Сколько энергии человеку надо?

Среднесуточная норма энергии, которую человек потребляет с пищей, равна примерно 2-3 тыс. килокалорий = (0.8- 1.3) • 107 джоулей (энергия сгорания ~300 г. угля). Таким образом средняя мощность жизнедеятельности человека составляет всего ~120 Вт, т.е. примерно равна мощности горящей спички. На Земле живет сейчас 6.3 млрд. человек и суммарная мощность их жизнедеятельности равна ~0.8·1012Вт.

Со времени изобретения машин человек увеличил свою мощность многократно. В начале XX в. за счет ветра, пара, энергии рек и домашних животных эта мощность в развитых странах выросла до 0.5 кВт на человека, а к началу XXI в. мировое производство энергии составило 1.3 • 1013 Вт, т.е. в среднем ~2 кВт на человека, в двадцать раз больше, чем он потребляет с пищей.

История развития нашей цивилизации — это непрерывная борьба за увеличение мощности человека сверх той, которую он изначально имел с пищей. Примерно 500 тысяч лет назад человек приручил огонь, 40 тыс. лет назад — животных, в 5 тысячелетии до н.э. он запряг их в плуг, в начале нашей эры построил водяную мельницу, а в XI в. изобрел ветряную. В 1784 г. Джеймс Уатт создал паровой двигатель, который вместе с паровозом Стефенсона (1825 г.) на сто лет вперед определил лицо промышленной революции. (Единица мощности — ватт названа в его честь.) Еще через сто лет (1885 г.) появился автомобиль Даймлера и Бенца с бензиновым двигателем, который со временем полностью изменил мир. Открытия Фарадея и изобретение электрических машин завершили эпоху промышленной революции, и на рубеже XIX и XX веков мир перешел из века пара в век электричества. Первую электростанцию и распределительные сети к ней построил Эдисон в 1881 г. Через полвека, мощность электрических сетей мира составила 3 • 1010 Вт, в 1970 г. она выросла до 5.7 • 1011 Вт, а к концу XX в. достигла 2.1 • 1012 Вт. Сегодня на производство электричества расходуется примерно треть всего добываемого топлива, но есть еще транспорт, быт, металлургия и химия и т.д., которые увеличивают поток энергии до 1.3 • 1013 Вт. Откуда черпается эта энергия и как много ее еще надо?

На протяжении столетий дополнительным, помимо пищи, источником энергии человеку служила энергия ветра и рек, древесина и домашние животные, т.е., по существу, энергия термоядерных топок Солнца, запасенная в атмосфере, океане, растениях. В XVIII в. повсеместно стали использовать уголь — ту же энергию Солнца, но запасенную растениями сотни миллионов лет назад, задолго до появления человека. В конце XIX в. нефть повсеместно начала вытеснять уголь, особенно после появления автомобилей и самолетов. Наконец, в XX в.стали активно использовать природный газ, который так же быстро потеснил нефть,

Рост населения Земли с 1760 г. по 2050

К началу XXI в. в топках ежегодно сжигалось ~12 млрд. (1.2 • 1010) т условного топлива (1 тут = 7 • 109 кал = 2.94 • 1010 Дж), в основном, уголь (36%), нефть (38%) и газ (26%). При этом освобождается ~3.6 • 1020 Дж энергии, из которой ~1/3 (~1.2 • 1020 Дж) тратится на производство электричества. С учетом принятого коэффициента конверсии тепла в электричество ( = 0.375) за год все тепловые станции мира производят 0.44 • 1020 Дж электричества (~1.4 • 1012 Вт), что составляет ~65% всех электрических мощностей планеты. Остальные 35% восполняются примерно поровну гидростанциями и атомными станциями, а также (~0.5%) -— другими источниками (солнечная, ветровая, геотермальная и прочие). Полная тепловая мощность энергетики на начало XXI века составила 1.34 • 1013 Вт из которых в виде электричества потреблялось лишь 2.1 • 1012 Вт (~15%), а из них 0.36 • 1012 Вт (~17%) обеспечивала атомная энергетика: пока мало, но больше, чем мощность всей электроэнергетики мира в 1954 г., когда была запущена первая атомная электростанция.

Легко видеть, что все благополучие нынешней цивилизации покоится, в основном, на запасах угля, нефти и газа. Как надолго их хватит, зависит от наших теперешних и прогнозируемых потребностей. Со времени открытия Америки население нашей планеты выросло в 15 раз, и только за последнее столетие увеличилось в 4 раза. По прогнозам, к середине XXI в. производство энергии удвоится, а электричества — утроится. Кроме того, сегодняшнее распределение энергии крайне неравномерно: например, в Эфиопии приходится ~100 Вт на человека, в России ~6 кВт, а в США — 12 кВт; 1/4 населения земного шара потребляет 3/4 производимой энергии, из которой ~1/3 энергии потребляют жители США, которых только 4.6% от населения мира. А ~1/3 населения планеты до сих пор не имеет доступа к электричеству. Следствием этого будут либо войны (они уже начались), либо постепенное выравнивание уровней потребления, что еще более увеличит поток энергии. К середине XXI в. мощность производимой энергии (~3 • 1013 Вт) сравняется с энергией, излучаемой из недр Земли (3.2 • 1013 Вт), и составит ~0.03% от мощности потока солнечной энергии, которая поглощается в атмосфере Земли и достигает ее поверхности (~1017Вт).

Перейти на страницу: 1 2

Дополнительные материалы

О возможностях физической нереализуемости космологической и гравитационной сингулярностей в общей теории относительности
Обоснована возможность нереализуемости космологической сингулярности Большого Взрыва Вселенной непосредственно в ортодоксальной ОТО. Показано отсутствие ограничения массы астрономического тела, самосжимающегося в СО Вейля, если тело являет ...

Химия и космос
Химия имеет прямое отношение ко многим достижениям человека в освоении космоса. Без усилий многочисленных ученых-химиков, технологов, инженеров-химиков не были бы созданы удивительные конструкционные материалы, которые позволяют космич ...

Эфир структура и ядерные силы
В работе предложена эфирная концепция строения материи на основе теории эфира. Это позволило адекватно и логически непротиворечиво объяснить многие физические явления. ...

Разделы

Электромагнитный импульс как оружие

История вопроса и современное состояние знаний в области эми.

Лабораторные стенды в учебном процессе

Обзор и сравнительный анализ существующих стендов.

Аспекты технического знания

Технический объект и предмет технических наук.

Сварка металлов плавлением

Классификация электрической дуговой сварки.

Распределение примесей в кремнии

Описание процесса зонной плавки и ее математическая модель.



Наука сегодня и вчера - www.anytechnic.ru