Часть 1 ЭНЕРГИЯ

§ 1. Энергия вечна

Прежде, чем приступить к поиску способов разумного потребления энергии, мы должны выяснить, что же это такое - энергия, чем она измеряется и каким законам подчиняется.

Большинство ученых - астрофизиков считает, что наша Вселенная возникла около 20 миллиардов лет назад. В этот момент вся энергия и масса были спрессованы в ничтожно малом объеме, можно сказать, в одной точке. Энергия не могла удерживаться в таком состоянии, в результате произошел так называемый Большой Взрыв и наша Вселенная начала расширяться. Нам нет необходимости подробно изучать сейчас эту теорию - важно то, что энергия существовала с самого начала и будет существовать вечно.

Так что же такое энергия? Этот вопрос так же легко задать, как трудно на него ответить. Начнем с того, что энергия - это абстрактное понятие, введенное физиками для того, чтобы описывать едиными терминами различные явления, связанные с теплотой и работой.

Это оказалось так удобно, что сейчас энергия является фундаментальным понятием не только во всех естественных науках, но и во всех сферах жизни. Мы говорим: «Он энергичный человек» - и всем понятно, о каких качествах человека идет речь. Невозможно представить себе деятельность, которая не связана с энергией, ведь даже процесс мышления требует энергии.

Конечно, можно рассуждать о том, как обеспечить достаточное количество энергии в будущем, не зная ничего о ее свойствах. Точно так же вы можете наслаждаться телепередачей, не зная устройства телевизора и умея только нажимать кнопки. Но если вы заглянете немного глубже в природу энергии, это даст вам ключ к пониманию многих проблем окружающей среды и убедит в необходимости искать новые пути получения энергии в будущем. В результате знакомства с проблемами энергопотребления у вас возникнут определенные навыки и образ мышления, необходимые для жизни в будущем обществе.

ПРАКТИКУМ

Задание 2.
Как я использую энергию.

Проанализируйте, какие ваши действия в течение дня требуют энергии. Какой вид энергии вы расходовали, выполняя то или иное действие. Обсудите это с одноклассниками.

 

§ 2. Энергия: формы, свойства и величины

Формы энергии

"Дом, в котором я живу, желтый, длиной 14 метров. На улице дождь и ветер, температура всего 7 °С".

Мы описываем предметы и окружающую обстановку, используя такие физические понятия и величины, как цвет, вес, температура, скорость и т.д. Не все эти величины мы используем одновременно или не все они одинаково важны для нас. Тем не менее, одна величина - энергия - присутствует всегда и везде.

Энергия проявляется в различных формах:

  1. Все, что движется, благодаря этому движению обладает кинетической энергией. Кинетическая энергия - энергия движения.
  2. Если между телами, находящимися на расстоянии друг от друга, действует сила (например, притяжение между Землей и Луной), то эти тела обладают потенциальной энергией. Потенциальная энергия - энергия взаимодействия. Она зависит от положения тел относительно друг друга, поэтому можно сказать, что потенциальная энергия - энергия положения. Потенциальная энергия готова выплеснуться наружу, превратиться в энергию движения. Поэтому ее и называют «потенциальной», т.е. «скрытой», «возможной».
  3. Общее название этих двух форм энергии - механическая энергия.

Существуют и другие формы энергии. Когда мы сжигаем дерево в печи, химическая энергия, запасенная в дровах, освобождается и переходит в тепловую. Высоковольтные линии электропередач и электропровода в вашей квартире несут электрическую энергию. Солнце излучает огромное количество световой энергии. Ядерная энергия превращается в электрическую на атомных электростанциях. Можно говорить о мышечной энергии, приливной (энергия морских приливов), энергии волн, ветровой энергии, биоэнергии.

Энергия - мера того, что может произойти

 Различные формы энергии важны сами по себе, но еще более важно то, что происходит,  когда энергия переходит из одной формы в другую. Все движущиеся предметы имеют кинетическую энергию. Когда предмет останавливается, его кинетическая энергия переходит в другую форму - подумайте над мрачноватым изречением: «Убивает не скорость, с которой едешь, а внезапная остановка».

Различные формы энергии важны сами по себе, но еще более важно то, что происходит, когда энергия переходит из одной формы в другую. Все движущиеся предметы имеют кинетическую энергию. Когда предмет останавливается, его кинетическая энергия переходит в другую форму - подумайте над мрачноватым изречением: «Убивает не скорость, с которой едешь, а внезапная остановка».

