Фізика енергії

[Кувалда]

Robert L. Jaffe, Washington Taylor. The Physics of Energy. Cambridge University Press; 1st Edition, 2018, 894 pages.

Нагорода PROSE (Professional and Scholarly Excellence – професійні та наукові досягнення) за підручник (Фізичні науки та математика) від Асоціації американських видавців (2019).

ФІЗИКА ЕНЕРГІЇ

Про авторів
Роберт Л. Джафе займав посаду Морнінгстарів на фізичному факультеті Масачусетського технологічного інституту. Раніше він був директором Центру теоретичної фізики Масачусетського технологічного інституту, а нещодавно очолював групу зі зв’язків з громадськістю Американського фізичного товариства. Джафе найвідоміший своїми дослідженнями кваркової підструктури протона та інших сильновзаємодійних частинок, екзотичних станів речовини та квантової структури вакууму. Здобув ступінь бакалавра в Принстоні, а докторський ступінь у Стенфорді. На знак визнання його внеску у викладання та розроблення курсів у Масачусетському технологічному інституті, Джафе отримав численні нагороди, зокрема престижну стипендію Мак-Вікар. Джафе – член Американської академії мистецтв і наук.
Вашингтон Тейлор – професор фізики в Масачусетському технологічному інституті, а тепер директор Центру теоретичної фізики. Дослідження Тейлора зосереджені на основних теоретичних питаннях фізики елементарних частинок і гравітації. Тейлор зробив внесок у наше розуміння фундаментальних аспектів теорії струн і множини її розв’язків, зокрема зв'язків з обмеженнями низькоенергетичної теорії поля і спостережної фізики, а також у нові результати в математиці. Тейлор здобув ступінь бакалавра математики в Стенфорді і ступінь доктора фізики в Каліфорнійському університеті в Берклі. Серед інших відзнак, Тейлор був степендіатом Алфреда П. Слоуна і видатним молодшим дослідником Департаменту енергетики, а також отримав викладацьку премію Бюхнера від Масачусетського технологічного інституту.

Про книжку
«Фізика енергії» забезпечує вичерпний і систематичний вступ до наукових принципів, що регулюють джерела енергії, використання та системи.
Цей вичерпний підручник простежує потік енергії з таких джерел, як сонцева енергія, ядерна енергія, енергія вітру, води та викопного палива через її перетворення в таких пристроях, як теплові двигуни та електричні генератори, до її використання, зокрема перенесення, опалення, охолодження та інші застосунки. Потік енергії через атмосферу та океани Землі, а також проблеми систем, зокрема накопичування, електричні мережі, ефективність та збереження, представлені в науковому контексті разом із такими темами, як радіація від ядерної енергії та зміна клімату через використання викопного палива.
Для студентів, науковців, інженерів, професіоналів енергетичної галузі та причетних осіб із певним математичним та науковим досвідом, які бажають кількісно зрозуміти енергетичні системи та проблеми, цей підручник буде дуже цікавий.

Відгуки
Довгоочікувана книга, що вичерпно охоплює основи, які потрібно опанувати інженерам, науковцям та іншим спеціалістам в енергетичних галузях. Чудово написана, вона відкриває та представляє науку, що лежить в основі енергетичних систем, у чистому, але доступному вигляді, надаючи багато прикладів із реального світу, які допомагають унаочнювати та пристосовувати ці знання. Ця книга стане чудовим підручником для базового курсу з енергетики.
Хурам Афріді, факультет електротехніки, комп'ютерної техніки та енергетики, Колорадський університет у Боулдері

Знайти енергію для живлення цивілізації, яка наближається до 10 мільярдів людей, без неприйнятних наслідків для довкілля, – найбільше завдання, яке стоїть перед людством у цьому столітті. Ця книга розвиває всі фундаментальні концепції фізики, що лежать в основі кількісного розуміння джерел енергії, взаємоперетворення та кінцевого використання, – суттєвих частин розв’язання цієї проблеми. Вона стане унікальним і авторитетним підручником з викладання цих тем. ... Загалом це майстерний виклад фундаментальних концепцій фізики та їх застосування до проблеми енергії та довкілля.
Майкл Дж Азіз, Джин і Трейсі Сайксів професор матеріалів та енергетичних технологій, Гарвардська школа інженерії та прикладних наук Джона А. Полсона

Підручник Джафе і Тейлора – неоцінний ресурс як для викладачів, так і для студентів, розглядає фізику енергії, тему, найважливішу для людства. ... Книжка має великий потенціал як навчальний текст для нових курсів фізики енергії та обіцяє стати класикою на довгі роки.
Кетрін Бекер і Мелані Бекер, Техаський A&M університет

Джафе і Тейлор випустили одним томом вичерпний текст про джерела енергії, технології перетворення енергії та використання енергії з об’єднавчого фізичного погляду. У межах курсу або самостійного вивчення «Фізика енергії» може послужити основою для розуміння традиційних і відновних енергетичних технологій.
Пол Дебевек, професор у відставці фізичного факультету Ілінойського університету

Джафе і Тейлор уклали вичерпний трактат, який охоплює всі аспекти енергії: її фундаментальну роль у фізиці, її джерела та використання. Окрім того, що ця книга послужить основою для різноманітних курсів, вона має стати неоцінним ресурсом для всіх, хто цікавиться фізикою енергії в усіх її формах.
Дейвід Ґрос, професор теоретичної фізики Інституту теоретичних наук Кавлі, Каліфорнійський університет, Санта-Барбара, лавреат Нобелівської премії з фізики, 2004 р.

