Основы электропитания. Зачем человеку электрическая энергия

Зачем нужна энергия?

Современное человечество, в более-менее привычном виде – с городами, правительством, армией и тюрьмами – сформировалось приблизительно десять тысяч лет назад. Однако эволюционные процессы идут очень медленно, и даже двух с половиной миллионов лет – а именно тогда появились первые организмы, которых можно считать «людьми» – недостаточно для того, чтобы человек из ленивой, хотя и очень любопытной обезьяны трансформировался во что-то более симпатичное. Поэтому все изобретения человека, даже оружие, в конечном итоге, направлены лишь на то, чтобы некоторые люди отдыхали, развлекались и лишний раз не напрягались.

Но, поскольку бананы сами в рот не падают и их нужно где-то добывать, то человеку, для того, чтобы выжить, приходится работать. Очевидно, что это противоречит его желаниям, поэтому с момента своего появления большинство людей стремится к тому, чтобы вместо них работал кто-то другой. Вначале это были другие люди (рабы или слуги), потом животные. И лишь пару веков назад человек наконец-то разобрался в законах природы и смог заставить ее работать вместо себя. Очевидно, что природа намного надежней и покладистей людей и животных и при правильном применении ее законов может быть совершенно безобидной.

Поскольку природные явления отлично поддаются количественным измерениям, то рано или поздно человеку пришлось оценить и количество работы, которую вместо него будет выполнять какой-нибудь механизм. Сегодня в качестве универсальной единицы измерения количества работы (Work) используется джоуль (Дж), в честь великого английского физика Джеймса Джуоля, являющегося одним из соавторов Принципа сохранения энергии. Таким образом, любая работа, которую необходимо выполнить, например, копание канавы или доставка груза на Луну, может быть измерена и выражена в джоулях. Причем, количество этой работы, в общем случае, не зависит от продолжительности ее выполнения. Например, чтобы поднять 10-литровое ведро воды на высоту 1 м необходимо выполнить работу, равную приблизительно 100 Дж. И неважно, будет оно подыматься в течение 5 секунд или в течение дня, в январе или марте, в Африке или на северном полюсе¹⁾.

Рисунок 1.	Пример выполнения одной и той же работы за разное время.

Но одну и ту же работу A можно выполнить за разное количество времени t (Рисунок 1). Например, человеку необходимо выкопать яму и он определил, что эта работа оценивается в 144 миллиона джоулей (A = 144 МДж). Если человек будет ее копать вручную, то на это у него уйдет около 80 часов (t = 80 ч). Однако человек не для того изучал законы природы, чтобы тратить свое драгоценное время на столь рутинное занятие. Существуют экскаваторы, способные вырыть эту яму приблизительно за час. Таким образом, в обоих случаях мы имеем одинаковое количество работы (одинаковый результат), в виде ямы одинаковых размеров, но выполненное за разное количество времени. Очевидно, что экскаватор может за единицу времени выполнить больше работы, чем человек с лопатой. Вот и появляется второй важный термин, с которым все, без исключения, люди сталкиваются в реальной жизни – количество работы, выполняемое за единицу времени, называемое «мощностью» (Power). Мощность обычно обозначается буквой P и определяется по формуле:

(1)

Единицей измерения мощности является ватт (Вт) (watt, W). Один ватт равен работе, равной один джоуль, выполненной за одну секунду:

Самое интересное, что Джеймс Уатт (James Watt), в честь которого и названа единица измерения «ватт», в качестве единицы измерения мощности использовал «лошадиную силу» (л.с.) – среднее количество работы, которую может выполнить среднестатистическая лошадь в течение продолжительного времени. Но, поскольку все лошади разные и их работоспособность зависит от множества факторов, в том числе от погоды и настроения «водителя», то точно определить количество работы, которую может выполнить конкретная лошадь, не представляется возможным. Более того, в разных регионах связь между лошадиной силой и ваттом различна. Например, в европейских государствах 1 л.с. ≈ 736 Вт, в то время как в США и Великобритании лошадей, видимо, лучше кормили, поэтому в этих странах лошадиная сила на 10 ватт больше (1 л.с. ≈ 746 Вт). На сегодняшний день, лошадиная сила является устаревшей единицей измерения мощности, не рекомендуемой для практического использования, поэтому больше мы про нее вспоминать не будем.