Если предмет находится на высоте над какой-то поверхностью, он имеет потенциальную энергию относительно этой поверхности. Человек на рисунке имеет потенциальную энергию относительно поверхности земли. И скоро он в этом убедится, когда его потенциальная энергия перейдет в кинетическую!

Это две простые иллюстрации общего правила: каждый раз, когда энергия меняет форму, что-то происходит, и наоборот, каждый раз, когда что-то происходит, энергия меняет форму.

Если суммировать все, что мы узнали, в коротком предложении, которое описывает энергию, мы можем сказать: энергия - это то, что может заставить что-нибудь произойти. Но не думайте, что знаете теперь, что такое энергия. Ни один самый знаменитый физик не ответит вам на вопрос: «Что такое энергия?». Она просто существует, и все.

Если энергия существует, надо уметь ее измерять. В быту электроэнергия измеряется в киловатт-часах (кВт•ч).

1 кВт•ч - это примерно то количество энергии, которое необходимо, чтобы разогнать 10-ти тонный грузовик с места до скорости 100 км/ч. Столько же энергии бесполезно расходует за сутки оставленная включенной в пустой комнате 40-ваттная лампочка.

В физике энергия измеряется в джоулях (Дж). Соотношение между единицами энергии приведено в таблице 1.

Таблица 1

1 Ватт-секунда (Вт•с) = 1 джоуль (Дж)    
1 Ватт-час (Вт•ч) = 3600 Вт•с    
1 Киловатт-час (кВт•ч) = 1 000 Вт•ч 103 Вт•ч  
1 Мегаватт-час (МВт•ч) = 1000 кВт•ч 106 Вт•ч 1 000 000 Вт•ч
1 Гигаватт-час (ГВт•ч) = 1000 МВт•ч 109 Вт•ч 1 000 000 000 Вт•ч
1 Тераватт-час (ТВт•ч) = 1000 ГВт•ч 1012 Вт•ч 1 000 000 000 000 Вт•ч

Мощность - мера скорости, с которой энергия расходуется

Когда вы рассказываете, как вы ехали на поезде из города А в город В, вам наверняка приходится пользоваться понятием скорости. Если от города А до города В 150 км, а вы ехали 5 часов, ваша скорость была низкой, а если вы скажете, что все путешествие заняло 30 минут - вам не поверят: наши поезда не ходят так быстро. Таким образом, скорость - это мера быстроты, с которой вы двигаетесь:

 

Во многих случаях полезно иметь меру, которая говорит нам, как быстро преобразуется (или используется) энергия. Эту меру называют мощность. Мощность рассчитывают аналогично скорости:

 

Большая мощность означает, что большое количество энергии используется за малое время. Мощность измеряется в ваттах (Вт).

Подумайте и ответьте

  1. Посмотрите вокруг и назовите предметы, которые обладают потенциальной энергией.
  2. Приведите примеры тел, обладающих кинетической энергией.
  3. Как вы считаете, какой энергией обладают:
    • пламя свечи,
    • самолет,
    • батарейка в калькуляторе,
    • вынутый из печи хлеб.
  4. Почему на 5 этаж подниматься по лестнице труднее, чем на второй?
  5. Когда вы израсходуете больше энергии: готовя уроки за письменным столом с настольной лампой мощностью 60 Вт в течение 3 часов, или включив электрический чайник мощностью 600 Вт на 10 минут, чтобы попить чайку?

ПРАКТИКУМ

Задание 3.
Измерение энергии дома.

Каждый вечер в течение недели вы должны списывать показания счетчика электрической энергии. Занесите эти показания в таблицу 1.2. Таким образом, вы выясните, сколько энергии вы используете дома. Ниже укажите,что вы используете для отопления - центральное отопление, уголь, газ, нефть или биотопливо (древесину).

Начните считывать показания электросчетчика в понедельник вечером. Во вторник вам необходимо будет сделать то же самое.

Чтобы выяснить, сколько энергии было использовано в последние 24 часа, вычтите показания счетчика, полученные в понедельник, из показаний счетчика, полученных во вторник. Отметьте результат крестиком в соответствующей строке в колонке Вторник. Делайте это каждый вечер, включая последующий понедельник. В конце нарисуйте линию через все крестики. У вас получится график использования электроэлектроэнергии по дням недели. Сложите все результаты, чтобы получить общее количество энергии, использованное в вашем доме за неделю. Помните, что нужно выделить, какой источник энергии вы используете.

