Введение

С древнейших времен энергия была важнейшим фактором, определяющим жизнь человека и развитие цивилизации. История энергетики от овладения человека огнем, а затем энергией рек, ветра, солнца, тепловой и атомной энергией отражает постоянный поиск, великие открытия, накопление и передачу от поколения к поколению знаний, важнейшие достижения в области познания законов природы.

В первой книге «От огня и воды к электричеству» научно-познавательного издания «Энергетика: история, настоящее и будущее» дается представление об эволюции Земли, истории освоения человеком энергии рек, ветра с древних времен до эпохи электроэнергетики, освещены начало использования солнечной энергии и её потенциал, а также открытие и использование основных видов ископаемых энергетических ресурсов (угля, нефти, газа, урана).

В настоящей второй книге издания «Познание и опыт – путь к современной энергетике» приводится история развития учения о теплоте и использования тепловой энергии, исследований и открытия основных законов электричества, создания первых электростанций и систем передачи электроэнергии, исследований и использования атомной энергии, создания первых атомных электростанций.

Знания, накопленные человечеством в течение тысячелетий, успехи в познании окружающего мира, достигнутые в эпоху Возрождения и последующий период благодаря работам гениальных ученых Леонардо да Винчи, Коперника, Галилея, Кеплера, Ньютона и многих других, стали основой дальнейшего развития науки и техники. И справедливы слова Ньютона: «Если мы видели дальше других, то это потому, что стояли на плечах гигантов». Большой вклад в установление закономерностей и свойств тепловых явлений, развитие термодинамики и теории теплопередачи сделали выдающиеся ученые: русский ученый М.В. Ломоносов (1711– 1765), французские Э. Мариотт (1620–1684), Ж. Гей-Люссак (1778–1850), С. Карно (1796–1832), немецкие Г. Гельмгольц (1821–1894), Ю. Майер (1814–1878), Р. Клаузиус (1822–1888), английские Р. Бойль (1627–1691), Д. Джоуль (1818–1889), У. Томсон (лорд Кельвин) (1824–1907), Д. Максвелл (1831–1879), американские Б. Румфорд (1753–1814), Д. Гиббс (1839–1903) и многие другие.

Развитие термодинамики и теории теплопередачи позволило решить многие практические задачи. Именно с потребностями производства связано бурное развитие науки. Накопление новых практических знаний в XVI–XVIII вв. благодаря трудам ученых и изобретателей обеспечило дальнейшее развитие техники. Как отметил еще великий древнегреческий ученый и философ Аристотель (384–322 до н.э.), «Деяние есть живое единство теории с практикой».

Промышленная революция в XVII–XVIII вв. вызвала быстрый рост потребности в механической энергии, в первую очередь для горнодобывающей и металлургической промышленности, который уже невозможно было удовлетворить за счет использования водяных колес и ветряных мельниц.

С изобретением теплового двигателя в ХVIII в. человек получил по тем временам неограниченный источник энергии, превращая в механическую энергию теплоту, запасенную в древесине, угле, торфе, а промышленные предприятия уже могли размещаться в любом месте, а не только у реки.

Первые паровые машины английских изобретателей Т. Севери (1650–1715), Т. Ньюкомена (1663–1729) нашли применение в промышленности в ХVIII в. в качестве паровых водоподъемников. Эти первые несовершенные паровые машины стали основой для создания универсальных паровых двигателей.

Более совершенная паровая машина русского изобретателя И.И. Ползунова (1728– 1766), предназначенная для приведения в действие воздуходувных мехов, являлась уже агрегатом непрерывного действия.

Однако только английскому изобретателю Д. Уатту (1736–1819) удалось создать универсальную паровую машину, в которой движущей силой стало не атмосферное давление, а упругость пара повышенного давления, приводящего в действие поршень.

Д. Уатт заложил основы устройства и работы современных паровых машин. Паровые машины Д. Уатта с конца ХVIII в. получили широкое распространение в промышленности. Использование в середине ХІХ в. перегретого пара с температурой до 350°С по предложению французского ученого Г.А. Гирна позволило значительно повысить к.п.д. паровых машин.

Паровая машина является одним из великих изобретений, изменившим картину мира, давшим мощный импульс развитию промышленности, транспорта. Ее создание является ярким примером того, как писал французский философ М. Монтень (1537–1592), что «поистине человеческий ум – большой мастер творить чудеса».

Однако тихоходная паровая машина с низким к.п.д. уже не соответствовала новым требованиям, вызванным в конце ХІХ в. строительством электростанций, и на смену паровым машинам пришли быстроходные компактные паровые турбины большой мощности с высоким к.п.д.

Важнейшую роль в их создании сыграли дальнейшие научные исследования в области термодинамики, теории теплопередачи.

Долгим был путь от прототипа активной турбины, изобретенной итальянским архитектором Д. Бранко в 1629 г., до первой активной турбины промышленного назначения, построенной инженером Лавалем в 1889 г.

