II. Что такое энергия

Поскольку эта книга посвящена энергии, находящейся в океане, обсудим прежде всего, что же такое энергия, для чего она нужна, откуда ее можно получить. Рассмотрим также условия, при которых ее можно извлечь и использовать.

В нашем индустриальном обществе от энергии зависит все. С ее помощью движутся автомобили, улетают в космос ракеты. С ее помощью можно поджарить хлеб и сварить яйца, обогреть жилище и привести в действие кондиционеры, осветить улицы, вывести в море корабли.

Могут сказать, что энергией являются нефть и природный газ. Однако это не так. Нефть и газ - виды топлива. Чтобы освободить заключенную в них энергию, их необходимо сжечь, так же как бензин, уголь или дрова.

Ученые могут сказать, что энергия - это способность к совершению работы, а работа совершается, когда на объект действует физическая сила (такая, как давление или гравитация). Согласно формуле, работа равна произведению силы на расстояние, на которое переместился объект. Попросту говоря, работа - это энергия в действии.

Вы не раз видели, как подпрыгивает крышка закипающего кофейника, как несутся санки по склону горы, как набегающая волна приподнимает плот, кувыркает у берега ребятишек. Все это примеры работы, энергии в действии, действующей на предметы.

Подпрыгивание крышки кофейника было вызвано давлением пара, возникшем при нагревании жидкости. Санки ехали потому, что существуют гравитационные силы. Энергия волн двигала и плот, и детей, играющих у берега.

В нашем работающем мире основой всего является энергия, без нее и не будет совершаться работа. Когда энергия имеется в наличии и может быть использована, любой объект будет совершать работу - иногда созидательную, иногда разрушительную. Даже музыкальный инструмент - рояль - способен совершать работу.

Представьте себе, что вдоль внешней стены многоквартирного дома поднимают сияющий рояль. Пока люди тянут за веревки, они прилагают силу, заставляющую рояль двигаться. В этом случае работу совершают люди, а не рояль. Он лишь накапливает потенциальную энергию по мере того, как все выше и выше поднимается над землей. Когда, наконец, рояль достигает шестого этажа, он сможет висеть на этом уровне до тех пор, пока люди внизу поддерживают его с помощью веревок и блоков. Однако представьте, что веревки обрываются. Немедленно проявится сила гравитации, и потенциальная энергия, накопленная роялем, начнет высвобождаться. Рояль рухнет вниз. Он расплющит .все, что попадется на его пути, ударится о тротуар и разобьется вдребезги. Вся ситуация, разумеется, случайна, и тем не менее служит примером того, что и рояль может совершать работу. В данном случае - разрушительную, но все же работу.

Мир наполнен энергией, которая может быть использована для совершения работы разного характера. Энергия может находиться в людях и животных, в камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах. Однако самыми большими резервуарами накопленной энергии являются океаны - огромные пространства беспрерывно перемещающихся водных потоков, покрывающих около 71% всей земной поверхности.

Энергия может быть извлечена, но источником будет являться не океан вообще, а каждая из различных форм энергии, в нем содержащихся. Ученых-океанологов особенно интересуют следующие формы энергии: приливная, волновая и энергия течений; тепловая, накопленная в воде; химическая; запасы энергии, содержащиеся в водорослях.

Однако приливы, волны и течения постоянно изменяются: они то быстрые, то медленные, то более спокойные, то более бурные, так же изменчивы и температура океана и его химический состав. Поэтому энергосистемы не могут находиться в состоянии устойчивого равновесия. Они скорее пребывают в состоянии постоянной неуравновешенности. Эта неуравновешенность неожиданно оказалась ключом, открывающим доступ к извлечению энергии.

Октав Левеншпиль, инженер-химик, ставший профессором университета штата Орегон, считает: "Если система не находится в состоянии равновесия, то именно в таком случае вы можете с ее помощью совершать работу. Это - главный принцип, лежащий в основе всех способов извлечения энергии: из семейных отношений, топлива, океанов - из чего угодно".

В океане отсутствие равновесия проявляется в трех основных формах: различиях в уровнях воды, разницах в температурах и химического состава. Именно эти различия делают возможным извлечение энергии.

