Контролируемое сгорание в очагах, печах и топках превращало химическую энергию растений в термальную. Тепло использовалось в домашних хозяйствах, а также для плавки металлов, обжига кирпичей, для обработки самых разных продуктов. Открытие ископаемого топлива сделало все традиционные способы использования тепла более широко распространенными и более эффективными. Набор фундаментальных изобретений дал возможность конвертировать термальную энергию от сгорания ископаемого топлива в механическую. Впервые это было сделано в паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания, позже к ним добавились газовые турбины и ракеты. Мы получали энергию, сжигая ископаемое топливо, используя кинетическую энергию воды (как минимум с 1882 года), а также атомный распад одного из изотопов урана (с 1956-го).
Сжигание ископаемого топлива и генерация энергии привели к возникновению новой формы высокоэнергетичной цивилизации, которая распространилась по всей планете, охватила ее целиком. В число базовых источников энергии этой цивилизации в данный момент входят (их доля мала, но постоянно растет) новые возобновляемые виды, такие как солнечная энергия (получаемая с помощью фотоэлементов на солнечных электростанциях) и энергия ветра (тут используются большие ветровые турбины). В свою очередь, освоение новых источников стало возможным только благодаря комплексу других усовершенствований. Используя аналогию с трубопроводом, можно сказать, что вентили должны быть установлены и затем открыты в правильной последовательности, чтобы поток человеческой изобретательности потек в нужном направлении.
Наиболее важный «вентиль», относящийся к освобождению большого энергетического потенциала, подразумевает необходимые образовательные возможности, предсказуемые законодательные основания, прозрачные экономические правила, адекватную доступность капитала и условия, благоприятные для базовых исследований. Ничего удивительного, что обычно требуются поколения для того, чтобы получить увеличение или качественное улучшение потоков энергии, или для того, чтобы в значительном масштабе освоить использование нового источника энергии. Сроки разработки, общий объем энергии и характеристики энергетических потоков исключительно трудно предсказать, и на ранних фазах процесса перехода невозможно оценить все конечные воздействия, которые изменения первичных движителей и топливной базы окажут на сельское хозяйство, промышленность, транспорт, устройство поселений, военное дело и окружающую среду. Количественные подсчеты являются сущностно важными для оценки ограничений наших действий и размаха наших достижений, и они требуют знания базовых научных концепций и измерений.
Концепции и единицы измерения
Под всеми энергетическими трансформациями лежит несколько базовых принципов. Любая форма энергии может быть превращена в тепло или термальную энергию. Никакая энергия ни при каких условиях не теряется при этих превращениях. Сохранение энергии, первый закон термодинамики – один из наиболее фундаментальных принципов, на которых держится реальность. Но по мере того как мы движемся по цепям преобразований, потенциал полезной работы постоянно уменьшается (примечание 1.2). Этот непреодолимый факт определяет второй закон термодинамики, и энтропия есть мера потери полезной энергии. В то время как общий объем энергии во вселенной остается неизменным, превращения энергии увеличивают энтропию (одновременно уменьшая полезность энергии). Корзина с зерном или цистерна сырой нефти – низкоэнтропийный запас энергии, который при проращивании или сжигании способен совершить много полезной работы, но заканчивается все случайным движением слега нагретых молекул воздуха, необратимым высокоэнтропийным состоянием, неизбежной потерей полезности.
Такое одностороннее энтропийное шоссе ведет к потере сложности, к увеличению беспорядка и гомогенности в любой замкнутой системе. Но все живые организмы, от крохотной бактерии до глобальной цивилизации, временно игнорируют этот принцип, импортируя и метаболизируя энергию. Любой живой организм должен быть открытой системой, в которой имеется постоянный приток и отток энергии и материи. Пока эти системы живые, они не могут находиться в состоянии химического и термодинамического равновесия (Prigogine 1947, 1961; von Bertalanffy 1968; Haynie 2001). Их отрицательная энтропия – рост, обновление и эволюция – приводит к увеличению гетерогенности, повышает структурную и системную сложность. Как и в случае со многими другими научными открытиями, связное понимание этих процессов пришло только в девятнадцатом веке, когда быстро развивающиеся физика, химия и биология начали активно изучать трансформации энергии (Atwater and Langworthy 1897; Cardwell 1971; Lindsay 1975; Muller 2007; Oliveira 2014; Vorvoglis 2014).
