагая затормозить рост энтропии, утверждает, что человечество ожидает переход от высокоэнтропийной фазы развития к низко энтропийной, на которой мы должны будем отказаться от современных «грязных» источников энергии и сырья в пользу «чистых» (ветра, солнечной радиации и др.) и одновременно резко сократить их общий расход. Индустриальная цивилизация, или цивилизация потребления, прекратит при этом свое существование. Все большую роль, полагает он, будут играть восточные религии, поскольку они «поняли ценность минимизации потока энергии». Аналогична точка зрения Г.Т.Миллера. «Чем больше мы пытаемся упорядочить или «победить» Землю, - пишет он, - тем больший нажим (stress) мы неминуемо оказываем на среду… мы не можем отменить первый и второй закон термодинамики и… должны научиться жить с ограничениями, которые они на нас накладывают». Такова же позиция Л.М.Гиндилиса: «Ограничение производства энергии не связано с недостачей энергетических ресурсов, а вытекает из необходимости сохранить глобальной равновесие природных циклов на Земле. Хотя обе они приводят к необходимости ограничить безудержный рост производства на земном шаре».

 

Раздаются призывы заняться спасением души, самосовершенствованием, разведением пчел и пр. Замедление темпов роста энергопотребления, уверяют нас, неизбежно: «Было бы фатальным заблуждением думать, что мы можем генерировать неограниченное количество энергии, чтобы поддерживать ежедневные потребности быстро умножающегося населения…

 

Чтобы избежать болезненного нагревания нашей среды, общее потребление энергии нашей цивилизации необходимо быстро выровнять (must soon off). Фактически, доказывают нам, это уже и началось.

 

Сдается, что сторонники таких призывов не совсем понимают, о чем пишут. прекращение существования индустриальной цивилизации означало бы кардинальное изменение всей природы человечества, социальную катастрофу, какой так же свет не видывал. И не когда-нибудь в отдаленном будущем, а в ближайшие сто лет. Когда наблюдаешь, с каким энтузиазмом самые развитые страны уклоняются от подписания весьма умеренного Киотского протокла, поневоле сомневаешься в реальности этого пути.

 

На наш взгляд, этот путь не только сомнителен, но и откровенно гибелен. Сколько-нибудь существенное замедление потребления энергии и потребления вообще пошло бы вразрез с законами универсальной эволюции. точнее – против ее вектора. «Направление развития человеческого сообщества полностью совпадает с направлением развития всей Метагалактики на всех ее масштабных уровнях. Поэтому… призывы отказаться от технических достижений цивилизации и вернуться к первозданной природе выглядят по меньшей мере неверными.»

 

Вектор универсальной эволюции

 

Несмотря на то, что эволюционные представления занимают на данный момент в науке господствующее положение, общепринятая точка зрения относительно направления эволюции пока отсутствует, хотя есть большая литература о критериях органического и/или социального прогресса, число которых, однако, слишком велико (к настоящему времени предложено около 40 критериев высоты организации, применимых ко всему живому). Разные авторы используют «свои» критерии, испытывая к «чужим» недоверие: «Несмотря на правильность рассуждений большинство авторов, предложенные ими критерии эволюционного прогресса, как правило, не имеют количественного эквивалента, что не позволяет оценивать их значимость для понимания прогрессивной эволюции». Некоторые ученые из-за размытости критериев вообще отказываются судить о направлении эволюции: «Эволюционная теория в наши дни так же не дает ответа на вопросы о том, закономерна ли видимая направленность эволюции живого вещества, есть ли целесообразность или целенаправленность, куда направлено развитие, каковы критерии, задающие это направление».

 

Единое рассмотрение неорганической, органической и социальной эволюции в рамках универсального эволюционизма позволяет выработать более определенный взгляд на вектор эволюции. Этот вектор, безусловно, существует, образуя мутовку, которая включает в себя интенсификацию энергообмена и обмена веществ, интенсификацию и расширение круговоротов энергии и вещества, рост целостности (системности) структур, рост связанности «всего со всем» и открытости систем (системы становятся все более автопойэтическими), »поэтажное» возрастание фрактальности эволюционирующих систем и Вселенной в целом и т.д.

 

В контексте настоящей статьи более всего интересны две компоненты эволюционного вектора – энергетическая и связанная и связанная с интенсификацией круговоротов.

 

