Реферат: Проблема качества энергии
Казалось бы, ситуация вполне аналогична работе автомобильного двигателя. Там тоже часть выделившейся при сгорании бензина энергии преобразуется в электричество и с помощью электрической искры осуществляется поджиг бензина в цилиндрах двигателя. Однако на самом деле эта аналогия неточна. Разница не только в масштабах и техническом оснащении автомобиля и, например, «Токамака». Дело еще в том, что энергия термоядерного синтеза в отличие от энергии химического топлива (и ядерного деле ния) имеет низкое качество.
Низкое качество термоядерной эне ргии проявляется, в частности в том, что для запуска процесса энерговыделения за счет реакций синтеза ядер необходимо большое количество оче нь высококачественной энергии. Для поджига реакций в термоядерной бомбе, например, используется ядерный взрыв, характеризуемый огромной плотностью (а следовательно, и качеством) энергии.
Весь комплекс разносторонних характеристик, обусловливающих качество различных форм энергии, не учитывается простыми соображениями, основанными лишь на термодинамических законах. Для термодинамики есть только два типа энергии: с минимально возможной энтропией (механическая, электрическая и т.п.) и с максимально возможной энтропией (термодинамически равновесные газ, плазма и т.п.). В рамках термодинамики не различается качество различных форм, например, электрической энергии, в частности того, что ток, текущий по проводам электрической цепи, имеет энергию суще ственно более низкого качества по сравнению с энергией пучка частиц, двигающихся с малым разбросом скоростей. Не заложен в термодинамические соображения и учет потребления энергии высокого качества для инициирования и поддержания термоядерных реакций.
В то же время предлагаемые циклы получения термоядерной энергии недостаточно проанализированы с простейшей «энтропийной» точки зрения. Нельзя, конечно, сказать, что эти циклы вообще не анализировались. Расчеты инженерного характера регулярно проводятся. Однако в них для различных этапов преобразования энергии закладываются некие КПД, которые в совокупности на противоречие закону возрастания энтропии не проверяют. Соответствующие расчеты довольно сложно сделать, но пока они не проведены, нет уверенности в том, что «Токамак» не окажется вечным двигателем третьего рода.
Подозрения о неосуществимости планируемых термоядерных энергетических циклов подкрепляются тем, что в проектируемых термоядерны х реакторах обращаются с энергией высокого качества просто по-варварски. Сначала выделенная тем или иным путем ядерная энергия переводится в тепло парового котла. Соответстве нно энергия каждой частицы, несущей термоядерную энергию, раздается по малой порции почти миллиарду частиц нагреваемого тела. При этом существенно теряется качество выделенной энергии. Затем это качество начинают повышать, что, конечно, сопровождается энергетическими потерями. Вырабатывается электроэнергия. Электричество используется для формирования пучков быстрых частиц, которые потом вводят в плазму «Токамака» для ее нагрева. (Замечу, что этот основной канал ввода энергии почему-то, как правило, называют дополнительным методом нагрева и, более того, часто не учитывают в эне ргобалансе при определении критерия зажигания термоядерной реакции)[3] . Принципиальная возможность такого цикла с положительным энергобалансом вызывает сомнения.
Таким образом, несмотря на давние и широко рекламируемые обе щания создать источник практически даровой энергии на основе различных устройств с эл ектрическим поджигом термоядерных реакций, следует признать, что для полной уверенности в успехе нет достаточных научных обоснований.
В связи с этим хочется упомянуть и об одной совсем свежей нездоровой сенсации, в основу которой положено, впрочем, реальное достиже ние японских ученых. В Институте исследования атома при Токийском университе те удалось добиться того, что антипротон живет в окружении обычного ве ще ства оче нь большое по соответствующим масштабам время — несколько микросекунд. В связи с этим начали всерьез обсуждать возможности разработки «удивительно мощного источника энергии» на основе антивещества. О каком источнике энергии можно в этом случае говорить, если на образование каждой античастицы затрачивается энергии на много порядков больше, чем выделяется при ее аннигиляции? Это является следствием того, что античастицы несут энергию высокого качества, а на их образование затрачивается энергия изначально значительно более низкого качества, получаемая обычно в результате сжигания угля. Конечно, авторы сенсации пресле дуют в основном рекламные цели, но мне каже тся, что в достаточно информированном относительно физических законов обществе такая реклама име ла бы противоположные последствия и не была бы выгодна.
Основная экологическая проблема
Приведу еще один изве стный пример, иллюстрирующий то, что эне ргия н изкого качества не всегда впрок. Гидроэлектростанции долгое вре мя рассматривали как почти даровой источник эне ргии и не учитывали низкое каче ство энергии те чения равнинных ре к. Потом оказалось, что использование , наприме р, для производства сельскохозяйстве нных продуктов лугов, залитых водохранилищами, позволяе т получить больше выгоды, че м от гидроэле ктроэне ргии. Это не говоря уже об огромных экологических и нравственных поте рях при таком обращении с природой.
