CC BY
49
УДК 656.615:004.272
ПРОБЛЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В КОНЕЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ ПО КРИТЕРИЮ ЭФФЕКТИВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Ю.Н. Арсеньев, Т.Ю. Давыдова, В.С. Минаев
Исследуются вопросы преобразования энергии по критерию эффективности и качества деятельности хозяйствующих субъектов региона.
Ключевые слова: энергия, электроэнергетика, экономика, эффективность деятельности, критерии оптимизации ресурсов
Используя энергию, люди забывают об ее важности, ценности самого процесса, как потенции, или возможности, действии и получаемом результате с причинно-следственной цепью алгоритма: потенциал ^ энергия ^ результат [1-3]. Любой результат - это условие проявления новой возможности, при которой линейная причинно-следственная цепь заменяется замкнутой связью, а результат порождает новую потенцию. Именно двойственность энергии служит самим действием, или движением; количественной мерой разных форм движения материи, устраняя тем самым противоречия и сохраняя специфику качественного отличия видов энергии. Энергия проявленного действия - это работа с ее количественной мерой (эрг), а энергия формирования структуры, создающей новые потенциальные возможности, - потенциальная энергия. В обоих случаях энергия
- действие, или универсальная мера разных форм движения и взаимодействия, а совокупность последовательных действий, при которой потенциал реализуется в результат как процесс.
Все процессы в жизнедеятельности социума основаны: на движении, или кинетической энергии; на взаимодействии с энергетическим преобразованием состояний системы, или потенциальной энергии. Если для неживой природы движение отождествляется с кинетической энергией, то для сложных самоорганизующихся социально-экономических систем, живых объектов доминирует движение с взаимодействием подсистем между собой и внешней средой, являющимся потенциальной энергией. Затем кинетика и синэргетика (эрг - работа), движение и взаимодействие объединяются в единую энергию. Наличие прямых и обратных связей во взаимодействующих объектах создает эффект осциллятора, объясняющий процессы в системе природа-общество-человек» (ПОЧ), когда энергетические трансформации природного ресурса (потенциала) и человеческого труда в «благах» цивилизации создают новый организованный, значимый потенциал, само-развивающуюся систему ПОЧ, основа которой - энергетизм [3].
Ниже в таблице частично отражена явная связь законов термодинамики, энергии и информации [3-6]. Если механика включает в себя кинетику, как энергодвижение, с оперированием отдельной точкой или сово-
купностью точек, то описать энергетические свойства сложных систем можно на базе термодинамической теории Карно-Клаузиуса-Больцмана, параметрами состояния систем при этом выступают температура, давление, удельный объем.
Таблица 1
Связь законов термодинамики, энергии и информации
Параметры Расчетные формулы Примечания
Связь абсолютной температуры со средней кинетической энергией (Э) молекул газа Э = 1,5*к* 0; Э = а*М* 0 0 (2, -4)*Т(0, 2) = потенциал (2, -2) к - постоянная Больцмана с размерностью в пространственновременных (Ь х Т) координатах (1, 3), 0 - температура с размерностью (2, -2); а - безразмерный коэффициент; М - масса
Работа АА нагретого тела с потерями на трение молекул в замкнутой системе (всегда меньше величины подведенной энергии на величину т.н. связной энергии) А А = А Э - А Б* 0 Если 0 > 0, то при А Б > 0 всегда А А < А Э; Б = к*1п Г; п Б = к X р ;1°82Р1 - при дис- 1=1 кретном случае; р1 = ШЫ; Б = к | р1 logр1 ар - при не- 0 прерывном случае; Э = N X р 1е1 к - = 1,38*10-16 эрг/град. - постоянная Больцмана, Г - статистический вес состояния системы, определяемый распределением Максвелла-Больцмана в пространстве импульсов и координат отдельных частиц (молекул) с энергией єі (і = 1, ..., 1) в квантованном диапазоне фазовых ячеек; 8 -статистическая характеристика состояния энтропии по Больцману; рі - вероятность і-го значения энергии
Информационный ресурс системы - [I] При ас =1 и I = [М] имеем: I = Эа2 = Мс2а2 или I = М; I = и х с и - напряжение, С - емкость системы; б. - коэффициент энергоинформационного преобразования; с - скорость
Коэффициент полезного действия (КПД) системы КПД = Г" КПД = А Эсвоб Э Эсвяз Эсвоб/Э = 1 - Эсвяз/Э; связ = 8*и = 1*и а*1щ = а*1пЭсвяз/Эвых КПДэв(г) /А1 > 1 8 - энтропия системы; I -негэнтропия (информационный ресурс); и - потенциал системы; = 1пЭсвяз/Эвых
КПД биосоциальной системы КПД = Потребности / Природные ресурсы
Обозначив через рi = Ы/Ы - вероятность 1-го значения энергии, Э = N X р 1е1 определится р1. Энтропия по Планку приводится к вероятности р1. Рост энтропии А Б соответствует переходу системы в более вероятное состояние Л Г >0, наименее упорядоченное (в пределе соответствующее полному хаосу). При р1 = 1 Б = 0, Б ^ тах при р1 = 1/Ы, т.е. энтропия явля-
ется характеристикой неупорядоченности или неорганизованности систем, как целостных объектов [3], а в энергетике - оценкой хаотичности движения электронов. В сложных энергосистемах эта величина с минусом характеризует запас устойчивости (организованности) в отношении к статистически заданным возмущениям. Полная энергия электромагнитного поля на входе и выходе системы изменяется при передаче полем части энергии веществу, заряженным частицам:А Э = А Б* 0. Изменение энергии поля на входе и выходе системы пропорционально изменению энергонасыщенности, энергопреобразованию частиц, т.е. энтропии системы с точностью до температуры 0 , которая уже характеризует не температуру, а соответствующий энергетический параметр совокупности заряженных частиц, который может представить как электрический потенциал.