Книга може бути дуже корисною як підручник середнього рівня, як огляд для самонавчання для вдумливого аналітика щодо енергетичної політики або як настільний довідник, що охоплює фізику повного спектра енергетичних тем – усе, починаючи з енерговмісту біопалива, безпечного проєктування ядерних реакторів, ефективного проєктування та розміщення вітрових турбін, потоку геотермальної енергії та ще десятки тем... Ця книга дуже ефективно заповнює прогалину між великою кількістю спрощених розглядів енергетичних питань і книгами для повнозайнятих професіоналів у різних галузях енергетики.
Раш Голт, головний виконавчий директор Американської асоціації розвитку науки, колишній член Конгресу

Ми живемо в епоху чудес, коли проєктувальник практично в будь-якій галузі техніки може знайти запаморочливий асортимент інструментів, матеріалів, компонентів і будівельних технологій. ... «Фізика енергії» відповідає на питання, з чого почати. Жодна інженерна бібліотека не буде повною без примірника цього літературного та інтелектуального шедевру. Блискуча історія про основи всього.
Стівен Ліб, професор електротехніки та комп'ютерних наук, Масачусетський технологічний інститут

Ця книга – єдине вичерпне обговорення джерел, потоків та використання енергії з тих, що я знаю. ... Вона розроблена як текст для курсу на рівні коледжу або як нагадування для тих, хто вже має кваліфікацію, і успішно досягає своєї мети – познайомити студента з наукою про енергію.
Бертон Ріхтер, професор фізичних наук Пола Пігота, почесний директор Стенфордського центру лінійного пришвидшувача, лавреат Нобелівської премії з фізики, 1976 р.

Це унікальний підручник: широкий, глибокий і вкрай важливий для нашого суспільства. ... [Студенти] також надихаються новими поглядами на природу та повсякденне життя: жодна інша книжка з енергії не охоплює теплові помпи, двигуни з іскровим запалюванням, зміну клімату, дуальність хвиль і частинок та Великий вибух.
Джошуа Він, Принстонський університет

Ця чудова книга надає дивовижно вичерпне, а крім того, глибоке й точне висвітлення фізики енергії. Вона також знайомить із більшою частиною інженерії, а також дечим з хемії та біології. Бувши чудовим текстом для тих, хто тільки починає вивчати цю тему, вона стане неоцінним довідником для досвідчених дослідників, які прагнуть освіжити, поглибити або розширити свої знання та розуміння.
Сер Кріс Левелін Сміт, член Королівського товариства, директор з енергетичних досліджень Оксфордського університету та генеральний директор ЦЕРНу, 1994–1998 рр.

Джафе і Тейлор створили шедевр, який закладає наукові основи джерел енергії, використання та систем – від викопного палива до геотермальної енергії, від двигунів до вітрових турбін, від електричної мережі до зміни клімату. Я можу лише пошкодувати, що «Фізики енергії» не було двадцять років тому, коли я вперше відповідав за наукові та енергетичні програми Міністерства енергетики США, не маючи вигоди від цього надзвичайного ресурсу!
Ернест Дж. Моніз, колишній, 13-й, міністр енергетики США та професор фізики й інженерних систем Сесіл та Іди Грін, Масачусетський технологічний інститут

Якби ваше завдання полягало в тому, щоб запустити цивілізацію, а ви мали б доступ лише до однієї книги, то «Фізика енергії» була б вашим вибором. Професори Тейлор і Джафе написали вичерпний, ґрунтовний і доречний трактат. Це живильне читання як окрема книжка, але їй також слід бути курсом, який можна пропонувати в будь-якому коледжі, щоб ми не керували неправильно своєю спільною роллю пастухів нашої енергоспоживаної, енергозалежної цивілізації.
Ніл Деґрас Тайсон, директор Планетарію Гейдена в Центрі Землі та космосу Фредеріка П. Роуза Американського музею природної історії

Я давно хотіла мати єдиний підручник, який міг би пояснити перетворення енергії, як це відбувається в природі та використовується в нашому промисловому та цифровому світі, всеосяжним, точним та привабливим способом. «Фізика енергії» – це та книжка. Вона охоплює свій предмет із глибиною, широтою, турботою про точність і чіткість.
Юлія Міхайлова, «Фізікс тудей».

Фізика енергії
Роберт Л. Джафе
Масачусетський технологічний інститут
Вашингтон Тейлор
Масачусетський технологічний інститут

