Виды энергии и развитие человеческого общества
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ
Курс лекций для студентов
СОДЕРЖАНИЕ
| ТЕМА 1. Введение…………………………........................................................................ | |
| Энергия и энергетика………............................................................................... | |
| Виды энергии и развитие человеческого общества.......................................... | |
| Количественные показатели энергетики........................................................... | |
| Естественные ресурсы………............................................................................. | |
| ТЕМА 2. Гидро- и ветроэнергетика как начальный период развития энергетики......... | |
| Предпосылки развития гидроэнергетики…………………............................... | |
| Водяные колеса………………………………………………………………… | |
| Гидравлический двигатель…………………………………………………….. | |
| Гидроэнергетика и теплоэнергетика………………………………………….. | |
| ТЕМА 3. История теплоэнергетики.................................................................................... | |
| Предпосылки возникновения теплоэнергетики................................................ | |
| Начальный период развития теплового двигателя........................................... | |
| Появление универсального парового двигателя……....................................... | |
| Специализация паросиловых установок и дальнейшее развитие паровых машин…………………………………………………………………………… | |
| Паровой котел…………………………………………………………………… | |
| Возникновение парового транспорта………………………………………….. | |
| Двигатели внутреннего сгорания………………………………………………. | |
| Паровая турбина………………………………………………………………… | |
| Газовая турбина…………………………………………………………………. | |
| Тепловые машины и их влияние на окружающую среду…………………….. | |
| ТЕМА 4. Развитие электротехники и электромеханики................................................... | |
| Этапы развития электротехники......................................................................... | |
| Первый генератор электрического тока............................................................. | |
| Электродинамика, основные законы электрической цепи............................... | |
| Развитие электрических машин постоянного тока…………………………… | |
| ТЕМА 5. Переход энергетической техники на качественно новый уровень…….......... | |
| Роль электрического освещения в становлении электроэнергетики.............. | |
| Развитие кабельной и изоляционной техники………………………………… | |
| Развитие генераторов и двигателей однофазного тока………………………. | |
| Развитие однофазных трансформаторов………………………………………. | |
| Первые экспериментальные и теоретические исследования в области передачи электрической энергии постоянным током…………………………….... | |
| Электростанции постоянного и однофазного переменного тока……………. | |
| Возникновение многофазных систем………………………………………….. | |
| Трехфазная система…………………………………………………………….. | |
| Трехфазный трансформатор……………………………………………………. | |
| Первая трехфазная линия электропередачи…………………………………... | |
| ТЕМА 6. Развитие первичной энергетики в связи с электрификацией........................... | |
| Развитие котлостроения…………...................................................................... | |
| Развитие паровых турбин………………………………………………………. | |
| Развитие гидравлических турбин……………………………………………… | |
| ТЕМА 7. Развитие электростанций………………………………..................................... | |
| Развитие тепловых электростанций................................................................... | |
| Развитие гидроэлектростанций........................................................................... | |
| ТЕМА 8. . Развитие техники передачи электроэнергии на большие расстояния........... | |
| Передача энергии постоянным током………………….................................... | |
| Передача энергии переменным током................................................................ | |
| Развитие кабельных и воздушных линий.......................................................... |
Вводная лекция по дисциплине
По истории и прогнозированию развития энергетики опубликовано множество работ отечественных и зарубежных авторов, в которых рассматриваются общие закономерности развития энергетики, раскрывается исторический процесс развития тепло-, гидро- и электроэнергетики, описываются основные варианты применения электроэнергии: средства управления и автоматики.
Особенностью данного курса является описание исторического процесса развития энергетики с глубины веков и до настоящего времени, а также повышенное внимание к влиянию энергетического оборудования на среду обитания человека. К сожалению, это влияние, как правило, негативное.
Общие методические указания
Дисциплина "История развития энергетической отрасли " является важной ступенью учебного процесса. Изучение данной дисциплины начинается в первых семестрах и служит психологической основой необходимости овладения знаниями всех остальных дисциплин учебного плана подготовки инженеров-теплотехников.
Содержание рабочей программы построено на материале различных литературных источников, приведенных ниже.
При самостоятельном изучении материала, по всем возникающим неясным вопросам необходимо обращаться за консультацией на кафедру. Для самопроверки усвоения материала рекомендуется ответить на приведенные вопросы к разделам рабочей программы, а также протестироваться.
При изучении дисциплины рекомендуется руководствоваться программой курса и самостоятельно овладеть теорией по учебникам. Рекомендуется прослушать обзорные лекции по основным разделам курса, которые читаются в период экзаменационных сессий.
ТЕМА 1
Введение
Энергия и энергетика
В процессе своего становления энергетика претерпела много изменений, но из покон веков основной ее элемент- энергия был неизменен. Слово "энергеа" при переводе с греческого означает "деятельность".
Ученые первоначально называли энергией способность различных предметов совершать работу: например, молот, падая, плющит металл.
После того как было непреложно доказано, что движение материи может превращать один вид энергии в другой (движение поднятого молота превращается при ударе о металл в тепло, при этом сам молот и обрабатываемый металл претерпевают механические изменения), можно сказать - энергия выражает общую меру различных форм движения материи: и крупных тел, и атомов, и электромагнитных волн, и всякого рода физических полей.