После этого вы можете на неделю прекратить измерение энергопотребления дома.

В это время внимательно изучите ваше собственное энергопотребление и постарайтесь его уменьшить. Затем повторите измерение потребления электроэнергии в течение недели. Делайте это так же и впишите результаты в те же графы, но используйте другие цвета, чем в первую неделю. В конце сравните результаты. Достигли ли вы экономии энергии?

Запишите использованную за последние 24 часа энергию

Таблица 1.2.

кВт•ч
20
             
19              
18              
17              
16              
15              
14              
13              
12              
11              
10              
9              
8              
7              
6              
5              
4              
3              
2              
1              
0              
  Понедельник Вторник Среда Четверг Пятница Суббота Воскресенье

подчеркните,что вы используете:

Уголь Газ Нефть Центральное отопление Биотопливо (древесина)

 

Начните считывать показания электросчетчика в понедельник вечером. Во вторник вам необходимо будет сделать то же самое. Чтобы выяснить, сколько энергии было использовано в последние 24 часа, вычтите показания счетчика, полученные в понедельник, из показаний счетчика, полученных во вторник. Отметьте результат крестиком в соответствующей строке в колонке Вторник. Делайте это каждый вечер, включая последующий понедельник. В конце нарисуйте линию через все крестики. У вас получится график использования электроэнергии по дням недели. Сложите все результаты, чтобы получить общее количество энергии, использованное в вашем доме за неделю. Помните, что нужно выделить, какой источник энергии вы используете.

После этого вы можете на неделю прекратить измерение энергопотребления дома. В это время внимательно изучите ваше собственное энергопотребление и постарайтесь его уменьшить. Затем повторите измерение потребления электроэнергии в течение недели. Делайте это так же и впишите результаты в те же графы, но используйте другие цвета, чем в первую неделю. В конце сравните результаты. Достигли ли вы экономии энергии?

§ 3. Первый энергетический закон: энергия сохраняется

Физики сформулировали два важных энергетических закона. Эти законы фундаментальные, т.е. их нельзя нарушить: они действуют везде и всегда, независимо от вашего желания и даже независимо от того, знаете вы их или нет. У этих законов много названий, и выражаются они по-разному. Первый закон часто называют Закон Сохранения Энергии, а второй - Закон Возрастания Энтропии*. Образно первый закон можно назвать законом количества, а второй - законом качества энергии. Скоро вы увидите, почему.

Первый закон:
Количество энергии остается
неизменным

Плотина гидроэлектростанции перегородила реку, образовалось водохранилище. Уровень воды в водохранилище поднялся по сравнению с уровнем в русле реки за плотиной, поэтому вода в водохранилище обладает потенциальной энергией. Падая с этой высоты, вода теряет потенциальную энергию, но приобретает кинетическую. Попадая на лопатки гидротурбины, вода отдает свою кинетическую энергию турбине, и та приобретает кинетическую энергию вращения. Турбина вращает электрический генератор, в котором механическая энергия вращения переходит в электрическую энергию. По проводам электрическая энергия доходит до электролампочки в вашей квартире, и в ней превращается в тепловую (большая часть) и в световую (меньшая часть). По пути часть энергии теряется на нагревание проводов, на трение в подшипниках турбины и генератора.

 

Этот пример показывает, что энергия может превращаться из одной формы в другую. При этом, если учесть все потери, величина энергии во всей цепочке превращений не изменяется.

Закон сохранения энергии обычно формулируют так:

Энергия не может исчезнуть
бесследно или возникнуть
ниоткуда

Или так:

Энергия может только
менять форму и место

Или по-другому:

Количество энергии
во Вселенной неизменно

Откуда мы знаем, что энергия сохраняется, если даже не можем точно сказать, что такое энергия? Но физики и энергетики научились измерять различные формы энергии. Если мы сложим все значения, соответствующие разным формам энергии, то сумма их всегда будет одинаковой. Если вдруг выясняется, что энергия не сохраняется в каком-то явлении, ученые придумывают новую форму энергии и говорят, что «исчезнувшая» энергия на самом деле не исчезла, а превратилась в эту новую форму. И снова общая сумма остается неизменной! Может показаться, что сохранение энергии - просто выдумка ученых. Но это не так. Например, с помощью закона сохранения энергии были предсказаны теоретически и потом открыты экспериментально новые элементарные частицы*. С древних времен и до наших дней люди, не верящие в закон сохранения энергии, пытаются построить устройство, которое совершало бы полезную работу, не расходуя энергии, т.е. не получая ее ниоткуда. Это так называемый вечный двигатель. Не пытайтесь повторить их попытки! Это также невозможно, как построить в действительности сооружение, изображенное на рисунке. На первый взгляд, все правдоподобно. Но когда вглядишься внимательно - абсурд. Так и различные проекты вечных двигателей. На первый взгляд, в чертежах все хорошо и должно работать. А включаешь - не работает. И не будет! Закон сохранения энергии запрещает. А если все-таки работает - где-то спрятан источник энергии. Если совершаешь полезную работу - обязательно тратишь энергию! За всю историю человечества никто и никогда не наблюдал нарушения закона сохранения энергии.

В соответствии с законом сохранения энергии неправильно говорить о «расходовании» энергии. Как будто мы ее израсходовали, и она исчезла, как израсходованные деньги исчезли из вашего кошелька. Нет, энергия перешла в другую форму, может быть, бесполезную для нас, или даже вредную. Можно говорить о расходовании электрической энергии - при этом она переходит в тепловую.

Этот закон дает нам простое решение проблемы нехватки энергии в будущем. Берегите энергию и используйте ее повторно, превращая в ту форму, которая вам нужна.

Второй закон энергии объясняет, почему это все не так просто!

Подумайте и ответьте

  1. Какие превращения энергии происходят при:
    • запуске на орбиту космического корабля,
    • ударе футболиста по мячу,
    • подъеме в лифте,
    • забивании гвоздя в доску.
  2. Почему большинство метеоритов сгорает в атмосфере Земли, и только самые крупные долетают до поверхности?
  3. Среди полезных хозяйственных советов часто встречается такой. Если вы храните картошку зимой на лоджии, чтобы картошка не замерзла, в ящик, где она хранится, поместите электрическую лампочку и включайте ее периодически (например, на ночь). Зачем? Разве в темноте холоднее, чем на свету?

ПРАКТИКУМ

Задание 4.
Измерение энергии дома.
Создайте свой энергетический цикл.

Вам понадобятся 2 кг гороха (желтого, высушенного) и желоб, который может быть сделан из чего угодно. Важно, чтобы в нем не было дырки. Вам также понадобится емкость, куда горошины будут скатываться. Поставьте желоб так, чтобы горошинки могли катиться по нему. Горошины будут собираться в емкости внизу. Наберите их в чашку и быстро наполняйте вершину желоба вновь и вновь. Таким образом, вы создали поток горошин, который создает цикл, называемый замкнутым циклом. Ваше устройство моделирует замкнутую электрическую цепь. Горошины изображают электроны, поток горошин - электрический ток.

Вы как бы являетесь батареей, обеспечивая движение горошин от основания желоба до его вершины, откуда они снова скатываются к основанию. В электрической цепи с батареей и проводником (желобом в нашем эксперименте), батарея поддерживает напряжение на электродах (между вершиной желоба и его основанием) с тем, чтобы электроны (горошины) могли двигаться по проводнику (желобу).

 

§ 4. Второй энергетический закон: качество энергии будет снижено

Почему едет автомобиль, изображенный на рисунке? Часть химической энергии бензина преобразуется в двигателе в кинетическую энергию и используется для разгона и движения автомобиля. Мы называем это полезной энергией, или работой. Остальная часть энергии (помните закон количества?) переходит в окружающую среду как тепловая энергия. Мы называем эту часть энергии энергетическими потерями.

 

Этот упрощенный пример демонстрирует другое свойство энергии: каждый раз, когда энергия переходит из одной формы в другую, только часть энергии расходуется с пользой, остальная часть теряется бесполезно и переходит в виде тепла в окружающую среду. Величина полезной части сильно различается в зависимости от формы энергии и используемой технологии.

Тепловые машины превращают тепловую энергию в удобную для потребления энергию, например, механическую или электрическую. Бензиновый двигатель - пример такой машины. Тепловые машины превращают энергию не очень экономно. Большинство тепловых электростанций превращают в электроэнергию не более 40% энергии, получаемой при сгорании нефти, газа или угля. При этом оставшиеся 60% энергии выбрасываются в окружающую среду в виде тепла. Атомные электростанции в этом смысле еще хуже. Реально они превращают в электроэнергию не более 30% энергии ядерного горючего, а 70% уходят на нагревание окружающей среды.