В теории управления разность в информации от сигналов на входе и выходе системы соответствует энтропии ее внутреннего тезауруса. Рассматривая эти сигналы как энергетические сигналы, информационная энтропия описывается выражением, характеризующим организованность энергетической насыщенности частей системы, ее потенциал. Хотя тезаурус применим к информационным системам, он - электрический потенциал любых систем (физических, информационных, биологических, социальных), противостоящий внешним и внутренним возмущениям, содержащимся в его энергонасыщенной внутренней структуре, или энергетическом тезаурусе. Так как энтропия по размерности совпадает с информацией I (со знаком «минус»), то Ц3, -2), а коэффициент связи между энергией и информацией имеет размерность, обратную скорости, т.е. ё(-
1, 1). Тогда аналогичны между собой выражение АI = А Э*ё2, где ё - коэффициент энергоинформационного преобразования, и формула Эйнштейна Э = Мс2. При ёс =1 и I = [М] имеем: I = Эё2 = Мс2ё2 или I = М, т.е. энергия - это передаточная функция, промежуточное звено в массоинформационном переходе М ^ Э ^ I и соответствующем информационно-вещественном переходе I ^ Э ^ М. Коэффициент ё перехода Э ^ I имеет размерность электрического сопротивления. Тогда информационный ресурс имеет вид: [I] = [и] х [1] х [1] х Я2 = [и] х [с], т.е. информацию можно представить как произведение потенциала (напряжения) на емкость системы: I = и х С.
В целом экспериментальные исследования показали [30]:
- информационный тезаурус любой системы пропорционален произведению ее потенциала и емкости;
- в любых системах с точки зрения общности их энергетических (потенциала и емкости) и информационных (энтропии) взаимосвязей, синэр-гию характеризуют взаимодействия частей систем с обратной связью;
- от термодинамической энтропии систем как меры хаотичного движения ее молекул можно перейти к информационной негэнтропии как степени организованности систем;
- работа - это процесс трансформации энергии и синэргии в искомый результат, т.е. I = их С). При этом синэргетический эффект расширяет возможности систем в их самоорганизации по выполнению работ в объеме большем, чем определено внешним энергетическим воздействием. Этот эффект обусловлен наличием в сложной системе внутренней энергетической памяти, накапливающей предыдущий энергетический опыт и запасенную часть энергии в виде структурной энергии;
- полная энергия (Э) разделяется на превратимую, или свободную, (Эсвоб) и непревратимую, или связную (Эсвяз). В реальных замкнутых системах в полезную работу трансформируется лишь часть полной энергии, связная же энергия рассеивается в системе, превращаясь в энергию хаотичных движений частей, с соответствующим коэффициентом полезного действия (КПД) системы;
- в биосоциальных энергетических процессах (частный случай -экономические и производственные процессы) исходным видом энергии выступают природные ресурсы, в последующем ходе производства превращаемые в «блага» цивилизации, частично потребляемые, а по цепи обратной связи накапливаемые для воспроизводства, формирующие энергетический базис, или тезаурус, общества, который, в конечном счете, превращается в совокупный потенциал - физический, научный, экономический, социальный, духовный, интенсивно и качественно обновляющий труд, обеспечивающий организацию и управление энергетическим преобразованием природных ресурсов.