Нашим батькам, нашим учителям, нашим подружжям і насамперед нашим дітям

ЗМІСТ
Передмова
Подяки
Частина I. Базова фізика енергії та її використання
Вступ
1.1. Одиниці вимірювання та величини енергії
1.2. Види енергії
1.3. Масштаби енергії
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
2. Механічна енергія
2.1. Кінетична енергія
2.2. Потенціальна енергія
2.3. Опір повітря та тертя
2.4. Ротаційна механіка
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
3. Електромагнетна енергія
3.1. Електростатика, ємність та накопичення енергії
3.2. Струми, опір та резистивні втрати енергії
3.3. Магнетизм
3.4. Електродвигуни та генератори
3.5. Індукція та індуктори/котушки індуктивності
3.6. Рівняння Максвела
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
4. Хвилі і світло
4.1. Хвилі та хвильове рівняння
4.2. Хвилі на струні
4.3. Електромагнетні хвилі
4.4. Енергія та імпульс в електричних та магнетних полях
4.5. Загальні особливості хвиль і хвильових рівнянь
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
5. Термодинаміка I: Теплота і теплова енергія
5.1. Що таке тепло?
5.2. Тиск і робота
5.3. Перший закон термодинаміки
5.4. Теплоємність
5.5. Ентальпія
5.6. Фазові переходи
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
6. Теплоперенесення
6.1. Механізми теплоперенесення
6.2. Теплопровідність
6.3. Теплоперенесення конвекцією та промінням
6.4. Запобігання втратам тепла з будівель
6.5. Рівняння теплопровідності
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
7. Вступ до квантової фізики
7.1. Мотивація: Експеримент з подвійною щілиною
7.2. Квантові хвильові функції та хвильове рівняння Шредінгера
7.3. Енергія та квантові стани
7.4. Квантова суперпозиція
7.5. Квантові вимірювання
7.6. Залежність від часу
7.7. Квантова механіка вільних частинок
7.8. Частинки в потенціалах
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
8. Термодинаміка II: Ентропія і температура
8.1. Вступ до ентропії та другого закону
8.2. Інформаційна ентропія
8.3. Термодинамічна ентропія
8.4 Теплова рівновага і температура
8.5. Межа ефективності
8.6. Розподіл Больцмана
8.7. Функція розподілу та прості термодинамічні системи
8.8. Спонтанні процеси та вільна енергія
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
9. Енергія в речовині
9.1. Енергія, температура та спектр електромагнетного проміння
9.2. Огляд внутрішньої енергії речовини I: Від льоду до пари
9.3. Огляд внутрішньої енергії речовини II: Молекулярні коливання, дисоціація та енергії зв'язку
9.4. Внутрішня енергія, ентальпія та вільна енергія в хемічних реакціях
9.5. Хемічна термодинаміка: Приклади
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
10. Перетворення теплової енергії
10.1. Термодинамічні змінні, ідеалізації та уявлення
10.2. Термодинамічні процеси в газофазних двигунах
10.3. Двигун Карно
10.4. Двигун Стірлінга
10.5. Обмеження ефективності реальних двигунів
10.6. Пристрої для відведення тепла: холодильники та теплові помпи
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
11. Двигуни внутрішнього згоряння
11.1 Двигуни з іскровим запалюванням і цикл Ото
11.2. Згоряння та паливо
11.3. Реальні двигуни з іскровим запалюванням
11.4. Інші цикли внутрішнього згоряння
Питання для обговорення/ вивчення
Задачі
12. Фазозмінне перетворення енергії
12.1. Виграш від фазової зміни в циклах перетворення енергії
12.2. Зміна фаз у чистих речовинах
12.3. Реальний світ: Інженерна номенклатура та практичні розрахунки
Питання для обговорення/ вивчення
Задачі
13. Цикли теплової енергії та відведення тепла
13.1. Термодинаміка з рухомими плинами
13.2. Відведення тепла і цикл стиснення пари
13.3. Пароводяний цикл Ранкіна
13.4. Низькотемпературні органічні системи Ранкіна
13.5. Газова турбіна та комбіновані цикли
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
Частина II. Джерела енергії
14. Сили природи
14.1. Сили, енергії та масштаби відстаней
14.2. Елементарні частинки
14.3. Слабкі взаємодії та β-розпад
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
15. Квантові явища в енергетичних системах
15.1. Розпади та інші залежні від часу квантові процеси
15.2. Першопричина тунелювання
15.3. Проникання крізь бар'єр
15.4. Тривалість тунелювання
15.5. Принцип виключення Паулі
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
16. Загальний огляд ядерної енергетики
16.1. Загальний огляд
16.2. Паливні ресурси поділу ядра
16.3. Подальші розділи
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
17. Будова, властивості та розпад ядер
17.1. Основні ядерні властивості
17.2. Напівемпірична формула маси
17.3. Систематика внутрішньоядерного зв'язку
17.4. Ядерні розпади
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
18. Ядерноенергетичні процеси: поділ і синтез
18.1. Порівняння поділу та синтезу
18.2. Поперечні перерізи
18.3. Фізика поділу ядра
18.4 Фізика ядерного синтезу
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
19. Ядерні поділові реактори та експерименти з ядерного синтезу
19.1. Динаміка ядерного поділового реактора
19.2. Фізичні проблеми, що впливають на роботу та безпеку поділового реактора
19.3. Відтворювальні та поділові реактори
19.4. Конструкція поділового реактора: минуле, сьогодення і майбутнє
