Фундаментальные основы наукоемких технологий


А.Д. ГЛАДУН





                ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАУКОЕМКИХ ТЕХНОЛОГИЙ




ЦИКЛ ЛЕКЦИЙ








л

Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2015

   А.Д. Гладун
     Фундаментальные основы наукоемких технологий: Учебное пособие / А.Д. Гладун — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2015. — 104 с.
     ISBN 978-5-91559-200-0

     Даются основы знаний в области концептуального проектирования технических систем и технологических процессов. Представлена оригинальная концепция структурирования физического знания. Показано, что современная техносфера функционирует в рамках определенной физико-энергетической среды и что в инженерной практике принципиально важен поиск новых конкурентноспособных методов концентрации энергии в малые объемы за малые промежутки времени. На основе единого энергетического подхода рассмотрены актуальные проблемы современности: промышленное производство и климат Земли, энергия биосферы, энергетика магнитосферы Земли, проблемы солнечной тепловой энергетики, концепция атомно-водородной энергетики. Рассмотрены также актуальные проблемы трибологии. Оцениваются перспективы теории физических структур.
     Лекции будут полезны специалистам промышленности, связанным с инновационной деятельностью, студентам и преподавателям инженерных специальностей.











    ISBN 978-5-91559-200-0


                            © 2015, А.Д. Гладун
                            © 2015, 000 Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

         ОГЛАВЛЕНИЕ









Предисловие автора..........................4

Лекция 1. ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СРЕДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА..................5

Лекция 2. ТЕХНОСФЕРА И ВЫСОКОИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ ОБЩЕСТВО........ 17

Лекция 3. КОНЦЕНТРИРОВАННЫЕ ПОТОКИ ЭНЕРГИИ В НАУКОЕМКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ..........27

Лекция 4. СОВРЕМЕННАЯ ЭНЕРГЕТИКА И КЛИМАТ ЗЕМЛИ............................34

Лекция 5. ЭНЕРГИЯ БИОСФЕРЫ................45

Лекция 6. ПРОБЛЕМЫ СОЛНЕЧНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ................................54

Лекция 7. ТРЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ......61

Лекция 8. РЕЗОНАНСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИЛОЙ СУХОГО ТРЕНИЯ.......................68

Лекция 9. БЫСТРОХОДНЫЙ РОТОР В УПРУГИХ ОПОРАХ..........................76

Лекция 10. КОНЦЕПЦИЯ АТОМНО-ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ................................89

Лекция 11. ФИЗИЧЕСКАЯ АКСИОМАТИКА И ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ ДЛЯ ИНЖЕНЕРА....97

    ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА










           Настоящая книга написана на основе лекций для бакалавров и магистров, которые автор читал на факультете инноваций и высоких технологий, а также в высшей школе системного инжиниринга Московского физико-технического института (МФТИ). На основе единого энергетического подхода, соответствующего задачам концептуального проектирования технических систем и технологических процессов рассмотрены актуальные проблемы современности: промышленное производство и климат Земли, энергия биосферы, энергетика магнитосферы Земли, проблемы солнечной тепловой энергетики, концепция атомно-водородной энергетики. Рассмотрены также актуальные проблемы трибологии.
   Автор признателен всем своим коллегам, настоявшим на издании этих лекций.

ЛЕКЦИЯ

1

 ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СРЕДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА





              Основная цель курса — дать студентам основы знаний в области концептуального проектирования технических систем и технологических процессов. Курс носит междисциплинарный характер. В нем представлена оригинальная концепция структурирования физического знания.
       Во всем мире сократились бюджетные ассигнования на науку. Практически повсеместно происходит подчинение познания требованиям эффективности и быстрой востребованности на рынке. Период научных открытий сменяется временем использования плодов этих открытий — временем инноваций. Наука становится «слишком прикладной» и с технологической точки зрения все более приближается к производственному процессу.
       В связи с этим чрезвычайную актуальность приобрели исследования по так называемым интеллектуальным системам, основанным на знаниях. Информационные фонды таких систем составляют программные средства, базы данных и базы знаний. Создание базы структурированного физико-технического знания — это проблема чрезвычайной сложности. Основная трудность состоит в том, что понятийные аппараты физического и технического знаний существенно различны. Инвариантными понятиями физики являются понятия типа: пространство, время, энергия, импульс, состояние, поле, вещество и т. д.
       С другой стороны, инвариантными понятиями техники и технологий являются другие понятия: технический объект, технологическая система, принцип действия системы, техническая функция, функциональная структура, техническое решение и т. д.
       Однако сама идея интеллектуальной системы, основанной на физико-техническом знании, обусловлена необходимостью более тесной коммуникации физики и техники. Существует, следова-