Примечание 1.2. Уменьшение полезности превращенной энергии
Любое превращение энергии иллюстрирует этот принцип.
Если американский читатель использует электрическое освещение для того, чтобы прочесть эту страницу, то электромагнитная энергия света составляет только крохотную часть химической энергии, которая содержалась в куске угля, сожженном для получения электричества (в 2015 году уголь использовался для производства 33 % электроэнергии в США). По меньшей мере 60 % энергии угля теряется в виде тепла через трубы электростанции и через охлаждающие контуры, а если читатель использует старые добрые лампы накаливания, тогда более 95 % добравшейся до лампы энергии рассеивается в виде тепла, порожденного раскаленной нитью внутри лампочки, поскольку металл нити сопротивляется прохождению тока. Свет, достигающий страницы, частично поглощается ею, частично отражается, частично снова превращается в тепло. Изначальный низкоэнтропийный кусок угля превращается в высокоэнтропийное тепло, которое нагревает воздух над электростанцией, вокруг проводов, вокруг лампочки, и даже слегка – над страницей. Никакая часть энергии не теряется, но ее форма, обладающая высокой полезностью, изменяется до такой степени, что теряет любое практическое значение.
Базовые исследования вроде нашего требуют кодификации стандартных средств измерения. Две единицы стали общими для измерения энергии: калория – метрическая единица, и британская тепловая единица (бте). Сегодняшняя базовая научная единица для энергии – джоуль, она названа по имени английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889), который опубликовал первый точный расчет эквивалентности работы и тепла (примечание 1.3). Мощность обозначает объем энергетического потока, и ее первая стандартная единица – лошадиная сила – была определена Джеймсом Уаттом (1736–1819). Он хотел рассказать о своих паровых машинах так, чтобы все понимали, о чем идет речь, и выбрал очевидное сравнение с первичным движителем, который машины должны были заменить – с запряженной лошадью, поскольку в те времена их массово использовали на мельницах и для откачки воды (рис. 1.3, примечание 1.3).
Рисунок 1.3. Две лошади поворачивают ось, ведущую к откачивающей воду лебедке. Франция, середина XVIII века, мануфактура по производству ковров (изображение из Encyclopedie, Дидро и д'Аламбер, 1769–1772). Обычная лошадь в то время не смогла бы работать с постоянной мощностью в одну лошадиную силу. Джеймс Уатт использовал преувеличенное значение, чтобы найти покупателей для паровой машины, способной заменить животных
Другим важным параметром является плотность энергии, т. е. количество энергии на единицу массы ресурса (примечание 1.4). Оно играет ключевую роль в питании: даже имеющиеся в изобилии продукты с низкой плотностью энергии никогда не станут базовыми. Например, обитатели Мексиканского нагорья до прихода испанцев в большом количестве поедали колючие плоды, которые с легкостью собирали со многих разновидностей кактусов из рода Opuntia (Sanders, Parsons and Santley 1979). Но как и у большинства фруктов, мякоть этих плодов большей частью (на 88 %) состоит из воды, в ней меньше 10 % углеводов, 2 % белка и 0,5 % жиров, и плотность энергии в данном случае всего лишь 1,7 Мдж/кг (Feugang et al. 2006). Это значит, что, например, женщина, выживающая только на плодах кактуса (предположим совершенно нереалистичным образом, что ей не нужны другие питательные вещества), должна будет съедать их по 5 килограммов каждый день, но то же самое количество энергии она может получить из 650 граммов кукурузы, съеденной в виде тортильи и тамала.
