Energia – od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #3 – energia...czyli co? (cz. 2)

Początkowo trudno było zrozumieć jak wiele postaci przybiera energia. Dlatego też tradycyjnie dzieli się ją na szereg form. Taki podział – wbrew temu, jak wcześniej postrzegano energię nie jest jednoznaczny. Pozwolił on jednak zrozumieć, że z pozoru oddzielne zjawiska okazały się mieć ze sobą ścisłe związki i nawzajem się przenikać. – Zidentyfikowanie wspólnego źródła wielu obserwowanych zjawisk jedynie nieznacznie przybliżyło nas do zrozumienia czym jest energia.

Gdy atomy albo cząsteczki tworzące jakąś substancję poruszają się, nie da się oddzielić ich energii cieplnej od energii kinetycznej ich ruchu. Pomimo, że podział na wiele form energii jest niejednoznaczny, to wciąż myślenie o różnych „rodzajach” energii może być użyteczne. Wygodnie jest podzielić różne formy energii na dwie klasy: energię potencjalną i energię kinetyczną. Energia potencjalna to energia zmagazynowana w ciele lub układzie wskutek jego położenia, kształtu lub stanu. Energia kinetyczna jest energią ruchu.

Podział energii na różne postaci nie jest rygorystyczny i ma charakter umowny, a poszczególne postaci energii mogą przekształcać się jedna w drugą. Energia może być przenoszona z jednego obiektu fizycznego do drugiego. Energia chemiczna może być zmagazynowana w paliwach i uwalniana w wyniku reakcji chemicznych (przegrupowanie elektronów na powłokach w atomach); energia jądrowa zmagazynowana np. w uranie i uwalniana w reaktorach jądrowych (przegrupowanie nukleonów; protonów i neutronów, w jądrach atomowych); energia kinetyczna jest właściwa obiektom znajdującym się w ruchu; energia potencjalna grawitacji to właściwość, którą obiekt posiada z racji swojego położenia w polu grawitacyjnym. Energia cieplna jest właściwa obiektom o określonej temperaturze. Czym jednak jest wspólna właściwość tych wszystkich form energii, poza tym, że można przemieniać jedną formę energii w inną, trudno powiedzieć. W rzeczywistości cała dziedzina termodynamiki zajmuje się zależnościami pomiędzy energią cieplną, pracą i innymi formami energii, jak energia mechaniczna, jądrowa, chemiczna, czy ta w naszych komórkach. Jest bardzo wiele form energii i jej źródeł. Na przykład energia w postaci fal elektromagnetycznych wysyłanych przez Słońce jest przez Nas odczuwana jako ciepło. Fale te są także pochłaniane przez rośliny i służą im do łączenia cząsteczek w nowe związki chemiczne. Energia jest „zawarta” w pożywieniu, skąd „wydostajemy” ją w procesie trawienia. Sama materia jest swoistym koncentratem energii. Łańcuch przemian energetycznych jest rzeczywiście bardzo urozmaicony.

Sztuka odpowiedniego zadawania pytań

Niekiedy pytanie: Czym jest energia, jest mniej ważne od pytania: jak się ona zmienia, jak się przekształca. Procesy zachodzące w przyrodzie można lepiej zrozumieć, jeśli się je bada przy użyciu pojęcia energii: jakim przekształceniom ona ulega, jak przenosi się z jednego miejsca w drugie. Koncentrując się na transformacjach energii, korzystamy z niezwykle użytecznej metody badawczej. Badanie różnych form energii i ich wzajemnych przekształceń doprowadziło do sformułowania jednego z najważniejszych praw fizyki: zasady zachowania energii. Brzmi ono:

Energii nie można stworzyć, ani zniszczyć. Może się ona tylko przekształcać z jednej formy w drugą, ale jej wartość całkowita pozostaje przy tym stała.

Zasada zachowania energii jest jedną z najważniejszych zasad w fizyce. Oczywiście powyżej podałem jej prostą, opisową formę bez odwoływania się do układów izolowanych. Istnieją stosowne twierdzenia (twierdzenie Noether), które dokładnie opisują zasadę zachowania energii, ale wymagają one znajomości odpowiedniego aparatu matematycznego. Musielibyśmy się odwołać do symetrii układów i translacji w czasie.

