Энергия, энтропия, энергетика, законы Пригожина

     1.3.2.2 Энергия ветра

     Потенциал энергии ветра подсчитан более  менее точно: по оценке Всемирной  метеорологической организации  ее запасы в мире составляют 170 трлн кВт·ч в год. Ветроэнергоустановки разработаны и опробованы настолько  основательно, что вполне прозаической выглядит картина и сегодняшнего небольшого ветряка, снабжающего дом  энергией вместе с фермой, и завтрашних тысяч гигантских сотнеметровых  башен с десятиметровыми лопастями, выстроенных цепью там, где постоянно  дуют сильные ветры, вносящих тоже свой немаловажный «процент» в мировой энергобаланс.

     У энергии ветра есть несколько  существенных недостатков, которые  затрудняют ее использование, но отнюдь не умаляют ее главного преимущества – экологической чистоты. Она сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимы ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер очень непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки. Ветроэнергостанции не безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями.

     В настоящее время разработаны  ветроэнергоустановки, способные эффективно работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически  регулируется таким образом, чтобы  постоянно обеспечивалось максимально  возможное использование энергии  ветра, а при слишком большой  скорости ветра лопасть столь  же автоматически переводится во флюгерное положение, так что  авария исключается.

     Разработаны и действуют так называемые циклонные  электростанции мощностью до ста  тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим  воздушным потоком, создает искусственный  «циклон», который вращает турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей и обычных ветряков.

     1.3.2.3 Энергия приливов и отливов

     Уже инженерно разработаны и экспериментально опробованы высокоэкономичные волновые энергоустановки, способные эффективно работать даже при слабом волнении или вообще при полном штиле. На дно  моря или озера устанавливается  вертикальная труба, в подводной  части которой сделано «окно». Попадая в него, глубинная волна сжимает воздух в шахте, а тот крутит турбину генератора. При обратном движении воздух в турбине разрежается, приводя в движение вторую турбину. Таким образом, волновая электростанция работает беспрерывно почти при любой погоде, а ток по подводному кабелю передается на берег.

     Некоторые типы ветряных электростанций ВЭС могут служить отличными волнорезами, защищая побережье от волн и, таким образом, экономя миллионы долларов на сооружение бетонных волнорезов.

     Под руководством директора Лаборатории  энергетики воды и ветра Северо-Восточного университета в Бостоне был разработан проект первой в мире океанской электростанции. Она будет сооружена во Флоринском проливе, где берет начало Гольфстрим. На его выходе из Мексиканского залива мощность водяного потока составляет 25 млн. м³ в секунду, что в 20 раз превышает суммарный расход воды во всех реках земного шара! По подсчетам специалистов, средства, вложенные в проект, окупятся в течение пяти лет.

     В этой уникальной электростанции для  получения тока мощностью 38 кВт будет  использоваться турбина Горлова. Эта  геликоидная турбина имеет три  спиральные лопасти и под действием  потока воды вращается в 2-3 раза быстрее  скорости течения. В отличие от многотонных  металлических турбин, применяемых  на речных гидроэлектростанциях, размеры  изготовленной из пластика турбины  Горлова невелики (диаметр 50 см, длина 84 см), масса ее всего 35 кг. Эластичное покрытие поверхности лопастей уменьшает  трение о воду и исключает налипание  морских водорослей и моллюсков. Коэффициент полезного действия турбины Горлова в три раза выше, чем у обычных турбин.

     Гольфстрим  – не единственное океанское течение, которое может быть использовано для выработки энергии. Японские ученые, например, говорят о большой эффективности подобных сооружений на тихоокеанском течении Куросио. О его колоссальном энергетическом потенциале позволяют судить следующие цифры: у южной оконечности острова Хонсю ширина течения составляет 170 км, глубина проникновения – до 700 м, а объем потока - почти 38 млн. м³ в секунду.

     1.3.2.4 Геотермальная энергия

     Подземное тепло планеты – довольно хорошо известный и уже применяемый источник «чистой» энергии. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки Паужетки. В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле, работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (Калифорния, Долина Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой Зеландии, Мексике и Японии. Столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников. Но потенциальная мощность геотермальной энергетики намного выше.

     Геологи открыли, что раскаленные до 180-200^оС массивы на глубине 4-6 км занимают большую часть территории нашей страны, а с температурой до 100-150^оС встречаются почти повсеместно. Кроме того, на нескольких миллионах квадратных километров располагаются горячие подземные реки и моря с глубиной залегания до 3,5 км и с температурой воды до 200^оС - естественно, под давлением, – так что, пробурив ствол, можно получить фонтан пара и горячей воды без всякой электротеплоцентрали.  
 
 

     1.4 Энтропия

     Понятие энергии тесно связано с другим фундаментальным понятием – энтропией [4]. Энтропия как понятие впервые введено в термодинамику для определения меры необратимости рассеяния энергии. Можно сказать, что изменение энтропии характеризует величину «рассеяния» энергии в процессе взаимопревращения ее видов. Часть энергии тратится на выполнение работы, а другая ее часть рассеивается в окружающую среду. Но и та часть энергии, которая расходуется на совершение работы, вследствие трения и теплообмена рассеивается в окружающую среду, еще более повышая ее энтропию. Часто говорят, что энтропия – мера хаоса окружающего нас мира.

