Историческая эволюцию энергетики в зависимости от видов используемых энергоресурсов

Историческая эволюцию энергетики в зависимости от видов используемых энергоресурсов.
Первый период: до конца V—VII вв.
Человек обходился мускульной силой (своей и животных), теплом Солнца и костра.
Источник мускульной силы химическая энергия пищи, получаемая за счет энергии солнечного излучения с помощью процесса фотосинтеза.
Энергетические ресурсы восстанавливались, их запасы возрастали. Окружающая среда не подвергалась «загрязнению».
Второй период: с V—VII вв. до XVIII в.
Стали использоваться новые постоянно возобновляющиеся источники энергии: движение воды в реках и ветер.
Часть работы стали выполнять водяное колесо и ветряным крылья.
Энергетические ресурсы полностью восстанавливались, окружающая среда остаётся «чистой».

Третий период: с XVIII в. до середины XX в.
Основной источник энергии - невозобновляемая химическая энергия органического ископаемою топлива: каменного угля, нефти, природного газа и т. п.
Развиваются тепловые двигатели, электроэнергетика.
Расходуемые энергетические ресурсы больше не восстанавливаются. Происходит все большее «загрязнение» окружающей среды.
Четвертый период начался в середине XX в.
Освоении энергии деления урана, плутония, тория и других невозобновляемых ядерных топлив.
Будут расходоваться последние запасы невозобновляемых энергетических ресурсов Земли.
Проблема охраны окружающей среды становится особенно важной.
Период закончится полным исчерпанием (или использованием в допустимой, по соображениям глобальной безопасности, степени) ядерного и термоядерного топлива.

Пятый период - будущее
Начнется в случае если не будет открыта и освоена энергия деления нейтронов и протонов или какой-то иной источник энергии.
Человечеству придется жить в состоянии «динамического равновесии», используя только ВИЭ.
В соответствии с поступающей энергией придется регламентировать население Земли, внедряя во все сферы жизни и производства энергоэффективную технику.
Окружающая среда будет также приведена в состояние динамического равновесия и будет полностью восстанавливаться.
Сегодняшний день – первая половина четвертого периода
Ежегодный прирост потребления энергоресурсов составляет порядка 4%
Оставшееся время для перехода на совершенно новую базу мировой энергетики – менее 100 лет!

Основными решаемые энергетические проблемами современности:
воспроизводство ядерного топлива деления в реакторах на быстрых нейтронах,
осуществление контролируемого термоядерного синтеза,
все более широкое применение возобновляемых источников энергии,
повышение энергетической эффективности всех типов энергетических установок и энергопотребляющих устройств.
Проблемы, не имеющие на данный момент научно-технических оснований для решения в ближайшем будущем,
концентрация и использования рассеянного тепла окружающей среды,
массовый искусственный синтез молекул, подобных хлорофиллу,
извлечение энергии деления не только из нуклонов — нейтронов и протонов.

Человечество потребляет запасы ископаемого топлива в 1 000 000 раз быстрее, чем они воспроизводятся.
1912 г. – статья «Задачи техники в связи с истощением запасов энергии на Земле» выдающегося физика Н.А.Умова
В статье – количественный анализ состояния энергетики в развитых странах. Рассмотрены возможности применения всех видов ВИЭ.

Что такое энергия?
Окружающий нас материальный мир — движущаяся материя — существует в двух основных формах:
в форме вещества (корпускулярные свойства);
в форме физического поля (волновые свойства).
Различают:
виды материи (вещественные — электрон, атом, молекула, водород, вода и т. п.; полевые— гравитационное поле, электромагнитное поле и т. п.),
формы движения материи (механическую, тепловую, электромагнитную и т. п.).
Масса - мера количества материи.
Энергия – скалярная мера движения материи.
(векторная - импульс)

Применительно к технической системе:
энергия - мера способности системы совершать работу, и наоборот - количество работы есть мера энергии системы.
Способы высвобождения энергии, заключенной в веществе:
1) за счет изменения электронных связей атомов в процессе химических реакций;
2) за счет разрушения и изменения связи между нуклонами тяжелых ядер при ядерных реакциях деления или соединения легких ядер при ядерных реакциях синтеза;
3) за счет аннигиляции обычного и антиобычного веществ.

Поток энергии, плотность потока энергии
Поток энергии — это количество энергии, переносимое через некоторую произвольную площадку в единицу времени. [П] = Дж/с = Вт
Плотность потока энергии — физическая величина, численно равная потоку энергии через малую площадку единичной площади, перпендикулярную направлению потока. [J] = Вт/м^2
Вводят также вектор плотности потока энергии (вектор Умова), величина которого равна плотности потока энергии, а направление совпадает с направлением потока.

