Физические законы

С какими физическими законами человек сталкивается в энергетике? Физики в энергетике много. Все основные разделы физики, кроме астрономии и теории относительности, представлены в энергетике и достаточно важны в зависимости от того, какая из областей нас интересует. А с появлением солнечной энергетики и других возобновляемых источников, например, приливной электростанции, и астрономия, и все движения Земли вокруг Солнца, Луны вокруг Земли, как минимум тоже присутствуют. Придется тоже иметь дело почти со всей физикой. И помимо физики, многие смежные дисциплины, например, геофизика тоже присутствует в энергетике. И это очень сложная область для того, чтобы с ней иметь дело по-настоящему, чтобы собирать ее в систему, нужно широкое понимание законов физики, которые используются в энергетике и которые позволяют нам работать с основным моментом, который у нас есть. 

Собственно говоря, энергетика даже в своем названии уже имеет физический закон.  Закон сохранения энергии, это то, без чего энергетика не могла бы существовать. Мы пользуемся тем, что энергия сохраняется при преобразовании. Она просто рождается из физики и продолжает движение через все разделы. Мы имеем дело с огромным количеством механизмов различного типа, в которых мы увидим практически всю механику, которую можно себе представить. Там очень сложные приборы такие, как турбины, приборы высочайшего класса с точки зрения механики, расчета механических характеристик, точности, тонкости настроек этих машин. А с точки зрения того, как это впечатляет, для меня были интересны встречи с той “бедой”, которая возникает здесь в механике. Это разного рода аварии. В тот момент, когда я работал в энергетике, случилась авария на одной из московских ТЭС, обошлось без человеческих жертв. Турбина, которая вышла из баланса и разрушилась, разворотила огромный машинный зал, который по размеру как нормальный квартал жилого микрорайона. Эти железяки летали по всей станции. Поэтому знания законов, понимание с чем мы имеем дело, в том числе касается безопасности человеческих жизней. 

Не только в устройствах, но и в самом управлении мы имеем дело с механикой. С более сложной механикой реального мира, которая касается уже тем гистерезиса, темы инерции, темы трения. Все, с чем работает энергетика, касается нашего физического мира и его механических свойств. 

Очень важна термодинамика и статистическая физика. Без нее не было бы возможно преобразование энергии на тепловых и атомных электростанциях. И здесь мы будем иметь дело с газовыми законами, с большим количеством законов, в том числе касающихся полезного коэффициента действия тепловых машин, описания тепловых машин. И возможно именно из энергетики пошло большое направление развития термодинамики и разных сложных описаний тепловых процессов. Для построения тепловых машин оказалось необходимым строить очень сложные варианты в разных описаниях циклов, например, закона Карно, насколько они разнообразно выглядят. 

Естественно энергетика невозможна без темы электричества и магнетизма. При построении системы мы имеем дело с законами Ома и Кирхгофа. Мы имеем дело с законами Фарадея, с уравнениями Максвелла и с многими другими законами, уравнениями, математическими описаниями того, как ведет себя электроэнергия в сети. В том числе даже очень простые законы приводят к тому, что в очень сложной сети, многосвязной, которая, например, охватывает всю нашу большую страну, из простых законов Кирхгофа, например, возникают очень сложные явления за счет связности в сети. И расчет сети - это одна из сложных проблем. В институте, которым я руководил, этим занималась отдельная группа и по стране таких групп меньше десятка. Сложные электротехнические расчеты, сложные расчеты систем даже с применением простых уравнений школьной физики оказываются непростыми и требуют сложной инженерной работы. 

Естественно, атомная энергетика, невозможна без атомной физики. Можно познакомиться с основными уравнениями, которые касаются атомной физики, с основными законами распада, с законами поддерживающейся цепной реакцией, и без работы с ними, мы имеем дело с механизмом, который вообще-то говоря чрезвычайно опасен. Фактически атомная энергетика - это балансирование на острие ножа вокруг того, как управляется атомная реакция, как ей можно управлять. И то, что человеческий фактор здесь может сыграть злую шутку, мы можем посмотреть по авариям в Чернобыле и на Фукусиме. 

