А як щодо нашої фізичної активності впродовж дня? Для цього нам теж потрібна додаткова енергія? Наприклад, ходити по сходах або займатися хатніми справами? Хатня робота може бути виснажливою, і ми, напевно, витрачаємо на неї чимало енергії? Що ж, боюсь, я вас неприємно здивую. На повсякденні справи потрібна така сміховинна кількість енергії, що ви можете не зважати на неї, коли рахуєте витрачені калорії, хіба що ви дуже інтенсивно тренуєтеся у спортзалі.
Припустімо, замість поїхати у ліфті, ви піднімаєтеся у свій офіс, що на четвертому поверсі, сходами. Дуже багато моїх знайомих пишаються собою, коли ходять пішки сходами, але рахуйте самі. Скажімо, висота цих трьох поверхів приблизно 10 метрів, і ви піднімаєтеся сходами тричі на день. Я вас не знаю, тому нехай ваша маса буде 70 кілограмів. Скільки енергії потрібно, щоб тричі піднятися цими сходами? Щоб мати привід ще більше сповнитися гордощів — як щодо п’яти разів на день? Припустімо, ви дуже стараєтеся. П’ять разів у день піднятися пішки на третій поверх. Вам доведеться витратити енергію, що дорівнює mgh, де h — різниця у висоті між першим і четвертим поверхами. Помножимо 70 кілограмів (m) на 10 метрів за секунду у квадраті (g), на 10 метрів (h) і на 5, тому що ви робите це п’ять разів на день, і ось що ми отримаємо — 35 000 джоулів. Порівняйте це з 10 мільйонами джоулів теплоти, які щодня випромінює ваше тіло. Думаєте, вам треба їсти трохи більше заради якихось 35 000 джоулів? Забудьте. Це ніщо — лише третина відсотка від загальної кількості вашої енергії. Але цей факт аніскілечки не заважає маркетологам розповідати абсурдні речі про нові гаджети для спалювання калорій. Сьогодні вранці я, відкривши каталог товарів, що надсилаються поштою, де пропонують дорогі пристрої, побачив рекламу «обтяженого одягу», який дає змогу «спалювати більше калорій, роблячи повсякденні справи». Можливо, вам сподобається відчувати додаткову важкість ваших рук і ніг (хоча мені не зрозуміло чому), і ви таким чином зможете наростити м’язи, але не розраховуйте суттєво скинути вагу, завдаючи собі таких мук!
Спостережливий читач, звісно, зауважить, що неможливо п’ять разів на день піднятися сходами, не спускаючись ними. Коли ви сходите вниз, ці 35 000 джоулів вивільняться у вигляді тепла у ваші м’язи, взуття й підлогу. Якби ви зістрибнули, уся гравітаційна потенціальна енергія, яку ви накопичили, поки піднімалися сходами, перетворилася б на кінетичну енергію вашого тіла — і ви, можливо, щось собі зламали б. Отже, хоч вам і довелося витратити 35 000 джоулів, щоб піднятися нагору, спускаючись униз, ви не зможете повернути їх у придатному для використання вигляді. Хіба що ви вдягнете на себе якийсь дуже хитрий пристрій, що забиратиме вашу кінетичну енергію й перетворюватиме її, скажімо, на електроенергію — точнісінько як у гібридних автомобілях.
Погляньмо на це інакше. Скажімо, ви розподілите ходіння сходами на 10 годин: можливо, раз чи двічі вранці, двічі після обіду й останній раз увечері. За ці 10 годин, тобто 36 000 секунд, ви виробите приблизно 35 000 джоулів енергії. Це, по правді, до абсурду мало — приблизно 1 ват. Порівняйте цей результат із теплом, яке виділяє ваше тіло, — у середньому 100 джоулів за секунду, або 100 ватів. Отже, як ви бачите, піднімаючись сходами, ви спалюєте мізерно малу кількість енергії. Це аж ніяк не вплине на вашу талію.
А що, як ви підніметеся на гору заввишки півтора кілометра? Тоді вам доведеться додатково виробити й використати мільйон джоулів енергії. А мільйон порівняно з 10 мільйонами — не такий уже й жалюгідний. Після сходження ви, звичайно, зголоднієте, і тепер вам справді потрібно більше їжі. Якщо сходження тривало чотири години, ви розвивали значну потужність (потужність — це кількість джоулів за секунду), у середньому 70 ватів — упродовж цих чотирьох годин, звісно. І тепер ваше тіло надсилає в мозок виразний сигнал: «Мені потрібно більше їжі».
Можливо, ви подумаєте, що, витративши на 10 відсотків більше енергії порівняно зі своїми звичайними 10 мільйонами джоулів, вам доведеться з’їсти на 10 відсотків (тобто 240 кілокалорій) більше, ніж зазвичай, оскільки мільйон — це лише 10 відсотків від 10 мільйонів. Але це не зовсім так, як ви, мабуть, уже здогадалися. Вам доведеться з’їсти значно більше, ніж зазвичай, тому що система перетворення їжі на енергію в тілі, якщо висловлюватися фізичною термінологією, має не надто високий ККД. Максимальна ефективність — у середньому 40 відсотків. Саме так, максимум 40 відсотків від спожитих калорій перетворюється на енергію, яку ви можете використати. Решта розсіюється у вигляді тепла. Енергія залишається незмінною, тому її треба на щось витратити. Отже, щоб виробити додатково мільйон джоулів і підживити пристрасть до гірських походів, вам доведеться збільшити свій раціон приблизно на 600 кілокалорій, що рівноцінно додатковому прийому їжі.
Де взяти те, що нам потрібно?
Мене вражає, яку кількість енергії ми використовуємо у повсякденному житті. Припустімо, я вирішив прийняти ванну й хочу підрахувати, скільки енергії потрібно, щоб нагріти воду. Формула дуже проста: кількість енергії в кілокалоріях дорівнює добутку маси води в кілограмах і різниці температури в градусах Цельсія. Ванна вміщує приблизно 100 кілограмів води, і якщо вважати, що температура зростає приблизно на 50 градусів за Цельсієм, то для гарячої ванни потрібно десь 5000 кілокалорій, або 20 мільйонів джоулів. Ванна — це чудово, але досить енерговитратно. Дивовижно, але в Сполучених Штатах ця енергія така дешева, що ванна коштуватиме вам лише півтора долара. Двісті років тому воду для ванни гріли дровами. У кілограмі дров міститься приблизно 15 мільйонів джоулів енергії, тому, щоб нагріти одну ванну, цієї кількості було б достатньо. Сучасні дров’яні котли мають ККД до 70 відсотків, тоді як на відкритому вогні або в пічках двохсотрічної давнини тепло перетворювалось менш ефективно, і це потребувало більше часу: щоб нагріти ті самі 100 літрів води, потрібно було десь 5–10 кілограмів дров. Не дивно, що наші предки приймали ванну значно рідше, ніж ми, і частенько в одній і тій самій воді милася вся родина.
Ось наведу ще трохи цифр, щоб ви відчули, скільки енергії використовують у побуті. Кімнатний обігрівач споживає орієнтовно 1000 ватів, тобто за годину ви витрачаєте приблизно 3,6 мільйона джоулів, або, якщо в звичних одиницях споживання електроенергії, 1 кіловат-годину. У холодному кліматі електрообігрівач може споживати до 2500 ватів. Віконний кондиціонер зазвичай споживає 1500 ватів, тоді як система централізованого кондиціонування — приблизно 5–20 кіловатів. За температури 180 градусів за Цельсієм електрична духовка використовує 2 кіловати, а посудомийна машина — приблизно 3,5 кіловата. Ще одне цікаве порівняння. Стаціонарний комп’ютер із 17-дюймовим монітором на електронно-променевій трубці споживає від 150 до 350 ватів, а у «сплячому» режимі — не більше 20 ватів. Найнижчі цифри — у радіогодинника, який споживає лише 4 вати. У лужній батарейці на 9 вольтів міститься приблизно 18 000 джоулів, або 5 ват-годин; від неї ваше радіо пропрацює трохи більше години.
Землю населяє понад 6,5 мільярда людей, і за рік ми використовуємо приблизно 5 · 1020 джоулів енергії. Навіть через сорок років після нафтового ембарго ОПЕК 85 відсотків енергії ми отримуємо з викопного палива: вугілля, нафти й природного газу. На Сполучені Штати з населенням лише трохи більше ніж 300 мільйонів, що становить двадцяту частину населення планети, припадає п’ята частина світового споживання енергії. Цієї проблеми уникнути неможливо: ми справжнісінькі енергетичні марнотратці. До речі, саме тому я невимовно зрадів, коли президент Обама призначив міністром енергетики нобелівського лауреата з фізики Стівена Чу. Якщо ми хочемо розв’язати енергетичні проблеми, потрібно враховувати фізику енергії.
Наприклад, зараз багато надій покладають на можливості сонячної енергетики, і я тільки за те, щоб активно її розвивати. Але тут ми стикаємося з обмеженнями, на які маємо зважати. Не викликає сумніву, що Сонце — чудове джерело енергії. Воно виробляє 4 · 1026 ватів енергії (це 4 · 1026 джоулів за секунду), здебільшого у вигляді видимого світла й інфрачервоного випромінювання. Знаючи відстань між Землею й Сонцем (150 мільйонів кілометрів), можна обчислити, яка частка цієї енергії досягає нашої планети. Це приблизно 1,7 · 1017 ватів, або майже 5 · 1024 джоулів за рік. Якщо спрямувати панель площею один квадратний метр точно на Сонце (за безхмарної погоди!), вона поглине приблизно 1200 ватів (я припустив, що 15 відсотків енергії, яка потраплятиме на панель, відіб’ється й розсіється в атмосфері). Для простоти можемо округлити це число до 1000 ватів (1 кіловата) на квадратний метр за умови спрямованості панелі точно на Сонце й за відсутності хмар.