I w końcu pokuszę się o podanie znanej ze szkoły „definicji energii”:

Skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca stan układu fizycznego jako jego zdolność do wykonania pracy.

Może to być zaskakujące, ale ta definicja jest jednak tak ogólna, że niekoniecznie przydaje się w rozważaniach dotyczących energii. Teraz widać, że energii nie da się określić inaczej niż za pomocą pewnej bardzo ogólnej zasady fizycznej. Według tej definicji energia jest czymś, co możemy wykorzystać do wykonania użytecznej pracy, jak np. podnoszenie obiektów. Jednak niektórych rodzajów energii nie możemy wykorzystać w ten sposób. Gdy część energii wewnętrznej związanej z ruchem atomów jednego obiektu jest przekazywana drugiemu obiektowi, przepływa między nimi ciepło. Może to nastąpić przez przewodnictwo, konwekcję lub promieniowanie elektromagnetyczne. Energia cieplna jest często określana jako „energia niskiej jakości”. Zaprzęgnięcie jej do wykonywania pracy jest trudne. Wynika to z faktu, że podczas transferu energii jej część nieuchronnie jest tracona jako ciepło, które ulega dyssypacji (rozprasza się w otoczeniu). Obserwujemy to poprzez tarcie, ogrzewanie urządzeń i przewodów. Kiedy tankujemy samochód, część energii z paliwa zawsze zostanie stracona na emisję ciepła do otoczenia (rozgrzany silnik, spaliny). Opony też ulegają zużyciu poprzez tarcie i z tego powodu wymagają okresowej wymiany. Należy wprowadzić tutaj pojęcie sprawności, czyli stosunku ilości energii wychodzącej z procesu do ilości energii wchodzącej do procesu.

W miarę rozwoju nauki pojawiły się nowe teorie fizyczne, które ukazywały bardziej precyzyjnie obraz energii. W mechanice relatywistycznej (Szczególna Teoria Względności; STW) dowiedzieliśmy się, że energia związana jest z masą, a zasada zachowania dotyczy obu tych wielkości łącznie. Co więcej za sprawą transformacji Lorentza energia i pęd ulegają wymieszaniu i tworzą czteropęd. Ma to bardzo ważne konsekwencji. W mechanice kwantowej, w pewnych przypadkach, energia układu fizycznego może być zmieniana tylko ściśle określonymi porcjami (jest skwantowana). Energia jest wielkością addytywną, tzn., że energia dwu nie oddziałujących zupełnie ze sobą układów fizycznych jest równa sumie ich energii. Tzw. zasada nieoznaczoności Heisenberga dla energii i czasu prowadzi do zaskakującego wniosku: mechanika kwantowa pozwala na pozorne złamanie zasady zachowania energii. Prowadzi to do całkowicie nowego obrazu próżni, która we współczesnej fizyce jest obiektem bardziej skomplikowanym niż materia. Natomiast w Ogólnej Teorii Względności (OTW) sytuacja jest dużo bardziej skomplikowana. Tracimy tam pojęcie energii, przynajmniej w obecnym sformułowaniu. Wierzymy jednak, że powinien istnieć jakiś ekwiwalent, ale o tym będzie później.

Skróty myślowe i uproszczenia

Niestety, ale w przypadku takiego pojęcia jak „energia” bardzo często używa się wielu skrótów myślowych, które jeszcze bardziej zniekształcają obraz i prowadzą do wielu błędnych interpretacji. Wokół słynnego równania E=mc2 powstała niezliczona ilość różnego rodzaju błędnych, a nawet dziwnych interpretacji. Często mówi się, że wszystkie rodzaje energii pochodzą z tego samego źródła. Masa jest magazynem energii, a w procesach energetycznych część masy jest zamieniana w energię. Na przykład w procesie spalania nadwyżka energii bierze się stąd, że atomy substancji spalonych ważą więcej niż ochłodzone produkty spalania. Masa jednak, w przypadku cząstek złożonych ma charakter dynamiczny – składa się z mas i energii kinetycznej tworzących ją cząstek. Możemy, więc mówić tylko o stanach początkowych i końcowych. Która część masy/energii (stan początkowy) przekształciła się w masę/energię (stan końcowy) nie jest jednoznaczne. Obiekt będący w jakimś układzie odniesienia w stanie spoczynku, ma w nim energię, ale nie ma pędu, natomiast w innym układzie odniesienia ten sam obiekt może mieć zarówno energię jak i pęd. Energię w stanie spoczynku nazywamy po prostu masą…

Jak poprawnie mówić o energii?