Современная наука различает :
четыре основные частицы вещества: молекула, атом, нуклон и электрон;
четыре основных поля: ядерное (мезонное), электромагнитное (фотонное), нейтринное и гравитационное;
два вида движения: неупорядоченное (для микрочастиц оно называется тепловым) и упорядоченное (различают несколько в зависимости
от носителя и источника движения);
две группы видов энергии: потенциальные (энергии положения, т. е. «напряженного состояния») и кинетические (энергии движения).
На этой основе составлена классификация видов энергии

Виды энергии
1. Аннигиляционная энергия — полная энергия системы «вещество — антивещество», освобождающаяся в процессе аннигиляции в виде электромагнитной, мезонной, тепловой и других видов энергии.
2. Ядерная энергия — энергия связи нуклонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер. В последнем случае ее принято называть «тормоядерной»
3. Химическая (атомная) энергия — энергия системы из двух и более реагентов, освобождающаяся в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при их взаимодействии в процессе химических реакций.
4.Гравистатическая энергия — потенциальная энергия ультраслабого взаимодействия (притяжения) всех тел, пропорциональная их массам. Практическое значение в земных условиях имеет энергия тела, которую оно накапливает, преодолевая силу земного притяжения. Эта энергия высвобождается при устранении силы, уравновешивающей силу земного притяжения

5. Упругостная энергия — потенциальная энергия механически упруго измененного тела — твердого, жидкого, газообразного (пружина, сжатый газ и т. п.), освобождаемая при снятии нагрузки.
6. Электростатическая энергия — потенциальная энергия взаимодействия (притяжения разноименных и отталкивания одноименных) электрических зарядов. Т.е., это запас энергии электрически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодоления сил электростатического поля.
7. Магнитостатическая энергия — потенциальная энергия взаимодействия «магнитных зарядов» (реально не существующих). Это запас энергии, накапливаемый телом, способным преодолевать силы магнитного поля в процессе движения против этих сил (торможения). При этом источник магнитного поля не играет роли. Это может быть постоянный магнит или электрический ток.
8. Нейтриностатическая энергия — потенциальная энергия слабого взаимодействия «нейтринных зарядов», или запас энергии, накапливаемый в процессе преодоления сил «нейтринного поля». Вследствие огромной проникающей способности нейтрино, накопить энергию таким способом практически невозможно.

9. Тепловая энергия — часть энергии неупорядоченного (хаотического) теплового движения и взаимодействия частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды.
10. Механическая энергия — кинетическая энергия движущихся макросистем (твердых, жидких, газообразных и т. п.) и свободно движущихся микросистем (одна частица).
11. Электродинамическая (электрическая) энергия — это энергия движения электрических зарядов, энергия электрического тока во всех его формах.
12. Электромагнитная (фотонная) энергия — энергия движения фотонов электромагнитного поля.
13 Гравидинамическая (гравитонная) энергия —- энергия движения гипотетических квантов гравитационного поля –гравитонов.
14. Мезонная (мезодинамическаяф) энергия — энергия движения мезонов – квантов ядерного (мезонного) поля, путём обмена которыми взаимодействуют нуклоны.
15. Нейтринодинамическая энергия — энергия движения потока нейтрино.

Эксергия
Эксергия - величина, определяющая пригодность к действию (работоспособность) ресурсов вещества и энергии.
Понятие эксергии существенно отличается от понятия энергии:
Энергия связана с фундаментальными свойствами материи;
Эксергия представляет собой частное понятие, которое определяет превратимость, пригодность энергии для технического использования в любых заданных условиях.
Эксергия характеризует энергию любого вида не только по ее количеству, но и дает возможность количественно оценить ее качественную сторону.

Таким образом, эксергия представляет собой некоторую универсальную меру энергетических ресурсов.
Эксергетический менеджмент – новый уровень инженерню-энергетического мышления, при котором происходит рассмотрение любых энергоресурсов, а также энергетики и технологии отрасли, предприятия или отдельной установки с учетом второго начала термодинамики* посредством эксергии.
Такой анализ с учетом системного подхода доводится до получения технико-экономических характеристик, служащих объективной основой для оптимизации и принятия решений.
* «Энтропия (неупорядоченность) изолированной системы не может уменьшаться»

Из всех видов энергии на сегодняшний день пока не имеют практического значения энергии:
Аннигиляционная (нет источников на Земле);
Мезонная;
Гравидинамическая; системы-носители данных энергий
Нейтриностатическая; могут выполнять только роль
Нейтринодинамическая; накопителей
Они непригодны для технического использования, т.е. с учетом современного развития техники имеют очень низкую эксергию.

Из оставшихся 10 видов энергии только 5 являются первичными (ПИЭ), т.е. содержаться в природе в энергетических ресурсах:
Ядерная;
Химическая;
Тепловая;
Механическая;
Электромагнитная.
Вторичными источниками энергии (ВтИЭ) могут быть:
Гравистатическая;
Электростатическая;
Магнитостатическая;
Упругостаная;
Химическая;
Тепловая;
Механическая;
Электромагнитиная.