Энергетическое направление в теории эволюции развивается в русле воззрений В.Оствальда, Э.Маха и их последователей – Г.Осборна, А.А.Богданова и множественных других. на данный момент энергетикам ставят в вину ошибочные выступления против атомизма и трактовки теплоты как беспорядочного движения молекул, однако, у энергетизма, на мой взгляд, была вполне здоровая основа. Справедливо объявив войну широко распространенным и на данный момент механистическим представлениям, согласно которым все циклы в природе сводятся к движению (В наши дни механицизм проявляется, например, в твердой убежденности большинства физиков в том, что для любой физической системы может быть в принципе введен гамильтониан, являющийся функцией координат и импульсов. Многие утверждают, что с помощью такого гамильтониана можно в принципе описать любое явление – тепловое, химическое и какое угодно еще. Если мы не умеем делать этого на данный момент,, пишут они, то научимся завтра или послезавтра), энергетисты утверждают, что в природе постоянно происходят превращения вещей («Когда, вещь изменяется качественно, мы должны представлять себе, что одна вещь исчезает, а другая возникает»), которые они и опысывают как превращения (видоизменения) энергии ( «принципы термодинамики были новыми законами, закладывающими фундамент новой науки, не сводимой к традиционной физике. Качественное многообразие энергии и присущую ей тенденцию к диссипации (т.е. превращению в другие формы) приходилось принимать как новые аксиомы. Таким был аргумент, выдвигаемый «энергетистами» в противовес «атомистам», упорно не желавшим отказаться от выполнения программы, в которой они усматривали высшую миссию физики – сведение сложности явлений природы к простоте поведения элементарных структурных единиц, выражаемыми законами движения»), отражающие - добавим от себя – превращения взаимодействий (материи), поскольку энергия – это мера количества взаимодействий (Распространенное определение энергии как количественной меры движения материи на наш взгляд, ошибочно, если даже трактовать движение в общем смысле как развитие, потому что энергией обладает и система в состоянии равновесного покоя (напомнив об энергии покоя mc , когда никакого движения (развития) нет вовсе. Паллиативным, но все так же неточным представляется определение энергии как « общей количественной меры движения и взаимодействия всех видов материи». для движения материи имеются другие меры – импульс, момент импульса, поток импульса, поток энергии и пр.).

 

Энергетисты были склонны рассматривать через призму циклов превращения и социальное развитие, в чем мы также не наблюдаем ничего особенно дурного, уточняя, однако, что в общем случае корректнее говорить об интенсификации в ходе социальной эволюции циклов превращения взаимодействий (социальных метаболизмов), которые далеко не сводятся к циклам превращения энергии. Взаимодействуют тексты, страны и политики, но какой энергией взаимодействия в естественно-научном смысле этого термина они могут быть охарактеризованы? Далеко не все явления допускают количественные описания и не все величины имеют количественный смысл. Неслучайно теория измерений предусматривает, наряду с количественными, и качественные шкалы. Как это часто бывает с первопроходцами, верно ухватив суть явления, энергетисты сформулировали ее несколько размывчато.

 

А.Н.Северцов («Не все таксоны животных эволюционируют в сторону биоэнергетитческого цикла … некоторые, особенно перешедшие к паразитическому образу жизни, двигаются по пути упрощения бионергетики») выделил в качестве главного критерия органической эволюции повышение общей энергии жизнедеятельности. К сожалению, его формулировки также несколько неопределенны (размыты). Достаточно неопределенны и формулировки множественных его последователей. Постепенно, тем не менее, формулировки уточняются, картина энергетического прогресса конкретизируется. Достаточно подробно на на данный моментшний день изучены и освещаются в многочисленных образах, монографиях и учебниках энергетические метаболизмы органической клетки – брожение, фотосинтез, дыхание и фотодыхание (Фотодыхание, растительный аналог дыхания животных: оба они противоположны фотосинтезу, в ходе которого выделяется кислород и поглощается углекислый газ. Фотодыхание свойственно не всем растениям, отсутствуя у ряда их тропических видов) – в их отношении к эволюции органического мира. Общим местом уже становится, например, что органический мир перешел в ходе эволюции от менее интенсивных метаболизмов (брожение) к более интенсивным (фотосинтез, дыхание и фотодыхание) и соответственно к макроэнергетическим биохимическим соединениям («Макроэнергетические соединения, высокоэнергетические соединения, природные соединения, содержащие богатые энергией, или макроэргические, связи; присутствуют во всех живых клетках, участвуют в накоплении и превращении энергии» «высокоэнергетические соединения… эффективны благодаря большому числу оборотов. Они более пригодны для быстрой мобилизации энергии для специфических нужд».), играющим центральную роль в работе клеточных органелл, ответственных за снабжение клетки энергией, прежде всего – митохондрий (дыхание) и хлоропластов и хромотафор (фотосинтез).

 

Не менее детально изучается эволюционная роль энергетических метаболизмов на уровне многоклеточных организмов. Рефреном проходит через работы мысль о том, что результатом морфофизиологического цикла является интенсификация энергетических метаболизмов особи. «Организм – самоуправляемая система по переработке огромных количеств энергии». «Биологический прогресс высших животных, основанный, преимущественно, на повышении морфологической организации, имеет следствием резкого повышения скорости трансформации вещества и энергии». «Организмы, имеющие благоприятные условия для своего развития, будут, каждый как автономная часть однородной живой материи, независимо от другого, стремиться достигнуть maximum проявления своей энергии, поскольку этого дозволяют внешние обстоятельства». «В цикле макроэволюции происходило усиление энергетического обмена. это не единственное, но, по нашему мнению, главное прогрессивной эволюции, во многом определяющее и все остальные направления эволюционного прогресса и, в частности, увеличение организованности живых организмов в цикле прогрессивной эволюции…увеличение сложности строения и функционирования животных происходит на базе повышения энергетического обмена».