Эволюция системы связана с непрерывным процессом накопления свободной энергии А Эсвоб > 0, возрастания потенциала системы, способствующего все более эффективному преобразованию природного ресурса в «блага» цивилизации с КПД = А Эсвоб / А Э > 1. В процессе эволюции энергия переходит из одного вида в другой, более качественный вид, способный при тех же объемах используемых ресурсов производить больший объем полезной работы, получать более значительный конечный результат с точки зрения потребностей личности, группы или общества.
Природные ресурсы - не только минерально-сырьевые ресурсы, но и чистые питьевая вода и воздух, ландшафтно-территориальный потенциал, исторический менталитет народов. И система преобразования природного ресурса в «блага» цивилизации с учетом потребления и накопления социального капитала является предметом энергетики. Ресурсы, изъятые из природы, - это энергетические ресурсы, труд, работа - энергетические процессы, а их результаты - энергетические продукты. Эти продукты потребляются и накапливаются в энергетическом тезаурусе личности и общества, составляющие материальный, экономический, информационный, интеллектуальный, духовный капитал. Сводить все виды энергетического действия к механической, тепловой или электрической энергии неверно [2,
3, 6]. Лишь в физической энергии различают 15 видов, отражающих кине-
тические и потенциальные свойства систем. Трудовая энергия характеризует деятельность людей безотносительно к чисто механической или интеллектуальной работе, психическая - вид взаимодействия нейронных клеток человека, социальная энергия - потенциальную или реально проявленную активность крупных организованных групп. Выделяя как самостоятельную экономическую, информационную, умственную энергию, следует учитывать специфику деятельности человека в межличностных коммуникациях, обмене товарами, сообщениями, идеями и т.п.
Количественную меру управляемости энергетического процесса можно оценивать через отношение точности достижения целей при использовании данного процесса с разной степенью контроля его реализации. Целями могут выступать требования по мобильности (скорости изменения мощности), КПД и энергетической эффективности системы, максимальной организованности, качеству жизни населения, а в целом - максимизации КПД процесса эволюции с учетом ценности и эффективности [3].
Количественная мера ценности и эффективности - логарифм произведения плотности потока энергии и управляемости энергетического процесса. Отсюда эффективность имеет размерность: (3, - 3)*(3, -2) = (6, -5).
Управляемость (качество, ценность) энергетического потока зависит от организованности, т.е. информационной негэнтропии. Тогда эффективность энергии чистых трансформаций имеет размерность по-ток*импульс (6, -5). Изменение потенциала системы в единицу времени определяет его подвижность, а произведение потенциала на емкость - его ресурс, информационную значимость.
В экономике потенциал системы совпадает с мерой капитала. Временной градиент ресурса (поток) характеризует производительность системы, а ее производные по времени - темпы роста производительности и интенсивность процесса переноса энергии. Произведение скорости на величину энергии определяет динамичность, а на величину мощности - мобильность системы. Изменение мощности за единицу времени, равное произведению концентрации вещества (продукта) на его скорость, соответствует обновляемости системы. Ориентир на микроминиатюризацию и слаботочность энергоустановок с их более высокой управляемостью повышает ценность производимой полезной работы. Ориентир энергетики на потребности человека, а не на объем энергии за счет ТЭР определяет приоритет стратегии развития энергетической цивилизации, а качество энергии (синоним действия) распространим на химическую, психическую, социальную и иные виды энергии.
В рынке потребности и ресурсы людей выражаются в экономических единицах с учетом их потребительной стоимости без учета многих важных (морально-нравственных, интеллектуально-духовных и т.п.) ценностей взаимодействия, внутренней энергии индивидов, определяющих состояние их физического, психического и духовного здоровья. На прак-
тике используются физические и эквивалентные экономические параметры, характеризующие потенциальный потребительский эффект реализации действий и накопленного материально-финансового, социального, психического, духовного капитала. В основе экономических категорий обмена товаров (работ, услуг) лежат обобщенные энергетические представления о действующих силах, средствах, результатах устойчивого развития ПОЧ.
Энергия от Солнца и Космоса, накопленная в природных ресурсах и воздействующая на человека, трансформируется в производстве и трудовой деятельности людей в конечный продукт (блага цивилизации), как потребляемый, так и увеличивающий новые возможности общества. Эволюция ПОЧ означает не только сохранение, но и наращивание ее энергетического потенциала в более организованном структурированном виде. При этом невозобновляемые природные ресурсы во все большей степени замещаются использованием нового энергетического капитала, сосредоточенного в искусственно созданных машинах, технологиях, знаниях, накапливающих дополнительный синэргетический потенциал.