Но работа сама по себе выполняться не будет. Человеку или животному для того, чтобы что-то сделать, вначале нужно покушать, а экскаватору залить топлива в бак. И здесь наблюдается прямая зависимость – чем больше нужно сделать работы, тем больше нужно еды или топлива. Получается, что еда и топливо содержат в себе некую «спрятанную» работу, которую, при необходимости, можно использовать для конкретных дел. Эту потенциальную (скрытую, непроявленную) работу человек назвал «энергией» (Energy). Таким образом, для того, чтобы выполнить любую работу, вначале нужно где-то найти энергию – работу, существующую в «спрятанном» виде.

На сегодняшний день, человек относительно неплохо изучил следующие виды энергии:

• атомную – энергию, содержащуюся в связях частиц внутри атомов;
• химическую – энергию, содержащуюся в связях атомов внутри молекул;
• внутреннюю – энергию, связанную с неупорядоченным движением атомов и молекул (поскольку она определяет температуру, ее часто называют тепловой);
• механическую – энергию, связанную с упорядоченным движением атомов и молекул;
• гравитационную – энергию, содержащуюся в связях объектов, обладающих массой;
• электромагнитную – энергию, связанную с взаимным расположением и движением электрических зарядов.

Существуют и другие виды энергии, например, энергия вакуума или гипотетическая «темная» энергия, но пока человек еще толком не разобрался, что это такое и как ее можно использовать на практике. Но зато человек уже давно понял, что общее количество энергии является постоянной величиной, независимо от того, в каком виде она хранится и назвал это «Принципом (или Законом) сохранения энергии». Согласно этому принципу, процесс выполнения работы является всего лишь переходом энергии из одного вида в другой с сохранением постоянным ее общего количества.

Таким образом, для того, чтобы выполнить какую-либо работу, например, выкопать рассмотренную выше яму, не обязательно самому хвататься за лопату. Можно, например, взять немного молекул бензина и кислорода, разобрать их на составные части, потом собрать полученные атомы другим способом – так, чтобы вместо бензина и кислорода получились углекислый газ и вода – а остаток энергии, образовавшийся после такой переделки, использовать для движения лопаты с помощью соответствующего механизма. А если механизм, способный это осуществить, еще и будет сам определять, где и как ему копать (например, смарт-экскаватор под управлением искусственного интеллекта), то можно один раз нажать на кнопку, а затем просто лежать и наслаждаться процессом.

Работа и энергия имеют одинаковые единицы измерения – «джоуль», что очень удобно – не нужно делать лишние перерасчеты. Поэтому формулу (1) можно записать в виде:

(2)

где Е – количество энергии.

Однако единица измерения «джоуль», оказалась не очень удобной. Согласитесь, что слова «мощность», «энергия» и «киловатт» (одна тысяча ватт) вы не раз слышали, а вот «джоуль» доводилось слышать, наверное, только на уроках физики. Это связано с тем, что на практике более удобным оказалось использование другой единицы измерения количества энергии (и работы) – «киловатт-часа».

Происхождение этой единицы измерения можно проследить из формулы (2), записав ее немного в другом виде:

(3)

Из формулы (3), следует, что количество энергии, необходимое для выполнения какой-либо работы, равно произведению мощности (скорости, с какой эта работа будет выполняться) и времени (в течение которого эта работа будет выполняться), поэтому:

Единицы измерения «джоуль» и «ватт-секунда» (Вт∙с) количественно одинаковы. Но одна «ватт-секунда», с точки зрения обычного человека, содержит настолько малое количество энергии, что в повседневной жизни ее использовать не очень удобно. Поэтому придумали более крупную единицу измерения – «киловатт-час» (кВт∙ч), равную работе, выполняемой со скоростью один киловатт (1000 ватт) в течение часа (3600 секунд):