Stosując skrót myślowy zawsze pojawia się dylemat. Czy autor zastosował go świadomie, żeby coś uprościć, czy też rzeczywiście nie posiada odpowiedniej wiedzy i uważa go może nie za dogmat, ale przynajmniej za obowiązujące prawo przyrody. O tym, jak poprawnie mówić i dlaczego jesteśmy skazani na stosowanie skrótów myślowych, opowiem w kolejnym tekście.

Nie łatwo ją pojąć, choć jeszcze trudniej z niej nie korzystać

Nasuwa się, więc całkiem logiczne pytanie. Skoro wszędzie używamy skrótów myślowych i mówimy niepoprawnie oraz nie w pełni rozumiemy pojęcie energii, to jakim „cudem” potrafimy ją wykorzystywać w codziennym życiu i to na taką skalę? Odpowiedź wbrew pozorom jest banalna. Istnieje coś, co czasami nazywane jest najważniejszym prawem informatyki/automatyki: „Można sterować optymalnie nie mając pełnej wiedzy”. Inaczej mówiąc, żeby prowadzić samochód nie trzeba znać jego pełnej konstrukcji oraz procesów jakie w nim zachodzą podczas jazdy. Tak samo jak obsługa komputera nie wymaga znajomości programowania, ani działania takich elementów jak np. procesor, czy twardy dysk. Niektóre zaobserwowane zjawiska możemy wykorzystywać nie mając ich pełnego zrozumienia i matematycznego opisu. Szczególne znaczenie miało to na początku istnienia ludzkości. Żeby wiedzieć, że ogień może poparzyć, ale też dać ciepło i pomóc nam w przygotowaniu posiłków nie musimy znać jego natury fizycznej. Możemy go wykorzystywać nie wiedząc czym jest. Tak też było i jest z energią. Oczywiście nasza wiedza o energii poszerza się z każdym dniem. To, że coraz lepiej ją poznajemy pomaga nam w coraz efektywniejszym jej wykorzystaniu. Optymalizujemy jej użycie oraz konstruujemy nowe i coraz bardziej skomplikowane urządzenia, które są dla nas bardzo użyteczne. Poprawiamy parametry tych urządzeń. Zaawansowana technologia może wydobywać znacznie więcej energii z materii niż ma to miejsce w procesach: zjadania (trawienie), spalania, czy reakcji jądrowych i termojądrowych (syntezy). Procesy te nie osiągają nawet 1% wydajności zamiany masy na energię użyteczną w stosunku do teoretycznie osiągalnej. Dlatego mamy też wiele planów na przyszłość. Wiemy w którym kierunku iść. Być może natrafimy na różne przeszkody i zabrniemy w niejedną ślepą uliczkę. Ale jak to mawiają: „Im trudniejsza droga pod górę, tym piękniejsze będą widoki ze szczytu”.

Czyli… jak to z tą energią jest?

W przypadku energii musimy zapamiętać, że przybiera wiele form i to o czym możemy mówić to o ich wzajemnych przemianach. Podstawą jest tutaj zasada zachowania energii stosująca się dla wszystkich transformacji. Bilans zawsze musi być spełniony, aby całkowita energia była zachowana. Energii nie można tworzyć, ani niszczyć.

Drodzy Czytelnicy, zapewne nie takiej odpowiedzi spodziewaliście się, czytając tytuł tego tekstu. Możecie być w szoku, że jedno z najbardziej fascynujących i najpowszechniejszych pojęć we współczesnej nauce jest aż tak specyficzne i skomplikowane. Droga do tej definicji była bardzo długa i kręta. Oczywiście wędrówka nadal trawa. W kolejnych tekstach przyjrzymy się jak odkrywaliśmy i próbowaliśmy zrozumieć naturę energii oraz jak daleko możemy dzięki niej zajść.