Energie
Z Wikina
Slovo pochází z řečtiny a znamená schopnost konat práci (en – v, ergos – práce). Hraje podstatnou roli v celém vesmíru i ve všem dění na Zemi. Je v každém pohybu a v každé změně. Energií je vybavena každá věc ve vesmíru, od elektronu až po hvězdy (kosmické termonukleární reaktory). Energie je (skalární) veličina, jejíž základní jednotkou v systému jednotek SI je joule (J). Práci 1 J vykonáme, působíme-li silou 1 N po dráze 1 m.
Energie existuje v mnoha formách, které se mohou navzájem přeměňovat. Některé formy energie (např. světlo, elektřina) se snadno přeměňují v jiné formy (např. teplo), ale je to nevratný pochod. Některé formy energie jsou kvalitní (světlo, elektřina), jiné méně kvalitní (např. teplo). Pojmem kvality (užitečnosti) energie se zabývá termodynamika.
Nositeli energie jsou obě základní složky vesmíru:
- (a) elementární částice (protony, neutrony a elektrony) i jejich systémy (látky, věci);
- (b) fotony, kvanta elektromagnetického záření.
Každá částice o klidové hmotnosti m0(kg) má klidovou energii E0 (J): E0 = m0c2, kde [c] je rychlost světla (3*108 m s–1). Tato Einsteinova rovnice např. vyjadřuje, že jeden kg (jakékoliv) látky obsahuje energii 9*1016 J, tj. 25 mld. kWh.
Fotony si lze představit jako chomáčky energie, v nichž kmitá elektrická síla (a na ni kolmá magnetická). Čím je vyšší kmitočet v, tím větší je energie fotonu E, neboť: E = hν, kde konstanta úměrnosti je Planckova konstanta (6, 626 * 10–34 J s–1).
Obsah |
Energie v makrokosmu
čelní srážka dvou aut o hmotnosti jedné tuny při rychlosti 90 km h–1: 1 MJ
energie v potravě pro člověka za jeden den: 10 MJ
výbuch jedné tuny TNT (trinitrotoluenu): 4,2 GJ
sluneční energie uskladněná za sekundu fotosyntézou do biosféry: 90 TJ
výbuch 20 Mt vodíkové bomby : 84 000 TJ
klidová energie 1 kg látky : 90 000 TJ
za den dopadne na Zem sluneční energie: 15 * 109 TJ
energie uvolněná při dopadu úlomku (1013 kg) komety Shoemaker - Levy 9 na Jupitera: 1,8 * 1010 TJ
energie uvolněná velkou sluneční erupcí: 1013 TJ
energie vyzářená Sluncem za 1 s: 3,4 * 1014 TJ
energie vyzářená za 1 s mladou obří hvězdou: 1021 TJ
energie vyzářená Galaxií za 1 s: 5 * 1025 TJ
energie vyzářená kvazarem za 1 s: 1027 TJ
energie vyzářená velkým gama-zábleskem: 1035 TJ
Energie v mikrokosmu
(Energie atomů, molekul a fotonů se vyjadřuje v elektronvoltech)
kinetická energie molekul vzduchu, který dýcháme: 0,03 eV
pohyb atomů na povrchu Slunce: 0,5 eV
pohyb elektronů a iontů ve středu Slunce: 1 keV
elektron v polární záři: 1 - 15 keV
elektron ve slunečním větru: 10 keV
klidová energie elektronu: 0,5 MeV
elektrony z radioaktivního draslíku (teplo nitra Země): 1,4 MeV
proton ve slunečním větru: 20 MeV
pohyb elektronů a iontů v supernově: 20 MeV
protony ve vnitřním radiačním pásu: 10 - 100 MeV
částice subkosmického záření: 20 - 100 MeV
klidová energie protonu: 938 MeV
proton kosmického záření: 100 MeV - 10 J
energie fotonů z vesmíru: 10–7-1017eV (viz záření)
Zásoby a původ energie na Zemi
druh energie forma na Zemi příklad využití množství využitelné využívá se původ
KINETICKÁ
zemská rotace přílivová 2 * 1029 J << 1 TW zanedbatelně turbulence
elektrárna pramlhoviny
vítr větrné mlýny 103 TW 1 - 10 TW málo sluneční a elektrárny řeky vodní elektrárny 9 TW 5 TW 0,9 TW sluneční
vlny pokusy > 1 TW << 1 TW - sluneční
TEPELNÁ
litosféry geotermální 9 * 104 TW ~ 1 TW GW supernovy
hydrosféry OTEC*) 100 TW TW pokusně sluneční
CHEMICKÁ
biomasa fosilní 3,4 * 1023 J 3 * 1022 J 7 TW sluneční
současná 90 TW 10 TW < 1 TW sluneční
JADERNÁ**)
štěpný jaderné elek- 1012 t 5 * 106 t 0,1 TW supernovy
materiál trárny 2 g U v t | 1012 J kg– 1
3 g Th v t| >100 TW 6 * 1013 J kg–1***)
fúzní palivo (D, T) JET oceány >100 TW pokusy vesmír z H
FOTONY
sluneční záření většina energie 180 000 TW >100 TW rozvoj sluneční
dopadající na Zemi na Zemi 20 TW
nepřímo voda, vítr, biomasa
- ) OTEC využívá teplotního gradientu oceánů (4—25 °C na 350 m).
- ) Množství: tuny rudy , 2 g U a 3 g Th na tunu. 1012 J lze uvolnit z klidové energie 9*1016 J v
1 kg štěpného materiálu. Mnohem více ( 6 * 1013 J ) v množivém reaktoru.
- ) U množivých reaktorů.
Pozn.: Tabulka je pokusem shrnout (v hrubých odhadech) zásoby všech forem energie na Zemi a jejich
současné využití. Připomeňme, že na Zemi je kolem 6 mld. lidí a celková spotřeba činí přes 10 TW.
Důležitost sluneční energie pro budoucí energetiku je z tabulky zřejmá.