Не все формы энергии для нас, потребителей, одинаково ценны: у них разное энергетическое качество. Что это значит? Попробуем оценить качество энергии, или ее энергетическую ценность для нас. Сравним одинаковые количества электрической и тепловой энергий. Первую мы можем использовать и для освещения, и для обогрева, и для совершения механической работы. Вторую мы можем использовать практически только для обогрева, и при этом значительная ее часть при передаче на расстояние безвозвратно теряется. Та или иная форма энергии обладает высоким качеством, если большая часть энергии в этой форме может превращаться в другую полезную форму с малыми потерями. Чем большую часть данного вида энергии можно использовать для производства полезной работы, тем выше качество данного источника энергии. Вот почему в приведенном нами примере качество электрической энергии выше, чем тепловой.

Можно классифицировать формы энергии по качеству следующим образом:

Вы можете спросить, почему ядерная энергия имеет высокое качество, а атомные электростанции дают так мало полезной энергии (только 30%)? Дело в том, что на АЭС электрическая энергия вырабатывается электрическими генераторами, которые приводятся во вращение паровыми турбинами, как на обычных тепловых электростанциях. Ядерная энергия в ядерном реакторе преобразуется сначала в тепловую, а затем в турбине и генераторе - в электрическую. Ядерная энергия превращается в тепловую очень хорошо, а вот тепловая в электрическую - как и на обычных тепловых электростанциях - не очень.

Таким образом, любое энергетическое превращение сопровождается образованием тепла, которое в конце концов безвозвратно рассеивается в окружающую среду. Иными словами, полезная энергия убывает. Теряется не энергия вообще, а энергия, которая могла бы быть направлена для производства полезной работы.

Об этом свойстве энергии говорит второй закон:

Второй закон
Высококачественная энергия
способна превращаться
в низкокачественную с малыми
потерями, но обратное
превращение невозможно

Вообще, конечно, можно получать энергию более высокого качества из низкокачественной. Например, можно превратить часть высококачественной энергии в энергию отличного качества, скажем, химическую энергию в электрическую на тепловой электростанции. Но одновременно при этом бо´льшая часть начальной высококачественной энергии будет превращаться в энергию низкого качества (тепловую). В результате все равно качество энергии в целом снижается.

Это фундаментальное свойство энергии и ее превращений (2 закон) можно выразить еще в такой форме:

Невозможно создать машину,
которая полностью превращала
бы данное количество тепловой
энергии в полезную работу

Или:

Когда данное количество
энергии превращается в другую
форму, качество энергии
снижается

Поэтому мы называем второй закон законом качества энергии.

Подумайте и ответьте

  1. Назначение паровоза и электровоза одинаково. Почему электровозы вытеснили паровозы с железных дорог?
  2. Попробуйте перечислить все каналы потерь энергии при движении автомобиля.

§ 5. Энергосбережение

Что понимают под словом «энергосбережение»? Не считая борьбы с откровенной бесхозяйственностью при использовании энергии (хотя бороться с ней, конечно же, нужно беспощадно!), можно выделить три основные направления энергосбережения:

  1. полезное использование (утилизация*) энергетических потерь,
  2. модернизация* оборудования с целью уменьшения потерь энергии,
  3. интенсивное* энергосбережение.

Примером утилизации энергетических потерь может служить использование тепловых «отходов» промышленного производства для обогрева теплиц. При модернизации уменьшаются потери энергии в уже действующем оборудовании, но не изменяются сами принципы технологии и техники. Примером может служить установка систем автоматического регулирования процессов горения на котлах электростанций, уплотнение окон и дверей при ремонте зданий, использование окон с тройным остеклением, и т.д. Интенсивное энергосбережение подразумевает полную реконструкцию оборудования и введение новых принципов его работы, существенно сокращающих потребление энергии. Примером может служить замена двигателей внутреннего сгорания в автомобилях на электродвигатели с питанием от солнечных элементов (электромобили).

Для нас с вами доступны первые два направления энергосбережения. Что же мы можем сделать?

Энергосбережение в соответствии
с первым законом:
Не растрачивайте энергии
впустую!

