1.3. Енергетика і цивілізація

Уся історія людства і становлення цивілізації — це історія освоєння енергії й розвитку енергетики. Відповідно до уявлень, що склалися, весь тривалий процес освоєння енергії людиною можна умовно розділити на наступні п'ять етапів.

Перший — етап мускульної енергії, що розпочався багато ти­сячоліть тому і тривав до V—VII ст. н. е. Найвизначнішим досяг­ненням цього періоду є оволодіння вогнем. Це сталося 80-150 тис. років тому і знаменувало собою один з найважливіших перелом­них моментів в історії цивілізації. Поступово люди почали ви­користовувати силу приручених тварин, вітру і води. До початку нашого літочислення належить запуск першого млина з колесом, яке приводила в рух енергія водяного потоку. Якнайдавніші з ві­домих сьогодні вітряних млинів у Європі були побудовані тільки в XI ст. Розпочался наступний етап освоєння енергії.

Другий етап VII—XVII ст. характеризується освоєнням енергії рухомого вітру і води. Вже до ХІІ ст. людство користувалося десятками водяних млинів і вітряків, з'явилися прядильні і ткацькі верстати, маслоробні й паперовиробні машини, мета­левий сільськогосподарський інвентар, лісопильні установки. Все це потребувало величезної кількості металу, а отже — енергії. Вироблення великої кількості деревного вугілля зво­дить нанівець величезні площі лісів. То була перша серйозна екологічна криза, пов'язана із зародженням промисловості.

Виникла потреба в нових, потужніших і постійно діючих приводах, не залежних ані від розташування, ані від пори року. Назрівала серйозна енергетична криза, вихід з якої був знайдений за допомогою опанування "рушійної сили вогню", використовуваної для нагрівання і випаровування води, а також застосування сили стиснутої пари. Розвиток енергетики перейшов на третій етап.

Третій етап (з XVIII ст. до початку XX ст.) відповідає дедалі ширшому застосуванню вогню, джерелом якого є хімічна енергія палива, накопиченого в літосфері: кам'яного вугілля, нафти, газу, горючих сланців тощо.

До середини XVIII ст. було реалізовано поперед спроби одержати механічну енергію за рахунок теплової. У 1755 р. англійський коваль Томас Ньюкомен сконструював першу практично корисну парову машину, яка вперше була побудована в Словаччині. 1763 року російський винахідник Іван Ползунов створив ориґінальну парову машину з плавно працюючими механізмами.

Парові машини того часу мали безліч вад: великі розміри і масу, досить низький коефіцієнт корисної дії (ККД), вузьку сферу застосування (привід водяних насосів) тощо.

Розвиток капіталізму в XVII—XVIII ст. обумовив зародження науки, що сформулювала правила розробки і створення енерге­тичних двигунів. Промислова революція, як часто називають цю епоху великих відкриттів, докорінно змінила життя на на­шій планеті. Головним наслідком цього стало остаточне падіння феодалізму і зміцнення капіталістичних виробничих відносин. У другій половині XVIII ст. в Англії Джеймс Уатт розробив прообраз сучасної парової машини безперервної дії, що "роз­крутила" колесо історії до небувалих доти обертів: ув Англії, потім у континентальній Європі й Північній Америці над­звичайно швидко розповсюдилися парові машини. Одержану з їхньою допомогою енергію стали використовувати для надання руху заводським механічним аґреґатам (машинам-знаряддям). Виникають перші теплові машини-двигуни.

Далі конструкторська думка сягає створення двигунів внутрішнього згорання, парових, газових і парогазових стаціо-

нарних турбін, авіаційних і транспортних газових турбін, реак­тивних і ракетних двигунів. Але все це буде набагато пізніше.

Парові машини підвищеного тиску було поставлено на колеса, і завдяки цьому одержали самохідні (по рейках) візки. Вже в 1804 р. англієць Річард Тревітік винайшов паровий локомотив, що рухався по рейках з нечуваною в той час швидкістю — 30 км/год, а 1805 р. американець Роберт Фултон сконструював перший пароплав, який виконував реґулярні рейси річкою Гудзон між Нью-Йорком та Олбані. І, нарешті, 1825 р. на трасі Стоктон-Дарлінґтон в Англії починає діяти перша залізниця.