На сегодняшний день непосредственно используются энергии:
Тепловая (~69%);
Механическая (~28%);
Электромагнитная – световая (~3%).
В оценке видов энергии важную роль играет коэффициент использования энергии (КИЭ):
Электроэнергии ~ 100%;
Химической энергии угля в промышленности – 55%;
Продуктов перегонки нефти – 20-60%;
Горючих газов в промышленности – 80%.
Для осуществления прямых превращений энергии нужно:
1.наличие определённых свойств у системы, с помощью которой происходит процесс превращения;
2. наличие должного уровня концентрации энергии (плотности потока энергии) у превращаемого вида.

Носители энергии
Носители ядерной энергии деления – тяжелые элементы, поддающиеся делению в одноступенчатом режиме – U 235, Pu 239, в двухступенчатом - U 238, Th 232. Последние делятся быстрыми нейтронами с получением новых ядерных топлив - U 233, Pu 239.
Термоядерному синтезу поддаются самые лёгкие элементы – изотопы водорода.
Носители химической энергии – топлива – различные комбинации горючих и окислителей. Горючие бывают:
Органические;
Неорганические;
Естественные;
Искусственные.
Окислители – вещества, содежащие:
Хлор (Cl);
Кислород (О2);
Фтор (F).

Носители гравистатической энергии – тела, способные погружаться в воду (любую жидкость) под действием силы тяжести и подниматься вверх под действием подъёмной силы Архимеда, а также тела легче воздуха (смеси атмосферных газов).
Носители электростатической энергии – главным образом конденсаторы с небольшой энергоёмкостью. Их применение ограничено случаями, когда необходимо получить высокие разрядные напряжения (50-60 и более кВ).
Носители магнитостатической энергии – постоянные и электромагниты. Увеличение их энергоёмкости происходит путём освоения сверхпроводящих магнитных систем и особо магнитоёмких материалов.
Носители упругостной энергии – сжатые газы и пружины (жидкости практически несжимаемы, кроме силиконовых, обладающие высокой упругостью и способны запасать значительные количества энергии).
Источники электромагнитной (лучистой) энергии – Солнце и лазеры (оптические квантовые генераторы).

Носители тепловой энергии – природные системы:
Геотермальные слои (водосодержащие и сухие) различной температуры (в т.ч. вулканы);
Атмосфера и Мировой океан различной температуры.
Искусственные:
Расплавы металлов;
Перегретые жидкости;
Пар и горячие газы.
Носители механической энергии – природные системы:
Потоки воздуха в атмосфере;
Потоки воды в реках и морях.
Искусственные:
Вращающиеся по инерции тела (маховики)
Электрическая энергия служит главным образом переносчиком энергии по электропроводящим каналам на дальние расстояния.

Механизм процессов получения непосредственно используемых видов энергии
Тепловая энергия возникает как результат : «короткого замыкания электронных токов» при химических реакциях;
соударения частиц, образующихся при ядерных реакциях с частицами других тел – (теплоносителей);
созданной тем или иным способом разности температур между телом и окружающей средой;
во всех процессах трения.
Механическая энергия возникает
в виде упорядоченного движения потоков частиц (потоки жидкостей и газов);
как результат изменения объёма рабочего тела (газа, пара);
при изменении положения тела в пространстве (пружины и другие упругодеформированные элементы, падающее тело).
Все эти движения легко преобразуются в нужное движение рабочего органа.

Электрическая энергия (электродвижущая сила – ЭДС) возникает в результате осуществления процессов:
разделения и сбора на разных полюсах электрических зарядов разного знака (под влиянием механических, тепловых и других воздействий);
электромагнитной индукции (при пересечении проводников магнитного поля).

Ценность классифицированных видов энергии для практического использования определяется:
Наличием и величиной их ресурса на Земле;
Способностью к возобновлению этих ресурсов;
Возможностью непосредственного использования;
Возможностью накапливаться и сохранятся;
Возможностью экономно передаваться на дальние расстояния;
Способностью экономно превращаться в используемые виды;
Скоростью превращения в другие виды;
Концентрацией;
Упорядоченностью.

Матрица возможных и имеющих практическое значение превращений и преобразований энергии

Все виды превращений делятся на 2 группы:
Микроскопические, способные происходить при взаимодействии отдельных частиц (превращения аннигиляционной, ядерной и химической энергии);
Макроскопические – происходят только в макросистемах (все остальные превращения).
Анализ матрицы свидетельствует, что возможности превращений энергии ограниченны.
Самые простые, надежные и перспективные пути уже используются. Возможности совершенствования в направлениях:
Повышения коэффициента превращения;
Повышения энергопроизводительности (мощности) перобразователя

Резервы прямого превращения и преобразования энергии
Ядерной в электрическую и механическую;
Химической в механическую;
Гравистатической в механическую.
Перспективны превращения энергии:
Ядерной в химическую (даже через тепловую, лучистую и т.д.);
Ядерной в упругостную;
Гравистатической в упругостную (например, путём зарядки пружин и баллонов с газом под водой за счет гидростатического давления).