Рост энерговооруженности

Рост энерговооруженности

В начале своего развития первобытный человек жил чаще всего в пещерах, не имея одежды, и потреблял энергию только в виде съедобных веществ. Однако по мере накопления знаний человек мог улучшить свой энергобаланс. Человек мог выкапывать коренья рукой, обдирая ногти, мог делать это с помощью палки или, наконец, с помощью лопаты. В этом ряду с каждым новым усовершенствованием на единицу затраченной энергии, произведенной человеческой энергомашиной, получалось все больше полученных для съедения питательных веществ (при прочих равных условиях). Поработав часок с палкой, человек мог сделать столько же, сколько при работе в течение 4 часов с использованием только пальцев и ногтей. Следовательно, орудия труда, сделанные на основе опыта поколений, помогали экономить энергию съедобных веществ, используемую для добывания пищи.

Затем, по мере расширения ареала обитания, человек стал нуждаться также в одежде. Вначале одежда делалась из шкур убитых животных. После изобретения прядения и ткачества она стала производиться из волокон растительного и животного происхождения. Все эти предметы и продукты питания добывались человеком таким образом, что он вынужден был тратить энергию для их добычи. Он тратил энергию на передвижение, на наклоны, когда собирал коренья, на лазание по деревьям за орехами, на преследование зверей во время охоты и т. д. Таким образом, человек тратил часть энергии, произведенной его энергомашиной из съеденных веществ, на то, чтобы добыть новые источники энергии, а также средства для защиты себя от окружающей среды, либо средства на изготовление этих средств. Энергия пищи преобразовывалась в орудия труда, одежду. Развитие человеческого сообщества (вне сообщества человек не может стать человеком) привело к тому, что появилась масса новых потребностей, зачастую действительно необходимых для самовоспроизводства при новых условиях обитания, зачастую — нет. Прекратите отапливать квартиры в России— и люди будут гибнуть, уходить в частные жилые дома или двинутся в южные страны. С другой стороны, вполне возможно прожить без личной автомашины или без видеомагнитофона.

Существует несколько общих способов повышения эффективности выполнения механической работы (с точки зрения экономии затрат человеческого труда, то есть с точки зрения экономии энергии съедобных органических соединений).

Повышение эффективности труда самого человека путем создания более совершенных орудий труда и быта. Например, лопата, лебедки или ткацкие станки с мускульным приводом существенно увеличивают количество продукта труда на единицу энергетических затрат человеком.

Использование для этой цели других энергетических машин. Энергомашина — это искусственное или естественное (биологическое) устройство, которое целенаправленно использует энергию энергоресурсов (осуществляет переход одного вида энергии в другой) для перемещения и преобразования вещества для того, чтобы придать ему форму полезного человеку продукта в виде вещества или информации. Человек сам по себе как биологическое существо является энергомашиной. Кроме собственной энергомашины, можно выделить привлекаемые энергомашины, которые могут быть естественного или искусственного происхождения.

Энергомашины естественного происхождения. К ним мы относим домашних животных, микробиологические организмы и растения. Например, лошадь преобразует энергию, запасенную в сене, в полезную для человека работу.

Искусственные энергомашины — это механические устройства, обладающие свойствами энергомашин, то есть способностью преобразовывать один вид энергии в другой (не только за счет органических веществ, создаваемых растениями), вещества и тела из одного вида в другой, способствуя экономии съедобных органических веществ.

В нашем понимании рычаг — это не энергомашина, потому что непосредственно в самом рычаге нет перехода одного вида энергии в другой. Энергия при применении рычага видоизменяется не в самом рычаге (хотя в нем есть потери от трения, механическая энергия переходит в тепловую), а в энергомашине человека или привлекаемой энергомашине (химическая энергия переходит в механическую). Искусственные энергомашины позволяют использовать другие виды энергии (не только органические вещества, создаваемые растениями) для выполнения механической работы. Парус позволяет с меньшими затратами съедобных соединений перевозить продукты труда. Так же ветряная мельница, водяная мельница, паровая машина, электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания и другие машины позволяют использовать потенциальную и кинетическую энергию ветра, воды, угля, нефти и газа, ядра для выполнения механической работы, связанной с созданием продукта труда.