Английский инженер Ч. Парсонс в 1889 г. получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, а соединив турбину с электрогенератором, создал первый турбогенератор для электростанции. Существенный вклад в совершенствование турбин внесли американский инженер Ч. Кертис, французский О. Рато, швейцарский Г. Целли и многие другие. В результате в конце ХIХ в. были созданы активные и реактивные турбины, которые в дальнейшем использовались в турбогенераторах электростанций.

Важнейшее значение для развития современной цивилизации имели исследования, связанные с электричеством, – от первых наблюдений явления магнетизма, описанных еще древнегреческим философом и ученым Фалесом Милетским (625–547 до н.э.), до первых исследований явлений магнетизма и электричества выдающимся английским ученым У. Гильбертом (1544–1603), исследования немецкого физика О. Герике (1602–1686), английского С. Грея (1666–1735), французского Ш. Дюфе (1698–1739), американского Б. Франклина (1706–1790), французского Ш. Кулона (1736–1806) и многих других, а также создание первой электрической машины трения О. Герике, изобретение электрической индукционной машины немецкими физиками В. Гольцем и А. Теплером.

Выдающимися достижениями стали опыты основоположника электрофизиологии итальянского ученого Л. Гальвани (1737– 1798) и открытие электрического тока итальянским физиком А. Вольта (1745–1827), создание им довольно мощных источников постоянного электрического тока – «вольтова столба» и гальванической батареи.

В XIX в. работами выдающихся немецких физиков Г. Ома (1787–1854), Г. Кирхгофа (1824–1887), Г. Герца (1857–1894), датского Г. Эрстеда (1777–1851), французского А. Ампера (1775–1836), английских М. Фарадея (1791–1867), Д. Максвелла (1831–1879), Д. Джоуля (1818–1889), русских Э.Х. Ленца (1804–1865), В.В. Петрова (1761–1834) и многих других были исследованы свойства электрического тока, установлены основные законы электрической цепи, на основании которых были созданы первые электрические генераторы и электродвигатели.

Первая магнитоэлектрическая машина, использующая явление электромагнитной индукции, была создана в 1832 г. во Франции братьями Пиксии. Важнейшие усовершенствования в конструкцию динамомашин, служащих для превращения энергии движения в электрическую, внесли виднейший немецкий электротехник В. Сименс, бельгиец Т. Грамм и др. Были созданы динамомашины переменного тока.

Для работы динамомашин (генераторов) использовались паровые, газовые и гидравлические турбины.

Первая в мире крупная центральная электростанция, предназначенная для электрического освещения, была введена в действие в 1882 г. в Нью-Йорке. На ней были установлены 6 пародинамомашин конструкции гениального изобретателя и организатора Т. Эдисона. Такие электростанции быстро получили широкое распространение в США и Европе.

Эффективность централизованного производства электроэнергии была обеспечена применением системы ее передачи потребителям по проводам на значительные расстояния. Впервые передача электроэнергии постоянным током мощностью в 1 л.с. по линии длиной 4 км была осуществлена в 1873 г. в г. Вене французским электротехником И. Фонтеном, а уже в 1891 г. произошла передача электроэнергии трехфазным переменным током напряжением 8500 В от ГЭС мощностью 300 л.с. в Лауфене (Германия) на расстояние 175 км.

Большая заслуга в создании первых крупных систем передачи электроэнергии переменным током принадлежит русскому электротехнику М. Доливо-Добровольскому, сербскому Н. Тесла и др.

В конце XIX в. были созданы эффективные паровые и гидравлические турбины, разработаны генераторы переменного тока, построены первые промышленные электростанции, осуществлена передача электроэнергии на значительное расстояние, что обеспечило дальнейшее быстрое развитие электроэнергетики.

Предвидя великое будущее использования электрической энергии, В. Сименс в 1867 г. писал: «…современной технике даны средства дешевым и удобным способом вызывать электрические токи неограниченной силы…» Открытие явления радиоактивности французским ученым А. Беккерелем в 1896 г. можно отнести к числу наиболее выдающихся достижений современной науки. Оно оказало огромное влияние на ее развитие, позволило значительно углубить познания в области структуры и свойств материи, процессов во Вселенной, овладеть атомной энергией.

За сравнительно короткий промежуток времени в течение первой половины ХХ в. благодаря работам выдающихся ученых разных стран – Марии и Пьера Кюри, Э. Резерфорда, Ф. Содди, С. Мейера, О. Гана, Н. Бора, И. и Ф. Жолио-Кюри, Э. Ферми, И.В. Курчатова, Я.Б. Зельдовича, Ю.Б. Харитона, Г.Н. Флерова, Г. Сиборга и многих других – учение о радиоактивности и ядерная физика получили стремительное развитие. Это нашло практическое применение в 1954 г. на первой в мире Обнинской атомной электростанции мощностью в 5 МВт.

Человечество получило новый колоссальный источник энергии.

Поистине захватывает дерзость человеческого разума, преображающего мир.

«Жаден разум человеческий. Он не может ни остановиться, ни пребывать в покое, а порывается все дальше и дальше», – писал английский философ Ф. Бэкон (1561–1626). Благодаря достижениям многих поколений ученых, изобретателей, инженеров были обеспечены необходимые условия для наступления новой эры – эры современной электроэнергетики.