Например, в Чернобыле было нарушение людьми физических законов. Когда мы чуть-чуть начинаем выходить за границы физических законов, мы имеем дело с авариями. Если авария на Фукусиме больше была связана со стихийными бедствиями, экономикой и эффективностью, то Чернобыль был типичной ошибкой управления, столкновением человеческого желания поэкспериментировать с физическими законами и с тем, что технический объект очень сложен, с тем, что эксперимент был рассчитан под другой тип реактора. В этом реакторе нет автоматического замедления. Если замедлительными стержнями не управлять, то на Чернобыльской АЭС они автоматически не гасят реакцию. Тот эксперимент, который делали в Чернобыле, нужно было делать на реакторе, который гаснет при отсутствии управления, например. 

Такие истории и знания законов, того как ведет себя физический мир в том числе, то, что при атомной реакции те стержни, которые находятся внутри реактора, имеют свойство постепенно распухать и фактически деформироваться; понимание того, как ведет себя реакция не только в теоретическом физическом мире, но и как она ведет себя в физике твердого тела и в материале тоже очень важная тема.

Наша возобновляемая энергетика вообще невозможна без знаний оптики. Это и геометрическая оптика, и распространение света в среде, в частности для нас это положение электростанций и то, как наклон земной оси и широтность влияет на эффективность расположения электростанций. А также то, как взаимодействует свет с воздухом. Какие явления происходят однородном воздушном пространстве, неоднородном воздушном пространстве. И кроме этого, возобновляемые источники энергии - это гидродинамика, которая работает на гидроэлектростанциях, там можно начинать с законов Бернулли. Аэродинамика, где будем иметь дело с тем, как давит воздушный поток, в частности, на наши ветряные турбины. Электроэнергетика невозможна без электроники и полупроводниковой техники, а значит мы неизменно встречаемся и с квантовой механикой, с физикой твердого тела. 

Даже для того, чтобы просто перечислить разделы физики, крупные разделы физики, уходит приличное время. И, естественно, все эти физические явления в нашем осознании в инженерных расчетах говорят с нами языком математики. Без глубокого знания математики настоящая работа с энергетикой невозможна. Сейчас эта отрасль продвинулась очень далеко. Во многих направлениях мы имеем дело и с очень сложной термодинамикой, которая позволила на современных тепловых станциях получать коэффициент полезного действия в районе 70%. Это огромные величины, но такие тонкие точные математические расчеты, формулы и преобразования, это всегда передний край математики, это расчеты сложных сетей, в том числе динамическое поведение сложных сетей. И тут мы начинаем иметь дело не только с физикой, но и с экономикой, погодой и статистикой. Огромное количество математики, которая касается и физики, и энергосистемы в целом, связано с разными процессами, которые описывает теория вероятностей. И это другой отдельный раздел, о котором сегодня я не упоминал и который тоже будет освещен в нашем курсе, потому что поведение погодозависимой возобновляемой энергетики, поведение потребителей, различные аварийные ситуации, поведение сетей в аварийных ситуациях, все это предмет сложных математических расчетов с использованием теории вероятности.

Для размышления

Какие отклонения от физических законов возникают, по-вашему, в реальной практике энергетики и с чем это связано? Продвинутый вариант: подумать самостоятельно (в том числе не гуглить) и отрефлексировать ход своего рассуждения.

Материалы

• Горшочек, не вари! - Смешарики. ПИН - код | Познавательные мультфильмы
• Сергей Переслегин. Конструируем культурный канон. Лекция № 1. «Три подхода к физике».
  Часть первая.
  Часть вторая.
• Онлайн Гимназия #1. 10 класс - Физика - Замкнутый тепловой процесс. КПД тепловой машины