Тот факт, что эне ргия низкого качества че лове че ству не оче нь нужна, приводит к простой мысли, не вполне осознанной обще стве нным мне ние м,— известные экологиче ские пробле мы (загрязнение окружающе й сре ды и истоще ние энерге тиче ских ресурсов) являются всего лишь сле дствие м более обще й опасности. Эта опасность опре де ляе тся те м, что в ре зультате де яте льности че лове че ства происходит ускоренная деградация качества эне ргии, имеюще йся в е го распоряжении. Грубо говоря, деяте льность челове че ского обще ства в настоящее время является мощным каналом релаксации биосферы к тепловой сме рти.
До сих пор преобладает мнение, что если энергии будет достаточно (наприме р, будут построены термоядерные электростанции), то с ее помощью будут реше ны и экологические проблемы. При этом упускается из виду, что для исправле ния ошибок неразумного хозяйствования надо не просто много эне ргии, а много энергии высокого качества. Где взять такую энергию, пока не ясно. Ве дь е сли даже будут построены термоядерные электростанции на основе более разумных, чем обсуждаемые сейчас, энергетических циклов, то нет гарантии, что они не создадут больше экологических проблем, чем помогут решить. Таким образом, закон возрастания энтропии существенно ограничивае т воз можности человечества по части удовлетворения своих прихотей. К таким прихотям относится, в частности, безудержное производство военной техники и боеприпасов. Это производство опасно не только потенциальной возможностью их использования, и не только тем, что военные заводы, как правило, игнорируют экологические ограничения. Большая опасность таится в растрате высококачественной энергии на огромное количество продукции, которая в лучшем случае применяться не будет.
Пока человечество не совсем готово к практическому противодействию имеющимся деградационным тенденциям. Более того, так называемые цивилизованные страны вносят подавляющий вклад в перевод качественных энергоресурсов в тепло. Нет общей стратегии сбережения энергоресурсов Земли. Не продуман комплексные производственные циклы, в которых качество потребляемой энергии терялось бы не сразу, а постепенно на производство более качественной и более 1 нужной продукции. Конечно, жизнь заставит рано или поздно задуматься над тем, как избежать надвигающейся катастрофы. Но лучше рано, чем поздно.
Живые объекты
Мне кажется, что основанием для оптимизма является то, что закон возрастания энтропии может нарушаться. Нарушается он в живых объектах. Это видно было бы из того, что (в отличие от косной материи, следующей закону возрастание энтропии) живые объекты по мере развития образуют все более сложные структуры, обладающие все большей памятью.
Качественное усложнение в результате эволюции живой природы можно проиллюстрировать известными всем примерами. Так, в бактериях информация содержится лишь на клеточном уровне и отдельные бактерии, по-видимому, способны к обучению. Теплокровные животные способны учиться и обучать. Человек же способен к выработке качественно новой информации. Для сравнения он использует не только свой мозг, но и обращается к «внешние устройствам» — библиотекам. Люди организуются в большие коллективы не только для того, чтобы вместе добывать хлеб насущный, но и для того, чтобы обмениваться информацией, вырабатывать новую и передавать се последующим поколениям.
На мой взгляд такое развитие не может быть объяснено лишь на основе законов взаимодействия атомов в живом объекте, как и закон возрастания энтропии косной материи не может быть следствием лишь динамических уравнений движения микрочастиц. (Подробнее об этом см. литературу в сноске 1.) Более того, естественный отбор в процессе эволюции живой природы играет, скорее всего, роль не организующего, а стохастизирующего воздействия, приводящее.
деградации живых объектов. Он, однако, необходим для стимулирования развития, подобно тому, как для высвобождения энергии в тепловой машине требуется холодильник. Тем не менее для развития живых организмов в первую очередь необходимо (подобно нагревателю в тепловой машине) организующее воздействие, внешнее по отношению к законам взаимодействия микрочастиц.
Сейчас господствует другая точка зрения на природу живых объектов. Живые организмы считаются просто образованиями, сильно отклоненными от термодинамического равновесия,—диссипативными структурами (Н. Пригожин), существующими за счет притока и оттока энергии и вырабатывающими энтропию внутри себя. В таком случае живые организмы были бы не чем иным, как более изощренным каналом деградации поступающей в них энергии. Тогда ни будущее было бы безнадежным.
Действительно, если рассматривать, например, человека в отрыве от сознательной деятельности, то его существование приводит лишь к деградации протекающей через него энергии. Он потребляет с пищей не только энергию (калории), но и необходимые для жизнедеятельности органические продукта пониженной относительно окружающей среды энтропией. (Это глубокое соображение высказал Шредингер).
Однако если созидате льную деятельность учесть, то ситуация может оказаться иной. Приведу простой пример. Созданные человеком электронные приборы (телевизоры и т. п.) не могли возникнуть сами по себе как случайная комбинация атомов или в результате действия стихийных сил (дождя, ветра и т. п.) Значит, созидательная деяте льность человека противостоит возрастанию энтропию в неживой природе. Мои надежды на преодоле ние тенденции современной цивилизации к деградации связаны с тем, что человеческая деятельность будет в дальне йшем носить более разумный характер.
Заключение
Я не призываю вернуться в прошлое и отказаться от промышле нного производства. Это не возможно, да и противоречит логике развития живой природ