—I Цикл лекций «Фундаментальные основы наукоемких технологий» тельно, задача своеобразного интеллектуального, точнее, понятийного интерфейса между техническим и физическим знаниями.
       Можно видеть, что не все физические теории обладают одинаковой коммуникабельностью с техникой. Наиболее коммуникабельной теорией, на наш взгляд, является в настоящее время физика сплошных сред в форме термодинамики неравновесных процессов. Ее понятия наиболее приспособлены для использования в наукоемких инновациях. Статистическая физика и физическая кинетика связывают физику сплошных сред с фундаментальными теориями современной физики.
       Одна из христианских заповедей гласит: «Не сотвори себе кумира». Человечество, однако, сотворило себе кумира — технология сегодня осознается как важнейший базис цивилизации. Ей поклоняются во всем мире. Современный человек с рождения попадает в мир техники и технологий. Он пользуется его услугами в быту, работает с ним на производстве. На его глазах рождаются все новые и новые машины, приборы, инструменты, услуги. Когда-то человек мог убивать другое животное, забив или разодрав его руками, затем он обзавелся топором, копьем стрелой, пушечным ядром, артиллерийским снарядом. Ныне заряды, которыми оснащены ракеты, могут уничтожить само человечество. Шестизарядный револьвер был известен на американском Западе в XIX в. как great equalizer (великий уравнитель). Сегодня великим уравнителем в мире является гениальное технологическое изобретение XX в. — ядерное оружие.
       Идеология технологической цивилизации была подготовлена в течение XVI столетия, в период гуманистических утопий. Слово «утопия» означает буквально «место, которого нет». Католический священник Томас Мор (1478—1535) в своей небольшой книге «Утопия» впервые изобразил общество, в котором все поступают разумно, а лидеры которого, что особенно подчеркивается, обладают всеми научными знаниями своего времени и руководствуются ими. Вплоть до появления пьес Шекспира эта книга была самой читаемой в Европе, особенно в Англии.
       Идея технического и научного прогресса родилась в XVII в. Благодаря промышленной революции XIX в. вера в прогресс приобрела характер религиозного убеждения. Повышение уровня жизни, каждодневные чудеса науки и техники убеждали в том, что наука гарантирует безграничный прогресс человечества во всех сферах жизни.

    Лекция 1. Физико-энергетическая среда технологического общества —I 7

    К настоящему времени, однако, наука потеряла статус «ключа к утопии». Не только экологический кризис, Чернобыльская катастрофа, но и специальные исследования по оценке технического прогресса вызывает чувство тревоги и настороженности. Нынешний характер производства и потребления в промышленно развитой части мира подрывает системы, поддерживающие жизнь на Земле. Если человечество будет продолжать жить так, как оно жило до этого, то оно познает, что такое конец света.
    Хотим мы этого или не хотим, мы живем в технологическом, индустриальном обществе. Физтех — тоже детище технологического общества.
    Энергия всегда играла значительную роль в жизни общества. Начиная с огня, овладение каждым новым, более совершенным источником энергии, приводило к существенному прогрессу в технике и открывало большие перспективы. Вспомним хотя бы промышленную революцию XIX в. Она была основана в значительной мере на овладении новыми видами топлива — каменным углем и нефтью.
    Со времени открытия земледелия и скотоводства до начала XVIII в численность населения Земли медленно росла и увеличилась за 10⁴ лет в 20 раз. За двести лет дополнительного энерговложения урожайность пахотных земель возросла в три раза, площадь обрабатываемых земель увеличилась в два раза. Это привело к росту численности населения примерно в пять раз, которое в настоящее время составляет около 6 • 10⁹ человек. Существование людей на вновь освоенных территориях, а также на территориях традиционного обитания стало невозможным без дополнительных энергозатрат. Современный расход энергии составляет около 10¹⁰ кВт. Эта величина примерно на порядок превышает допустимую мощность возобновляемых биосферных источников энергии. Затраты полезной мощности на полях мира в среднем составляют половину калорийности съедобного урожая. На лов рыбы в океане затрачивается мощность, близкая к калорийности выловленной рыбы. Общие затраты на потребление продуктов биосферы составляют около 30 % общего энергопотребления.
    Таким образом, увеличить свою долю в потреблении растительной продукции биосферы человечеству удалось за счет энергопотребления невозобновляемых ископаемых ресурсов.

