Cel dydaktyczny
- opisywać podstawowe aspekty transferu i konwersji energii;
- wyjaśniać różnicę pomiędzy odnawialnymi i nieodnawialnymi źródłami energii.
W tym rozdziale zajmowaliśmy się energią. Nauczyliśmy się, że może ona przyjąć różne formy i ulegać przemianom. Temat energii jest poruszany bardzo często, zarówno w kontekście spraw codziennych, jak i w naukowym. Dzieje się tak, ponieważ energia występuje we wszystkich procesach fizycznych. Powinno być już jasne, że wiele problemów najłatwiej zrozumieć albo przedstawić za pomocą rozważań energetycznych. Żaden z dotychczasowych uznanych eksperymentów fizycznych nie podważa zasady zachowania energii. Prace eksperymentalne, które początkowo zdawały się przeczyć tej regule, w ostateczności prowadziły do odkrycia nowych form energii.
Jakie są rodzaje energii? Większość z nich omówimy w dalszych rozdziałach (zobacz także Ilustracja 8.14), ale kilka przypadków rozważymy już teraz:
- Cząstki i atomy będące składowymi wszystkich ciał są w ciągłym ruchu. Polega on na złożeniu losowych drgań, a energia kinetyczna związana z tym ruchem nazywana jest energią cieplną (ang. thermal energy). Jak sama nazwa wskazuje, jest ona związana z temperaturą ciała. Zauważmy, że energia cieplna może być przenoszona z miejsca na miejsce, np. poprzez przewodnictwo cieplne, konwekcję lub radiację. W takich przypadkach mówimy o transporcie ciepła.
- Energia elektryczna (ang. electrical energy) jest bardzo popularnym rodzajem energii i wykorzystujemy ją do wykonania pracy w wielu praktycznych zastosowaniach.
- Paliwa, czyli na przykład benzyna lub jedzenie, zawierają w sobie energię chemiczną (ang. chemical energy). Jest to forma energii potencjalnej wynikającej z wiązań i budowy cząsteczkowej danej substancji. Energia chemiczna może zostać zamieniona na cieplną, np. poprzez utlenienie. Reakcje chemiczne mogą też prowadzić do powstawania energii elektrycznej, tak jak ma to miejsce w bateriach. Natomiast energia elektryczna może być zamieniona na cieplną lub świetlną w urządzeniach takich jak grzejnik elektryczny czy żarówka.
- Światło widzialne jest jedną z form fali elektromagnetycznych, które są związane z pewną energią promieniowania (ang. radiant energy). Do tego rodzaju energii zaliczamy fale radiowe, podczerwone (IR), nadfioletowe (UV), rentgenowskie oraz gamma. Wszystkie ciała posiadające energię cieplną wypromieniowują energię w postaci fal elektromagnetycznych.
- Energia jądrowa (ang. nuclear energy) powstaje w wyniku reakcji i procesów, w których dochodzi do zamiany masy na energię. Energia jądrowa ulega przemianie w energię promieniowania Słońca czy cieplną w reaktorach jądrowych, która potem jest zamieniana na elektryczną w turbinach parowych. Wszystkie rodzaje energii mogą ulegać przemianie jedna w drugą i, do pewnego stopnia, mogą być zamieniane na pracę mechaniczną.
Procesy przemiany energii z jednego rodzaju w drugi zachodzą nieustannie w otaczającym nas świecie. Energia chemiczna pożywienia jest zamieniana na energię cieplną poprzez metabolizm, a energia świetlna – w chemiczną poprzez fotosyntezę. Inny rodzaj konwersji energii ma miejsce w ogniwach fotowoltaicznych. Światło słoneczne padające na ogniwa podlega przemianie na elektryczność, która potem może być wykorzystana do napędzania silników lub ogrzewania wody. W innym przykładzie energia chemiczna zgromadzona w węglu jest przekształcana podczas spalania w piecu na energię cieplną, którą potem wykorzystuje się do zamiany wody w parę wodną. Para wodna ulega rozprężeniu wraz ze wzrostem temperatury, a zatem część energii cieplnej zamienia się w mechaniczną. Energia mechaniczna gazu napędza turbinę, która w ten sposób wytwarza prąd elektryczny. W omawianych przykładach niecałą energię początkową udaje się zamienić w formę końcową, ponieważ część energii jest zawsze przekazywana otoczeniu (np. poprzez rozproszenie).