 

В литературе можно найти множественные примеры того, как в эволюционном соревновании раз за разом побеждали органические формы с более интенсивными энергетическими метаболизмами. Выясняется, например, что обзаведение скелетом возможно для животного лишь при достаточно высоком уровне энергообмена, который мог быть достигнут только при достаточно высоком содержании кислорода в атмосфере. Должное кислорода в атмосфере было обеспечено фотосинтезом в начале кембрия (Кембрий, 570 ± 20-490 ± 15 млн. лет назад), что и вызвало знаменитую кембрийскую скелетную революцию. Млекопитающие обошли рептилий потому, что насыщенное кислородом (точнее – митохондриями) «красное мясо» первых обеспечивает существенно большую интенсивность энергообмена, нежели «белое мясо» вторых: «Белая мускулатура» хорошо (и энергетически дешево) работает «на рывке», а красная – при длительных постоянных нагрузках: животное с белыми мышцами – хороший «спринтер», а с красными – «стайер». «Млекопитающее в покое расходует примерно в 10 раз больше энергии, чем рептилия равного размера… на суше для завроморфов (Завроморфы (sauromorpha), ящерообразные, преходная форма от примитивных пресмыкающихся к птицам и динозаврам)… открыты лишь для «профессии» подстерегающего хищника или пассивно защищенного (панцирем или слоем воды( крупного фитофага (Фитофаги, растительные животные); остальные экологические ниши оказываются в распоряжении «теплых», активных, высокоподвижных тероморфов (Тероморфы (theromorpha), зверообразные, переходная группа от примитивных пресмыкающихся к млекопитающим). И т.д. и т.п.

 

Чтобы не получить превратных выводов о реальном направлении органической эволюции, в общем случае приходится учитывать, что эволюционная максимизация метаболизмов происходит не только и не столько на уровне организмов, сколько на уровне более крупных систем, в состав которых они входят. Ярким примером такого рода являются подземные местообитания, попадая в которые организмы регрессируют по сравнению с наземными (И не только подземные: «Примеры… регрессивного развития поставляют организмы… освоившие малодифферинцированные биотипы с относительно стабильными условиями среды (почва, пещеры и гроты, большие глубины морей и океанов и т.п.). Другой пример – регресс, которые претерпевают паразиты в сравнении со своими свободно живущими предками («Не все таксоны животных эволюционизируют в сторону биоэнергетического прогресса… некоторые, особенно перешедшие к паразитическому образу жизни, двигаются по пути упрощения биоэнергетики»). Во всех этих случаях, однако, регресс органических форм направлен на общую интенсификацию метаболизмов. Поселяясь в пещерах, органические формы регрессируют, зато интенсифицируются (прогрессируют) метаболизмы во всей экосистеме «пещера» по сравнению с тем, что в ней было до ее заселения живыми формами.. Эволюция паразитов также некорректно рассматривать в отрыве от эволюции среды их обитания, суммарная интенсивность метаболизмов которой с появлением в ней паразитов возрастает.

 

Постепенно становится общим местом в литературе и эволюционная роль круговоротов вещества и энергии. Интенсивность падающего на Землю солнечного излучения на протяжении миллиардов лет «практически осталась постоянной, претерпевая лишь сравнительно незначительные флуктуации, связанные с закономерными циклами солнечной активности». Да и общая биомасса на земле, начиная с некоторого стартового периода, остается более или менее постоянной. Вопрос о постоянстве или непостоянстве общей биомассы не Земле не решен однозначно. «Вывод Вернадского о постоянстве биомассы, не находит поддержки у биологов и палеонтологов… В работах геологов, биохимиков и философов встречаются скептические высказывания о возможности решить этот вопрос однозначно… в пользу и той, и другой точек зрения существуют веские теоретические аргументы». Если даже биомасса биосферы и продолжает расти, то темпы ее роста пренебрежимо малы по сравнению с темпами органической эволюции. так что бурная эволюция биосферы происходила благодаря все ускорявшимся круговоротам вещества и энергии.

 

Современное понимание биосферы идет от В.И.Вернадского, согласно которому ее основная функция – это преобразование энергии и вещества, производимое при участии живой материи существенно более интенсивно, нежели без оного. «По существу, биосфера может быть рассматриваема, как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космическое излуч. в действенную земную энергию – электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д.» «С исчезновением жизни на Земле на земной поверхности шли бы лишь медленные, от нас скрытые, изменения, связанные с земной тектоникой. Они проявлялись бы не в наши года и столетия, а в года и столетия геологического времени».

