Энергия и физика: старая, но актуальная лекция П.Л.Капицы

От редакции: несмотря на мощный PR альтернативных источников энергии — солнечного, ветряного, приливного, а также — в перспективе – термояда, на пути их развития имеется достаточно серьезный физический барьер – вектор Умова-Пойнтинга.
Предлагаем ознакомиться с лекцией Петра Леонидовича Капицы, прочитанной им более 30 лет назад, но сегодня, наверное, более актуальной, чем тогда. Ведь именно в наше время, как многие считают, «зеленая» энергетика должна заменить традиционную, а во Франции активно строится термоядерный реактор .

П.Л. Капица

Доклад на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук С.С.С.Р,

Москва, 8 октября 1975 г.

Общепризнано, что основным фактором, определяющим развитие материальной культуры людей, является создание и использование источников энергии. Производимая ими работа теперь во много раз превосходит мускульную. Так, в наиболее развитых странах используемая мощность разнообразных источников энергии составляет до 10 киловатт на человека в г.. Это, по крайней мере, в 100 раз больше, чем средняя мускульная мощность одного человека.

Роль энергии в народном хозяйстве хорошо иллюстрируется рисунком. (Данные относятся к 1968 г.; составлены по материалам ООН и Международного банка реконструкции и развития.) По горизонтальной оси отложена цена валового национального продукта (ВНП) для различных стран (в долларах на человека), а по вертикали — потребление энергии в пересчете на каменный уголь (в килограммах на человека).

В пределах естественной флуктуации видно, что существует простая пропорциональность. Поэтому, если люди будут лишаться энергетических ресурсов, то, несомненно, их материальное благосостояние будет падать.

Получение, преобразование и консервирование энергии и есть фундаментальные процессы, изучаемые физикой. Основная закономерность, которую установила физика, — это закон сохранения энергии. На основании этого закона предсказывается глобальный кризис в получении энергии [1]. Сейчас в качестве основных энергетических ресурсов используются торф, уголь, нефть, природный газ. Установлено, что запасенная в них химическая энергия была накоплена в продолжение тысячелетий благодаря биологическим процессам. Статистические данные по использованию этих ресурсов показывают, что в ближайшие столетия они будут исчерпаны. Поэтому, на основе закона сохранения энергии, люди, если они не найдут других источников энергии, будут поставлены перед необходимостью ограничения ее потребления, и это приведет к снижению уровня материального благосостояния человечества.

Неизбежность глобального энергетического кризиса сейчас полностью осознана, и поэтому энергетическая проблема для техники и науки стала проблемой № 1. Сейчас в ведущих странах отпускаются большие средства на научно-технические исследования в этой области. Главное направление этих поисков обычно ведется с узкотехническим подходом, без достаточного учета тех закономерностей, которые установлены физикой. Жизнь показала, что эффективность исследований значительно повышается, если они ведутся с более глубоким учетом базисных законов физики.

В моем сообщении я хочу отметить те закономерности физики, которым следовало бы играть ведущую роль в решении энергетических проблем.

Энергия, которой пользуются люди, делится теперь на две части. Первая — это так называемая бытовая энергия. Она непосредственно обеспечивает культурный образ жизни. Эта энергия используется для освещения, для питания холодильников, телевизоров, электробритв, пылесосов и большого количества других приборов, которыми пользуются в повседневной жизни. Используемая в быту мощность исчисляется обычно киловаттами. Другой вид энергии — это промышленная энергия, энергия больших мощностей. Ее используют в металлургии, на транспорте, в машиностроении, в механизации строительства и сельского хозяйства и ряде подобных областей. Эта энергия значительно больше бытовой, мощность ее исчисляется в мегаваттах, ее масштабы и стоимость определяют уровень валового продукта в народном хозяйстве страны. Конечно, предстоящий кризис будет вызван недостатком ресурсов энергии только в энергетике больших мощностей: обеспечение получения этой энергии в достаточном количестве и является основной проблемой, которая ставится перед наукой.

Я уже сказал, что предсказания предстоящего энергетического кризиса делаются на основе закона сохранения энергии. Как известно, большую роль в ограничении возможности использования энергетических ресурсов играет также закон, требующий во всех процессах преобразования энергии возрастания энтропии. Оба эти закона накладывают «вето» на преодоление кризиса путем создания «перпетуум мобиле». Закон сохранения энергии накладывает «вето» на «перпетуум мобиле» 1-го рода. Энтропия накладывает «вето» на так называемый «перпетуум мобиле» 2-го рода. Интересно отметить, что этот второй род «перпетуум мобиле» и по сей день продолжают предлагать изобретательные инженеры, и часто опровержение такого рода устройств связано с большими хлопотами. Эта область относится к термодинамике, она хорошо изучена, и я на ней останавливаться не буду.