Energia jest bardzo ważna w każdym aspekcie życia ludzkiego. Żyjemy w świecie pełnym współzależności i dostęp do odpowiedniej ilości niezawodnych zasobów energetycznych jest kluczowy dla wzrostu ekonomicznego i utrzymania jakości życia ludzkiego na odpowiednim poziomie. Podstawowe rodzaje źródeł energii przedstawiono na Ilustracji 8.15. Rozróżniono na nim dwa podstawowe rodzaje źródeł: odnawialne (ang. renewable energy source) oraz nieodnawialne (ang. non-renewable energy source), a także przedstawiono dalszy, bardziej szczegółowy ich podział. Odnawialne źródła energii (OŹE) są uzupełniane poprzez procesy naturalnie przebiegające w środowisku w czasie dużo krótszym niż czas trwania cywilizacji, która zamierza z nich korzystać. Nieodnawialne źródła energii są zużywane i nie mogą zostać odnowione, bądź czas do tego potrzebny jest zbyt długi.
Najważniejszym źródłem energii nieodnawialnej dla naszej cywilizacji są paliwa kopalne (ang. fossil fuels), takie jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny. Z tego źródła powstaje około 81% zużywanej globalnie energii. Podczas spalania paliwa zachodzą reakcje chemiczne, które przekształcają energię potencjalną wiązań chemicznych w energię cieplną oraz nowe związki chemiczne będące produktami reakcji. Powstałe ciepło może zostać wykorzystane do ogrzewania budynków lub do zasilania maszyn i instalacji parowych. Silniki spalinowe oraz odrzutowe zamieniają część energii spalania, poprzez gwałtowne rozprężanie gazów, w energię mechaniczną. Do wytworzenia energii elektrycznej zazwyczaj wykorzystuje się energię związaną z rozprężaniem pary wodnej, która np. w silnikach turbinowych transformowana jest w pracę mechaniczną. Uzyskanej energii mechanicznej używa się potem do obracania uzwojeń przewodnika w polu magnetycznym, co prowadzi do powstania prądu przemiennego. Energia jądrowa to inny rodzaj energii nieodnawialnej pokazanej na Ilustracji 8.15, która dostarcza 3% światowego zapotrzebowania. Reakcje jądrowe uwalniają energię poprzez zamianę energii potencjalnej jądra atomowego na energię cieplną, podobnie jak w przypadku reakcji chemicznych. Uzyskane ciepło może być przekazywane lub przekształcane na inne formy w sposób analogiczny, jak w przypadku paliw kopalnych.
Niepożądanym skutkiem ubocznym spalania paliw kopalnych jest uwalniany do atmosfery dwutlenek węgla, jeden z czynników wywołujących globalne ocieplenie. Natomiast wyzwaniem dla energii jądrowej są zagadnienia związane z bezpieczeństwem eksploatacji i utylizacji materiałów promieniotwórczych. Kolejny problem związany z energią nieodnawialną wiąże się z faktem, że jej źródła są ograniczone. Co więcej, obserwacja procesów rozwoju cywilizacyjnego pozwala przewidywać dalsze zwiększenie ich zużycia, tak, że może zabraknąć ich w ciągu następnych kilkuset lat. Aby przeciwdziałać tym zagrożeniom, duży nacisk kładzie się na badania i rozwój OŹE. W prace te zaangażowanych jest wielu naukowców z całego świata.
Cztery z wymienionych na Ilustracji 8.15 źródeł energii odnawialnej bazują na surowcu pochodzenia roślinnego (ciepło i elektryczność z biomasy, etanol oraz biodiesel). Konwersja energii z tych źródeł opiera się na takich samych procesach, jak w przypadku paliw kopalnych. Pozostałe najważniejsze rodzaje OŹE to: energetyka wodna, wiatrowa, słoneczna oraz źródła geotermalne.
