Человек как живой двигатель
В начальный и очень длительный период развития общества человек сам выполнял энергетические функции в процессе производства, являясь единственным двигателем инструментов, орудий и простейших технологических и транспортных машин. Позднее в тех случаях, когда это представлялось осуществимым по характеру производственного процесса и было экономически целесообразно, функции двигателя были возложены' на животных. '. . Таким образом, начальный период развития энергетики характеризуется исключительным использованием так называемой мускульной силы или, точнее, биологической энергии человека и животных. Это—первая ступень развития-энергетики— период биологической энергетики, или биоэнергетики.
Следующей, второй, ступенью в развитии энергетики явилось применение энергии неживой природы. Первыми источниками этой энергии, привлеченными к энергоснабжению производственных процессов, были водные, а несколько позднее — воздушные потоки, приводившие в действие водяные и ветровые колеса. Эти два вида энергоснабжения —и ветро- и гидроэнергетика — характеризуют один и тот же исторический период развития способа производства. Они не только совпадают по времени преимущественно, но и однородны по своей физической сущности, представляя собой 'непосредственное использование имеющихся в природе источников механической энергии для приведения в движение исполнительных машин. Поэтому при. выделении качественно отличной ступени развитая энергетики целесообразно объединить родственные по времени, характеру и физическому - содержанию гидро и ветроэнергетику, обозначив их термином механическая энергетика.
Следующая, третья, ступень развития энерг.етики- началась с использования теплоты как источника механической-работы'. Теплоэнергетика возникла в начале XVIII в. в частной форме водоподъемных двигателей и стала быстро развиваться с конца XVIII в. в связи с внедрением в промышленность и транспорт универсального парового двигателя.
В конце XIX в. теплоэнергетика, являющаяся и в настоящее время количественно преобладающей, получила, равно как и гидроэнергетика, значительный стимул к ускоренному развитию благодаря производству электрической энергии. Электрическая энергия не берется непосредствен- • но из природы, а вырабатывается на тепловых, гидравлических и других электростанциях. Поэтому электроэнергетика как вторичная энергетика, привлекаемая благодаря своей транспортабельности и трансформируемое в другие виды энергии, не явилась самостоятельной, независимой формой энергетики. Она не заменила первичные теплоэнергетику и гидроэнергетику, а наоборот, стимулировала их дальнейшее, весьма ускоренное развитие, знаменуя вместе с ними следующий, четвертый, период развития комплексной энергетики.
Новым этапом в развитии энергетики явилась возникшая.в середине XX в. атомная энергетика, источником которой может служить искусственно вызываемый? распад тяжелых или соединение легких ядер атомов.
Последовательные качественные ступени развития энергетики могут быть представлены следующим кратким перечнем: 1- Биоэнергетика — использование в качестве источника Механической работы биологической энергии 1 человека .и-Животных. 2. Механическая энергетика — использование механической энергии потоков воды и воздуха. 3. Теплоэнергетика — использование в качестве источника механической работы теплоты, выделяющейся при сжигании топлива. 4. Современная комплексная энергетика — преимущественное использование в качестве первичной энергии теп ловой и гидравлической, а в качестве вторичной — электрической энергии. 5. Атомная энергетика — использование энергии ядерных реакций.
Для перечисленных ступеней развития энергетики характерен некоторый количественный показатель, свойственный каждому из отдельных форм энергии. Таким показателем является удельная весовая энергоемкость носителя энергии, выражаемая отношением количества механической работы в килограммометрах (кГ ? м) к единице веса энергоносителя, т. е. в кГ ? м/кг. Для живых двигателей подобный показатель неприменим вследствие особых форм восполняемости живого энергоносителя за счет биологической энергии. Тем не менее в отдельных случаях в косвенной форме энергоемкость живых двигателей может быть успешно привлечена для оценки исторических ступеней развития энергетики. Так, например, если для современного океанского судна водоизмещением 80 ООО т привлечь в качестве двигателя людей, как это делалось в античном мире, то для необходимой мощности 70 000 л. с. потребуется свыше 2 млн. гребцов (при трехсменной работе), вес которых без багажа и запасов продовольствия в несколько раз превысит вес самого судна.