Киловатт-час является очень удобной единицей измерения, например, если нужно выполнить работу, количество которой равно 100 кВт∙ч, то при использовании оборудования мощностью 100 кВт на ее выполнение уйдет 1 час, а вот если мощность «лопаты» всего 1 кВт, тогда придется потратить уже 100 часов. Поскольку мощность является параметром любого оборудования, то определение количества времени на выполнение работы не требует значительных умственных сил. А вот если энергию измерять в джоулях (100 кВт∙ч = 360 МДж), что полностью одинаково с точки зрения физики, то эта связь уже будет не такой очевидной.

Необходимо отметить, что многие люди, в том числе и работающие на руководящих должностях в энергетических компаниях, часто неправильно пишут и произносят эту единицу измерения. В большинстве случаев путают «киловатты» (единицы измерения мощности) и «киловатт-часы» (единицы измерения энергии) – это разные физические величины и их смешивать нельзя, хотя в рабочем общении, когда вокруг одни специалисты, точно понимающие о чем речь, это допустимо, ведь если часто повторять «киловатт-час», то можно сломать язык. Но более грубой ошибкой является использование единицы измерения «киловатт в час» или «киловатт за час» (кВт/ч). С точки зрения физики подобная единица измерения обозначает «скорость изменения скорости выполнения работы», что эквивалентно «ускорению выполнения работы». В философии, экономике или менеджменте такой параметр может когда-нибудь и найдет практическое применение, но в технике, особенно в системах электропитания, в нем пока не было необходимости.

Еще хуже обстоит дело с киловатт-часом в Украине. Корректным сокращением украинского слова «година» (час) является «год», поэтому в украинском языке киловатт-час в сокращенном виде должен писаться как «кВт∙год». Однако очень часто технически неграмотные писатели и переводчики по аналогии с другими языками, например, английским, используют «кВт∙г». Однако «г» – это сокращение единицы измерения массы «грам» (грамм). Вот и получается, что в Украине, к очень большому сожалению, некоторые люди измеряют энергию в «киловатт-граммах» (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Табличка с уровнем энергетической эффективности стиральной машины, предназначенной для продажи в Украине, где среднее количество энергии, потребляемой за год (173 кВт∙ч), измеряется в «киловатт-граммах» (кВт∙г вместо кВт∙год)

Человек начал исследовать энергетические процессы задолго до открытия Принципа сохранения энергии и введения единой единицы измерения «джоуль», поэтому в некоторых случаях используются иные единицы измерения энергии (Таблица 1). В их число входят «калория» (кал) – количество энергии, необходимое для подогрева одного грамма воды на один градус Цельсия (или Кельвина) и «электронвольт» (Эв) – количество энергии, необходимое для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в один вольт. Калория до сих пор активно используется в тепловых расчетах и для измерения энергетической ценности пищевых продуктов, а электронвольт «полюбили» люди, работающие с атомами и молекулами, для которых один джоуль является просто огромным количеством энергии. В энергетике и электронике, в том числе и в системах электропитания, для измерения энергии обычно используют киловатт-часы (реже ватт-часы), а для измерения мощности – ватты и киловатты, поэтому эти единицы измерения в дальнейшем и будут для нас основными.

Зачем человеку электричество?

Внимательный читатель, наверное, уже обратил внимание, что в предыдущей части, когда разбирались такие понятия как «энергия» и «мощность», еще не было ни слова сказано об электричестве. Хотя у многих людей слова «киловатт» и «киловатт-час» прочно ассоциируются именно с электрическими системами. Ошибки здесь нет никакой, поскольку эти слова, действительно, имеют прямое отношение к энергетике, для которой электричество является одним из ключевых физических явлений. Однако понятия «энергия» и «мощность» относятся к любому роду деятельности человека, а не только к электричеству. Более того, они позволяют связать электрические системы с реальной жизнью, ведь само по себе электричество человеку не нужно.