19.5. Енергетичні цикли ядерного реактора
19.6. Експерименти з термоядерного синтезу
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
20. Іонізівне проміння
20.1. Форми іонізівного проміння: огляд
20.2. Взаємодія проміння з речовиною
20.3. Міри радіації
20.4. Біологічні наслідки радіації
20.5. Радіація в довкіллі людини
20.6. Ядерні відходи та розповсюдження ядерної зброї
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
21. Енергія у Всесвіті
21.1. Що таке енергія?
21.2. Коротка історія енергії у Всесвіті
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
22. Сонцева енергія: сонцеве продукування та радіація
22.1. Ядерне джерело сонцевої енергії
22.2. Променювання абсолютно чорного тіла та сонцева радіація
22.3. Виведення формули промінювання абсолютно чорного тіла
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
23. Сонцева енергія: Сонцева радіація на Землі
23.1. Інсоляція та сонцева константа
23.2. Орбіта Землі
23.3. Варіант інсоляції
23.4. Взаємодія світла з речовиною
23.5. Атмосферне поглинання
23.6. Обсяг ресурсу
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
24. Сонцева теплова енергія
24.1. Сонцеве поглинання та радіаційний баланс
24.2. Низькотемпературні сонцеві колектори
24.3. Концентратори
24.4. Сонцева теплова електрика (STE)
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
25. Фотогальванічні сонцеві елементи
25.1. Вступні аспекти фізики твердого тіла
25.2. Квантова механіка на ґратці
25.3. Електрони в твердих тілах і напівпровідниках
25.4. Концепція фотогальваніки та обмеження ефективності збору
25.5. Зонна структура кремнію
25.6. p-n переходи
25.7 p-n-перехід як фотодіод
25.8. Кремнієві сонцеві елементи
25.9. Удосконалені сонцеві елементи
25.10. Глобальне використання фотогальваніки
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
26. Біологічна енергія
26.1. Енергія та фотосинтез
26.2. Харчова енергетика
26.3. Біомаса
26.4. Біопаливо
26.5. Майбутнє біоенергетики
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
27. Потік енергії океану
27.1. Баланс і транспорт океанічної енергії
27.2. Сила Коріоліса
27.3. Поверхневі течії
27.4. Атмосферна циркуляція
27.5. Циркуляція океану
27.6. Теплові ресурси океану та перетворення теплової енергії океану (OTEC)
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
28. Вітер: дуже мінливий ресурс
28.1. Природа вітру
28.2. Характеризація вітрового ресурсу
28.3 Потенціал енергії вітру
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
29. Плини: Основи
29.1. Означення характеристик плину
29.2. Спрощувальні припущення і закони збереження
29.3. В'язкість
29.4. Підіймання
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
30. Вітрові турбіни
30.1. Теорія осьового моменту та межа Беца
30.2. Лопаті та потужність турбіни
30.3. Деякі міркування щодо конструкцій
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
31. Енергія від рухомої води: енергія гідро, хвиль, припливів і морських течій
31.1. Гідроенергія
31.2. Енергія хвилі
31.3. Припливна енергія
31.4. Енергія морської течії
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
32. Геотермальна енергія
32.1. Теплова енергія в надрах Землі
32.2. Ресурси геотермальної енергії
32.3. Наземні/Геотермальні теплові помпи
32.4. Гідротермальна енергія
32.5. Підсилені геотермальні системи (ПГС)
32.6. Величина геотермальних ресурсів
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
33. Викопне паливо
33.1. Вугілля
33.2. Нафта
33.3. Природний газ
33.4. Перетворювання вуглеводнів
33.5. Резюме про викопне паливо
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
Частина III. Проблеми енергетичної системи та зовнішні ефекти
34. Енергія та клімат
34.1. Альбедо і тепличний ефект
34.2. Фізика атмосфери
34.3. Глобальний потік енергії
34.4. CO2 і вуглецевий цикл
34.5. Зворотні зв’язки та моделювання клімату
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
35. Клімат Землі: минуле, сьогодення і майбутнє
35.1. Минулий клімат
35.2. Прогнозування майбутнього клімату
35.3. Наслідки зміни клімату
35.4. Пом'якшення та адаптація
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
36. Енергоефективність, збереження та зміна джерел енергії
36.1. Перший закон ефективності
36.2. Другий закон ефективності
36.3. Приклад: Ефективність опалення приміщень
36.4. Екзергія
36.5. Приклади ефективності та збереження
36.6. Енергетичні системи: масштаби та перетворення
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
37. Накопичування енергії
37.1. Критерії продуктивності для накопичування енергії
37.2. Накопичування в масштабі мережі
37.3. Мобільне накопичування енергії
37.4. Інші системи накопичування енергії
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
38. Виробництво та пересилання електроенергії
38.1. Огляд електричних мереж
38.2. Коливні контури
38.3. Виробництво електроенергії в масштабі мережі
38.4. Пересилання та розподіл електроенергії
38.5. Відновні джерела енергії: Змінні та розподілені енергетичні ресурси
Питання для обговорення/вивчення
Задачі
Додаток А. Позначення
Додаток B. Деякі основні математичні науки
Додаток C. Одиниці вимірювання та основні константи
Додаток D. Дані
Список літератури
Індекс

