Co to jest energia?

Niniejszy cykl, który zaczął się od artykułu Pułapki w nauczaniu elektroniki (A001), jest w rzeczywistości wstępem, naświetleniem zagadnień, które będą potrzebne do przygotowywanego cyklu Radiowej Oślej Łączki. Trudno zrozumieć zagadnienia „radiowe” bez dokładniejszego zrozumienia kwestii energii.

W niniejszym artykule zajmiemy się tematem: co to w ogóle jest energia? Na pozór kwestia, czym tak naprawdę jest energia, wydaje się oczywista. Niestety, tylko się wydaje – w następnych dwóch artykułach: Czym tak naprawdę jest energia? (A006) i Niesamowita historia energii (A007), spróbuję uzasadnić, dlaczego wcale nie są to sprawy oczywiste. Wprost przeciwnie – są to zagadnienia ekstremalnie trudne i w zasadzie nie wiemy, czym tak naprawdę jest energia. A szkolne informacje wręcz wprowadzają elektronika w błąd. Dopiero w kolejnym artykule: Energia, moc i sprawność – najważniejsze w elektronice (A009) podaję Ci mocne argumenty, dlaczego dla współczesnego elektronika energia jest najważniejsza.

Pojęcia dotyczące energii

Pojęcie energia (od greckiego ενεργεια) ma wiele znaczeń, począwszy od filozofii, skończywszy na sztuce. Nas interesują tylko znaczenia, związane z techniką, a w szczególności z elektroniką. Można tu wymienić następujące określenia:

energia odnawialna, czysta energia, bioenergia, zielona energia, energia słoneczna, jądrowa (nuklearna), chemiczna, promienista, elektryczna, magnetyczna, elektromagnetyczna, grawitacyjna, akustyczna, geotermiczna, mechaniczna energia kinetyczna i potencjalna, energia wewnętrzna, energia spoczynkowa czy wreszcie ciemna energia, ujemna energia, a nawet energia życiowa czy raczej energia żywa.

Z tym ściśle wiążą się bardzo nieścisłe i błędnie rozumiane sformułowania jak: wytwarzanie energii, zużycie energii, straty energii.

Szkolne wyobrażenia energii, pracy i ciepła

Może to tylko ja w podstawówce miałem fatalnych nauczycieli fizyki, ale w moim przypadku wyniesione stamtąd wyobrażenia, których mi nikt później nie wyprostował, mocno i na długo wprowadziły mnie w błąd.

Mianowicie początkiem i podstawą nauki fizyki była mechanika. Nikt mi nie wytłumaczył, czym jest energia (dziś nie dziwię się, dlaczego). Dowiedziałem się natomiast, że energia może być kinetyczna lub potencjalna, co łatwo było zrozumieć i poczuć intuicyjnie. Zamiast jednak przybliżyć i rozszerzyć pojęcie energii, moją uwagę skierowano na pojęcie pokrewne, „prawie takie same”, a mianowicie na pracę. Dowiedziałem się, że praca to iloczyn, czyli wynik pomnożenia siły F i drogi (przesunięcia) s – rysunek 1, i że jednostką pracy i energii jest dżul, czyli niuton razy metr.

Dowiedziałem się też, że moc to szybkość wykonywanej pracy, lub inaczej mówiąc – ilość pracy wykonywanej w jednostce czasu, że jednostką mocy jest wat, że urządzenie ma moc 1 wata, jeśli w ciągu 1 sekundy wykonuje pracę 1 dżula, czyli że wat to niuton razy metr przez sekundę. I to było jasne, wydawało się łatwe, sensowne i spójne.

Ale było dla mnie pułapką. Pułapką, z której wygrzebywałem się długo – zdecydowanie zbyt długo. Na przykład długo nie mogłem zrozumieć, niby dlaczego 1 wat to również 1 wolt razy 1 amper…

Jakim cudem 1 wat, który według głęboko wrytej w głowę definicji określa wykonanie w ciągu sekundy pracy związanej z siłą 1 niutona i przesunięciem o metr, jest równy pomnożeniu czegoś tak zupełnie innego jak 1 wolt i 1 amper? Czy to przypadek i zbieg okoliczności, czy celowy dobór jednostek, żeby dawały taki efekt, czy może zależność i tożsamość, której zupełnie nie rozumiem? Były i inne pułapki.

Ja wtedy jeszcze nie interesowałem się elektroniką, tylko chemią i trochę astronomią. Nikt mi nie wytłumaczył fundamentalnej, najważniejszej zależności takich pojęć jak: energia, praca i ciepło.

Pułapką było to, że w szkole najpierw była mechanika (kinematyka, dynamika) – lekka, łatwa i przyjemna, potem była elektrostatyka – bardziej obca, dziwna, trudniejsza do intuicyjnego przyswojenia. Nie pamiętam, czy i jakie były omawiane elementy elektrodynamiki, czyli w sumie magnetyzmu, ale na pewno było to coś odrębnego od mechaniki, coś zupełnie innego, co zupełnie nie wiązało się mechaniką, która wydawała się podstawą fizyki. Tak samo zupełnie oddzielna, oderwana wydawała się optyka i zjawiska falowe.

Co najgorsze, nikt nie wbił mi do głowy dwóch jakże ważnych kwestii: po pierwsze, że światło to fala elektromagnetyczna, taka jak fala wytwarzana przez nadajnik radiowy, telewizyjny, krótkofalarski, radar, i taka jak przyjemne promieniowanie domowego kominka. Po drugie, pokrewne, nie wytłumaczono mi dostatecznie wcześnie, że zjawiska falowe występujące w optyce, takie jak dyfrakcja, załamanie, odbicie, występują nie tylko w związku z antenami, ale też we wszelkich przewodach, w których płynie prąd zmienny.

Kolejne fatalne wyobrażenie, nabyte na lekcjach fizyki, dotyczyło termodynamiki. Nie pamiętam, czy elementy termodynamiki były już w podstawówce, czy w technikum, ale termodynamika pozostała w głowie jako coś nie tylko obcego, niezrozumiałego, ale wręcz wydziwionego, niepraktycznego, zawierającego pojęcia, które wydawały się nikomu i nigdzie niepotrzebne, a już zupełnie niezwiązane z elektroniką.

Jedną z największych pułapek okazało się powiązanie, niemal utożsamienie, energii z pracą przy jednoczesnym braku powiązania pracy z ciepłem. Owszem, był jakiś piwowar „preskot”, specjalista od (za)mieszania. Podgrzewał on wodę (na szczęście nie piwo) za pomocą opadającego ciężarka – fotografia 2 pokazuje jego przyrząd badawczy.

(…) ciach!

To jest tylko początek, zapowiedź artykułu, którego pełna wersja ukazała się z numerze kwietniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 5/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 5/2023 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki