Сколько на что нужно энергии?

В принципе несложно теоретически подсчитать количество энергии, которое нужно нам в повседневной жизни: от езды на велосипеде до участия в марафонском забеге (табл. 2). Это «расходная» часть энергетического бюджета. Достаточно легко посчитать, сколько энергии содержится в одном шоколадном печенье, автомобильном аккумуляторе или куске угля, и понять, как ее использовать. Это другая, «доходная» часть энергетического бюджета. Благодаря трудам Джеймса Джоуля мы знаем, что энергетический бюджет в природе всегда сходится: количество энергии в «доходной» части точно соответствует количеству в части «расходной».

Таблица 2. Сравнение энергии. Чтобы почувствовать, что такое энергия, можно сравнить наши потребности в ней на разные нужды с возможностями ее генерации разными способами. Ниже мы сравниваем способы производства энергии (курсив) с путями ее применения (обычный шрифт). Для каждого пункта таблицы я высчитал показатель задействованной в нем энергии в джоулях (с этой единицей многие на практике не знакомы), киловатт-часах (единицы, по сумме которых нам выставляют счета электрические и газовые компании) и «восхождениях на Эмпайр-стейт-билдинг» – минимальном количестве энергии, которое потребуется среднему 75-кг мужчине для подъема на верх небоскреба по лестницам[22]. Из таблицы видно, что разряд молнии содержит столько же энергии, сколько нужно для 17 000 восхождений на Эмпайр-стейт-билдинг, а час плавания забирает столько же энергии, сколько семь таких восхождений

Представлять себе различные количества энергии, конечно, интересно, но не всегда полезно. Скажем, если восхождение на Эмпайр-стейт-билдинг и потребует от вас некоторого количества энергии, важнее то, сколько времени это займет. Вообразите себе, что подниматься вы будете за щедро отведенные вам восемь часов, постоянно останавливаясь, чтобы полюбоваться открывающимися видами. Это значит, что вы будете продвигаться вверх на четыре ступени в минуту. Занятие, конечно, скучное, но не станет слишком большой нагрузкой для вашего организма. Поставьте перед собой гораздо более амбициозную цель: добраться до верха небоскреба за полчаса. Тогда вам придется, задыхаясь, двигаться со скоростью ступень в секунду, что, конечно, не в пример труднее. Так что, когда речь идет об использовании или генерации энергии, очень важна продолжительность соответствующих действий.

Решить эту проблему мы можем, введя понятие мощности, которое отражает показатель использования или производства энергии (количество энергии, деленное на время, необходимое для ее использования или генерации). Как и в случае с самой энергией, мы можем лучше представить себе мощность, измерив ее. Это мы делаем с помощью показателя Дж/с, или ватт (Вт). 100-ваттная лампочка потребляет 100 Дж энергии в секунду. Если Энди пробежится до верха Эмпайр-стейт-билдинг за полчаса (и не свалится от остановки сердца), то он разовьет среднюю мощность порядка 200 Вт[23].

Какая мощность нужна для разных случаев (и какая создается)?

В вопросах генерации энергии ватт становится слишком малой единицей мощности. Пусковой рукояткой автомобиля можно произвести 10 Вт мощности. Но если вы пробовали генерировать энергию для чего-то вроде настольной лампы или ноутбука (а мне однажды довелось), то вы, наверное, знаете, что это утомительный физический труд[24]. Создание значительной мощности – трудоемкая задача. Крупный ветряной двигатель выдает примерно 2 мВт мощности (2 млн Вт), что равно мощности работающих одновременно 200 000 пусковых рукояток или 10 000 условных Энди, одновременно взбирающихся на Эмпайр-стейт-билдинг. Большая тепловая (работающая на угле) или атомная станция выдает уже 2 гВт мощности (2 млрд Вт), что равно мощности 1000 одновременно работающих ветряков. Именно поэтому в последнее время ветряные двигатели появляются всюду, как грибы после дождя. Дело не в том, что людям нравится их строить, а в том, что тысяча таких сооружений может произвести такое же количество электричества, как и одна большая электростанция.

Сравниваем мощности

Мощность – это энергия, деленная на время. Если вы хотите выяснить, сколько энергии использовано неким механизмом, например сушкой для белья, то можете умножить ее потребляемую мощность, указанную в техническом паспорте (она может составлять порядка 3000 Вт, или 3000 Дж/с), на время ее работы. Если механизм работал в течение часа, то это 60 минут, или 3600 секунд. Таким образом, суммарное использованное количество энергии составит 3000 Дж/с × 3600 с, или порядка 10 мДж (10 млн Дж, или 10 000 кДж).

Таблица 3. Разница в мощности различных механизмов и тел. Мощность – количество энергии, создающейся или используемой в единицу времени. Трудно представить себе, какую мощность может создать паровоз, не говоря уже об электростанции или космической ракете. Однако, если мы соотнесем их мощность с мощностью мотора Porsche Turbo (хорошего спортивного автомобиля) или хомячка, бегающего в колесе, то дело начнет проясняться. Это не значит, что вы можете заменить все эти источники энергии двигателем от Porsche Turbo (который никогда не выведет вас в космос, поскольку для работы ему нужен кислород) или колесом с хомячком (который сразу выбьется из сил). Если атомная электростанция за десятилетия существования может выработать гигантское количество энергии, то хомячок, выдав доступную ему мощность, упадет от истощения. И количество выработанной им энергии всегда будет мизерным[25]

Каждый может подсчитать, насколько трудно выполнять повседневные действия. Если для кипячения кружки воды для кофе необходимо 120 кДж, то за какое время справился бы с этой задачей хомячок? Грызун производит 0,5 Вт, или 0,5 Дж/с. Ему потребовалось бы 240 000 секунд, или около трех дней. С помощью пусковой рукоятки мы можем создать мощность 10 Вт, значит, смогли бы получить кружку кипятка в 20 раз быстрее, примерно за три часа[26]. А как бы обстояли дела, если бы у вас была своя личная АЭС? Подключенная к подходящему кипятильнику, она дала бы вам 1,5 млн Дж энергии всего за секунду. И вода для вашего кофе вскипела бы примерно за сотую долю секунды. Вот уж действительно быстро!