Я ограничусь рассмотрением закономерностей, которые определяют развитие энергетики больших мощностей и связаны с существованием в природе ограничений для плотности потока энергии. Как будет видно, часто эти ограничения не учитываются, что ведет к затратам на проекты, заведомо бесперспективные. Это и будет основной темой моего доклада.

Все интересующие нас энергетические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой, и это происходит согласно закону сохранения энергии. Наиболее употребительные виды энергии — электрическая, тепловая, химическая, механическая, а теперь и так называемая ядерная. Трансформацию энергии обычно можно рассматривать как происходящую в некотором объеме, в который через поверхность поступает один вид энергии, а выходит преобразованная энергия.

Плотность поступающей энергии ограничена физическими свойствами той среды, через которую она течет. В материальной среде плотность потока энергии U ограничивается следующим выражением:



где v — скорость распространения деформации, обычно равная скорости звука, F -плотность энергии, которая может быть либо упругой, либо тепловой, U есть вектор. (При стационарных процессах div U определяет величину преобразования энергии в другой вид.) Вектор U оказывается весьма удобным для изучения процессов преобразования энергии. Впервые он был предложен в 1874 г. русским физиком Н.А. Умовым. Десятью годами позже такой же вектор для описания энергетических процессов в электромагнитном поле был дан Дж. Пойнтингом. Поэтому у нас принято называть его вектором Умова-Пойнтинга.

Если выражение (1) применить для газовой среды, то оно приобретет следующий вид:



где А — коэффициент, зависящий от молекулярного состава газа, Т — температура и р — давление газа.

Выражение такого вида определяет, например, ту предельную мощность, которую может передать горючая среда на единицу поверхности поршня мотора или лопаток турбины. Как видно, эта мощность падает с давлением; поэтому такое же выражение определяет ту предельную высоту, на которой может летать турбореактивный самолет.

Используя вектор Умова-Пойнтинга, можно описывать даже процессы, когда энергия передается ременной передачей. Тогда произведение скорости ремня на его упругое напряжение дает мощность трансмиссии. Таким же путем можно определить предельную мощность, передаваемую лентой в генераторе типа Ван-де-Граафа.

Мне пришлось на практике встретиться с технической проблемой, когда недостаточная плотность потока электрической энергии ограничивала осуществление решения этой проблемы на практике. Это произошло при следующих поучительных обстоятельствах.

Еще записи на эту же тему:



Страницы: 1 2 3 4

2 коммент. к “Энергия и физика: старая, но актуальная лекция П.Л.Капицы”

  • считатель | 7 Сентябрь, 2011, 14:58

    зададимся пониманием того, что выработка энергии не является самоцелью жизни людей, и обсудим основные принцыпы:

    Любой метод получения энергии и совершения полезной (для человека) работы основан на принципе сохранения энергии, который в термодинамике формулируется соотношением:

    dU = dA + TdS

    где dU — изменение внутренней энергии тела, dA — совершаемая работа, T — температура, ds — изменение энтропии (неупорядоченности) тела.

    К услугам человека имеется два источника внутренней энергии dU, состоящие в изменении ядерного и химического состояния вещества — в недрах Солнца и в недрах Земли. Эти два источника производят потоки энергии (и сопровождающей ее энтропии) из этих недр, что составляет сущность второго принципа термодинамики: рассеяния энергии из более концентрированного состояния в менее концентрированное, в данном случае — в космическое пространство, которое представляет собой практически необозримый резервуар (термостат).
    Таким образом, среда в которой живет человек (то есть поверхность Земли), как составная часть является элементом этих внешних для нее потоков энергии и энтропии, которые проявляются в ней некоторыми движениями вещества (как свет, ветер, реки), составляющими часть этих гигантских потоков. Благодаря этому можно так организовать элементы среды обитания человека, что эти потоки будут совершать полезную для него работу, причем за счет процессов, которые происходят вне самой этой среды.
    Простейший пример — лодка с парусом.Если поднимать парус, когда ветер дует попутно, и опускать его когда он дует мимо, то можно применить ветер (как проявление потока энергии от Солнца) для совершения нужного действия — перемещения человека в нужное место. Полезную работу можно совершить и с помощью подходящей пространственной организации среды, причем так, что совершая нужное действие, среда не будет (или почти не будет) менять своей энтропии (сохранит упорядоченность)- это и называется получением экологически чистой энергии. В качестве примера можно рассмотреть пропеллер. Если взять простую плоскую доску, насадить ее на ось, и подставить ветру, то такая доска может вращаться как вправо, так и влево, и под напором ветра она просто прогнется и сдавится, и при этом энтропия системы увеличится за счет внесенной потоком воздуха. Но если доску профилировать как пропеллер, то теперь под напором ветра он будет поворачиваться только в одну сторону (например по часовой стрелке), то есть при таком упорядочении движения энтропия системы уменьшится вдвое, а если его еще и поставить на верлюг, поворачивающий его носом к ветру — то и еще больше. Таким образом, соответствующим «профилированием» среды можно организовать естественный поток энергии и энтропии так, что вносимая энтропия будет компенсироваться уменьшением энтропии в сконструированной среде: dS=0, и полезная работа (например, вращение генератора электротока) будет совершаться без изменения энтропии среды обитания человека, то есть без нарушения ее порядка — как говорят, экологически чисто. Таким же образом можно организовать получение чистой энергии из потока воды и света (в специально организованных структурах кремния и меди, или даже просто ориентированной черненой поверхности), а самым перспективным является такое «профилирование» растения, чтобы оно вбирало свет, воду и углекислоту, а выдавало набор углеводородов для полезного потребления (см. журнала «Российский Репортер», 28 июля 2011 года, стр.58: в США обнаружили бактерию, которая производит компоненты нефти в недрах планеты, как некоторые растения производят на поверхности растительные масла (но они горят хуже), и сейчас методами генной инженерии конструируют растение, которое будет выдавать бензин как нектар для пчелок)…

