Рынок углеводородов не только играет важнейшую роль в экономике, но и определяет основные принципы мировой политики. Зачастую именно энергоносители дают толчок к развитию целых регионов и направлений бизнеса. В нашем проекте «ТЭК 360» мы рассмотрим ключевые тренды отрасли, перспективы ее развития, влияние на другие сферы экономик.
Тема
месяца
Наука и ТЭК

Наука о топливе — от древности до наших дней

Весь путь человечества — это взаимодействие с источниками энергии. Можно сказать, что наши энергетические аппетиты сформировали лицо современной науки, а наука дала нам ответы на многие вопросы и определила направления развития промышленности. Сегодня для решения новых проблем нужны специалисты самых разных областей знания, но когда-то все начиналось с самых простых наблюдений.

Никто не знает, когда человек впервые стал использовать огонь, но ясно, что он использовал какой-то природный источник пламени. Это могло быть пламя, созданное лавой вулкана, загоревшееся от удара молнии дерево или трава. Огонь был сохранен, и люди стали поддерживать его, поскольку зажигать сами еще не умели.

Примерно 80 тысяч лет назад у огня появилась специализация — освещение. Сначала появились лучины, но настоящей энергетической революцией стало создание плошки с примитивным фитилем, в которой сгорал жир. Она не давала много тепла, зато давала свет. И главное — для нее требовалось другое топливо. Набор энергоносителей стал расширяться.

Период зарождения цивилизации в Месопотамии между реками Тигр и Евфрат характеризуется и расширением представлений о видах топлива. Произошло знакомство с нефтью и природным газом, хотя практическое применение нашел в первую очередь битум.

В эпоху античной Греции и уж тем более имперского Рима ученые уже знали многое о различных видах топлива и о трансформации энергии из одного состояния в другое. Для отопления стал применяться каменный уголь, который был впервые описан Теофрастом примерно в 315 году до нашей эры. Широкое применение каменного угля в то время началось и в Китае.

Эпоха Средневековья отбросила науку назад. Потребовалось дождаться Возрождения, чтобы пытливый ум снова стал собирать крупицы знаний. Сказывалась и информация, полученная извне. Например, Марко Поло, описывая свое путешествие в Китай в 1310 году, сообщал о выгодах использования каменного угля. К этому времени относится и закладка первых шахт в Англии и Германии. Горное дело стало получать особое, топливное, направление.

К концу XVII века начало чувствоваться сокращение запасов промышленной древесины. Это подстегнуло инженерные и научные изыскания в области теплоэнергетики. В первой половине XVIII века требовались уже строгие инженерные расчеты и понимание природы тепла. Сначала появился термометр Фаренгейта, в котором использовался либо спирт, либо ртуть, в 1730 году свой термометр предложил Реомюр, приняв за 1 градус расширение спирта на одну тысячную долю своего объема. В 1742 году свою шкалу разработал Цельсий, взяв за основу градуировки такие точки, как плавление льда и кипение воды. Изучение природы тепла получило свои надежные инструменты.

Величайшее открытие сделал в середине XVIII века Джозеф Блэк, который обнаружил, что одинаковая масса ртути нагревается на одном и том же пламени гораздо быстрее, чем вода. Он открыл удельную теплоемкость веществ, выяснив, что, хотя масса ртути в 13 с половиной раз больше, чем воды, ее удельная теплоемкость примерно в 27 раз меньше. Это открытие повлекло в будущем целое направление инженерной мысли, связанное с теорией теплообмена. Наши котлы и радиаторы автомашин, утеплительные материалы и многое другое — все это связано с учетом удельной теплоемкости.

XIX век стал настоящим «научным взрывом», ощущаемым и поныне. В 1824 году фундаментальный прорыв совершил француз Сади Карно, своим трудом «Размышления о движущей силе огня» заложив начало термодинамики. Карно взялся за разработку принципов этой науки, когда даже природа теплоты не была до конца понятна. Но его подход позволял проектировать машины и понимать параметры их работы еще до того, как они были построены. Все, что мы видим сегодня — двигатели внутреннего сгорания и турбины, ракетные двигатели и водогрейные котлы, — все это стало возможным после труда Карно.

Во второй половине XIX века началось время электричества. Чтобы его получить, стали строиться тепловые электростанции. Вопрос качества топлива стал крайне актуальным. Расчет машин, их эффективности сделался крайне сложным. Термодинамика, теория сопротивления материалов, металлургия — все это зиждется на мощнейшем математическом аппарате. Можно сказать, что век пара подтолкнул развитие точных наук.

Мы сегодня даже не думаем о том, какой огромный путь проделала наука, чтобы научиться получать продукты с заданными свойствами. Казалось бы, такая простая вещь, как природный газ, но он должен прийти в ваш дом уже стандартизированным веществом со строго определенными свойствами, термическая эффективность которого будет соответствовать стандартным газовым горелкам. Турбины самолетов работают на керосине, мы заливаем в баки наших машин высокооктановый бензин, электростанции используют газ, мазут или уголь, чтобы дать нам энергию для наших гаджетов. Мы делаем наши машины все более экономичными и эффективными, совершенствуя и наше топливо, все более дифференцируя его по свойствам.

Новое поле деятельности сегодня — разработка систем прямого преобразования скрытой энергии органического топлива в электрическую энергию. Это новый вызов науке, поле новых решений, неизбежных неудач и выдающихся успехов. Все еще только начинается, и у новых поколений теплофизиков впереди еще много работы.