 

Круговороты вещества и энергии не были изобретением биосферы, биотическим круговоротам предшествовали на Земле абиогенные. «Биотический круговорот преемственно связан с абиогенным круговоротом минеральных элементов в добиосферный период существования Земли. Энергетический ист. для биогенного, и биотического круговорота один и тот же – солнечная активность». «Любая планета, будучи непрозрачной, аккумулирует часть энергии, излучаемой центральным светилом, и нагревается, и м. нагретой планетой и холодным космосом возникает температурный градиент (ТГ). Если планета обладает при этом достаточно подвижной газообразной или жидкой оболочкой (атмосферой и/или гидросферой), то ТГ с неизбежностью порождает в ней – просто за счет конвекции – физико-химичееский круговорот. В этот круговорот с неизбежностью вовлекается и твердая оболочка планеты… в результате чего возникает глобальный геохимический цикл – прообраз биосферы… элементарные геохимические циклы (т.е. прообразы экосистем) существуют в условиях периодического падения поступающей в них энергии – в те моменты, когда они в результате вращения планеты оказываются на ее теневой стороне. С появлением жизни разнообразие, масштабы и интенсивность круговоротов резко возросли.

 

Поскольку круговорот вещества и энергии является необходимым условием существования жизни, постольку она и возникала как круговорот: «Для возникновения даже самых простейших форм жизни необходим круговорот веществ, который мог существовать лишь в сообществах, объединяющих качественно разнородные формы… жизнь возникла прежде всего как круговорот веществ, который следует считать главнейшим механизмом поддержания стабильности любых биосистем». Следом за Вернадским многие авторы пишут об эволюции биосферы как эволюции биотических круговоротов. «Увеличение биомассы живого вещества, возрастание энерговооруженности биосферы и ее информационной «емкости» по сути дела являются сторонам единого цикла – эволюции биотического круговорота. «Эволюция биотического круговорота является наиболее общим и специфическим показателем исторических преобразований жизни на биосферном уровне ее организации».

 

В ходе эволюции биотических круговоротов происходило наращивание их масштабов и суммарной интенсивности с превращением биосферы во все более целостную систему. «Эволюция биосферы проявляется прежде всего в расширении сферы действия биотического круговорота в усложнении его структуры… возрастает целостность и организованность биосферы». Со временем биотические круговороты стали существенным фактором эволюции верхних оболочек Земли: «Живые организмы… ежегодно перерабатывают множество веществ в тысячи раз превосходящие их собственный вес… общее веществ, которое организмы в течение одного года вовлекают в «вихрь жизни», должно превышать вес земной коры».

 

Эволюционируя в сторону интенсификации круговоротов биосфера необходимо пришла к появлению человека, преобразовавшись в ноосферу, что вызвало дальнейшую интенсификацию круговоротов вещества и энергии. «В деятельности человека биосфера выходит на новый виток развертывания своих петель, включает в свои химические циклы целый геологический пласт ранее недоступных ей веществ». «Человеком организованы такие физико-химические циклы, скорости которых на 10 и более порядком выше природных, на 5-6 порядков выше биохимических». «Высвобождая энергию… химических и ядерных топлив, человек значительно ускоряет происходящие относительно медленно естественные круговороты».

 

Вся история человечества, если ее рассматривать как макроисторию, отвлекаясь от судьбы отдельных смертных по своей природе социумов, представляет собой историю роста интенсивности торговых, экономических, культурных и иных взаимодействий разных частей мира, который шаг за шагом движется к глобализации, являющей закономерным результатом эволюции социума по направлению общего вектора универсальной эволюции, а не плодом заговора «плохих ребят». Именно этим, на мой взгляд, объясняется торжество во всем мире рыночного «общества потребления» и поражение антирыночной по своей природе плановой экономики: открывая социальные системы для производственных, финансовых и прочих социальных метаболизмов. Рынок сам по себе направлен по вектору универсальной эволюции. Рыночное хозяйство потому и эффективнее натурального, что его базовой являются метаболизмы.

 

Против вектора эволюции

 

Законы эволюции – столь же обязательные к исполнению законы природы, как и, скажем, законы гравитации. Мы все - таки прекрасно знаем, что будет с нами, прыгни мы с самолета без парашюта. Я уверен в том, что если человечество попытается затормозить потребление, то, пойдя против законов эволюции, погибнет. Гибель «поперечных» или недостаточно «параллельных» вектору эволюции систем ее законами не только предусмотрена, но и многократно наблюдалась в прошлом.

 

Жизнь и социум на Земле появились в ходе закономерной эволюции в сторону интенсификации метаболизмов и круговоротов. но при всей своей закономерности эволюция смогла перейти на органическую и социальную стадии только на одной из планет солнечной системы – на Земле, где сложились наиболее благоприятные для того условия. эволюция выжимает из конкретных условий максимум возможного, но не все ей под силу. Это же следует и из предусмотрения филогенеза на Земле: многим филогенетическим линиям так и не удалось прорваться в будущее, многие из них исчезли с лица Земли. Это справедливо и в отношении множественных социумов. Необязательно должна прорваться в космическое завтра и вся земная биосфера. Достаточно и того, что это получается у некоторого прцентажа рассеянных по Вселенной планетных биосфер (если, конечно, они существуют), благодаря чему, надо полагать, осуществляется диктуемая законами эволюции космическая экспансия жизни.