—I Цикл лекций «Фундаментальные основы наукоемких технологий»

       Потребление продуктов биосферы с использованием невозобновляемых ресурсов ископаемого топлива составляет 2,6 • 10¹⁰ кВт или 6 кВт/чел. Эта величина превышает биологическое потребление пищи (~100 Вт/чел) в 60 раз. Надушу населения современный человек затрачивает в сотни раз больше энергии, чем первобытный человек — собиратель плодов, корнеплодов и почек — на добывание такого же количества пищи.
       Нормально это? Думаю, что нет. Человечество упрямо загоняет себя в тупик.
       Величина удельного потребления энергии на душу населения отражает, как правило, уровень жизни в данной стране. Чем выше удельное потребление энергии, тем выше уровень жизни в стране. Так, в США удельная мощность потребления невозобновляемых ископаемых ресурсов энергии на одного человека превышает 10 кВт/чел (общее энергопотребление ~20 кВт/чел). В промышленно развитых странах эта величина достигает от 3 до 7 кВт/чел. Средняя потребляемая на душу населения мощность (затраты на отопление, освещение, промышленное производство, транспорт, сельское хозяйство и т. д.) составляет чуть больше 2 кВт. Однако около 75 % населения Земли потребляет 0,5 кВт мощности, а 8 % людей расходует мощность 100 Вт на одного человека. Это соответствует потреблению энергии первобытного человека, что неизбежно приводит к голоду и лишениям.
       С точки зрения экологии глобальные асимметрии еще более разительны. Несмотря на развитие средств информации, транспорта и торговли на планете сегодня сосуществуют популяции с разными экологическим нишами — собиратели, охотничьи народы, примитивные земледельцы и скотоводы, индустриально-урбанистические и индустриально-агрикультурные страны.
       Почти все виды энергии, используемые человеком, сводятся к солнечной энергии. Пища является, по существу, солнечным светом, собранным, накопленным и преобразованным в углеводы посредством фотосинтеза в листьях зеленых растений; уголь и нефть — это солнечный свет, накопленный и переработанный миллионы лет назад доисторическими лесами. Энергия воды и ветра создается благодаря механическому воздействию солнечного тепла на атмосферу и океаны, моря, озера и реки Земли. Мощность потока солнечной энергии на всю Землю вне атмосферы составляет 1,7 • 10¹⁴ кВт.

    Лекция 1. Физико-энергетическая среда технологического общества —1 9

    Неуклонный рост потребности в энергии обусловлен ростом численности населения Земли и стремительным технологическим развитием многих стран. Важно при этом заметить, что в промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве существенна не столько величина потребляемой энергии, сколько возможность ее концентрации в малых объемах за малые интервалы времени.
    В самом деле, плотность потока солнечной энергии у поверхности Земли составляет величину порядка 1,6 • 10⁻² Вт/см². Однако уже на агрегатах современных гидростанций эта величина достигает порядка 10³ Вт/см². Диапазон термических воздействий при обработке материалов расположен в интервале от 10³ до 5 • 10⁸ Вт/см². Для плавки и испарения в вакууме необходимы плотности потока энергии q ~ 10⁵ Вт/см². Прецизионная обработка материалов пучками заряженных частиц сопровождается потоками энергии, для которых q ~ 5 • 10⁸ Вт/см². При взрыве кумулятивного заряда q ~ 10¹¹ Вт/см². В современных мощных лазерах величина q достигает порядка 10²¹ Вт/см².
    Сколь долго это может продолжаться? Ведь концентрируя потоки энергии, человек, по существу, «тянет одеяло на себя». Это нарушает биогеохимические циклы биосферы. Осознание этого обстоятельства должно стать достоянием каждого образованного человека. Проблемы антропогенного канала экологии стали крайне актуальными. Однако без знания законов природы, на основе которых человечество в своем технологическом развитии концентрирует потоки энергии, продвинуться в решении этих проблем невозможно. Физика здесь играет решающую роль. Получение, хранение, трансформация и концентрация энергии во времени и пространстве — магистральное направление современной физики.
    Современное технологическое общество функционирует в рамках некоторой физико-энергетической среды. Нам представляется, что самой актуальной научной проблемой современности является оценка предельных возможностей этой среды.

