Czym jest energia?

Energia może objawiać się w wielu postaciach, takich jak: ruch, ciepło, światło, elektryczność i wielu innych. Możemy powiedzieć, że energia jest nam potrzebna, żeby wykonać korzystną dla nas pracę: ogrzać mieszkanie, wprawić w ruch samochód, schłodzić produkty w lodówce itd.

Używamy energii, kiedy rano bierzemy ciepły prysznic. Używamy mydła i ręcznika, które zostały wyprodukowane w fabryce przy użyciu energii. Cegły, beton i okno w twoim pokoju – wytworzenie tego wszystkiego również wymagało energii. Nasze ubrania i buty również wytworzone dzięki energii. Energia leży u podstawy wszystkiego co robimy: prawie każda aktywność wymaga paliwa lub elektryczności.

Termin energia ma w rzeczywistości tak szerokie znaczenie, że trudno sformułować klarowną definicję. Słowo energia wywodzi się ze starożytnej greki i oznacza „działanie”. W potocznym języku osoby mające duży wpływ na otoczenie określa się energicznymi. W podręcznikach do fizyki możemy spotkać wiele definicji. Najczęściej przeczytamy że:

• energia to wielkość skalarna (liczba) charakteryzująca stan w jakim znajduje się ciało (lub wiele ciał), lub
• energia jest miarą zdolności układu fizycznego (materii) do wykonania pracy.

Energia występuje w wielu postaciach i każda postać wyraża się innym wzorem. Fascynującą własnością energii jest wieczność i niezmienność. Energii nie powstaje z niczego i nie obraca się w nicość – może tylko zmieniać swoją postać. Skąd więc się wzięła? Odpowiedzi na to pytanie należy szukać na pograniczu fizyki, filozofii i religii.

Przykłady form energii:

• energia mechaniczna – związana z ruchem; jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej,
• energia cieplna – związana z chaotycznym ruchem atomów – jej miarą jest temperatura,
• energia elektryczna – związana z układem ładunków elektrycznych; elektrodynamiczna – jeśli ładunki się poruszają, lub elektrostatyczna – jeśli pozostają w spoczynku.
• energia chemiczna – uwalniana podczas rozrywania cząsteczek,
• energia jądrowa – związana z różnicami w energii wiązania poszczególnych jąder atomowych.

Łańcuch przemian energetycznych w elektrowni cieplnej (węglowej). Pierwotnym źródłem jest tu energia chemiczna paliwa (węgla) uwalniania w procesie spalania. Sprawność elektrowni węglowych oscyluje wokół 40%

Energia jest dla nas dostępna dzięki źródłom energii, takim jak drzewo, wiatr, jedzenie, węgiel czy też ropa. Obfitość i szeroki dostęp do tych źródeł decyduje o rozwoju naszej cywilizacji. Bez energii nie ma radia, telewizji, komputerów, telefonów. Wyobraź sobie że musisz gromadzić drzewo na opał, dzięki któremu ogrzejesz dom, przygotujesz posiłek, ogrzejesz wodę, że wszędzie chodzisz na pieszo… Nasza cywilizacja potrzebuje więc energii by się rozwijać.

Światła wielkich miast – obraz złożony ze zdjęć satelitarnych. Energia elektryczna jest powszechnie wykorzystywana do oświetlenia (kliknij zdjęcie aby powiększyć). Źródło: nasa.gov

Do wytworzenia całej energii którą zużywamy (zawierającej elektryczność, energię spalania ropy itd.) używając siły mięśni potrzebowalibyśmy 100 ludzi lub 10 koni pracujących na nas non stop (24 godziny na dobe, 7 dni w tygoniu). Energia prądu płynącego w gniazdkach naszych domów ma moc wielu koni.

Wodospad, litografia M.C. Eschera, 1961 r. Według słów artysty „spadająca woda porusza koło młyńskie a następnie przepływa przez nachylony kanał między dwiema wieżami, prowadzący zygzakiem do miejsca, gdzie znowu zaczyna się wodospad. Młynarz musi tylko od czasu do czasu dolać wiadro wody, aby uzupełnić ubytek spowodowany odparowaniem”. Prawdziwe perpetum mobile? Niestety, zasada zachowania energii wyklucza możliwość istnienia perpetum mobile – układu izolowanego który bez przerwy dostarczałby energię.

Skąd się bierze energia?

Na co dzień nie zastanawiamy się skąd pochodzi prąd w naszych gniazdkach lub benzyna na stacji benzynowej, przynajmniej dopóki radio po włączeniu gra i benzyna jest dostępna. Jednak istniej cały łańcuch technologiczny zapewniający nam nieprzerwany dopływ energii.

Łańcuch ten zaczyna się w miejscu wydobycia/przetwarznia energii w jej pierwotnej postaci (węgiel, ropa, wiatr, promieniowanie słoneczne). Energia w pierwotnej postaci (źródło energii) sama w sobie najczęściej nie jest dla nas użyteczna. Konieczna jest więc jej zamiana na końcową postać taką jak elektryczność czy benzyna. Następnie konieczny jest transport, rozdział i dostarczenie jej poszczególnym odbiorcom końcowym. Na końcu urządzenia takie jak żarówki, piekarniki czy samochody wykorzystują tą końcową postać energii dzięki czemu mogą funkcjonować.

Łańcuch energii jest w konsekwencji bardzo długi – w jego skład wchodzą takie elementy jak: kopalnie, platformy wiertnicze, rurociągi, tankowce, elektrownie, linie przesyłowe, stacje benzynowe i wiele innych. Wszystkie te elementy razem nazywamy systemem elektroenergetycznym.