Энергосбережение в соответствии с первым законом означает, что мы начинаем тратить за то же самое время меньше энергии, чем раньше, так как используем энергию более рационально.

Приведем примеры энергосбережения, которые соответствуют первому закону:

  1. Используйте экономичные электролампочки (лампы дневного света вместо ламп накаливания),
  2. Выключайте осветительные и нагревательные устройства, когда уходите из комнаты,
  3. Используйте тепловые отходы промышленных предприятий и электростанций для обогрева жилых помещений.

Энергосбережение в соответствии
со вторым законом:
Не теряйте качество энергии!

Энергосбережение в соответствии со вторым законом заставляет задуматься над вопросом: энергию какого качества использовать для выполнения той или иной задачи? В будущем интерес к качеству энергии будет только возрастать.

Приведем примеры энергосбережения в соответствии со вторым законом:

  1. Использование биоэнергии и тепловой энергии для обогрева вместо электроэнергии,
  2. Использование тепловых отходов для обогрева зданий,
  3. Использование солнечной энергии для обогрева зданий.

Как видите, при некоторых способах энергосбережения (использование тепловых отходов для обогрева) действуют оба закона.

ПРАКТИКУМ

Задание 5.
Использование энергии учащимися.

Каждый день все мы используем энергию различными способами. Она идет на обогрев наших домов, освещение, расходуется в машинах и на транспорте. Напишите список, на что вы потратили энергию за последние 24 часа и заполните таблицу 1.3. В правом столбике объясните, как вы можете сократить потребление энергии на следующий день.

Обсудите результаты сначала в парах, затем с целым классом.

Таблица 1.3.

Мое использование энергии Как я могу сократить мое использование энергии
   
   
 

Энергосбережение и охрана окружающей среды

На Земле используется очень много энергии. Те источники энергии, которые мы используем - нефть, уголь, газ - настолько загрязняют окружающую среду, что это серьезно беспокоит ученых. Необходимо изменить такое положение вещей, и лучшим способом сделать это будет снижение энергопотребления. Используя меньше энергии, мы уменьшаем загрязнение окружающей среды. Говоря точнее, мы должны использовать меньше невозобновляемых источников энергии и больше возобновляемых источников.

Энергосбережение является самой важной мерой по спасению окружающей среды. Можно начать прямо сейчас: не забывайте выключить свет, выходя из комнаты. Можно поставить регуляторы на батареи центрального отопления и поддерживать в помещении постоянную температуру 20 °С. При этом мы не будем замерзать, когда в комнате 14 °С, и приходится включать электронагреватели и расходовать электроэнергию для обогрева. Но и не будем потеть, когда в классе 25 °С, и приходится во время отопительного сезона открывать окна и отапливать окружающую среду. Можно пойти в ближайший магазин пешком или поехать на велосипеде вместо автомобиля, и т.д.

Новые возобновляемые источники энергии не сразу заменят невозобновляемые энергоисточники, используемые сейчас. Поэтому важно использовать ровно столько энергии, сколько необходимо, и не больше того. Этим мы уменьшим выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и защитим природу.

Подумайте и ответьте

Приведите примеры нерационального, на ваш взгляд, расходования энергии.

Заполните таблицу 1.4.

Только ли экономическими причинами (меньше расходуешь энергии - меньше платишь) вызвана необходимость энергосбережения?

Таблица 1.4.

Действие Да Нет Иногда Я могу это изменить
Выключаю воду, когда намыливаюсь в душе        
Плотно закрываю водопроводный кран, чтобы из него не капала вода        
Не выключаю воду, когда чищу зубы        
Всегда пишу на обеих сторонах бумажного листа        
Выключаю свет, когда выхожу из комнаты        
Выключаю обогреватели, когда надобности в них нет        
Выключаю плиту после приготовления еды        

ПРАКТИКУМ

Задание 6.
Ситуация для обсуждения.

Кристина живет в квартире в Норвегии и не очень заботится о том, как она использует электроэнергию. Т.к. у нее много денег, электричество дешевое, и доступ к гидроэлектроэнергии достаточно легок, она не считает, что важно заботиться об использовании энергии. И более того, используемая ею энергия не влияет на здоровье других людей, т.к. электричество, произведенное на гидроэлектростанциях, не загрязняет природу. Но одно раздражает ее - это загрязнения, попадающие в Норвегию из других стран. Она в особенности озабочена кислотными дождями, которые наносят вред деревьям и рыбе в норвежских водах. Кристина считает, что необходимо принять решительные шаги, чтобы положить конец загрязнению.