Стало возможным измерять различные по внешним признакам движения - одним общим "масштабом". Нашли точные соотношения, по которым одни виды движения (виды энергии, как говорят для удобства) переходят в другие - закон сохранения и превращения энергии.
Иначе говоря, окружающий нас мир есть "вечно" движущаяся и развивающаяся материя. Всеобщей мерой движения материи во всех ее формах является энергия, а неуничтожимость движения материи выражается в науке законом сохранения энергии.
Наиболее общие формы движения материи называются физическими. К ним относятся: механическая, тепловая, электромагнитная, внутриатомная и внутриядерная формы движения материи [1]. Современная физика изучает различные формы движения материи, их взаимные превращения, а также свойства вещества и поля. Подобно тому, как из семи нот образуется все многообразие музыки, так из различных форм энергии движения образуется все многообразие процессов во Вселенной.
Однако, чтобы эта энергия стала нужной человеку, он должен был научиться "обращаться" с ней - преобразовать одни виды энергии в другие.
Преобразование любых энергий (тепловой, механической, молекулярной, ядерной и т.д.) в электрическую энергию и обратно -называется энергетикой.
Овладеть энергией можно только с помощью каких-либо устройств и машин. Поэтому вся история технического прогресса - это история изобретения и создания этих устройств и машин. Слово "техника" с греческого переводится как "мастерство", можно сказать, что это умение создавать (мастерить) машины (устройства). Достижения техники являются результатом использования для нужд людей фундаментальных открытий науки во все времена.
Под энергетической техникой понимают совокупность средств производства, преобразования, передачи и распределения между потребителями различных форм энергии.
Фундаментальной теоретической основой энергетической техники является закон сохранения и преобразования энергии.
Виды энергии и развитие человеческого общества
В период первобытно-общинного строя единственным источником энергии являлись мускульные усилия человека, биоэнергетика энергетика мускульных усилий, господствовала многие тысячелетия. Она сохранила свои позиции и в эпоху рабовладельческого общества, где труд раба ценился не выше, чем работа животных.
Применение в рабовладельческом обществе (I век до н.э.) водяных колес для орршения и энергии ветра в ветряных мельницах не вызывало еще сколько-нибудь серьезных изменений в общем уровне энергетической техники. Уровень общественного сознания также был далек от восприятия технических новшеств, поскольку они не сулили каких - либо существенных изменений и благ в каждодневной деятельности людей. Отдельные технические достижения, сделанные до новой эры, не нашли широкого применения в обыденной жизни. Появление приспособлений и технических устройств (механизмов) находили быстрое применение лишь в военных целях (защиты или нападения). Многие открытия были попросту забыты, а затем открывались заново в эпоху средневековья.
Только в X - XI веке новой эры (н.э.), в эпоху феодального средневековья, начинают распространяться водяные и ветряные мельницы. К тому времени история развития человечества уже имеет богатейший запас научных и технических решений в вопросах преобразования энергии на уровне достаточно сложных передаточных механизмов. Несколько позднее, в XIII веке, появляются такие сложные механизмы, как часы (первыми были башенные часы с одной стрелкой).
Водяное колесо дало мощный толчок развитию металлургии, поскольку удалось:
- повысить температуру в печах, меха которых приводились в движение от водяного колеса;
- расширить возможность откачки воды из шахт с помощью насосов, приводимых в движение водяным колесом.
Начиная с XIII века н.э. водяное колесо (гидроэнергетика) становится устройством, характеризующим технический уровень энергетической техники, вплоть до промышленного переворота в конце XVIII века н.э [2].
Капиталистический способ производства вызвал к жизни новую энергетическую технику, основой которой стала паровая машина. Возникновение машинного производства в конце XVIII века требовало создания мощного и универсального по использованию двигателя. Этот двигатель должен был избавить промышленность от привязанности к природным источникам энергии - к воде, в первую очередь. Таким двигателем явилась паровая машина.
Изобретение универсального парового (теплового) двигателя явилось вторым этапом промышленного переворота в XVIII веке - на смену гидроэнергетики пришла теплоэнергетика.
Развитие энергетической техники протекало во взаимосвязи с развитием машин и характеризовалось непрерывным возрастанием единичных мощностей энергетических установок [1].
Но, пожалуй, самое главное достижение человека и важнейшая часть энергетики - освоение электрического тока. Этот вид энергии обладает чрезвычайно важным свойством : его относительно легко получать из других видов энергии, передавать на дальние расстояния, дробить на различные "порции", "складывать" или превращать в иные разновидности энергии: механическую, тепловую, световую и так далее. Электрическая энергия помогла человеку освоить другие виды энергии, например ядерную.
Таким образом, качественные ступени развития энергетики можно представить в следующем виде [2]:
- биоэнергетика - использует в качестве источника механической энергии
биологическую (мускульную) энергию человека и животных;
- механическая энергетика (преимущественно гидро- и ветро-) использует
в качестве механической энергии потоки воды или воздуха;
- теплоэнергетика - использует в качестве источника механической работы
теплоту, выделяемую при сжигании топлива;
- современная комплексная энергетика - преимущественно использует в качестве первичной энергии тепловую и гидравлическую, а в качестве вторичной электрическую энергию;
- атомная энергетика - использование энергии ядерных реакций.