«Как же так? Ведь мы сейчас без электричества жить не можем!» – скажете вы и будете немножко правы, но только не с точки зрения физики и биологии. Человек, точно так же как растения и животные, миллионы лет существовал без электричества, даже несмотря на то, что внутри живых организмов протекают электрические токи²⁾. Однако у человека нет органов чувств, способных распознать электричество, и для его жизни электрическая энергия не нужна – вы же не питаетесь от розетки, как ваши смартфоны. Более того, на Земле нет стабильных природных источников электрической энергии, ведь атмосферное электричество и молнии характеризуются своим непостоянством и пока малопригодны даже для технического использования. Таким образом, человек долгое время спокойно жил без электричества, и только в прошлом веке начал активно опутывать Землю электрическими проводами. Так чем же так привлекательно электричество, если человек без него уже жить не может? Причин для этого много, но мы рассмотрим только основные из них.

Во-первых, электрический ток легко передается на большие расстояния – для этого необходимо иметь, как минимум, два электрически изолированных провода. Электрический ток распространяется самостоятельно, для его протекания не нужно строить насосы, компрессорные станции или мощные тягачи, как, например, для передачи нефти, газа или угля, а также не нужно тратить дополнительную энергию. Конечно, при протекании электрического тока возникают неизбежные потери, однако они являются управляемыми и, теоретически, могут быть уменьшены до нуля. Линии электропередач намного проще и дешевле в строительстве и обслуживании, чем линии для перевозки всех остальных видов энергоресурсов. Более того, электрическая энергия распространяется с очень большой скоростью – практически со скоростью света (≈300,000 км/с). Например, передать ее вокруг Земли, длина экватора которой равна приблизительно 40,000 км, можно всего за 0.13 секунды. Таким образом, электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии с точки зрения транспортировки.

Во-вторых, электрическую энергию можно эффективно преобразовать в другой вид энергии – тот, который действительно необходим человеку. Например:

• нагревательные элементы преобразуют электричество в тепло (внутреннюю энергию), что позволяет человеку согреваться самому и нагревать другие объекты, например, воду для кофе;
• лампы и светодиоды преобразуют электрическую энергию в свет (электромагнитное излучение с определенными длинами волн), с помощью которого можно видеть в темное время суток;
• электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, что позволяет человеку перемещать грузы и себя любимого на любые расстояния и высоту.

Кроме того, существуют и другие вещи и явления, связанные уже непосредственно со спецификой электричества. Например, с его помощью можно высушить стены здания (используется явление электроосмоса), а железную ручку чайника для предотвращения коррозии покрыть тончайшим слоем никеля или золота (используется технология гальванического осаждения металлов). Однако основное практическое использование электричества заключается в доставке энергии в нужное место с последующим преобразованием ее в тот вид, который непосредственно необходим человеку.

Рассмотрим это на примере (Рисунок 3). Пусть вам необходимо просверлить отверстие. Для этого необходимо несколько раз провернуть сверло, то есть, нужна механическая энергия. Источником механической энергии может служить, например, ветер. Значит, можно поставить на крыше большой пропеллер, который будет вращаться, отбирая механическую энергию у движущегося воздуха. Но ветряная турбина должна располагаться, в лучшем случае, на крыше здания, а отверстие нужно просверлить внутри, и как тогда передать механическую энергию в нужное место? Представьте себе эту систему ремней, цепей, редукторов и шестеренок – это будет очень сложное, громоздкое и дорогое сооружение, а самое главное – одноразовое, поскольку вам нужно просверлить всего одно отверстие.

Рисунок 3.	Пример использования электричества в качестве промежуточного звена для передачи энергии.