Разница в уровнях воды с готовностью признается источником энергии. Кто из нас не испытывал воздействия водяных струй в душе, не наблюдал приливов и высоких гребней волн?

Кое-где разница между уровнями воды во время приливов и отливов незначительна. Однако в некоторых местах, например в устье реки Ранс или в заливе Фанди, эта разница огромна: 44 и 60 футов (13 и 18 м) соответственно. Инженеры прекрасно знают, как использовать ее во время приливов и отливов. Они строят дамбы, чтобы задерживать поднимающуюся воду в резервуарах. Когда начинается отлив, ее пропускают через турбину, которая начинает вращаться за счет энергии падающей воды, и таким образом приводят в действие генератор. Такой способ позволяет превращать часть приливной энергии в электричество.

Инженерам так же известно и как извлечь энергию волн, постоянно меняющих свою высоту. Они работают в настоящее время над строительством волновых или морских помп и специальных экспериментальных плавучих станций для получения электроэнергии. Но в любом случае каждая установка работает лишь потому; что поверхность океана постоянно вздымается и опускается, никогда не находясь в состоянии равновесия.

Разницу в температуре воды океана труднее представить в качестве источника энергии. Если вы, идя купаться на море, захватите с собой термометр, то обнаружите, что на поверхности вода одинакова тепла или одинаково холодна - в зависимости от погоды. Но стоит вам войти в нее - и вы вскоре ощутите разницу. На глубине 5 футов (1,5 м) вода уже холоднее. Теперь, если хотите, вспомните, что в тропиках температура воды на поверхности 82° по Фаренгейту (28°С), а на глубине 2000 футов (600 м) - 35-38° по Фаренгейту (2-4°С). Разница температур, составляющая около 45° по Фаренгейту,- еще один пример системы, которая находится в состоянии неуравновешенности.

Волновой насос, работающий на море в штиль, выдает струю воды в 4 м

Если бы в океане не существовало разницы температур, если бы показания термометра были одинаковыми и на поверхности, и на глубине, океан находился бы в состоянии термального равновесия. В таком случае извлечь энергию было бы невозможно, как невозможно и совершить работу.

Инженеры готовы воспользоваться разницей температур. Они уже разработали технологию строительства уникальных и остроумных по своей конструкции плавучих энергостанций, производящих электроэнергию и передающих ее на берег по кабелю.

Инженеры настолько уверены в возможностях использования разницы температур в целях получения электроэнергии, что некоторые из них даже занимаются теоретизированием относительно условий, существующих в аду. Согласно преданиям, ад должен быть изотермален. А это значит, что температура там должна находиться в состоянии равновесия, то есть быть одинаковой во всем объеме. Если бы ад не был изотермален, то есть разница температур существовала бы, любой сообразительный инженер, попавший в это весьма неуютное, жаркое и душное местечко, сумел бы быстро воспользоваться таким обстоятельством. Он соорудил бы воздушный кондиционер и превратил бы ад в место, не лишенное приятности, прохлады и удобств. (Однако в действительности подразумевается, что все должно быть как раз наоборот.)

Есть и еще один источник энергии, который пока что никем не используется,- химические контрасты. Они наблюдаются в устьях рек, где пресная вода смешивается с соленой водой моря. Оказывается, что и в этом случае можно вырабатывать энергию, используя ее для размола зерна, для производства электричества или в любых других целях. Технология такого метода такая же, какая применяется при опреснении воды, с той лишь разницей, что действовать она должна наоборот, в обратную сторону. Существует только одна трудность - для широкомасштабного получения энергии в устьях рек пока не разработан эффективный и недорогой метод.

По общему мнению, энергию, накопленную в океане, можно извлечь. Точно так же все согласны с тем, что стоит это очень дорого, многие считают, что слишком дорого для того, чтобы этим заниматься.

Вопрос заключается в том, как уменьшить эту стоимость? Ответ же находится в применении законов, управляющих теплообменом, законов термодинамики.