Марина живет в России и работает на большом заводе, где используют уголь для получения энергии, необходимой в производстве. На заводской котельной есть высокая труба, которая относит дым, газы и ядовитые вещества подальше от территории завода.

Марина прочитала в газете, что некоторые люди считают опасным то, что завод выбрасывает так много отходов в воздух, которые так же загрязняют и разрушают природу в далеких странах. Тем не менее, директор завода считает, что у них нет выбора, т.к., если бы они получали энергию из любого другого источника, она была бы настолько дорогой, что им пришлось бы закрыть завод и уволить тысячи сотрудников.

Обсудите:

  • Имеют ли оба этих рассказа какое-нибудь отношение к вопросам охраны окружающей среды?
  • Есть ли у них что-либо общее?
  • Кто ответственен за проблемы загрязнения окружающей среды?
  • Что может сделать Кристина для уменьшения загрязнения природы?
  • Что может сделать для этого Марина?
  • Что можем сделать мы?
 

§ 6. Источники энергии

Источники энергии бывают возобновляемые и невозобновляемые. Подробнее и те и другие мы рассмотрим в третьей части учебника. Пока познакомимся с ними в общих чертах.

Возобновляемые источники энергии.

Огромные количества солнечной энергии постоянно поступают на Землю. Примерно треть этой энергии отражается атмосферой Земли, 0,02% используется растениями для фотосинтеза, а остальное идет на поддержание очень многих природных процессов: обогрев земной коры, океана и атмосферы, движение воздушных масс (ветер), волн, океанских течений, испарение и круговорот воды.

Эта  огромная энергия, поступающая на Землю, тем не менее не ведет к всеобщему потеплению, потому что после того, как она прошла через природные процессы, она излучается обратно в космическое пространство. В течении миллионов лет природа приспособилась к этим огромным потокам энергии и достигла всеобщего теплового равновесия.

Когда мы используем возобновляемые источники энергии, мы делаем это двумя путями. Можно использовать солнечную энергию напрямую, например, в солнечных батареях. Большие панели солнечных батарей вы наверняка видели на наших обитаемых космических станциях. В солнечной батарее световая энергия Солнца превращается в электрическую энергию. В тех местностях, где в году много солнечных дней, можно установить солнечные батареи на крыше и использовать энергию Солнца в бытовых целях. Есть даже проекты автомобилей, которые движутся за счет энергии, вырабатываемой в солнечной батарее, установленной на крыше такого автомобиля.

Второй путь - использовать энергию того или иного природного процесса. По такому пути мы идем, используя энергию воды в гидроэлектростанциях, энергию морских приливов в приливных электростанциях, энергию ветра в ветровых электростанциях.

При использовании возобновляемых источников энергии увеличение энергопотребления на Земле не нарушает всеобщее тепловое равновесие и не приводит к всеобщему потеплению. Мы не изменяем количество энергии, поступающей на Землю и уходящей с Земли (рис. 1, 2). Отсюда первое преимущество таких источников энергии - они не наносят вреда природе.

 

Возобновляемые источники энергии постоянно пополняют свою энергию от Солнца, и их хватит на миллионы, если не на миллиарды лет - до тех пор, пока существует Солнце. Это их второе преимущество.

Невозобновляемые источники энергии.

Множество различных природных соединений, содержащих большие запасы энергии, находится в недрах Земли. Важнейшие из них - нефть, уголь, природный газ, торф и уран. Первоначально энергия, запасенная в этих источниках, также в основном исходила от Солнца. Тем не менее это невозобновляемые источники. Невозобновляемые потому, что только ничтожное количество солнечной энергии каждый год превращается в энергию невозобновляемых источников, и нужны миллионы лет, чтобы эти ничтожные количества выросли до больших залежей угля, нефти, газа или урана. Энергия невозобновляемых источников хранится только на Земле. Пока человечество не начало использовать невозобновляемые источники, количество запасенной в них энергии оставалось неизменным (рис. 3). Так, сумма денежного клада, зарытого в землю, остается неизменной, пока кто-нибудь не найдет этот клад и не начнет его расходовать. Но как только люди стали использовать невозобновляемые источники, количество запасенной в них энергии стало необратимо уменьшаться (рис. 4). Скорость, с которой мы расходуем невозобновляемые источники энергии, во много раз превышает скорость их образования. Поэтому рано или поздно они будут исчерпаны. Это их первый недостаток.

