Czym tak naprawdę jest energia?

Podobnie jak poprzedni, ten artykuł również poświęcony jest energii. Stanowi też wprowadzenie w zagadnienia związane z falami radiowymi, którymi będziemy się zajmować w ramach przygotowywanej do publikacji Radiowej Oślej Łączki. Zagadnień „radiowych” nie sposób zrozumieć bez wiedzy o energii.

W poprzednim artykule i filmie Co to jest energia? (A005) zasygnalizowałem dlaczego tak trudno jest zdefiniować fundamentalne pojęcie energii. Próbowaliśmy też przybliżyć sens pojęcia energia. Zadanie to okazuje się nieprawdopodobnie trudne także z kilku innych względów. W niniejszym artykule omówimy znaczenie różnych określeń, związanych ze słowem „energia”. W następnym Niesamowita historia energii (A007) prześledzimy fascynujący rozwój pojęcia energii w ciągu ostatnich 300 lat.

Termodynamika

W poprzednim artykule pisałem, że dla mnie termodynamika długo była czymś dziwnym, obcym, a wręcz niepotrzebnym. Chyba głównie dlatego, że najwięcej tam było o przemianach dotyczących gazów, a to mnie nie interesowało, nawet w kontekście działania silnika spalinowego. A nikt mi nie wytłumaczył szerszego kontekstu ani nawet tego, dlaczego mówiono tylko o gazach. Wtedy na pewno nie potrafiłbym wytłumaczyć działania pokazanego na fotografii tytułowej „pijącego ptaka”, który absolutnie nie jest rodzajem perpetuum mobile, tylko jest nietypową formą silnika cieplnego, wykorzystującego zasady termodynamiki.

Tymczasem termodynamika powinna nas teraz interesować, ponieważ według Wikipedii: Termodynamika to dział fizyki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów (…).

No i niestety, zaczyna się! Pomijając kwestię gazów, już na początku definicji mamy bardzo ważne, wręcz kluczowe pojęcie energii wewnętrznej. I należałoby określić, czym jest, a także czym nie jest ta energia wewnętrzna. Bo pojęcie to jest bardzo często używane.

My nie będziemy teraz definiować energii wewnętrznej. Choćby tylko dlatego, że to złożone zagadnienie, a przy okazji pewnie zaplątalibyśmy się w kwestię potencjałów termodynamicznych.

Powiedzmy tylko, że na energię wewnętrzną składają się różne formy energii. Nie ważne jakie.

Między innymi coś, co niezbyt ściśle nazywane jest energią cieplną. I tu dochodzimy do punktu, bardzo ważnego także dla każdego elektronika. Otóż wcześniej mówiliśmy, że można przekształcać różne formy energii niemal dowolnie i co ważne, wielokrotnie, w nieskończoność. Z energią cieplną jest inaczej. Najogólniej mówiąc, jest to też forma energii, ale taka, której w całości nie można zamienić na inny rodzaj energii. Energię cieplną można zamienić na inny rodzaj energii co najwyżej tylko częściowo. Właśnie dlatego nazywam ją nieszlachetną lub najmniej szlachetną formą energii.

Przyczyny wynikające z fundamentalnych cech naszego wszechświata, dążącego od porządku do chaosu, związane są z czymś takim jak entropia i różnica temperatur. Zagadnienie jest skomplikowane, ale ogólne końcowe wnioski są jednak bardzo proste: na inne rodzaje energii można zamienić taką część energii cieplnej, która związana jest z różnicą temperatur. Czym większa różnica temperatur, tym więcej energii cieplnej można zamienić na inny, szlachetniejszy rodzaj energii. Natomiast jeśli nie ma różnicy temperatur, a tym samym przepływu energii cieplnej (ciepła), to choć energia cieplna jest, nie można z nią nic sensownego zrobić – nie można zamienić jej na inną formę energii. W elektronice dosłownie widzimy to na własne oczy próbując wykorzystać moduł Peltiera (fotografia 1) do wytwarzania energii elektrycznej, czyli realizując tak zwany generator Seebecka (TEG).

W każdym razie można powiedzieć, że część energii cieplnej można wykorzystać. Ta część nazywana jest też egzergią, ale częściej energią swobodną, żeby nie wspomnieć o entalpii. Natomiast „bezużyteczna” część energii cieplnej nazywana bywa anergią. W procesie nauczania te kwestie omawia się na przykładzie najłatwiejszym – na przykładzie gazów. I tu jest problem, bo tak to nam się utrwala w głowie, a w rzeczywistości zagadnienie przekształcania energii cieplnej dotyczy nie tylko gazów, ale i wszelkich innych systemów, w szczególności dotyczy też elektroniki – elementów i układów w niej wykorzystywanych.

W związku z egzergią, czyli użyteczną częścią energii cieplnej, pojawia się pojęcie otoczenia i pojęcie temperatury otoczenia. Przepływy energii są związane z różnicą temperatur. To też jest ogromnie ważne dla elektronika, ponieważ elementy i układy elektroniczne trzeba chłodzić. Już teraz wspomnijmy nie tylko o klasycznych sposobach chłodzenia z zastosowaniem radiatorów, ale też o sposobach chłodzenia za pomocą pomp ciepła, choćby właśnie w postaci modułów Peltiera. Możemy to szeroko omówić, bo właśnie energia, w tym energia cieplna i ciepło naprawdę są najważniejsze dla elektronika. Na razie przypominamy tylko fundamenty i musimy omówić jeszcze inne aspekty.

Różne znaczenia słowa energia

Słowo energia ma bardzo szeroki zakres znaczeniowy. Jeśli chcesz rozszerzyć horyzonty, poświeć trochę czasu na samodzielne sprawdzenie, jakie znaczenia nietechniczne ma słowo energia.

Nawet w roli określenia technicznego ma szereg znaczeń, z których liczne są nieścisłe i mogą wprowadzać w błąd. Oto szczegóły.

Wytwarzanie i zużywanie energii?

Na początek przypomnijmy podstawową, szkolną informację, że energia jest niezniszczalna i że nie można jej wytworzyć. Można tylko przetwarzać energię z jednej postaci w inne postacie. Tymczasem w języku potocznym powszechnie mówimy o wytwarzaniu energii.

Zgadzamy się ze stwierdzeniem, że w akumulatorze mamy do czynienia ze zmianami form energii: najpierw podczas ładowania energia elektryczna zamieniana jest na energię chemiczną, a przy rozładowaniu odwrotnie: energia chemiczna zamieniana jest na elektryczną (przy czym wiązania chemiczne wykorzystują siły, oddziaływania elektromagnetyczne). Natomiast niektórym wydaje się oczywiste, że w elektrowni energia elektryczna powstaje, że jest wytwarzana. Fotografia 2 (prasowa Siemens CC-BY-SA 3,0) pokazuje potężny turbogenerator „wytwarzający” energię elektryczną.

W rzeczywistości w każdej elektrowni mamy nie wytwarzanie, tylko przetwarzanie form energii, i to kilkustopniowe. Powszechnie wiadomo, że nie ma darmowych obiadów, a tylko takie, za które ktoś zapłacił. A jeszcze wcześniej wiedziano, że z próżnego, to i Salomon nie naleje. Otóż generator – prądnica jedynie zamienia energię mechaniczną na elektryczną. Jeżeli jest to elektrownia wodna, to prądnica jest zasilana przez turbinę wodną, która z kolei wykorzystuje energię mechaniczną (kinetyczną lub potencjalną) wody.

(…) ciach!

To jest tylko początek, zapowiedź artykułu, którego pełna wersja ukazała się z numerze czerwcowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 6/2023). 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 6/2023 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.