Energetyka wodna (ang. hydropower) bazuje na przemianie energii potencjalnej grawitacji mas wody na energię kinetyczną, która towarzyszy spadkowi z wysokości. Spadająca woda wykonuje pracę, napędzając przeznaczone do tego celu turbiny, które energię mechaniczną zamieniają na elektryczną. Inny rodzaj energetyki związanej z poruszającymi się masami wody, energia prądów morskich, pływów i falowania, znajduje się na wczesnym etapie rozwoju i nie jest wykorzystywany na szeroką skalę. Energia wiatrowa (ang. wind power) natomiast również wykorzystuje energię kinetyczną przepływu mas powietrza do zasilania młynów, napędzania żaglówek albo do zamiany na energię elektryczną.
Wnętrze Ziemi skrywa skumulowane ogromne zasoby energii cieplnej, której część jest pozostałością procesu formowania się planety (energia potencjalna grawitacji zamieniona na ciepło), a część pochodzi z promieniowania występującego w pewnego rodzaju minerałach (jest to forma naturalnej energii jądrowej). Minie bardzo długi czas, zanim ta energia geotermalna (ang. geothermal energy) zostanie oddana do otaczającej nas przestrzeni kosmicznej, a z uwagi na długość trwania cywilizacji ludzkiej oraz jej zapotrzebowanie na energię – to źródło uznawane jest za trwałe i niemalże nieskończone.
Źródłem energii słonecznej (ang. solar power) są fale elektromagnetyczne wypromieniowywane przez naszą gwiazdę. Większość tej energii występuje w postaci światła widzialnego i podczerwonego. Odpowiednio dobrane materiały mogą absorbować fale elektromagnetyczne i zamieniać ich energię, na przykład na ciepło, które może być wykorzystane do ogrzania wody albo, w formie skoncentrowanej, do produkcji pary wodnej i wytwarzania z niej energii elektrycznej (Ilustracja 8.15). W innym procesie fizycznym, zwanym efektem fotoelektrycznym, energia fali elektromagnetycznej może być zamieniana bezpośrednio na elektryczność. Stosuje się w tym celu materiały fotowoltaiczne (zob. ogniwa słoneczne fotowoltaiczne na Ilustracji 8.16). Niektóre instalacje solarne wykorzystują soczewki albo lustra do skupiania wiązki światła i konwersji skupionej wiązki na energię – są to elektrownie słoneczne CSP przedstawione na Ilustracji 8.15.
Ważne jest, żeby na zakończenie tego rozdziału powiedzieć kilka słów o głównych aspektach rozważań energetycznych. Tak jak wspomnieliśmy wcześniej, zasada zachowania energii jest bardzo przydatnym prawem stosowanym w analizie zagadnień fizycznych. Nie można jej udowodnić na podstawie podstawowych praw fizyki, ale jest to dobre narzędzie, jako że odstępstw od niej nigdy nie udało się wykazać naukowo. Zasada zachowania energii mówi nam, że całkowita energia izolowanego układu pozostaje stała. Należy przy tym pamiętać, że w dyskursie publicznym o energii mówi się w trochę inny sposób, w szczególności jeśli chodzi o kwestię oszczędzania energii. O oszczędzaniu energii mówi się wtedy, kiedy chcemy zmniejszyć ilość energii zużywanej przez odbiorcę indywidualnego lub ich grupę (np. poprzez obniżenie temperatury w pokojach, rzadsze korzystanie z transportu samochodowego). Innym aspektem tego zjawiska jest próba bardziej skutecznej przemiany energii w danym procesie (np. efektywniejsze systemy ogrzewania, samochody spalające mniej benzyny, bardziej oszczędne oświetlenie).
Natomiast zgodnie z zasadą zachowania energii w układzie zamkniętym energia nigdy nie jest niszczona ani wytwarzana. Nie możemy jej zatem w tym sensie „oszczędzić” ani nawet „wytworzyć”. Zagadnienie dotyczy głównie efektywności konwersji i wykorzystania form energii, które są dla nas przydatne. Z punktu widzenia fizycznego problem dotyczy bardziej energii rozproszonej, np. ciepła, którego nie można wykorzystać w postaci pracy. Szerzej zagadnienia związane z przemianami energii i ciepła omówimy w rozdziałach dotyczących termodynamiki.