Передмова
Ця книга містить вичерпний вступ до енергетичних систем для людей, зацікавлених у розумінні фундаментальних наукових принципів, що лежать в основі енергетичних процесів від джерел до кінцевого використання.

Походження та використання
«Фізика енергії» виникла з односеместрового курсу з такою ж назвою, який ми розробили та викладаємо в МІТ (Масачусетському технологічному інституті) з 2008 року. Курс служить вступом до енергетичної науки в новій енергетичній програмі МІТ та доступна для студентів, які засвоїли числення першого року навчання, курс фізики з численням та курс хемії коледжу. Дарма що цей курс особливо підходить для студентів, які вивчають точні науки чи інженерію, багато студентів, які вибрали курс, цікавилися переважно економікою та політикою. Курс МІТ – також факультативний предмет для спеціальностей з фізики, в якому концепції, розроблені у формальніших курсах, об’єднуються в ширший контекст і застосовуються до реальних проблем.
Не знайшовши жодної наявної книги, яка б відповідала рівневі нашого курсу та підходові, який ми хотіли застосувати, ми почали створювати конспекти для «Фізики енергії» у 2007 році. Ці конспекти повільно розширювалися за обсягом і глибиною в цю книгу, розвинувшись у саму по собі цілісну структуру. Через те що студенти курсу мають широкий спектр освіти, ми не припускаємо в них обширних знань з фізики. Наша мета в цьому курсі та в книзі полягає в тому, щоб перевести студентів від базової фізики першого курсу до якісного та кількісного розуміння як фізичних принципів, що лежать в основі всіх енергетичних систем, так і розуміння того, як ці ідеї взаємопов’язані та актуальні для практичних енергетичних систем.
Цю книгу можна використовувати багатьма способами. Вона може слугувати підручником для односеместрового курсу для студентів у широкому діапазоні наукових та інженерних галузей або як «завершальний курс» для бакалаврантів фізики; це авдиторії для курсу MIT. Курс із використанням цієї книги також може бути розроблений головно для зосередження на різних підмножинах матеріалу; залежно від цілей, можна зосередитися, наприклад, на базовій фізиці, що лежить в основі джерел енергії, на аспектах, найрелевантніших щодо клімату та вибору енергії двадцять першого століття, на відновних джерелах енергії тощо. Нижче запропоновано деякі конкретні односеместрові шляхи вивчення матеріалу. Хоча ми продовжуємо викладати матеріал з цієї книги як односеместровий курс у МІТ, з приблизно однією лекцією на розділ, це вимагає досить швидкого темпу, і багато тем не розглядаються на повну глибину матеріалу в книзі. За уважнішого та ретельнішого підходу книга також може слугувати текстом для просунутішого двосеместрового курсу з енергетики, наприклад, пов’язаного з дипломом випускника в галузі енергетики. Книга також розроблена як самодостатня і підходить для самостійного вивчення. Сподіваємося, для будь-кого, хто серйозно цікавиться енергетикою і має певні знання базової математики та фізики, більша частина книги буде доступна.
Ми сподіваємося, що «Фізика енергії» також стане «довідником» для тих, хто працює в галузях науки, техніки, економіки чи політики, пов’язаних з енергетикою, кому необхідно знати про наукові основи технологій за межами своєї власної спеціалізації.

Обсяг і фокус
Забезпечення світу енергією для використання підтримним способом – серйозний виклик для двадцять першого століття. Економічні міркування та політичні рішення будуть центральні в будь-якій глобальній спробі взятися до цього енергетичного виклику. Однак для того, щоб окремі особи, організації та країни могли зробити раціональний вибір щодо енергетичної політики, істотне чітке розуміння науки про енергії. Рішення, ухвалені без хорошого наукового розуміння, можуть привести до затрат величезної кількості зусиль і грошей і негативно вплинути на незліченну кількість життів і великих екосистем.
Ця книга має на меті надати поглиблений вступ до енергетичних систем, від основних фізичних принципів до практичних наслідків у реальних системах. Цілі книги полягають у тому, щоб дати чітке уявлення про те, що таке енергія і як вона тече через системи Землі (частина II), як люди використовують енергію (частина I) і як енергетичні системи беруть енергію з природних джерел для кінцевого використання (частина III). У кожній з цих сфер наша мета полягає в тому, щоб побудувати базове розуміння науки, що лежить в основі, розробити глобальну картину того, як частини поєднуються в послідовне ціле, і розвинути достатнє технічне розуміння для кількісного оцінювання енергетичних систем.
Вступні підручники з питань енергетики зазвичай поєднують науку, економіку та політику з метою представлення єдиного вступу до предмета. Проте в цій книжці ми зосереджуємося лише на науці про енергію та енергетичні системи і утримуємося від розгляду питань економіки та політики. Це не тому, що ми вважаємо економіку та політику неважливими, а тому, що вважаємо, що науку найкраще передавати без постійного покликання на економічний та політичний контекст. Ці аспекти енергетичних досліджень добре представлені в багатьох інших книжках та в інших курсах типової навчальної програми з енергетичних досліджень. Наша мета – допомогти забезпечити наукове розуміння енергетичних систем, що служить передумовою для будь-якого обізнаного обговорення енергетичного вибору в економічній та політичній сфері.
Як видно з назви, наша основа для розгляду джерел енергії та її використання передусім через об’єктив фізики. Справді, другорядна мета книги — проілюструвати, як концепція енергії об’єднує практично всю сучасну фізику в цілісний концептуальний каркас. Однак неможливо надати вичерпний огляд науки про енергетику та системи, не розширивши дискусії, не охопивши галузі, які традиційно вважаються сферою хемії, біології, науки про Землю та багатьох галузей техніки. Енергетична наука насправді чудовий приклад предмета, де традиційні академічні межі розмиті майже в кожному застосуванні. Замість того щоб обмежувати нашу перспективу і, отже, корисність цієї книги, ми вирішили внести значну кількість матеріалу, який зазвичай не може бути витлумачений як «фізика». Перекриття з іншими галузями науки є особливо значущі в розділах про енергію в речовині, викопне паливо, геотермальну енергію, енергію та клімат, а також біологічну енергію, тоді як розділи про двигуни, пристрої для відведення тепла, ядерні реактори, вітрові турбіни та фотогальванічні сонцеві батареї містять деякі матеріали, які зазвичай трапляються в інженерних курсах. Деякі теми, такі як біопаливо та паливні елементи, на краю концептуальної основи книги та на межі нашого власного досвіду, обговорюються лише обмежено. Однак ми внесли розширеніше обговорення деяких аспектів науки про Землю, зокрема, що стосується питань сучасного та майбутнього клімату, бо ця тема має центральне значення для майбутньої траєкторії використання енергії людиною.
Протягом усієї книги ми прагнемо підкреслити основні фізичні принципи, які керують різними енергетичними системами. Зокрема, ми викладаємо основні ідеї квантової механіки, термодинаміки, механіки плинів, фізики океанів та атмосфери та інші базові фізичні структури з достатньою технічною деталізацією, щоб їх застосування до різних енергетичних систем можна було зрозуміти як кількісно, так і якісно. Ми також прагнемо, скільки це можливо, надати пояснення явищам відносно простими термінами з перших принципів і підтримувати послідовний вступний рівень у всій книзі. Читач, який цікавиться будь-якою конкретною темою, може дістати деяке початкове розуміння, розглянувши тут основні принципи, і дізнатися, як ця тема пов’язана з рештою енергетичного ландшафту, але йому доведеться податися в інше місце для розширенішого та детальнішого розгляду предмета; ми спробували надати вибірку літератури, що може провести зацікавленого читача далі в будь-якій конкретній темі.
З огляду на таке широке коло тем, однією з можливостей було б запросити інших авторів, експертів у галузях, найдальших від нашого власного досвіду, щоб написали про ці теми. Натомість ми віддали перевагу спробувати вивчити самі достатньо, щоб охопити цей предмет повністю. Цей підхід має переваги в тому, що рівень і «відчуття» книги узгодженіші та однорідніші, що педагогічно рух уперед впорядкований, а єдність енергетичної науки очевидніша. Недолік, звісно, в тому, що ми багато писали про сфери, в яких жоден з нас не експерт. Нам посприяли багато колег, які допомогли нам зрозуміти тонкощі їхньої сфери та виправили багато наших помилкових уявлень. По дорозі ми глибше оцінили мудрість, що міститься в основних парадигмах у багатьох галузях техніки та фізичної науки, і усвідомили роль, яку фундаментальна фізика відіграє в цих парадигмах.