 

Если мы прорвемся через тепловой барьер, то биосфера Земли внесет в эволюцию жизни во Вселенной реальный вклад. Если не прорвемся, то этим вклад будет «статистическим», каким является, например, вклад миллионов сперматозоидов в оплодотворение яйцеклетки: нужны все, дабы победит один. Чтобы 10% планетных биосфер выплеснулись в Космос, должны возникнуть все 100% биосфер, включая и те, что затем погибнут. «Планетарная цивилизация выходит на космический режим развития в том случает, если ей удается выдержать серию тестов на зрелость, успешно преодолев кризисы развития и выработав адекватные качества самоконтроля, критического мышления и терпимости к различиям. Остальные, не справившись с заданием, становятся «расходным материалом» метагалактической эволюции, реализуя необходимый системе опыт тупиковых стратегий».

 

Фабрика холода

 

Предлагаю не испытывать судьбу и – в качестве возможного варианта – разработать меры, которые позволили бы решить проблему потепления климата, не снижая темпов роста потребления энергии. Идея звучит просто: крайне не желательно ли собирать рассеиваемое нами тепло, чтобы вновь и вновь использовать энергию?

 

Именно это делают традиционные гео- и гидротермальные циклические тепловые установки, которые работают на вулканическом тепле или тепле горячих источников, подчиняясь известным соотношениям термодинамики. Количество тепла, забираемого ими из (горячей) среды, превосходит количество тепла, возвращаемого среде как холодильнику. С традиционными энергоустановками, сжигающими энергоносители (нефтепродукты, уран и пр.), ситуация иная: потребляемое тепло не изымается ими из среды, но создается при сжигании топлива и после совершения работы рассеивается в среде, нагревая ее. Поэтому такие установки работают как «печки». Таковы же экспериментальные океанические установки, работающие за счет разницы температур м. глубинными и поверхностными слоями воды. Реально те и другие работают как «фабрики холода», охлаждающие среду. К сожалению, у гео- и гидротермальных установок невелики ресурсы источников. Ресурсы океанических установок неограниченны, но их КПД из-за малой разницы температур имеет потолок около 7%, реально не превышая 2-3%.

 

Но возможны, кажется, «фабрики холода», лишенные этих недостатков. Поместим навстречу ветру сужающуюся трубу, воздух в которой будет разгоняться по «геометрическим» причинам, подобно воздуху в расщелине м. скалами или в узком проходе м. домами. При перемещении порции жидкости или газа с массой dМ по трубе за время dt из сечения S1 в сечение S2 в случае непрерывного потока выполняется соотношение dМ=d1S1v1dt= d2S2v2dt или d1S1v1dt= d2S2v2dt . Для несжимаемой жидкости это дает S1v1= S2v2 . Так что в сужающейся трубе непрерывность потока может обеспечиваться только его ускорением. В случае газа непрерывность потока в сужающейся трубе обеспечивается также увеличением его плотности, но реально происходит и его ускорение. В приближении идеального газа его внутренняя энергия, не изменяясь с объемом газа, зависит только от его температуры, так что само по себе изменение плотности воздуха по мере ускорения его потока в сужающейся трубе не входит в баланс форм энергии, отражаясь на нем непосредственным образом через изменение кинетической энергии. Энергия потока воздуха должна откуда-то браться, так что разгоняться он будет, охлаждаясь. Кинетическая энергия потока будет возрастать за счет рассеянного в среде тепла.

 

Мы может снабдить сужающуюся трубу турбиной, превратив ее в «фабрику холода». Ничто не мешает нам также объединить сужающуюся трубу с турбиной под одним кожухом, как это предлагает сделать группа изобретателей во главе с И.Орловым. Их трехступенчатая установка выглядит на чертежах как пузатая бомба, подвешенная вдоль воздушного потока и принимающая его внутрь себя кольцеобразным отверстием. Если верны расчеты изобретателей, то поток воздуха в их установке будет ускорять фактически до скорости звука. Их изобретение защищено патентами, но, пока, насколько мне известно, не воплощено в металле.

 

В установке Г.В. Скворнякова, как и в предыдущей, газовый поток (насыщенный пар) охлаждается, ускоряясь в сопле определенного профиля. Различие – в способе наиболее полного преобразования тепла в работу. Если Орлов с коллегами ставят каскад из трех сопел, за которым располагается турбина, то здесь сопло одно, а исходящий из него поток вспрыскивается в трубу (Ранка) перпендикулярно к ее оси вращения по касательной к внутренней поверхности, распространяясь по трубе и дополнительно охлаждаясь за счет вращения (эффект Ранка, уменьшение температуры в вихре газа в направлении от периферии к оси вращения) перпендикулярно к ее оси по касательной к внутренней поверхности, распространяясь по трубу и дополнительно охлаждаясь за счет вращения). На выходе трубы помещается сегнерово колесо.

 

Ю.И.Володько разрабатывает «Бестопливный монотермический двигатель», к идее которого он пришел, рассматривая классическую аэродинамическую задачу об истечении сжатого воздуха через сопло (щель) в среду, заполненную воздухом при низком давлении. Эксперименты показывают, утверждает он, что механическая энергия истекающей струи более чем вдвое превышает энергию, необходимую для исходного сжатия воздуха. Избыток энергии «взят… из… атмосферного воздуха, в котором… энергия находится… в виде рассеянной тепловой энергии. Следовательно… струя сжатого воздуха представляет собой прямой преобразователь внутренней тепловой энергии атмосферного воздуха в механическую энергию». Володько называет также имена В.И.Лихачева, Г.Н.Буйнова, Н.Е.Заева, проекты «монотермических» двигателей которых «порождают некоторую в большей или меньшей степени обоснованную надежду на какое-то решение проблемы».

