Посмотрите на цепочки превращений энергии из одной формы в другую и угадайте, о каких электростанциях идет речь:
Глава 3.Где энергию хранят?
Энергию мало получить, важно уметь ее накапливать и хранить до тех пор, пока она не понадобится. Это как с урожаем, который нужно не только вовремя собрать, но и сберечь на потом, когда захочется есть. Для разных продуктов подходят разные способы хранения: заморозить, законсервировать, засолить… Для разных форм энергии тоже существуют разные накопители.
Есть накопители и для тепловой энергии, хранящие нагретые камни или специальные жидкости. Отдавая тепло, такой накопитель нагревает воду, получает пар – и, как обычно, крутит генератор. Кинетическую энергию накапливают маховики – тяжеленные стальные диски, раскрученные до очень большой скорости. А запас химической энергии в виде топлива хранится в бензобаке любого автомобиля.
Водохранилища накапливают гравитационную энергию воды для гидроэлектростанций. Инженеры разрабатывают такие накопители с тяжеленными мешками, заполненными песком, или с массивными гранитными глыбами. Мощный двигатель поднимает их на высоту, запасая гравитационную энергию. Когда она понадобится, груз будет опускаться на тросе, раскручивая генератор и вырабатывая электричество.
Всем известны и накопители электрической энергии: батарейки и аккумуляторы, которые работают в планшетах, смартфонах, игрушечных машинках и даже настоящих машинах. Когда аккумулятор заряжается, приходящие в него заряды накапливают энергию, образуя химические связи. Когда аккумулятор отдает энергию какому-нибудь прибору, связи распадаются, энергия уходит – и требуется снова искать розетку.
Химические вещества, которые сохраняют заряды внутри батарейки, очень ядовиты. Они могут нанести вред, даже просто попав на кожу, и опасны для живой природы. Поэтому старые испорченные батарейки и аккумуляторы нельзя выбрасывать как обычный мусор. Их собирают в специальные мусорные контейнеры, а потом увозят на химические фабрики для переработки.
Но зато аккумуляторы очень удобны. Их можно быстро зарядить и быстро разрядить, получив энергию сразу, как только она потребуется для дела. С водохранилищем такого не получится: попробуй наполни его хотя бы за неделю! Кроме того, аккумулятор можно сделать почти любого размера. Крошечные батарейки можно поместить и в игрушечную машинку, и даже в наручные часы. А накопитель с раскаленным камнем не поместится и в квартиру!
Не стоит даже пытаться разобрать аккумулятор. Во-первых, он может взорваться. Во-вторых, он содержит вещества и металлы, ядовитые для людей и для природы, такие как литий и кобальт. Поэтому старые батареи перерабатывают на специальных заводах, осторожно извлекая ценные металлы с помощью машин.
Но вообще-то далеко не у всех часов и машинок есть аккумулятор. Многие из них работают от заведенной пружины. Сжатая или растянутая, пружина старается вернуть свою обычную форму, как висящее яблоко стремится упасть на Землю. Поэтому сжатая пружина накапливает особую форму энергии, упругую.
Мы сталкиваемся с ней каждый раз, выходя из подъезда и с усилием толкая тяжелую дверь. При этом силы расходуются не только на то, чтобы сдвинуть саму дверь, но и на растяжение ее пружины. Удлиняясь, она накапливает упругую энергию. Как только мы выскочим наружу, пружина начнет ее отдавать, закрывая дверь обратно.
На этой упругой энергии работают заводные часы и машинки. Заводя их, мы сильно скручиваем пружинную спираль, накапливая запас упругой энергии. Стоит лишь слегка ее освободить – и спираль начнет раскручиваться, передавая усилие шестеренкам часового механизма или колесам игрушки.
Упругая энергия используется повсюду, и самые крошечные пружинки можно найти в механических наручных часах. А грузовые вагоны опираются на пружины из сверхпрочной стали, каждая из которых весит по 7–10 килограммов.
Благодаря упругой энергии стреляет и обыкновенный лук, спортивный или охотничий. Лучник накапливает ее, натягивая тетиву, – и она пускает стрелу в полет, как только стрелок разожмет пальцы. И лук, и заводная машинка, и дверная пружина превращают упругую энергию в кинетическую – в движение. Если как следует подумать, разве это не удивительно?
Получается, все, что с нами происходит, – да и вообще все, что делается в мире, – это течение энергии, ее превращения из одной формы в другую: тепловой в электрическую, химической в тепловую, кинетической в упругую и обратно. Каждая форма энергии по-своему полезна, для каждой существуют свои способы ее добыть, сохранить и накопить. До использования остался один, последний шаг – передать энергию туда, где она требуется.
Рогатки устроены так просто, что кажутся очень древним изобретением. На самом деле они появились только в XIX веке, после того как был найден способ получать упругую и прочную резину. До этого уличные хулиганы предпочитали действительно старинное орудие – пращу.
