ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Энергетические законы, закономерности, правила

Первое начало термодинамики, одно из основных положений термодинамики, является по существу законом сохранения энергии в при­менении к термодинамическим процессам [15]:

Q = AU + A, (5.1)

где Q - сообщаемое термодинамической системе (например, пару в тепло­вой машине) количество теплоты; A - совершаемая ею работа; AU - изме­нение её внутренней энергии.

Некоторые формулировки закона:

• при любых физических и химических взаимодействиях, при любом перемещении вещества из одного места в другое, при любом изменении температуры энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одного вида в другой;

• энергия, получаемая или затраченная какой-либо живой или неживой системой, должна быть равна той энергии, которую одновременно получи­ла от системы или отдала ей окружающая её среда.

Некоторые следствия:

• в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: выход энергии всегда равен ее затратам;

• нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить.

Второе начало термодинамики, один из основных законов термо­динамики, - закон возрастания энтропии: в замкнутой, т. е. изолированной в тепловом и механическом отношении системе, энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процес­сы), либо возрастает (в неравновесных процессах) и в состоянии равнове­сия достигает максимума.

Другие эквивалентные формулировки:

• невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р. Клаузиус);

• невозможно создать периодически действующую (совершающую ка­кой-либо термодинамический цикл) машину, вся деятельность которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соот­ветственно охлаждению теплового резервуара (У. Томсон, М. Планк);

• невозможно построить вечный двигатель 2-го рода (В. Освальд).

Закон возрастания энтропии называют также законом снижения ка­чества энергии, согласно которому мы не можем восстановить или повтор­но использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы. Будучи раз использованной, сконцентрированная, высококачест­венная энергия рассеивается в окружающей среде в виде низкопотенци­ального тепла. Мы можем как-то повлиять на изменение коэффициента полезного действия данного процесса.

Следовательно, с каждой новой энергетической эпохой развития общества человечество обязано не только механически увеличивать по­требление энергии, но и сводить к минимуму то количество энтропии, ко­торое производим мы сами.

Третье начало термодинамики (Нернста теорема) устанавливает, что энтропия физической системы при стремлении температуры к абсо­лютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. М. Планк дополнил теорему Нернста гипотезой, что энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из третьего начала термоди­намики вытекают важные следствия о свойствах веществ вблизи абсолют­ного нуля. Так, обращаются в нуль удельные теплоемкости при постоян­ном объеме (Cv) и при постоянном давлении (Ср), термический коэффици­ент расширения и давления. Отсюда также следует недостижимость абсо­лютного нуля температуры при конечной последовательности термодина­мических процессов.

Закон внутреннего динамического развития - один из фунда­ментальных экологических законов: всякая природная система обладает внутренней энергией, веществом, информацией и динамическими качест­вами, связанными настолько, что любое изменение одного из этих показа­телей вызывает в другом или том же, но в другое время изменения, сохра­няющие всю сумму перечисленных показателей. Следствие этого закона: 1) любое изменение среды неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изме­нения или формирования новых природных систем; 2) взаимодействие энергетических, вещественных и информационных компонентов экосисте­мы не линейно, т. е. слабое воздействие или изменение одного из показа­телей может вызвать сильные отклонения других и всей системы в целом;

3) производимые в крупных экосистемах изменения относительно необра­тимы (см. закон необратимости эволюции); 4) любое местное преобразова­ние природы вызывает в глобальной совокупности биосферы ответные ре­акции, приводящие к относительной неизменности эколого­экономического потенциала, увеличение которого возможно лишь путем значительного возрастания энергетических вложений («правило Тришкина кафтана») - см. закон снижения энергетической эффективности природо­пользования.

Закон Гюи-Стодолы: потеря эксергии из-за необратимости про­цессов равна произведению температуры окружающей среды на сумму приращенной энтропии всех тел, участвующих в исследуемых процессах:

Т A ASh, (5.2)

Закон максимизации энергии (от лат. максимум - наибольшее): в соперничестве с другими системами выживает (сохраняется) та из них, ко­торая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использу­ет максимальное ее количество наиболее эффективным образом. «С этой целью система: 1) создает накопители (хранилища) высококачественной энергии; 2) затрачивает часть накопленной энергии на обеспечение посту­пления новой энергии; 3) обеспечивает кругооборот различных веществ;

4) создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость сис­темы и ее способность приспособления к изменяющимся условиям;

5) налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специальных видов»[1]. Закон, по мнению Н. Ф. Рей - мерса, справедлив и в отношении информации.

Закон максимума биогенной энергии (В. И. Вернадского -

Э. С. Бауэра): любая биологическая или другая система с участием живого, находясь в состоянии динамического равновесия с окружающей ее средой и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду.