Настало "золоте століття водяної пари". Поряд з розвитком практичної теплотехніки розвиваються її теоретичні основи — теорія теплових двигунів або, як тепер називають, технічна термодинаміка. У середині позаминулого століття на підставі спостережень за тепловими явищами і роботою теплових машин Джоуль, Маєр, Гельмгольц, Карно, Клазіус установили перший і другий закони термодинаміки, що лягли в основу цієї фундаментальної дисципліни, яка вивчає взаємне перетворення теплової й механічної енергії.

Одначе, швидке зростання числа парових машин, їхня безупинна модернізація до кінця X1X ст. були вже не в змозі задовольнити зрослої потреби економіки в енергетичних по­тужностях. Очевидними стали відомі ґанджі перших парових машин: низький ККД, величезна витрата палива, передача руху від машин до верстатів через складні й ненадійні системи трансмісій, несприятливі екологічні наслідки. Атмосфера міст із тисячами заводських димарів стає непридатною для життя. 1831 р відкрито спосіб перетворення механічної енергії в електричну. Починається нова ера — ера електрики.

Четвертий етап (з початку XX ст.) — "золоте століття елект­рики".

Протягом усього XIX ст. для промислових цілей людина користувалася механічною енергією, одержуваною здебільшого від теплових двигунів. Тільки в XX ст. електрика набула права основного енергодавця, енергоперетворювача й енергопереносника. Тим самим було дано досить сильний поштовх до використання теплової енергії й теплових двигунів — поштовх, пов'язаний з виникненням і широким засто­суванням електричних машин та моторів, у яких механічна енергія перетворюється на електричну і навпаки. Електрична енергія виявилася зручнішою, ніж механічна: вона швидко і з відносно малими втратами передається на великі відстані, легко перетворюється в інші види енергії. За джерело електричної енергії може слугувати як механічна енергія води, що падає, так і хімічна енергія органічного палива.

Поява теплових двигунів забезпечила широке застосуван­ня для отримання механічної енергії величезних природних енергетичних ресурсів у вигляді покладів різного виду палива: вугілля, нафти, газу, горючих сланців, торфу тощо. Успіхи у створенні машин і двигунів, які за рахунок теплової енергії виробляють електричну, спричинили швидкий розвиток потужних теплових електричних станцій, де нині теплова енергія спочатку перетворюється на механічну, а потім на електричну.

Водночас, завдяки науковим відкриттям XX ст., людство всту­пило в нову епоху — епоху використання атомної енергії.

П'ятий етап — створення і розвиток атомної енергетики, є одним з найбільших досягнень XX ст.

Атомна енергетика ґрунтується на розщепленні важких ядер елементів (урану, плутонію, торію). В результаті влучення в ядро нейтрона, розвивається ланцюгова реакція з виділенням величезної кількості енергії (теплоти). Один із трьох названих елементів — плутоній — поширений на Землі в надзвичайно мізерних кількостях (в уранових рудах).

На сучасних атомних електростанціях за ядерне паливо править збагачений уран і штучно одержаний плутоній. Торій, запаси якого більші, ніж урану, поки що не застосувують в ядерній енергетиці, його розглядають як перспективне ядерне паливо. Ядерні реакції з величезним енерговиділенням можуть відбуватися також у результаті синтезу ядер елементів, що мають невелику атомну вагу, наприклад, ізотопів водню — дей­терію і тритію. Але це вже — термоядерна реакція. Основним енергоносієм п'ятого етапу розвитку енергетики також є во­дяна пара.

Таким чином, зростання енергетичних показників є одним з найважливіших чинників еволюції людини. Розвиток усіх виробничих технологій пов'язаний з проблемою вдосконалення енергетики, розв'язання якої наразі по праву вважається однією з найголовніших.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я