 

Тепловая энергетика

 

Трудно сказать, какой вариант «фабрик холода» окажется оптимальным. Скорее всего, как это обычно бывает, потребуются установки различных типов. Поскольку производство и потребление энергии сводится превращению одних ее форм в другие и поскольку циклы превращения энергии тем интенсивнее, чем больше градиенты (перепады) давления, температуры и пр., на которых они происходят, постольку в «фабриках холода» желательно реализовывать возможно большие градиенты. Мы можем понаставить их («фабрики холода») повсюду в атмосфере и/или океане. Собирая тепло, которое на данный момент безвозвратно рассеивается в среде, «фабрики холода», если их удастся реализовать в должных масштабах, не только предоставят нам альтернативный ист. энергии, но и изменят лицо всей энергетики. Энергопотребление приобретет облик круговорота тепла.

 

Добыча ископаемых энергоносителей может быть при этом сведена к минимуму – ею придется компенсировать лишь то небольшое количество энергии (проценты или доли процента), которое в ходе потребления выбывает из теплооборота. «Фабрики холода» станут основными источниками энергии. Интенсификации энергопотребления, диктуемой законами эволюции, можно будет добиваться, ускоряя круговорот тепла.

 

Переход к тепловой энергетике принесет разрешение энергетического кризиса, связанного с тем, что заканчиваются обычные энергоресурсы планеты. Этот же переход даст и решение проблемы глобального потепления климата, чем бы оно ни было вызвано. Оптимальную температуру на поверхности Земли придется устанавливать руками.

 

Если бы рассеивалась вся потребляемая энергия, то у нас не было бы возможности охлаждать ноосферу, и ее температура продолжала бы расти из-за парникового эффекта. принцип. возможность регулирования климата появляется благодаря именно тому обстоятельству, что небольшая часть энергии выбывает каждый раз из энергооборота. Добывая ископаемые энергоносители меньше необходимого, можно будет охлаждать ноосферу, больше необходимого – нагревать ее. Это предоставит принцип. возможность бороться не только с потеплением климата, но и с похолоданиями, которые неоднократно сменяли друг друга на Земле в прошлом и которые могут дать знать о себе в будущем.

 

Переход к тепловой энергетике и управляемому климату чрезвычайно затруднит всю нашу жизнь. Производство будет извергать из себя гигантские и все возрастающие количества тепла, которые должны будут компенсироваться «фабриками холода» и традиционными энергоустановками. Играя на дисбалансе теряемой и ископаемой энергии, можно будет поддерживать параметры климата в нужном интервале значений. Со временем круговорот энергии будет все более ускоряться, поскольку того требуют законы эволюции, идущей в сторону интенсификации метаболизмов и круговоротов. Случайный сбой в управлении этими все нарастающими потоками энергии будет чреват «тепловым взрывом» ноосферы. Сложнейшую задачу управления климатом в этих условиях придется решать, возможно, уже нашим внукам или правнукам.

 

Только тенденция

 

Все было бы замечательно, если бы не один «пустяк» - нециклические установки Орлова с коллегами и др. потребляют тепло некомпенсированным образом, так что тепловая энтропия (энтропия Клаузиуса) при этом уменьшается, что запрещено вторым началом термодинамики. Общепринятая точка зрения состоит в том, что такие установки, называемые вечными двигателями 2-го рода, в принципе невозможны. Я полагаю, однако, что эта общепринятая точка зрения ошибочна.

 

Формулируя второе начало, классики термодинамики исходили из действующей на Земле тенденции к рассеиванию разных форм энергии в виде тепла. Ошибка классиков., на мой взгляд, состояла в том, что они стали трактовать эту тенденцию как не знающий исключений закон. Факты пишут, что некомпенсированное превращение тепла в другие формы энергии возможно. Из имеющихся в моем распоряжении примеров приведу два. Первый пример наиболее масштабный. Наша метагалактика вот уже около 15 млрд. лет остывает в ходе ее расширения после Большого взрыва. «Согласно современной теории… Вселенная расширилась из состояния с предельно высокой температурой, постепенно остывая». «Следствием расширения Вселенной является ее охлаждение, носящее очаговый характер и порождающее мириады звезд». Здесь говорится об охлаждении Вселенной. В авторской космологической картине мира (оценка Гвиндилиса: «Обычно считается, что предельное значение (производства энергии – С.Х.) составляет 1 % от полной энергии, поступающей на Землю от Солнца. Более осторожная оценка составляет 0,1 %. Составляющие предельные значения производимой энергии: Е1 = 1011 кВт и Е2 = 1012 кВт. Назовем их первым и вторым тепловым пределом. Первый предел при темпах роста 3 % в год будет достигнут через 77 лет, а второй – через 153 года») расширяется, а следовательно, и охлаждается не вся Вселенная, а только наша метагалактика, но в контексте настоящей статьи это несущественно. Поскольку общее количество тепла в нашей Метагаликтике убывает, постольку это превращение тепла в другие формы энергии происходит некомпенсированным образом.