Закон минимума рассеивания энергии (или принцип направ­ленности эволюции): при возможности развития процесса в нескольких направлениях реализуется то, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии (минимум роста энтропии). Таким образом, эволюция всегда на­правлена на снижение рассеивания энергии, на ее неравномерное распре­деление, так как полная энтропия - абсолютно равномерное распределение энергии.

Закон необходимого разнообразия: любая система не может сформироваться из абсолютно одинаковых элементов.

Закон неограниченности прогресса (от лат. прогрессус - движе­ние от низшего к высшему) применительно к биологии: живое постоянно, непрерывно и необходимо стремится к относительной независимости от условий среды. Этот же закон справедлив и в отношении к человеческому обществу.

Закон неравномерности развития биологических (и не только) систем: системы одного уровня (иерархии) обычно развиваются не строго синхронно (одновременно, одинаково по времени): в то время как одни достигли более высокого уровня развития, другие остаются в менее разви­том состоянии.

Закон ограниченности природных ресурсов: все природные ре­сурсы и условия Земли конечны. В этом смысле понятие «неисчерпаемых природных ресурсов» вызывает большое сомнение; даже, казалось бы, не­исчерпаемая солнечная энергия не может быть «переварена» биосферой в неограниченных количествах без катастрофических для себя последствий.

Закон однонаправленности потока энергии: энергия, получаемая сообществом (экосистемой) и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и т. д. порядков, а затем редуцентам с падением потока на каждом из трофических уровней в результате процессов, сопровождающих дыха­ние. Поскольку в обратный поток поступает не более 0,25 % изначально вовлеченной энергии, говорить о «круговороте энергии» нельзя.

Закон оптимальности (от лат. оптимус - наилучший): никакая система не может сужаться и расширяться до бесконечности, т. е. размер любой системы должен соответствовать ее функциям. Никакой целостный организм не в состоянии превысить критические размеры, обеспечиваю­щие поддержание его энергетики.

Закон пирамиды энергий Р. Линдемана (закон десяти процен­тов): при переходе с одного трофического (от греческого трофи - пища) уровня экологической пирамиды на другой потребляется в среднем 10 % энергии биомассы (или вещества в энергетическом выражении).

Закон предельного развития материальных систем: материаль­ные системы (природные, технические и другие) при прогрессивном раз­витии, т. е. при совершенствовании, достигают характерного для каждой совокупности внешних и внутренних условий предела, который можно выразить максимальным (достижимым) значением КПД, удельной мощно­сти и др.

Закон преимущественного развития, или закон конкуренции: в

каждом классе материальных систем преимущественное развитие получа­ют те, которые при данной совокупности внутренних и внешних условий достигают максимального значения энергетической эффективности (КПД, удельной производительности, долговечности, надежности и т. д.).

Закон выживания: все элементы (объекты) самоорганизующейся природы, особенно живые, в своем развитии (индивидуальном, эволюци­онном) самопроизвольно устремлены к состоянию, обеспечивающему наи­более полное использование доступной свободной (работоспособной, пре - вратимой) энергии в существующих условиях системы трофического уровня, в которую они входят. Этот закон обусловил важнейшее свойство самоорганизующейся природы: все ее объекты, включая организм челове­ка, энергоэкономны. Однако в сознательной деятельности человек допус­тил энергорасточительство. Это и обусловило глобальные проблемы - энергетическую, продовольственную, экологическую и др. [68].

Реальность существования закона выживания обнаружена при изу­чении самых различных уровней организации живой природы - от макро - молекулярного и клеточного до экосистемного и социально-культурного. Все этапы эволюции природы (физико-химический, биологический, соци­альный) направляются этим законом. Первоначально он формулировался применительно только к живой природе. Потом выяснилось, что закон проявляется и в физико-химических самоорганизующихся структурах и процессах. Он может выполнить роль логической концептуальной основы для объединения всех отраслей естественных знаний в единую систему - всеединство знаний.

Невозможно переоценить значение этого закона для решения самых различных проблем, особенно глобальных, которые в последнее время объединены в проблему управляемого устойчивого развития человеческо­го общества и остальной природы. Однако этот закон пока мало кому из­вестен и понятен.

Закон развития науки: наука движется вперед пропорционально массе знаний, унаследованных ею от предшествующего поколения (Ф. Эн­гельс).

Закон развития природной системы за счет окружающей ее сре­ды: любая природная система может развиваться только за счет использо­вания материальных, энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды. Этот закон вытекает из начал термодинамики. Следствия из этого закона: 1) абсолютно безотходное производство невоз­можно, оно равнозначно созданию «вечного двигателя»; 2) любая более организованная биотическая система (например, вид живого), используя и видоизменяя среду жизни, представляет собой потенциальную угрозу для более низкоорганизованных систем. Благодаря этому, например, в земной биосфере невозможно повторное зарождение жизни - она будет уничто­жена существующими организмами; 3) биосфера Земли как система разви­вается не только за счет ресурсов планеты, но опосредованно за счет и под управлением космических систем (прежде всего Солнечной).