Поэтому существует другой способ решения этой задачи – ветряная турбина соединяется с генератором, преобразующим механическую энергию в электрическую. Далее электрическая энергия с помощью проводов передается в нужное место, и уже непосредственно на месте с помощью электродвигателя, являющегося основным компонентом электрической дрели, преобразуется в механическую и вращает сверло³⁾. Более того, к этому же проводу можно подключить вместе с дрелью электрическую лампу, позволяющую осветить рабочее место. Если бы мы передавали только механическую энергию, то сделать подсветку было бы крайне затруднительно, а ведь при использовании электричества рабочее место можно еще и подогреть…

Таким образом, человек использует электричество в качестве промежуточного звена, позволяющего передавать энергию (способность выполнять работу) в места, где не дует ветер, не светит солнце, не текут реки и не могут находиться люди или животные. Удобство передачи и преобразования электричества позволяет создавать специальные объекты – энергетические станции, генерирующие мощные (вы уже знаете что «мощный» – способный создавать много энергии в единицу времени) потоки энергии. И такие станции могут располагаться где угодно, например, на реках (гидроэлектростанции, ГЭС), в местах, где дуют сильные ветры (ветряные электростанции, ВЭС) или ярко светит солнце (солнечные электростанции, СЭС). А если удобных природных источников поблизости нет, тогда энергию можно брать, сжигая органическое топливо (тепловые электростанции, ТЭС) или разрушая атомы радиоактивных элементов (атомные электростанции, АЭС).

Но обратите внимание, все объекты, генерирующие энергию, имеют в названии слово «электро». Вряд ли вы слышали об «механостанциях» (источниках механической энергии) или «светостанциях» (источниках световой энергии). Существуют, правда, тепловые станции (котельные, ТЭЦ), но энергия, создаваемая этими объектами, используется только для обогрева помещений, передается на относительно небольшие расстояния и с относительно большими потерями, а преобразовать ее в другие виды, например свет, весьма затруднительно.

Высокая скорость передачи электричества стала основной причиной использования его в средствах связи. Передать информацию можно разными способами, например, с помощью дыма от костра, однако быстрее всего это можно сделать только с помощью электрических систем⁴⁾. С энергетической точки зрения система связи ничем не отличается от системы электропитания – в обоих случаях передается энергия. Но в системе электропитания передача энергии является ее основной функцией, и ее пропускная способность (все та же мощность) играет ключевую роль. А в системах связи важны скорость и достоверность передачи информации, а количество энергии, затрачиваемое на ее передачу и обработку, определяется лишь ограничениями, накладываемыми средой распространения сигнала, приемной аппаратурой и физическими параметрами радиоэлементов.

Заключение

Вот и получается, что, несмотря на то, что человек не требует для своего физического существования электричества, без него он прожить уже фактически не может. Точнее, может, но тогда ему снова придется ужинать при свечах, много физически работать, кататься на лошадях, забыть за Интернет, телевизор и радио, а информацию передавать по старинке – с помощью бумаги и быстрых гонцов.

В этом месте можно много рассуждать, хорошо это или плохо, однако ясно одно – на сегодняшний день системы электропитания существуют в каждом доме, а источники электрической энергии, например, батарейки, можно купить во многих магазинах. И можно на этот факт упрямо не обращать внимания, надеясь, что все обойдется и использование электричества будет только приятным и безопасным, однако, как показывает практика, так бывает далеко не всегда.

Сноски

¹⁾ На самом деле разница есть, например, из-за того, что на экваторе сила, с которой Земля притягивает предметы, меньше, чем на полюсе, а один и тот же объем воды при разной температуре имеет разную массу. Однако, в нашем случае, на эти подробности можно не обращать внимания.

²⁾ Центральная нервная система человека управляет всеми внутренними органами с помощью электрических сигналов, при этом нервы, фактически, выполняют функцию электрических проводов. Анализ и синтез подобных сигналов дает возможность создавать бионические протезы, например, рук, провода которых электрически соединяются с нервами, что позволяет мозгу управлять протезом как «родным» органом. Точно так же как видеокамера или микрофон могут передавать сигналы, непосредственно в зрительный или слуховой нерв, что позволяет восстанавливать зрение или слух.

³⁾ Точно по такому принципу работают транспортные средства с электрической трансмиссией, например, некоторые типы гибридных электромобилей, карьерные самосвалы и даже тепловозы.

⁴⁾ Известны шуточные эксперименты, в которых почтовые голуби переносили информацию, записанную на небольших твердотельных носителях, быстрее, чем она передавалась через сеть Интернет.

Источник