Главный носитель химической энергии – это ископаемое топливо: каменный уголь, газ, нефть, из которой делают бензин, керосин и другие горючие жидкости. Уголь используется некоторыми электростанциями, газ горит в кухонной плите, бензин заливают в бак автомобиля. Но добывают это топливо обычно где-то очень далеко от плиты и бака. Где-нибудь там, где с древних времен остались богатые природные залежи. Для того чтобы передать энергию топлива к месту, его нужно перевезти.
Запасы нефти скрываются глубоко под землей и снаружи бывают незаметны. Их поисками занимаются геологоразведчики. Присутствие ископаемого топлива можно заметить по сопутствующим минералам, которые образовались вместе с нефтью и поднялись на поверхность.
Проще всего с углем. Он недаром называется «каменным» и действительно похож на черные, увесистые обломки. Уголь загружают в вагоны и перевозят поездами. Существуют вагоны и для транспортировки газа – прочные цистерны. Передавать газ можно также по трубам. Самые большие газовые трубопроводы тянутся на тысячи километров, иногда даже по морскому дну.
А жидкую нефть можно доставить и в цистернах по железной дороге, и в трубах, и даже в специальных морских судах – танкерах. Некоторые из них по-настоящему огромны. В трюмы танкера помещается столько нефти, что ее энергии хватило бы на небольшой город. Есть и суда для перевозки газа – его превращают в жидкость и закачивают в газовозы с гигантскими цистернами.
Как нефть течет по трубам, так электричество движется по проводам. Высоковольтные линии несут сразу много энергии, как толстые трубы магистральных трубопроводов. Это электричество так сильно и опасно, что провода подвешивают как можно дальше от земли и от людей, на прочных высоких опорах. Одна линия электропередач может снабжать сразу несколько городских районов.
Провода поменьше висят на обычных уличных столбах и несут электрическую энергию в отдельные кварталы и дома. А тонкий провод зарядного устройства доставляет ее прямо в аккумулятор планшета.
Стальные опоры ЛЭП прекрасно передают электричество, и важно, чтобы они нигде не прикасались к проводам, по которым идет ток. Поэтому провода подвешивают на керамических гирляндах – изоляторах. Они не позволяют электрическим зарядам переходить из провода в металлическую башню ЛЭП.
Электричество нужно всем, и провода попадаются на глаза почти всегда, куда ни кинь взгляд. Если взять одни только высоковольтные линии, которые опутывают Землю, и вытянуть их в одну, то общая длина этого провода будет больше пяти миллионов километров! Это как семь или восемь раз слетать до Луны и обратно.
Электрическую энергию можно передавать и просто по воздуху, но только на небольшие расстояния. Так работают, например, беспроводные зарядные устройства. Но когда-нибудь ученые научатся пересылать электроэнергию и на сотни километров. Было бы здорово избавиться от проводов, которые постоянно попадаются на глаза. Да и зарядку для планшета носить с собой не придется.
Инженеры думают, что уже скоро мы сможем собирать солнечную энергию в ближнем космосе, на околоземной орбите, где света намного больше. Передавать эту энергию вниз, на Землю, будут без проводов, с помощью мощного лазера. Приемная станция превратит энергию луча в электричество.
Глава 4.На что энергию тратят?
Когда, наконец, бензин добирается до автомобиля, а электричество приходит в розетки наших домов, начинается самое главное. Приходит пора израсходовать энергию, чтобы сделать что-нибудь полезное или просто интересное. И если внимательно рассмотреть, что окружает вас в квартире, можно заметить, как много вещей здесь тратит электричество на разную работу. Холодильник морозит свое нутро, а лампочка светит, чайник закипает, пылесос всасывает воздух, планшет запускает игру.
Для каждого дела требуется разное количество энергии, и на каждом приборе обязательно указано, как быстро он ее расходует. Потребление электроэнергии измеряют в ваттах (Вт) и киловаттах (кВт), как вес – в граммах (г) и килограммах (кг). Если внимательно поискать, то и на чайнике, и на утюге можно найти неприметную надпись: столько-то кВт.
На холодильнике могут указывать расходы энергии за год, а на стиральной машине – за одну стирку. Попробуй найти эти цифры на своих домашних электроприборах. Какой из них самый прожорливый? А какому нужно меньше всего энергии?
Добирается до места и энергия ископаемого топлива. Бензин заливают в топливный бак автомобиля, керосин – в самолет, дизельным топливом заправляют тяжелые грузовики и морские суда. А дальше в работу вступают их двигатели, которые превращают химическую энергию в кинетическую – крутят колеса, винты и пропеллеры.
Топливо подается в двигатель маленькими порциями и поджигается обычно электрической искрой. Каждая порция сгорает, и оставшиеся от нее раскаленные газы толкают поршень двигателя, как пар над кастрюлей подбрасывает крышку, только намного сильнее. От движений поршня взад и вперед приходят в движение колеса.