 

Второй пример, наиболее известный, но, на мой взгляд, должным образом не осмысленный. На стадии расширения рабочего тела (газа под поршнем) самая обычная тепловая машина преобразовывает в работу все тепло, полученное этим телом от нагревателя, т.е. делает это некомпенсированным образом. Признавая этот факт («В нециклическом цикле полное превращение теплоты в работу вполне возможно… Это имеет место, например, в изотермическом цикле идеального газа». «Если… подвергнуть… газ адиабатическому расширению в идеальном двигателе… то… все тепло, полученное рабочим телом от нагревателя, оказывается преобразованным в работу») авторы курсов термодинамики не видят в нем нарушения второго начала, которое, как они утверждают, соблюдается за весь цикл работы тепловой машины, включая возвращение рабочего тела в начальное состояние. Это возвращение требует передачи тепла холодильнику в количествах, компенсирующих превращение тепла в работу на стадии расширения рабочего тела. «Чтобы двигатель работал непрерывно, расширение нужно скомпенсировать сжатием… Для этого необходимо отводить тепло от рабочего тела холодильному источнику. Охлаждение рабочего тела и представляет собой компенсацию, без которой невозможно непрерывное превращение теплоты в работу». «Второй принцип» выражает… необходимость затраты энергии для возвращения рабочего тела в начальное состояние, позволяющее возобновить замкнутый термодинамический цикл». «Независимо от типа теплового цикла и природы рабочего тела, возвращение в начальное состояние сопровождается уменьшением объема, занимаемого рабочим телом, т.е. затратой энергии: именно в этом и состоит физический смысл второго принципа».

 

Это объяснение, на мой взгляд, более чем странно. Им постулируется закон физики, который выполняется для большего промежутка времени, не работая для меньшего. Однако, таких физ. законов не бывает, они либо действуют для каждого текущего момента, либо не являются законами. Это утверждение не распространяется на случайные флуктуации, к которым, но крайне не желательно отнести происходящее каждый цикл расширение рабочего тела. Если бы, скажем, энергия не сохранялась бы в каком-то случае хотя бы на секунду, то закон сохранения энергии пришлось бы признать несправедливым.

 

Необходимость холодильника для классической тепловой машины связана, поэтому, не столько с действием физ. законов, сколько с особенностями ее конструкции. Конкретно – с необходимостью возвращать каждый цикл рабочее тело в начальное состояние. Впрочем, и этот тезис нуждается в уточнении. Г.В.Скворняков утверждает, что придуманная им циклическая тепловая машина обходится без холодильника. Последний заменен в ней на контактирующий с нагревателем в рабочем теле двухкамерный тепловой резервуар, который разделен свободно скользящим адиабатическим поршнем и одна из камер которого заполнена двухфазовой системой (например, газ-жидкость). Такая тепловая машина, доказывает Скворняков, в идеальном случае полностью преобразовывает тепло в работу. Если его соображения верны, то холодильник нужен не всякой циклической тепловой машине. Такая конструкция тепловых машин, однако, не обязательна, они могут быть установками непрерывного действия. именно таковы рассмотренные выше устройства Орлова в коллегами и др, потребляющие тепло некомпенсированным образом являющиеся, поэтому, вечными двигателями 2-го рода. Если, конечно, с этими устройствами все в порядке и их удастся довести до ума.

 

Психологическая подоплека запреты на вечные двигатели 2-го рода.

 

Эпитет вечный здесь не следует понимать буквально – никакая установка не будет действительно вечной хотя бы из-за износа деталей. Речь идет только о характере взаимоотношений двигателя с источников энергии. Вечный двигатель 1-го рода вообще не потреблял бы энергии, так что его «ист. энергии» был бы неиссякаемым. Вечный двигатель 2-го рода должен потреблять рассеянное в среде «даровое» тепло, так что его ист. энергии неиссякаем «практически». Если ваша установка в состоянии потреблять рассеянное в среде тепло некомпенсированным образом хотя бы одну секунду, то она – по существу – уже является вечным двигателем 2-го рода.

 

Вечный двигатель1-го рода и на самом деле невозможен из-за закона сохранения энергии. Французская академия наук так же в 1775 году приняла решение не рассматривать его проекты как ненаучные. Физики в лице космологов до сих пор легко пишут о замкнутой Вселенной, которой закон сохранения энергии не запрещает возникновения «из ничего» или, как они аккуратно выражаются на данный момент, из вакуумоподобного состояния физической среды. Если вакуум способен на такие чудеса в космических масштабах, то что ему мешает совершать их в масштабах земных установок? Автор этих строк, однако, полагает, что для столь сильных (фантастических) утверждений у космологов нет оснований. Назвав в 1888 г. придуманные им установки вечными двигателями 2-го рода, Вильгельм Оствальд сыграл на магии слов «вечный двигатель невозможен», чрезвычайно затруднив тем самым возражения против своего запрета на них. Формулировка Освальда: «Работа, доставляемая гигантской машиной океанского парохода, целиком переходит в теплоту, так как энергия движущегося судна по прибытии становится равной нулю и превращается в теплоту. Если бы можно было сообщенную морской воде теплоту обратно превратить в энергию движения, то пароход мог совершить обратный путь без затраты угля, что, конечно, невозможно. Вообще незначительной части заключающейся в океане в виде теплоты энергии было бы достаточно, чтобы привести в движение машины всего света. Ход сильный, но, мягко говоря, некорректный, потому что ситуация с вечным двигателем 2-го рода совсем иная, нежели 1-го. К сожалению, ход удался, физики надолго оказались «закодированными».