Что касается энергоносителей неживой природы, то здесь показатель удельной энергоемкости выражается достаточно точными цифрами и позволяет не только объяснить исторические факты, но и сделать прогнозы на будущее.
Носитель гидроэнергии — вода — располагает запасом энергии в зависимости от возможной высоты падения. Так, 1 кг воды может располагать работой в 1, 10, 100, 1 000 кГ ? м в зависимости от высоты падения в 1, 10, 100, 1 000 м. Еще меньшей энергоемкостью обладает носитель ветровой энергии — воздух, энергоемкость которого к тому же постоянно и бессистемно изменяется в зависимости от скорости ветра.
Носитель тепловой энергии — топливо — обладает весьма высокой энергоемкостью. Удельная теплотворная способность топлива колеблется в пределах 2 ООО — 11000 ккал/кг. Так как 1 ккал эквивалентна 427 кГ ? м работы, то удельная энергоемкость 1 кг топлива будет лежать в пределах 854000 — 4 697 000 кГ ? м/кг, или в среднем равна 2 775 500 кГ-м/кг (для сопоставления без значительной погрешности можно принять округленное значение 3 млн. кГ -м/кг) ."Даже если учесть, что к. п. д. тепловых установок в среднем примерно в 3 раза ниже, чем к. п.-д-гидравлических, высокая энергоемкость горючего дает выход практически реализуемой энергии, в десятки тысяч раз больший, чем энергоемкость воды.
Энергоемкость электрической энергии является понятием несколько условным, поскольку эта энергия вторичная, преобразуемая из других видов энергии. Во всех случаях получения электроэнергии ее количество, относимое к весу генерирующего устройства (паротурбогенератор, дизельгенератор, гидрогенератор, гальваническая или аккумуляторная батарея), незначительно. Поэтому с позиций удельной энергоемкости электрическая энергия не играет такой роли, как тепловая, являющаяся в настоящее время в силу высокой энергоемкости топлива монопольной для водного и воздушного транспорта и преобладающей для наземного.
Использование ядерной энергетики с позиций удельной энергоемкости, безусловно, знаменует громадный скачок к новой качественной ступени развития энергетики. Исчисленная удельная энергоемкость ядерного горючего выражается в среднем в 8,5 • 1012 кГ • м/кг по ядрам тяжелых изотопов и 64-Ю12 кГ-м/кг по термоядерным реакциям, что в миллионы раз превышает среднюю энергоемкость обычного горючего. Даже если принять возможным использование только 10% располагаемой энергии ядерного горючего, энергоемкость носителей ядерной энергии- более чем в миллион раз превосходит энергоемкость обычных энергетических топлив.
Отсюда вытекает ряд новых качеств исключительной значимости. Тысячи вагонов угля, потребляемого ежегодно тепловой электростанцией, могут быть заменены несколькими десятками килограммов ядерного горючего, и, таким образом, энергоемкий и дорогостоящий транспорт больших количеств топлива может быть практически исключен, где намечается грядущая эра совершенно независимой от лояльных условий энергетики, когда каждый энергопотребляющий объект в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту сможет в любом месте располагать громадными количествами необычайно концентрированной атомной энергии, расходуемой в самых разнообразных целях: нагрева, охлаждения, кондиционирования, связи, транспорта, привода орудий и машин.
Итак, в развитии энергетики должны быть отмечены следующие ступени, характеризующие резкое отличие применяемых форм энергии по весовой энергоемкости, оказывающей громадное влияние на развитие техники:
1. Использование первичной механической (гидравлической и — в меньшей степени—ветровой) энергии с удельной энергоемкостью порядка 10—1 000 кГ м/кг.
2. Использование первичной тепловой энергии со сред-ней энергоемкостью 3 • 106 кГ м/кг-
3. Использование первичной ядерной энергии с энергоемкостью 8,5 • 1012—64 -Ю'2 кГ-м/кг.
Для исторического процесса развития орудии и машин характерна тенденция замены человека-исполнителя различных производственных функций машинами.