     1.4.1 Сущность и значение энтропии

     Энтропия (от греч. Entropia – поворот, превращение) – мера неупорядоченности больших систем. Понятие энтропии впервые было введено в термодинамике для определения меры необратимого рассеяния энергии. Затем было установлено, что энтропия характеризует вероятность определенного состояния любой физической системы среди множества возможных ее состояний. В закрытых физических системах все самопроизвольные процессы направлены к достижению более вероятных состояний, т. е. к максимуму энтропии. В равновесном состоянии, когда этот максимум достигается, никакие направленные процессы невозможны. Отсюда возникла гипотеза о тепловой смерти Вселенной. Однако распространение на всю Вселенную законов, установленных для закрытых систем, не имеет убедительных научных оснований. В XX в. понятие «энтропия» оказалось плодотворным для исследования биосистем, а также процессов передачи и обработки информации. Эволюция в целом и развитие каждого организма происходит благодаря тому, что биосистемы, будучи открытыми, питаются энергией из окружающего мира. Но при этом биопроцессы протекают таким образом, что связанные с ними «производство энтропии» минимально. Это служит важным руководящим принципом и при разработке современных технологических процессов, при проектировании технических систем. Количественная мера информации формально совпадает с «отрицательно определенной» энтропией. Но глубокое понимание соответствия энтропии физической и информационной остается одной из кардинальных недостаточно исследованных проблем современной науки. Ее решение послужит одним из важных факторов становления нового научно-технического мышления.

     Энтропия  широко применяется и в других областях науки: в статистической физике как мера вероятности осуществления  какого-либо макроскопического состояния; в теории информации как мера неопределенности какого-либо опыта, который может  иметь разные исходы. Эти трактовки  имеют глубокую внутреннюю связь. Например, на основе представлений об информационной энтропии можно вывести все важнейшие  положения статистической физики.

     Понятие энтропия, как ее показал впервые Шредингер, существенно и для понимания явлений жизни. Живой организм с точки зрения протекающих в нём физико-химических процессов можно рассматривать как сложную открытую систему, находящуюся в неравновесном, но стационарном состоянии. Для организмов характерна сбалансированность процессов, ведущих к росту энтропии, и процессов обмена, уменьшающих её. Однако жизнь не сводится к простой совокупности физико-химических процессов, ей свойственны сложные процессы саморегулирования. Поэтому с помощью понятия энтропии нельзя охарактеризовать жизнедеятельность организмов в целом.

     1.4.2 Формы энтропии

1. Энтропия как мера неопределенности состояния любой вполне упорядоченной физической системы, или поведения любой системы, включая, живые и неживые объекты и их функции. Именно эта форма энтропии, связанная с неопределенностью состояния системы, находит в последнее время наибольшее распространение при исследовании, как живых, так и неживых объектов и процессов.
2. Термодинамическая энтропия микрочастиц, или молекулярного множества.
3. Информационная энтропия, или неопределенность информации, т.е. сведений о некоторой информационной системе. Известно, что совпадение по виду формул для энтропии и информации послужило основанием для утверждения, что энтропия есть недостающая информация о состоянии системы. Было предложено использовать термин негэнтропия как тождественной связанной информации о состоянии системы.
4. Энтропия, или неопределенность поведения, любой не вполне упорядоченной системы вплоть до макроскопических множеств.

     1.4.3 Основные этапы формирования понятия энтропии

1. 1865 г. Рудольф Юлиус Клаузиус. В рамках теории тепловых машин введено представление об энтропии, как о термодинамической величине [5]. Энтропия S задана динамическим уравнением через скорость изменения тепловой энергии Q и абсолютную температуру T.

               
                                                                                                               (1)

2. 1872 г. Людвиг Больцман. Энтропия вводится как мера множества W микросостояний термодинамической системы с помощью специальной константы .

                                                                  (2)

3. 1902 г. Джозойя Виллард Гиббс. Энтропия вводится через распределение плотности (x) вероятности состояний по фазовому пространству W статфизической системы.

                                                                        (3)

4. 1948 г. Клод Шеннон. Вводится мера энтропии дискретного распределения вероятности P_i на множестве альтернативных состояний и информация, как уменьшение энтропии при получении сообщения.

                                                                         (4)

5. 1953 г. Александр Яковлевич Хинчин. Постоянная Больцмана вводится как математическая нормировка основания логарифмов, независимо от термодинамической интерпретации.

                                                                         (5)

6. 1955 г. Артур Роберт Мак. Комбинаторная интерпретация энтропии, как меры структурированного множества альтернатив: n=n₁+...+n_m

                                                                 (6)

7. 1965 г. Андрей Николаевич Колмогоров. Обобщение понятия энтропии на эргодические случайные процессы u(t) через предельное распределение вероятности, имеющие плотность f(x) .

                                                                    (7)

8. 1970 г. Анри Реньи. Введение энтропии как -момента меры разбиения.

                                                         (8)

9. 1999г. Александр Моисеевич Хазен. Введение понятия энтропии- информации как обобщенного действия в механике с функцией энергии L на фазовом пространстве W. Постоянная Больцмана зависит от уровня процесса. Это — обобщение подхода Р. Ю. Клаузиуса.