    Чем же отличаются ядерные реакторы? В отличие от описанного, вместо использования «проходящего мимо» потока энергии, источник такой энергии формируется в самой среде, где эта энергия используется, и ее рассеяние производится в саму эту среду: ведь забрасывать продукты ядерных реакций в космос будет настолько дорого, что и не нужно. К тому же в ядерном реакторе организуется настолько высокая концентрация внутренней энергии dU, что и энтропия dS получается весьма большой, так что ее физически невозможно компенсировать какими-либо ухищрениями (лучший пример тому — ядерный взрыв, который разрушит любые конструкции). Принцип получения энергии в этом случае состоит в том, что сперва из недр планеты извлекают и концентрируют в активной зоне высокоэнергетические (и поэтому многоэнтропийные) ядра атомов, а потом эту материю рассеивают в окружающую среду — и за счет этого рассеяния, согласно приведенному выше закону сохранения, осуществляют нужную работу (например, врящают электрогенератор). Но при этом так же происходит некомпенсируемый выброс энтропии, которая изменяет, и в худшую для нас сторону, окружающую среду. Например, в практике реакторов Белоярской АЭС это выглядит так: чтобы не тратиться на утилизацию отходов, их десятки лет сбрасывали в соседнее Ольхонское болото, и это от всех скрывали (государственная тайна!), так что теперь все там загажено этим ядерным дерьмом, и были уже случаи, когда ничего не подозревающие люди (в том числе дети) получали там радиационные поражения. Вот так происходит проявление выделенной ядерными реакторами энтропии — и это еще не все: кроме всего прочего, там проходит глубинный разлом земной коры, по которому циркулируют подземные воды, так что эту дрянь выносит в источниках воды за десятки километров от их болота… Все эти мерзости и составляют ту таинственную «государственную тайну», которую так тщательно скрывают эти казенные золотари.
    В силу описанных явлений ядерный реактор (особенно натриевый бридер на быстрых нейтронах) работает на грани срыва в экологическую катастрофу, как это ясно видно на примере Чернобыля и Фукусимы: достаточно небольшого изменения среды, и гигантский поток энтропии начинает разрушать все вокруг. Причем это не следствие каких-либо ошибок или случайностей — они лишь облегчают выражение экологической неустойчивости такой системы, заложенной в самом принципе ее организации. Гигантская концентрация внутренней энергии в активной зоне среды порождает гигантский поток энтропии (в нее), а отвести его или удержать в допустимых рамках весьма проблематично и накладно. Поэтому для ядерных реакторов на поверхности Земли неизбежны деструкции окружающей среды, среды нашего обитания — что и наблюдается со всеми вредными для человека результатами. И потом, когда у вас родятся дети-уроды, а сами вы загнетесь от радиационной пневмании, уж тогда вы задумаетесь: а зачем нам нужна эта ядерная энергия, которая нас искалечила?

    Так вот: я считаю целью человека упорядочение его среды обитания (в смысле ее улучшения), но применение таких энергоресурсов, как ядерные реакторы, противоречит этой цели — и посему должно быть исключено. Чего и видно, например, по Чернобылю, который (без саркофага!) обошолся более 300 миллиардов долларов (и еще множество искалеченных жизней, в том числе детских). Энтропия ведь так или иначе себя в конце концов проявит, и за все придется заплатить… И это никак не обойти — это закон природы.

  • Рамиль | 12 Апрель, 2012, 22:49

    Без атомной энергетики не обойтись. Зеленая энергетика за рамками бытового применения — зло.

Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2017 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.