 

Тепловая энтропия может убывать.

 

Утверждение, что второе начало термодинамики, как оно сформулировано выше (невозможно некомпенсированное превращение тепла в работу), несправедливо, мы не покушаемся на закон возрастания энтропии. Этот закон говорит, что и везде возрастает полная энтропия (полная энтропия включает в себя энтропию электромагнитного поля (т.е. энтропию распределения его плотности энергии по объему и скорости распространения), энтропию гравитационного поля и т.д.), как второе начало термодинамики требует возрастания тепловой энтропии. Полная энтропия и на самом деле растет и везде (это глобальная формулировка закона возрастания энтропии: локальная говорит о положительности (точнее, неотрицательности) скорости порождения энтропии в каждом макроскопическом фрагменте наблюдаемого мира), тепловая же энтропия обязана расти лишь в отсутствие нетепловых циклов. Когда наряду с тепловыми циклами протекают и циклы иной природы, тепловая энтропия может и убывать.

 

В этой ситуации нет ничего особенного. Мы все - таки не удивляемся, что закон сохранения энергии требует постоянства только полной энергии, как тепловая энергия сохраняется лишь , когда изменениями не затрагиваются нетепловые формы энергии. Вот и возрастание тепловой энтропии вытекает из закона возрастания энтропии исключительно при отсутствии взаимопревращения тепла в другие формы энергии. Именно в этом случае справедлива идущая от Рудольфа Клаузиуса формулировка второго начала, согласно которой невозможен цикл, единственным результатом которого был бы переход тепла от холодного тела к горячему. при этом вместе с тепловой энтропией уменьшилась бы и полная, что запрещено законом возрастания энтропии.

 

Четыре сценария

 

Коротко говоря, авторская точка зрения состоит в том, что тенденция к рассеянию разных форм энергии на Земле в виде тепла – это именно тенденция, а не закон. Поскольку же это только тенденция, не действующая, например, в масштабах нашей метагалактики, в ходе расширения которой происходит некомпенсированное превращение тепла в другие формы энергии, постольку эту тенденцию на Земле можно попытаться переломить. Я полагаю также, что «фабрики холода», работающие на компенсированном (гео- и гидротермальные циклические установки) или некомпенсированном (вечные двигатели 2-го рода)потреблении тепла, рассеянного в атмосфере и/или в океане, не противоречат законам природы. Это делает в принципе возможным переход к тепловой энергетике, построенной на круговороте тепла. Будучи же в принципе возможным, этот переход, на мой взгляд, неизбежен, поскольку находится на острие вектора универсальной эволюции в сторону интенсификации метаболизмов и круговоротов. «Фабрики холода» удастся растиражировать в потребных масштабах, поскольку это согласуется с вектором универсальной эволюции.

 

Таков сценарий энергетического и климатического будущего землян. Альтернативный сценарий связан с торможением роста потребления энергии и потребления вообще. Оба сценария означают для человечества радикальную перестройку всего образа жизни на протяжении ближайших ста лет, но первый направлен по вектору эволюции, а второй – против. Я и мои немногочисленные единомышленники считаем, что второй сценарий губителен, как подавляющее большинство исследователей, игнорируя вектор эволюции, придерживаются именно его.

 

Но одно дело – полемика ученых и другое – реальная жизнь. Когда речь идет о столь важных вещах, человечество не может полагаться на какую-то одну точку зрения. Надо учитывать и вероятность того, что правы мы с коллегами, и того, что правы наши оппоненты. крайне не желательно класть яйца в одну корзину. Разрабатывать следует параллельно оба сценария, чтобы в дальнейшем реализовать какой-то один из них или их комбинацию.

 

Строго говоря, сценариев энергетического будущего человечества больше двух. Третий, вполне реальный – массовый выход человечества в Космос. Освоение все новых планет не только предоставит в распоряжение землян энергоресурсы этих планет, но и позволит колонистам забывать на начальной стадии освоения новых территорий о проблемах теплового загрязнения среды. Четвертый сценарий – теплопровод Земля-Космос. Впрочем, технического решения на этом направлении пока не просматривается; возможно, его и не есть вовсе, но поисковые исследования в этом направлении, на мой взгляд, также необходимы.

 



Квоти на небесну голубінь. Виноградов Ю. Запасы нефтяных гигантов иссякаю. Человечеству угрожает глобальный.

На главную  Энергопотребление 





0.0086
 
Яндекс.Метрика