Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

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].

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.

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!

Стоимость энергии

В энергии нас больше всего смущает то, что мы за нее платим. Ваши счета за газ и электроэнергию, скорее всего, выставляются в киловатт-часах. Вроде бы единица мощности (ведь в ее названии присутствует слово «ватт»), но на самом деле это единицы измерения количества энергии. Мощность – энергия, деленная на время. Поэтому энергия, деленная на время, а затем снова умноженная на него же, снова становится собой. Киловатт-час энергии (1 кВт × ч) – это такое ее количество, которое потребляется за час работы прибора мощностью 1 кВт. Как эти единицы измерения работают на практике?

• Пылесос с электромотором мощностью 1000 Вт потребит 1 киловатт-час электроэнергии за час работы.

• Мощный электрокипятильник потребляет мощность 3 кВт. Поэтому за 20 минут он израсходует как раз 1 кВт × ч. И не важно, сколько внутри воды: разным будет только время кипячения.

• Экономичная электролампочка имеет мощность 10 Вт, поэтому только за четыре дня (примерно 100 часов) она потребит 1 кВт × ч электроэнергии.

• Энди, наш полноватый мастер восхождения на Эмпайр-стейт-билдинг со скоростью ступенька в секунду, развивает мощность примерно 200 Вт. Чтобы использовать 1 кВт × ч энергии, ему нужно затратить пять часов.

Какую бы работу вы ни хотели произвести, обычно для этого требуется одно и то же количество энергии[27]. Но если вы приложите большую мощность, то сможете выполнить ее быстрее. Какой бы способ вы ни выбрали для того, чтобы подняться на Эмпайр-стейт-билдинг, вам нужно будет поднять массу своего тела (которая принципиально не меняется) на определенную высоту, так что теоретически вам всегда нужно будет одно и то же количество энергии. На лифте, с помощью электромотора вы доберетесь наверх гораздо быстрее, чем пешком. Это значит, что лифт гораздо мощнее вас (для выполнения той же работы ему нужно значительно меньше времени). Каким бы способом вы ни кипятили литр воды, вам всегда будет необходимо для этого 378 000 Дж (378 кДж). Вы можете кипятить воду в электрочайнике, на газовой плите, над походным костром или просто мешая ее ложкой. Она в конце концов закипит (даже если вы будете делать это самым «эффективным» способом, то есть ложкой[28]). Но каждый из этих способов обеспечивает доставку к воде энергии с разной скоростью, мощностью и за разное время. Если вы используете мощный кухонный трехкиловаттный электрочайник, то вскипятите воду втрое быстрее, чем в походном однокиловаттном. Вы используете то же количество энергии, но в три раза быстрее с втрое большей мощностью. Количество киловатт-часов будет одним и тем же, и это будет вам стоить одинаково.

Откуда берется и куда девается энергия?

Деньги не появляются на вашем банковском счете и не исчезают из кошелька необъяснимым образом. Мы зарабатываем и тратим в процессе постоянного обмена с другими. С энергией происходит то же самое. Если вы нуждаетесь в ней, вы должны где-то ее «заработать» (потребив некоторое количество пищи или залив в бак своего автомобиля бензин). Если вы хотите что-то сделать, вы «тратите» свою энергию и сокращаете имеющиеся запасы. С финансовой системой можно манипулировать, печатая или даже подделывая деньги и заставляя их появляться буквально из ниоткуда, а с энергией такие трюки не проходят, сколько бы вы ни старались. Во Вселенной есть строго определенное количество энергии, и мы можем только «торговать» ею с нулевым результатом: если где-то мы получаем какое-то количество энергии, где-то ее ресурсы на такую же величину уменьшаются. Это фундаментальный закон физики, который называется законом сохранения энергии (не путайте с тем, что в быту мы понимаем под экономией энергии).

Эксперименты Джеймса Джоуля помогли представить этот закон в его самой известной и действующей до сих пор форме: мы не можем ни создавать, ни уничтожать энергию; мы способны только переводить ее из одного вида в другой. В подтверждение своей теории Джоуль предложил остроумный и живописный пример с водопадом, показав, что температура воды в месте ее падения будет чуть выше, чем в месте срыва вниз. Причина в том, что часть энергии падающей воды превращается в тепло. Произведя несколько быстрых вычислений, Джоуль подсчитал, что температура воды в нижней точке Ниагарского водопада должна быть на 0,2 градуса выше, чем в верхней[29]. К сожалению, практический эксперимент Джоуля по доказыванию этой гипотезы не удался (во время медового месяца он пробовал провести его на водопадах в Шамони во Франции с использованием высокочувствительных термометров). Вода при падении на ложе водопада разбивалась на слишком мелкие капли, и ученый не смог измерить ее температуру достаточно точно[30].

Что происходит, когда вы кипятите литр воды? Вы сообщаете сосуду, в котором находится вода, энергию в количестве 378 кДж. Это может быть соответствующий объем электроэнергии, который поступит по электропроводу к тепловыделяющему элементу электрочайника и превратится в тепло. Или соответствующий объем газа, который сгорит в конфорке и сообщит такую же энергию воде. Теоретически, если удастся исключить все тепловые потери у сосуда с водой, это могут быть 378 кДж энергии, произведенной сверхбыстрыми движениями вашего запястья с ложкой. В этом случае источником энергии станет ваше тело – возможно, пополнившее свои ресурсы за счет шоколадного печенья, которое вы до этого съели. Предположим, вам все же удалось разогреть ложкой литр воды. К моменту, когда она закипит, ваше тело должно потерять 378 кДж энергии, а вода получит столько же в виде тепла. Если вы потом выпьете эту горячую воду, то вернете себе часть затраченной энергии. Вода согреет ваше тело и восполнит количество энергии, которое вам нужно для поддержания нормальной температуры.