Передумови
Як згадано на початку, ми припускаємо, що читачі в якийсь момент свого життя мали двосеместровий курс математики на рівні коледжу або еквівалентному. Ми також припускаємо, що студенти знайомі з елементарними поняттями теорії ймовірностей. Деякі з просунутіших тем курсу числення першого року навчання, таких як елементарне векторне числення, диференційні оператори, лінійні та поверхневі інтеграли та розклади в ряд, розглядаються в Додатку B, а також основні поняття комплексних чисел. Ми намагаємося уникати всіх, крім найелементарніших, диференційних рівнянь. Деякі прості аспекти лінійних векторних просторів, рядів Фур’є та тензорного аналізу використовуються в окремих розділах і коротко викладені в Додатку B.
Ми також припускаємо, що читач ознайомився з механікою та електродинамікою з основаного на численні погляду і мав деяку вступну хемію. Визнаючи, що деякі читачі, можливо, вже давно вивчали вступну фізику і що не всі курси фізики охоплюють одну і ту ж програму, ми організували цю книгу так, щоб забезпечити самостійні вступні огляди основ механіки, електромагнетизму, тепла, теплообміну та хемічних реакцій на початку книги, в міру того як ми описуємо їх застосування, пов’язані з енергетикою.
Ми не припускаємо, що читачі попередньо знайомі з поняттям ентропії, чи квантовою механікою, чи динамікою плинів.