При оценке устойчивости системы ПОЧ без учета нелинейности взаимосвязей ее выходной сигнал в операторном виде можно представить суммой вынужденного и свободного движения:
А Эвых(а) = А Эвых(а) + А Эсобст(а) = Гвх(а)* А Эвх + Гос(а)*Гтез(а)* Б1§п()* А Эсвяз,
где а - динамический оператор дифференцирования, 1/а - оператор интегрирования входного сигнала для соответствующего звена системы; Г(а) -операторное выражение; гтез(а) - динамический оператор энергоинформационного тезауруса энергопреобразователя, в котором связная энергия либо накапливается (знак оператора Б1§п() = 1), либо рассеивается (Б1§п() = -1), Гвх(а), Гос(а) - динамические операторы входа и обратной связи.
Устойчивость систем оценивается рядом критериев. Эффективность системы можно оценить как КПД = а*1од, где д = Эсвяз/Эвых - реализуемая степень концентрации энергии (вещества, информации), доит = 1/е = 0,37.
В [3, 5] показано, что после допт = 0,37 в геосфере накопление потенциала снижает конечный эффект (это справедливо и в анализе информационного содержания стохастической системы, где д играет роль вероятности состояния системы) [79]. У человека до определенного предела, близкого к допт = 0,37 по отношению к его предельному росту (76 лет), идет концентрация массы тела (здоровья) и информационного ресурса (идей), а спустя 28 лет - накопленный потенциал эффективно используется для совершения полезной работы по репродукции самого человека и его энергоинформационной деятельности.
В экономике действует аналогичное оптимальное соотношение: 1/3 производимой продукции и содержащейся в ней энергии должна накапливаться, 2/3 - потребляться. При допт = 0,37 С = Эсвяз/Эсвоб = 0,63 (близко к значению параметров «золотого сечения»), что служит общим параметром гармонизации энергоинформационных процессов в природных, социально-
экономических и эколого-личностных сферах деятельности, обеспечивающим единый стратегический подход к проблемам устойчивого развития человечества в гармонии с окружающей средой [4-6].
Любое развитие - процесс энергетического преобразования природных ресурсов в материальные и духовные блага цивилизации, оно должно не просто поддерживать исходное равновесное состояние системы, но и обеспечивать скорость эволюционного развития: АКПДэв(г) /А х > 1. Массо-
энергетические и энергоинформационные обменные преобразования в ПОЧ не выводят ее из устойчивого состояния, условия эволюционного развития. Рост энергии означает не столько количественную оценку применяемых природных ресурсов, сколько повышение ценности и качества энергии, эффективности энергетических преобразований ресурсов в конечные «блага» (табл. 2).
Таблица 2
Основные расчетные показатели эффективности систем
Показатели Формула Обозначения формул
Трудовой ресурс - Тр Тр = ЧК + ТК +ЭК = ВК + ИК + ТК + ЭК ЧК (ТК, ЭК, ВК, ИК) - капитал человеческий (трудовой, экономический, витальный, интеллектуальный)
Природный ресурс -Пр Пр = ПК + ЭкК ПК - палеокапитал (в виде ТЭР); ЭкК - экологический капитал
Потенциал - П П = Пр + Тр
Общая эффективность - Эс Эс = А Кж/ А (ПК + А ЧК + А ТК + А ЭК)
Эффективность энергопроизводства - Ээп Ээп = А Кж/ А Пк = А Кж/ВВП*ВВП/Эвых *Эвых/ТЭР*ТЭР/ А Пк = Эсоц Ээн Эдоб Энедр Эсоц - изменение качества жизни; Ээн - энергоэффективность; Эдоб (Энедр) - эффективность добычи, преобразования ТЭР в недропользовании
Эффективность систем - ЭС ЭС = КЖ / А КЖ - качество жизни; А - объем и качество потенциала
В отличие от биосистем, потребляющих возобновляемые ресурсы (пищу), в технико-экономических системах применяют невозобновляемые ТЭР (нефть, газ, уголь и др.), рост издержек на добычу и транспортировку которых обусловливает рост конечной стоимости энергетических услуг. Появление потребностей общества в товарах и услугах, отличных от энергетических, через ограничение затрат на энергообеспечение помогает трансформации в постиндустриальное энергоинформационное общество. Эффективность систем при энергоматериальных и энергоинформационных трансформациях определяется отношением качества жизни, как интегральной оценки полезной работы на выходе к объему и качеству потенциала, формируемого используемым природным и трудовым ресурсами. Тогда потенциал (П) - энергетическая оценка входного воздействия на систему (Эвх = П), а качество жизни - объем полезной работы, совершае-
мый людьми при их деятельности и эволюции развития [1, 4-6].
