2. Потребности в энергии и пределы роста энергопотребления.

Система добычи, дос­тавки и преобразования энергии таковы, что в конечную полезную энергию (на совершение полезной работы) преобразуется лишь около 40 % потенциальной тепловой энергии, содержащейся в из­расходованных ресурсах (угле, нефти, газе, дровах, торфе, уране и т.д.), а около 60 % составляют потери. В высокоразвитых странах наибольшее количество ископаемого топлива - 40 % потребляют электростанции (табл. 1.2). В мире в среднем приблизительно по 25 % первичной энергии идет на производство электроэнергии, на отопление жилых домов и других зданий, на промышленные цели и на транспорт.

Потребности в электроэнергии растут опережающими темпами, поскольку электроэнергия легко преобразуется в свет, тепло, меха­ническую энергию, и она точно измеряется и контролируется. Не­которые специалисты склонны судить об «уровне цивилизованно­сти страны» по душевому потреблению именно электроэнергии несмотря на большие потери при ее производстве.

Структура потребления электроэнергии в разных странах отражает «степень комфортности» быта граждан. Как следует из табл. 1.5, в России, в отличие от США, существенно меньше электроэнергии по­требляется в непроизводственной сфере (домохозяйства, сфера услуг), что свидетельствует о больших резервах в оснащении населения Рос­сии бытовой техникой и услугами. Электрификация сферы услуг и быта людей остается для России одной из самых социально значимых и экономически приоритетных задач. Это обстоятельство является мощным стимулом для развития электроэнергетики в России. В ближайшем будущем потребуются дополнительные затраты энергии на поддержание плодородия почв и обеспечение продук­тами питания людей, на опреснение морской воды в регионах с недостатком пресной воды, повторное использование ресурсов, охрану окружающей среды, производство водорода как перспек­тивного энергоносителя. По оценкам [1.11] для получения 1 т зерна на землях, орошаемых опресненной водой, придется сжечь 10 т нефти.

Если предположить, что для поддержания высокого уровня жизни, присущего сегодня населению высокоразвитых стран, в будущем потребуется увеличить потребление первичной энергии (энерговооруженность) во всех странах до 10 - 20 кВт на одного человека, то при ожидаемой численности населения Земли к концу ХХ1 в. 10 - 12 млрд чел. годовое производство энергии в мире должно быть на уровне 10Q. Такое количество энергии (10Q) чело­вечество израсходовало за все время своего существования до 2000 г. По оценкам ряда специалистов Земля не выдержит антропо­генного производства энергии более 10Q в год.

3. Основные законы преобразования тепла в работу.

Одним из важнейших технико-экономических критериев для сравнения эффективности различных методов преобразования энергии служит коэффициент полезного действия (КПД), обо­значаемый греческой буквой п («эта»), равный количеству совер­шенной полезной работы W, отнесенной к полному количеству затраченной энергии Q:

П = W/Q. (3.1)

Величина КПД показывает, какая часть затраченной в энергети­ческой установке энергии превратилась в полезную работу. Если энергия W, отпускаемая потребителю, задана, то чем выше КПД установки п, тем меньше расходуется топлива (меньше Q) и мень­ше тепловое загрязнение окружающей среды.

В предыдущем разделе отмечено, что для экономии топлива и снижения экологических проблем целесообразно повышать КПД энергоустановок. В процессе решения этой важной экономической задачи - повышения КПД - родилась в XIX в. наука термодина­мика [3.2] - [3.5]. Предметом изучения термодинамики являются закономерности превращения (преобразования) различных видов энергии. Одним из центральных понятий термодинамики является внутренняя энергия тел U, которая определяется как энергия всех форм движения составляющих тело частиц относительно его цен­тра инерции. Взаимодействие тела с окружающей средой сопрово­ждается изменением энергии как самого тела, так и окружающей среды. Различают три способа энергообмена взаимодействующих тел (термодинамических систем): 1) совершение работы за счет силового взаимодействия между телом (термодинамической систе­мой) и средой, 2) теплообмен, выравнивающий температуры тела и среды (т.е. выравнивающий средние энергии движения частиц, составляющих тело и среду), и 3) массоперенос или обмен вещест­вом. Два последних способа энергообмена подробно рассматрива­ются в курсах теории тепло- и массообмена В основу термодинамики положены два основных закона (или начала), установленных опытным, весьма драматичным и поучи­тельным путем. Первый закон термодинамики представляет со­бой количественное выражение закона сохранения и превращения энергии. Второй закон термодинамики характеризует качест­венную сторону процессов преобразования энергии, указывая воз­можность (или направление) протекания процесса.