Структура та план
Ця книжка розділена на три частини, присвячені використанню енергії, джерелам і системам. Перша частина відіграє подвійну роль, представляючи багато основних принципів фізики, які використовуються в тексті. У цих загальних рамках книга має структуру, схожу на дерево; перші десять розділів утворюють стовбур дерева, на який спирається позосталий матеріал. Багато з дальших розділів розгалужуються в різних напрямах, а в межах розділів спеціалізовані теми та окремі приклади енергетичних технологій формують гілочки та листя дерева. Залежність кожного розділу від попередніх вказується в орієнтирах для читача на початку кожного розділу. Це уможливлює почасти модульну структуру книги, щоб читачі та викладачі могли йти різними шляхами та вибирати послідовність матеріалу відповідно до своїх інтересів.
Після вступу (§1) Частина I, «Базова фізика енергії та її використання», описує використання механічної (§2), електромагнетної (§3, §4) та теплової енергії (§5, §6), оглядаючи та вводячи поняття з цих тем за потреби. Щоб продовжувати далі, необхідно ввести основні поняття квантової механіки (§7) і детально пояснити поняття ентропії та термодинаміки (§8). Ці розділи служать самостійними вступами до цих предметів для студентів, раніше з ними не знайомими. Для читачів, які знайомі з цими предметами, ці розділи можуть бути корисними оглядами. Маючи в руках ці поняття, ми описуємо потік енергії в хемічних процесах (§9), а також взаємоперетворення роботи та теплової енергії в двигунах і пристроях для відведення тепла (§10–§13). Хоча фундаментальні поняття, такі як другий закон термодинаміки та квантування енергії, використовуються в усій книзі, ми визнаємо, що це концептуально складні ідеї. Ми намагалися структурувати книгу так, щоб для читача, який легко читає §7 і §8 і готовий прийняти ці поняття як дані, майже весь матеріал книги був доступний і корисний.
Частина II, «Джерела енергії», фокусується на джерелах первинної енергії. Найобширніші розділи присвячені ядерній енергетиці (§16–§19), сонцевій енергетиці (§22–§25), енергії вітру (§28–§30). Частина II починається з інтерлюдії (§14), в якій описуються чотири сили, що керують усіма відомими природними процесами, і з детальнішим розглядом (§15) деяких аспектів квантової механіки, таких як тунелювання, що необхідні для розуміння аспектів як ядерної, так і сонцевої енергії. Після вивчення ядерної енергетики слід ознайомитися з природою та впливом іонізівного проміння (§20).
Перш ніж заглибитися в сонцеву енергетику, ми зупинимося, щоб розглянути природу енергії та її роль у нашому Всесвіті на фундаментальному рівні (§21). Здебільшого частина II присвячена спостереженню за потоком сонцевої енергії, коли вона надходить в інші природні системи, з яких можна добувати енергію. Сонцева енергія (§22–§25) – основне джерело енергії, яка зберігається в біологічних системах (§26) і стимулює океанічні (§27) і атмосферні (§28) циркуляції. Після введення елементарних понять з динаміки плинів (§29), ми описуємо збирання енергії вітру вітровими турбінами (§30) та використання енергії води з річок, хвиль, океанських течій і припливів (§31). Потім ми розглянемо внутрішню структуру Землі та походження геотермальної енергії (§32). Частина II завершується вступом (§33) до природи, залягання, характеристик та використання основних викопних видів палива: вугілля, нафти та природного газу.
У частині III, «Проблеми енергетичної системи та зовнішні ефекти», ми звернемося до деяких складних питань, пов'язаних з енергетичними системами. Спочатку ми опишемо, як потік енергії на поверхні Землі впливає на наш клімат (§34), докази минулих змін клімату та перспективи зміни клімату в майбутньому (§35). Далі ми звернемося до кількісного обговорення енергоефективності, деяких тематичних досліджень збереження та огляду можливих джерел енергії, які можуть замінити викопне паливо, і того, як енергетичні системи можуть розвиватися в найближчі століття (§36). Потім ми перейдемо до зберігання енергії (§37), а в останньому розділі (§38) проаналізуємо виробництво та пересилання електричної енергії та структуру електричних мереж.
Крім математичного додатка, інші додатки містять перелік символів, які використовуються в книзі (Додаток А), а також таблиці одиниць, коефіцієнтів перетворення та фундаментальних констант (Додаток С). Різні дані, зокрема глобальна та національна інформація про енергетику та вуглекислий газ, узагальнені в Додатку D.
Кожен розділ (крім вступу) починається з орієнтира для читачів, в якому попередньо переглядається зміст розділу, щоб читачі могли вирішити, де зосередити свої зусилля. У кожному розділі блоки ключових понять містять стислий виклад основних моментів у міру їх виникнення. Ключові концептуальні блоки не тільки визначають суттєві моменти для уважного читача, але й надають пояснення розділу для читача, який шукає огляду теми. У кожному розділі ми вміщуємо зразки розрахунків або аналізів, наведені як приклади, і представляємо деякі додаткові пояснення або спеціалізований матеріал у вставках.

Питання та задачі
Ми внесли питання для обговорення/дослідження та задачі в кінці кожного розділу. Багато з цих питань і задач розроблено для курсу, який викладається в MIT. Питання для обговорення та дослідження можуть підходити для семінарів чи опитувань, пов’язаних з курсом, або вони можуть формувати тему для курсових робіт. Задачі служать для різних цілей: деякі заповнюють деталі, які залишилися невикладеними в тексті, деякі призначені для поглиблення теоретичного розуміння, а багато з них корисні як застосування ідей, розроблених у тексті. Задачі можна використовувати для домашнього завдання, оцінювання або самостійного вивчення. Ми використовували мітки для позначення характеру деяких задач: [T] для теоретичніше зоорієнтованих задач; [С] для складніших (важчих) задач; і [П] для принагідних задач, які вимагають інтенсивних аналітичних або комп'ютерних обчислень. Деякі проблеми вимагають від студентів знаходити та використовувати дані про конкретні системи, які легко доступні в інтернеті, але не надані в тексті. Розв’язки задач доступні для викладачів на запит.