Уемов Н.А., Оствальд В., Богданов А.А., Вернадский В.И., Подо-линский С.А., Федоровский Н.М., Ферсман А.Е. обосновали необходимость введения единой энергетической единицы для оценки объема природных ресурсов и всех производительных сил. Именно количество и качество энергии, затраченное на производство единицы техники, может служить абсолютной мерой стоимости объекта, а его цена меняться с учетом конъюнктуры рынка. Еще в 1880 г. Подолинский С.А. показал, что в трудовой деятельности накопление энергии на порядок (10 раз) превышает ее потребление, а усовершенствование жизни связано с количественным ростом энергетического бюджета, мотивировав тем самым многих ученых на исследование энергетических возможностей деятельности человека.
Список литературы
1. Бушуев В.В. Энергия российского Экоса (энергетика - экономика
- экология). Ч. 1. Энергия и энергетика. М.: ИАЦ «Энергия», 2001.
2. Данилов Н.И.,Евпланов А.И.,Михайлов В.Ю.Щелоков Я.М. Энерго-сбережение.Введение в проблему. Екатеринбург: Изд-во «Сократ», 2001. 208 с.
3. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Хрестоматия энергосбережения. Справ. изд. В 2-х книгах. / Под ред. В.Г. Лисиенко М.: Теплоэнергетик, 2002.
4. Арсеньев Ю.Н., Давыдова Т.Ю., Коновалов А.П. Экономика энергосистем: инновации, интеллект, потенциал, капитал, модели: Монография. М. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 287 с.
5. Арсеньев Ю.Н., Давыдова Т.Ю. Инновации, инвестиции, интеллект: Потенциал, капитал, модели: Монография. М. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.447 с.
6. Арсеньев Ю.Н., Давыдова Т.Ю. Моделирование интеллектуальнопроизводственного потенциала и капитала субъектов хозяйствования: теория, методология, практика: Монография. М. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 400 с.
Арсеньев Юрий Николаевич, д-р. техн. наук, проф., Россия, Тула, Тульский государственный университет, профессор кафедры информационной безопасности, Тульский филиал Российской академии народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации, профессор кафедры менеджмента,
Давыдова Татьяна Юрьевна, канд. педагог. наук, доцент кафедры экономики и управления, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Минаев Владимир Сергеевич, канд. техн. наук, доц., зам. декана по НИР факультета Экономики и менеджмента, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PROBLEMS OF ENERGY CONVERSION IN THE FINAL RESULTS FROM PERFORMANCE MEASURES
Y.N. Arsenyev, T.Y. Davydova, V.S. Minaev
Study the issues of energy conversion based on their performance and quality of business entities in the region.
Keywords: energy, power, economy, efficiency activities, criteria for resource optimization
Arsenjev Yurj Nikolaevich, doctor of science, Russia, Tula, Tula State University, Russian Academy of National Economy and the Public Service under the President of the Russian Federation, a branch in the city of Tula,
Davydova Tatjana Yurievna, candidate of pedagogics science, docent, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University,
Minaev Vladimir Sergeevich, candidate of technical science, docent, associate dean for research work of the faculty of economics and management, Russia, Tula, Tula State University
УДК 656.615:004.272
НАУЧНЫЕ ПОДХОДЫ К ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
Ю.Н. Арсеньев, Т.Ю. Давыдова, В.С. Минаев
Исследуются подходы к оценке эффективного функционирования сложных экономических систем и хозяйствующих субъектов региона.
Ключевые слова: научный подход, энергия, электроэнергетика, экономика, эффективность деятельности, ее оценка.
Общее энергопотребление в мире выросло за 5 тыс. лет жизни человечества в 3000 раз. Сегодня энерговооруженность (мощность) цивилизации составляет 14 млрд. т у.т. в год или 13*109 КВт (2 КВт/чел.), причем половина этой величины приходится на экономически развитые страны с их 15% населения Земли. Доля полностью или частично (на 75%) нарушенной в результате хозяйственной деятельности людей превышает 70%, а доля сохранившихся естественных систем составляет всего 30% [1, 2]. Исследования показали, что рост продуктивности растений при росте концентрации углекислого газа в атмосфере сначала растет, затем останавливается, а затем растения угнетаются и их продуктивность снижается. Если сегодня его содержание составляет примерно 0,03%, то критическое его значение - 0,1%. Сохранение темпов развития топливной энергетики без их ограничения уже к 50-м гг. XXI века приведет к прекращению компенсации биосферой антропогенных воздействий.
Сопоставление схем энергетических трансформаций в рыночных отношениях обеспечивает адекватность негэнтропийной направленности и устойчивости эволюционного развития социально-экономических систем