Термодинамика - слово греческого происхождения. "Термо" - значит тепло, а "динамика"- движение тел под действием приложенных к ним сил. Хотя это звучит сложно, объяснить смысл можно очень просто: термодинамика - наука о тепловой энергии и ее связи с другими видами энергии.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может лишь видоизменяться, трансформироваться или переходить из одной формы в другую. Рассмотрим следующий пример. В угле, погруженном в кузов грузовика, содержится определенное количество химической энергии. При сгорании угля она преобразовывается в тепловую. Теперь используем ее для того, чтобы вскипятить котел воды. Тепловая энергия превратится в энергию водяного пара. Если использовать ее для вращения турбины генератора, она перейдет в механическую, а та, в свою очередь,- в электрическую энергию, которую можно использовать для того, чтобы привести в действие проигрыватель, пылесос, пишущую машинку или приготовить обед.

Согласно первому закону термодинамики мы можем подсчитать, какое количество энергии было заключено в угле, оценив, сколько мы получили энергии тепла, пара, механической и электрической энергии, энергии акустических колебаний, производимых проигрывателем. Мы сможем также оценить и потери энергии на каждом этапе. Таким образом, использование первого закона позволит нам подвести баланс в энергетических расчетах.

С древних времен алхимики и приверженцы магии пытались получить дополнительную энергию с помощью "вечного двигателя". Они старались, трудились, создавали удивительнейшие устройства. Однако каждый раз терпели поражение, потому что не могли нарушить строгого правила, вытекающего из первого закона термодинамики- количество энергии в мире постоянно. Она не может ни создаваться, ни исчезать.

Кое-кто может успокаивать себя существованием этого закона. Действительно, если постоянно обнаруживаются новые источники энергии (особенно в океане), как же может возникнуть ее дефицит? Конечно же, энергетический кризис - просто миф.

Энергетический кризис - не миф. Кстати говоря, он может проявляться постоянно, в той или иной степени. Причина?

Второй закон термодинамики гласит, что напрасно пытаться превратить всю теплоту

в полезную работу с помощью энергосистемы. Какое-то количество энергии все равно будет истрачено на ненужный нагрев или трение. Это неизбежно. Это налог, который человек платит природе при любом преобразовании энергии.

Приведем характерный пример. Сейчас даже самый совершенный автомобильный двигатель использует всего 20% химической энергии бензина. Остальное идет на охлаждение цилиндров водой, трение и тепловое рассеивание. Короче говоря, если вы пользуетесь своим автомобилем с эффективностью 20%, вы платите энергетический налог в 80%. Двигатели будущего могут стать совершеннее, но платить какой-то налог за бесполезно растраченное тепло придется всегда.

И еще один пример того, как велики потери энергии при любых ее переходах из одной формы в другую. Вернемся к ситуации с углем и будем считать, что вначале вы имеете в наличии 100 единиц энергии. После сгорания угля и образования пара останется лишь 60 единиц. Прогоните пар через турбину - и вы генерируете всего 40 единиц электроэнергии. Пропустите их по линиям электропередач к вашему дому - и вы получите только 35 единиц. Зажгите свет в своей комнате, сосредоточьте некоторую его часть, положим, на силиконовом элементе солнечной батареи питания - и вы получите всего одну единицу энергии. Если с помощью этой солнечной батареи вы приведете в действие свой проигрыватель для получения удовольствия от прослушивания пластинки "Битлз", у вас останется только одна десятая часть энергоединицы. Чем не энергоналог?

В реальном мире второй закон термодинамики всегда приводит к возникновению этого налога на преобразование энергии, и он никогда не равен нулю. Однако не будем отчаиваться. Даже при условии, что мы должны платить природе энергетический налог и что мировые потребности в энергии будут вновь и вновь удваиваться, всегда будет существовать море - этот огромный резервуар возобновляемой энергии. Пока светит солнце, дуют ветры, накатываются приливы, вздымаются волны, течения перемещают массы воды, океан всегда будет наполнен энергией, потому что он сам получает ее из неиссякаемого источника - из космоса. Но потребуется еще одно десятилетие, а может, и больше, чтобы найти пути ее экономического и безопасного извлечения конкретными действиями.