 

Надо стремиться расходовать как можно меньше энергию невозобновляемых источников и как можно больше - возобновляемых. Если мы используем дрова для отопления и взамен срубленных деревьев сажаем и выращиваем новые - это, без сомнения, возобновляемый источник энергии.

Второй большой недостаток таких источников энергии - они наносят огромный вред природе. Отрицательные последствия использования невозобновляемых энергоисточников мы подробно рассмотрим в третьей части учебника. Почему же человечество продолжает использовать невозобновляемые энергоисточники, несмотря на их недостатки? На это есть несколько причин: экономические (желание получить сиюминутную прибыль), психологические (нежелание менять привычный уклад жизни) и даже политические (энергия - это власть). Подробнее мы обсудим это в следующей части.

В заключение приведем таблицу, которая схематически показывает, какие достоинства и недостатки у наших самых обычных и распространенных энергоисточников и какие последствия для окружающей среды влечет за собой их использование. Как видите, нет ни одного идеального энергоисточника. Тем не менее, существует большая разница между энергоисточниками с точки зрения опасности для окружающей среды.

Подумайте и ответьте

  1. Что означает выражение «возобновляемый источник энергии»?
  2. Что означает выражение «невозобновляемый источник энергии»? Можно ли понимать это выражение буквально?
  3. Почему использование невозобновляемых источников энергии ведет к всеобщему потеплению, а использование возобновляемых - нет?
  4. Какие источники энергии - возобновляемые или невозобновляемые - человечество использует в основном сейчас для производства энергии?

Таблица 1.5.

Энергоисточник Положительные стороны Отрицательные стороны
Возобновляемые Солнце Возобновляемость
Доступность
Нестабильность
Дороговизна солнечных батарей
Ветер Возобновляемость Шум
Большие площади, занимаемые ветровыми электростанциями
Биомасса Доступность
Простота применения
Необходимость транспортировки биомассы
Потребление воды в производстве биомассы
Вода Низкая стоимость воды как сырья
Низкая стоимость работы с ней
Национальные границы
Водохранилища занимают большие площади сельскохозяйственных земель
Невозобновляемые Уголь Стабильность
Доступность
Невозобновляемость
Загрязнение окружающей среды
Проблемы хранения отходов
Нефть Высокая технологичность
Простота использования
Ограниченная доступность
Невозобновляемость
Загрязнение окружающей среды
Пожароопасность
Газ Относительная безопасность для окружающей среды
Простота использования
Ограниченная доступность
Невозобновляемость
Взрывоопасность
Выбросы СО2
Ядерная энергия Доступность
Дешевизна
Большие количества
Загрязнение окружающей среды
Невозобновляемость
Проблема захоронения отходов
Риск распространения ядерного оружия
Тяжелые последствия несчастных случаев

ПРАКТИКУМ

Задание 7.
Упаковка и энергия.

Хорошенько посмотрите на упаковку продуктов - бумагу, пластик, консервные банки и т.д. Некоторые продукты, например, апельсины имеют естественную упаковку. Другие продукты, например, морковь могут продавать без какой либо упаковки. Некоторые товары приходят в упаковках из двух частей например, сок в покрытых: изнутри алюминием картонных коробках, возможно, с пластиковой соломинкой, приклеенной сбоку. Т.е. для производства упаковки была использована энергия.

  1. Оцените различные товары и их упаковку с точки зрения расхода энергии. Обсудите с одноклассниками и учителем, как производятся и утилизируются упаковочные материалы. Поставьте товары в порядке возрастания энергетических затрат на их производство.
  2. Обсудите, как может дальше использоваться упаковка. Возможные варианты ответов:
    • A. Природа разрушает упаковочные материалы - они разлагаются и гниют.
    • Б. Упаковка может быть сожжена и частично возвращает энергию, затраченную на ее производство.
    • В. Упаковка может быть сдана - например, как бутылки. Это повлечет транспортные расходы и т.д.
    • Г. Упаковка нуждается в большом количестве энергии, чтобы быть уничтоженной или повторно использоваться, например, алюминиевые консервные банки.
    • Д. Упаковка не может быть использована повторно или переработана.
Продукт Порядок Оценка А-Д Альтернативная упаковка
       
       
       
 

Далее...