Среди энергоносителей можно выделить пищу для человека, пищу для рабочих домашних животных, уголь (паровая машина), ветер (ветряные мельницы и паруса), дрова, воду (водяные движители и гидроэлектростанции), нефть (двигатель внутреннего сгорания), атомную энергию (АЭС), а в будущем, возможно, тяжелые атомы водорода в термоядерной энергетике. В целом современный человек тратит на механическую работу гораздо больше энергии через различные небиологические энергомашины, чем через биологические энергомашины. Очень интересен пример парусника. Технология по расположению и конструкции парусов позволила исключить мускульную силу гребцов (энергию человеческой энергомашины) в качестве основного движителя корабля. Энергия ветра улавливается парусами и умножает силу матросов. С созданием современного парусного вооружения появилась возможность с достаточно небольшим экипажем совершать дальние плавания. Небольшой экипаж позволял брать запасы продовольствия, пригодные для дальних путешествий. Но в данном случае используется (эксплуатируется), в конечном счете, энергия Солнца. Энергозатраты матросов, управляющих современным парусником, ни в какое сравнение не идут с энергозатратами гребцов на галерах. Однако получаемая работа на одного матроса в сотни раз выше, чем на одного гребца, да и качество транспорта (скорость доставки, надежность) гораздо выше. Работа, которая произведена с помощью одного грузового автомобиля, гораздо больше, чем суммарные энерготраты на его производство. Общим в этих примерах является то, что человек использует в своем труде энергию солнца и ветра, продуктов переработки нефти, угля, газа и взрывчатых веществ для совершения полезной механической работы. Используется все: и машины, и человеческий труд.

Исследователь Подолинский первым обратил внимание на то, что результат трудовых усилий человека превышает его собственные энергозатраты. Чтобы подчеркнуть эту мысль, Кузнецов в предисловии к книге Подолинского образно пишет, что КПД труда человека выше 100 % (здесь имеется в виду отношение результата труда человеческой энергомашин к затратам самой энергомашины, без учета других источников энергии). Подолинский анализирует этот вывод в своей книге на примере выращивания зерна пшеницы. Точно так же можно вывести, что если суммировать энергозатраты взрывника и даже энергетические затраты других людей на производство взрывчатых веществ в целом, то они будут гораздо меньше работы, произведенной взрывником с помощью взрыва. Управляя искусственной или естественной энергомашиной, человеческий труд действует как переключатель, триггер, малыми усилиями направляющий энергию этой энергомашины на созидание, на пользу человеку.

Под энергоресурсом мы понимаем источник энергии, расходуемой на производство продукта труда. Энергоресурсы — это дрова, ветер, вода (мельницы и гидроэлектростанции), уголь, газ и нефть, уран и внутренняя энергия Земли… Наиболее удобной формой энергии с точки зрения передачи и превращения ее в механическую работу является в настоящее время электричество. Паруса, ветряки, водяные мельницы, гидроэлектростанции, тепловые электростанции, атомные электростанции — вот последовательный ряд энергомашин, созданных трудом человека. За последние 200 лет энергопотребление цивилизации возросло в пять раз. Это привело к увеличению средней продолжительности жизни вдвое, в два раза сократило рабочую неделю и позволило не только обеспечить продуктами питания возросшее в шесть раз население планеты, но и существенно улучшить его быт, облегчить условия труда.

В истории человечества можно условно выделить следующие эры технологии на основе смены основных источников энергии, используемых в производственных процессах:

1. Домашние животные и земледелие.

2. Древесный уголь (плавление бронзы и железа).

3. Водяные мельницы.

4. Ветряные мельницы. Уже требуется железо для создания более совершенных механизмов.

5. Каменный уголь как заменитель дров (отопление).

6. Каменный уголь как источник энергии пара (паровые машины).

7. Гидроэлектроэнергия и нефть, газ (двигатель внутреннего сгорания).

8. Информационная эра (увеличение КПД двигателей, экономия энергоресурсов и открытие принципиально новых, таких, как атомная энергия, улучшение управления).

К настоящему времени человечество освоило следующие способы извлечения энергии из природы:

ЭНЕРГИЯ СВЕТОВОГО ДНЯ. Способы: охота, рыболовство и собирательство, скотоводство и земледелие; домостроительство. Источники: солнечный свет, растения и животные.

ЭНЕРГИЯ ОГНЯ. Способы: отопление жилища, освещение жилища, приготовление пищи, плавление металлов, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели. Источники: растения, каменный и древесный уголь, нефтепродукты и природный газ)

ЭНЕРГИЯ ВОДЫ. Способы: водяные мельницы, гидроэлектростанции. Источники — движения водных толщей.

ЭНЕРГИЯ ВОЗДУХА. Способы: парус, ветряные мельницы, воздухоплавание, ветряные электростанции. Источники — ветры и воздушные потоки.

ЭНЕРГИЯ МОЛЕКУЛЫ, АТОМА И ЯДРА. Способы: аккумуляторы, электродвигатели-генераторы, трансформаторы, ускорители элементарных частиц, лазеры. Источники: неподвижные и движущиеся заряды (потенциалы).