Закон снижения энергетической эффективности природополь­зования: с течением времени при получении полезной продукции из при­родных систем на ее единицу затрачивается все большее количество энер­гии. Например, в течение XX века количество энергии, затрачиваемое на производство единицы сельхозпродукции, возросло в 8 - 10 раз, промыш­ленной продукции - в 10 - 12 раз с одновременным уменьшением доли бо­лее экологически чистой мускульной энергии. Следствия из данного зако­на:

• энерговооруженность жизни в ходе эволюции должна возрастать;

• рост благосостояния человеческой жизни должен сопровождаться количественным увеличением энергетического бюджета каждого человека.

Закон энергетической неэффективности большого государства: потребность в энергии возрастает в странах, которые обладают обширны­ми территориями. Существует утверждение, что «критическая» площадь государства около 500 тыс. кв. км.

Одно из подтверждений реальности такой закономерности - удель­ные расходы топлива и энергии в Японии (4,5 т у. т./чел. год) и США (11,0 т у. т./чел. год), хотя среднегодовая температура воздуха в этих стра­нах одинакова и составляет +11,2 °С.

Закон уменьшения энтропии открытых систем при прогрессив­ном развитии: энтропия открытых систем в процессе их прогрессивного развития всегда уменьшается за счет потребления энергии от внешних ис­точников.

Закон экологии Барри Коммонера: все, что было извлечено из при­роды (экосистемы) человеческим трудом, должно быть возмещено.

Закономерность растущего плодородия, урожайности: агротех­нические и другие прогрессивные приемы ведения сельского хозяйства ве­дут к увеличению урожайности полей, при этом само плодородие как свойство почв не увеличивается, а высокие урожаи обеспечиваются ог­ромными энергетическими вложениями (см. закон снижения энергетиче­ской эффективности природопользования).

Закономерность сохранения живой природы: для сохранения

своего стационарно неустойчивого состояния живая природа непрерывно потребляет энергию. Переход подобной системы в новое стационарное со­стояние связан с уменьшением потребления энергии из-за ослабления движущей силы.

Закономерность увеличения оборота вовлекаемых природных ресурсов: в процессе исторического развития мирового хозяйства быстро­та оборачиваемости вовлеченных природных ресурсов (как первичных, так и вторичных) непрерывно возрастает, при этом требуется все больше энергии.

Правило интегрального ресурса (от лат. интегер - цельный, еди­ный): конкурирующие в сфере использования определенных природных систем отрасли хозяйства неминуемо наносят ущерб друг другу.

Правило одного процента: изменение энергетики природной сис­темы в пределах одного процента выводит природную систему из равно­весного состояния.

«Золотое» правило энергетики: чем больше количество ступеней в процессе преобразования энергии, тем ниже практический КПД ее про­изводства.

Ряд следствий из этого правила:

• концентрированное производство высококачественной энергии на крупных источниках вступает в противоречие со 2-м законом термодина­мики;

• чем выше мощность источника, тем выше его энтропийный потенци­ал;

• любая централизованная система энергообеспечения, несмотря на все преимущества, способствует росту потерь (в объемах и в их видах).

Принцип Ле Шателье - Брауна: при внешнем воздействии, выво­дящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смеща­ется в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослаб­ляется (см. 1-е следствие из закона внутреннего динамического равнове­сия).

Принцип минимума возникновения энтропии (И. Пригожин, 1947): из всех устойчивых стационарных состояний системы, допускаемых граничными условиями, законами переноса и сохранения, а также вторым законом термодинамики, реализуется состояние с минимальным производ­ством энтропии.

Другое определение принципа И. Пригожина: достижению систе­мой равновесного состояния (энтропия достигает максимума) препятству­ют какие-то внешние условия (теплоизоляция, герметизация и др.), при ко­торых система переходит в состояние стационарно неравновесное, харак­теризующееся минимальным значением скорости возникновения энтропии при данных внешних условиях:

AS / т = (AS / x)mm. (5.3)

Энергетические определения

• Энергетический цикл жизни состоит в том, что электроны сначала поднимаются на более высокий энергетический уровень фотонами, а затем в живых системах падают обратно на свой основной уровень, отдавая при этом порциями свою избыточную энергию, которая приводит в действие всю машину жизни (А. Сент-Дьердьи).

• Общественная деятельность людей в процессе производства есть не­эквивалентный обмен энергией с природой, в результате которого должен увеличиться энергетический бюджет общества (или соответственно негэн - тропия).

• Труд есть управление энергетическими потоками окружающей чело­века природной среды, причем источником энергии для этого служит сама природа.

• Энтропия есть мера недостатка информации.

• Фотосинтез - это единственный на Земле естественный, самопроиз­вольный процесс, в котором энтропия уменьшается за счет потребления даровой солнечной энергии.