       Что такое энергия?
    Хотите узнать ответ на этот вопрос? Задайте его своим знакомым и близким — вы узнаете много интересного. Например, «Энергия — это свет и тепло», «Энергия — это то, что мы едим», «Энергия — это космические лучи», «Энергия — это то, чего у меня нет»... В повседневных беседах и разговорах можно услышать: «Вы сегод

¹⁰ -V

Цикл лекций «Фундаментальные основы наукоемких технологий»

ня полны энергии!», «Ваш спектакль подавил меня своей энергией», «Жестокая борьба в мире за невозобновляемые источники энергии продолжается». Школьник может сказать: «Существуют различные формы энергии — энергия кинетическая, потенциальная, тепловая, химическая, электрическая, но закон сохранения энергии утверждает, что энергия никогда не создается и не уничтожается, она может только переходить из одной формы в другую».
   Житель другой планеты, случайно попавший на Землю и не знающий нашей терминологии, из всех этих разговоров сможет, по-видимому, понять только одно: видимо, энергия — это какая-то неуловимая сущность, перетекающая из одного тела в другое. Давайте поможем ему разобраться, в чем здесь дело.
   Открываем энциклопедию по физике. Читаем: «Энергия (от греч. energia — действие, деятельность) — общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Понятие энергии связывает воедино все явления природы». Понятно?
   Думаю, что инопланетянина, если он не философ, это определение удовлетворить не сможет. Он наверняка подумает, что это — злоупотребление терминами, специально для этого созданными. Рациональный ум требует более ясной интерпретации, большей конкретизации.
   Можно видеть, что без термодинамики здесь не обойтись. Чтобы понять, какой смысл вкладывает физика в понятие «энергия», необходимо знать не только первый (закон сохранения энергии), но и второй закон термодинамики, который связан с другой важнейшей физической величиной — энтропией.
   Рудольф Клаузиус ярко и сжато сформулировал два начала термодинамики:
   1. Энергия Вселенной постоянна (Die Energie der Welt ist constant).
   2.    Энтропия Вселенной стремится к максимуму (Die Entropie der. Welt strebt einem Maximum zu).
   (Это не совсем корректная формулировка законов термодинамики, но она удобна для запоминания.)
   Арнольд Зоммерфельд добавил к этому не менее образно:
   •  закон сохранения энергии играет в мире роль бухгалтера;
   •     закон возрастания энтропии играет в мире роль директора, указывающего направление его развития.
   Лорд Кельвин (Вильям Томсон) интерпретировал второй закон термодинамики как принцип деградации энергии. Энергия

Лекция 1. Физико-энергетическая среда технологического общества

Дг ¹¹

высокого качества (high grade) — это механическая и электрическая энергия. Энергия среднего качества — это химическая энергия. Энергия низкого качества — это тепло.
      В замкнутой изолированной системе общее количества энергии остается неизменным. Преобразования энергии или химические реакции внутри системы не изменяют качества энергии при обратимых процессах. Необратимые процессы понижают качество энергии. Она при этом деградирует.
      Качество энергии может быть точно определено через отрицательную энтропию. Согласно второму началу термодинамики отрицательная энтропия всегда убывает. Кельвин назвал отрицательную энтропию негэнтропией (сокращение для negative entropy).
      Если в систему обратимо втекает количество тепла Q при температуре Т, то энтропия возрастает на величину



Д S = ^

Т

      Если Т = 0, то S = 0 (третий закон термодинамики). Полученное системой тепло Q равно сумме совершенной системой работы А и изменения A U ее внутренней энергии:

Q = А + AU (первый закон).
      При обратимых изменениях полная энтропия всех частей системы не изменяется, при необратимых — всегда возрастает:
AS > 0 (второй закон).
      Рассмотрим две соприкасающиеся системы а и b, которые могут обмениваться работой и теплом. Будем считать, что система ab изолирована от своего окружения. Поскольку
                          A U = -A Ub, первый закон термодинамики дает:
Аа⁻ Qa⁺Aa⁻ Qb = ⁰.
      Из второго закона следует, что
ASₐ + ASb > 0.
      Здесь индексами а и b отмечены величины, относящиеся к системам а и b. Приведем несколько примеров.