Шляхи читання
Гнучка і модульна структура «Фізики енергії» дає змогу використовувати цю книгу багатьма способами. Як альтернатива до лінійного читання книги, читач, який цікавиться певною сферою енергетичної науки, може зосередитися на певному розділі або наборі розділів у дальшій частині книги, керуючись взаємозалежностями, викладеними в орієнтирах для читачів. Викладачі, зацікавлені в структуруванні курсу, можуть вибрати різні шляхи проходження матеріалу на основі досвіду та інтересів студентів. А читач, зацікавлений у досягненні глобального розуміння науки про енергетику та системи, може проходити книгу лінійно, проглядаючи будь-які початкові розділи, які містять знайомий матеріал, дошукуючись так глибоко чи легко, як його цікавлять технічні аспекти матеріалу, і зосереджуючи увагу на дальших розділах, які становлять для нього особливий інтерес. Працівники, які займаються енергетичними дослідженнями, політикою чи бізнесом, цю книгу можуть використати, щоб отримати огляд фундаментальних концепцій інших галузей, пов’язаних з енергетикою. Наприклад, §32 (Геотермальна енергія) надає відносно самодостатній виклад походження, видобутку та обсягу геотермальної енергії, а §38 (Виробництво та пересилання електроенергії) дає вступ до основних принципів електричних мереж. Великі пункти книги формують вичерпні, самостійні трактування основних галузей енергетичної науки. §22 (Сонцева енергія) – §25 (Фотогальваніка) і §14 (Сили природи) – §20 (Іонізівне проміння) надають вступ до фізики сонцевої та ядерної енергії, доступний для науковців та інженерів з елементарними знаннями про квантову і теплову фізику.
Модульність книги передбачає, що пункти можуть бути організовані як текст для курсу, присвяченого певній спеціальності в рамках енергетичних досліджень. Наприклад, викладачі чи читачі, які передусім цікавляться електротехнікою, виявлять, що §3 (Електромагнетизм), §4 (Хвилі і світло), §7 (Квантова механіка), §21 (Енергія у Всесвіті),§22 (Сонцева енергія), §23 (Інсоляція), §24 (Сонцева теплова енергія), §25 (Фотогальваніка), §36 (Системи), §37 (Накопичування енергії) та §38 (Виробництво та пересилання електроенергії) утворюють відносно самодостатній ряд, зосереджений на електромагнетній фізиці із застосуванням енергії.
Подібним чином і ті, хто цікавиться насамперед науками про Землю, можуть використовувати §5 (Теплова енергія), §6 (Теплопередавання), §8 (Ентропія та температура), §22 (Сонцева енергія), §23 (Інсоляція), §27 (Енергія океану), §28 (Енергія вітру), §31 (Енергія води), §32 (Геотермальна енергія), §33 (Викопне паливо), §34 (Енергетика та клімат) і §35 (Зміна клімату), що забезпечують вступ до фізики енергії, орієнтований на науку про Землю. Також можливі варіанти, орієнтовані на ядерну, механічну, хемічну та довкільну інженерію.
Крім того, можна пройти книгу шляхом, який представляє нові фізичні концепції разом з пов’язаними системами та використаннями. Такий курс може початися з огляду механіки (§2 і §4), за яким ідуть розділи про енергію вітру та води (§27, §28, §29, §30 і §31), що вимагають лише базової механіки як передумови. Далі, після введення базової теплової та квантової фізики (§5–§8), увага буде перенесена на хемічну енергію (§9), двигуни та передавання теплової енергії (§10–§13), геотермальну та енергію викопного палива (§32, §33), клімат (§34, §35), а також ефективність і збереження (§36). Залежно від наявного часу та інтересів викладача та авдиторії, увага може бути зосереджена на електромагнетній та сонцевій енергії (§3, §21–§25 та §38) або ядерній енергії та промінні (§14–§20) чи їх обох.
«Завершальний» курс для фізичних спеціальностей міг би досить швидко пройти §1–§7, акцентуючи увагу на застосуванні енергії, а потім більше заглибитися в ядерні, сонцеві, вітрові та кліматичні пункти, додаючи інші розділи відповідно до інтересів викладачів і студентів.
Курс, призначений для широкого кола студентів з більшим інтересом до наслідків для економіки та політики, міг би пропустити деякі з технічніших предметів частини I, зосередившись у частині II на матеріалі, сфокусованому на викладенні підсумків та огляді кожного джерела енергії, наприклад §16, §23, §28 та відповідні оглядові пункти розділів про інші ресурси. Тоді курс міг би охопити більшу частину матеріалу з частини III щодо питань клімату та систем, звертаючись до попередньої частини книги, у разі потреби, для отримання технічної інформації.

Одиниці
У цій книзі ми використовуємо одиниці СІ, які введено в §1. Кожна спеціалізована галузь енергетичних досліджень має свої розмовні одиниці, чи то мільярд барелів нафтового еквіваленту, чи ft² ºF hr/BTU (одиниця теплового опору, що використовується в США), чи будь-які інші з довгого списку. Ці одиниці часто еволюціонували, бо вони покращують комунікацію в рамках певної спільноти енергетичних практик. Однак у книги, яка прагне до уніфікованого огляду енергетичної науки, є велика перевага в наявності єдиної системи одиниць. Знайомство з єдиною універсальною системою одиниць також має переваги в тому, що сприяє спілкуванню між спеціалістами різних дисциплін. Відповідно до нашого міждисциплінарного акценту, за рідкісним винятком, ми дотримуємося системи СІ. Таблиці перетворення з багатьох розмовних одиниць в одиниці СІ наведено в Додатку С.

Подальше читання
Існує величезна кількість інших книг, які охоплюють різні аспекти енергетичної науки та пов’язані з нею проблеми. Для кожного з конкретних предметів, висвітлених в окремих розділах цієї книги, ми надали кілька покликань для читачів, зацікавлених у подальшому вивченні. Деякі загальніші довідники, які охоплюють різноманітні питання енергетики з технічної перспективи, порівнянні з цією книгою, деяких з них ми виявили дуже корисними для самостійного вивчення цих предметів, зокрема [1, 2]. Гарний вступ до питань енергетики на значно менш технічному рівні дає Мак-Кей у [3]. Для подальшого читання щодо енергетичних питань, пов’язаних з політикою та економікою, текст MIT [4] – гарний початок, а також будь-яка з багатьох чудових книжок Сміла, наприклад [5]. Текст Ванека, Олбрайта та Ангенента [6] надає інженерну перспективу на питання енергетики, а текст Ендрюза та Джелі [7] надає іншу перспективу на енергетичну науку з погляду фізика. Нарешті, завдяки зусиллям незліченної кількості неназваних осіб, вікіпедія – мабуть, найкращий відправний пункт для дослідження конкретних аспектів енергетичних систем і технологій. Зокрема, щодо більшості тем цієї книги вікіпедія надає чудову літературу для подальшого читання.

[Andriy]

докторську ступінь ??
ємність чи місткість??
Ядерно-енергетичні -> Ядерноенергетичні
Накопичуваня
обширних ??

[Кувалда]

поправив. залишив обширний. ємність — самому не подобається, але лишу поки