01 - Što je energija?

Energija je uzrok svemu što se događa oko nas.

Pogledajte kroz prozor! Danju sa Sunca dolazi energija zračenja, a s njom toplina i svjetlost. Noću ulične svjetiljke rabe električnu energiju za osvjetljavanje. Auto koji prolazi pokraj nas koristi se energijom pohranjenom u gorivu (benzinu, plinu, nafti) ili u akumulatorskoj bateriji. Hrana koju jedemo sadrži energiju potrebnu za rad i igranje.

Definicija energije dana je u Uvodu:

Energija je sposobnost obavljanja rada.

Energija se pojavljuje u različitim oblicima. Postoji kemijska energija, električna energija, toplinska energija, energija zračenja, mehanička energija i nuklearna energija. Važno je zapamtiti da se energija ne može poništiti ni stvoriti, već samo može promijeniti svoj oblik.

Nagomilani (pohranjeni) i prijelazni oblici energije

Oblike energije moguće je svrstati u različite skupine i podijeliti prema različitim karakteristikama. Jedna od podjela je podjela na nagomilane (skupljene, pohranjene) i prijelazne oblice energije.

Nagomilani se oblici energije mogu održati u svojem obliku kroz dulje vremensko razdoblje, dok se prijelazni oblici javljaju kratkotrajno. Prijelazna se energija pojavljuje kad nagomilana energija mijena svoj oblik ili kad nagomilana energija prelazi s jednog sustava na drugi (s jednog tijela na drugo).

Nagomilani oblici energije dijele se na mehaničku energiju i unutrašnju energiju. U mehaničku energiju ubrajaju se energija mirovanja, potencijalna, kinetička, elastična i rotacijska energija. Energija mirovanja posljedica je toga što tijelo mase m posjeduje energiju jednaku mc2koja je raspoloživa za transformaciju u druge oblike energije. Unutrašnja energija dijeli se na nuklearnu energiju, kemijsku energiju i unutrašnju kaloričku energiju. Za kemijsku energiju se može reći da je zapravo elektromagnetska potencijalna energija.

Prijelazni su oblici energije mehanički rad, toplinska energija, električna energija i energija koja se troši zbog trenja.

Pomoću olovke možete demonstrirati neke od preobrazbi oblika energije i navedene dvije vrste energije.

Stavite olovku na rub stola i gurnite je preko ruba da padne na pod. U odnosu na pod olovka posjeduje potencijalnu energiju. Za vrijeme pada olovke potencijalna se energija olovke pretvara u njezinu kinetičku energiju. U trenutku kad olovka padne na pod, kinetička se energija pretvara u unutrašnju kaloričku energiju koja se pohranjuje u olovci i podu. Zbog malene mase olovke u odnosu na pod, temperatura olovke poraste u odnosu na temperaturu poda, dok se, zbog velike mase poda, njegova temperatura praktički ne mijenja.

Razlika u temperaturi olovke i poda uzrokovat će prijelaz toplinske energije s olovke na pod. Budući da se energija ne može stvoriti, toplinska energija koja prelazi s olovke na pod dobivena je preobrazbom unutrašnje kaloričke energije.

Naime, unutrašnja se kalorička energije olovke pretvara u toplinsku energiju koja prelazi s olovke na pod (s toplijeg tijela na hladnije) da bi se pretvorila u unutrašnju kaloričku energiju poda. Prijelaz toplinske energije, odnosno preobrazba unutrašnje kaloričke energije u toplinsku i zatim toplinske u unutrašnju kaloričku energiju, odvija se tako dugo dok se ne izjednače temperature olovke i poda. Temperatura će se olovke pritom snižavati, a poda rasti.

Uzmite sada olovku i vratite je natrag na stol. Da biste podigli olovku, svladavali ste silu težu - gravitacijsku privlačnu silu kojom Zemlja djeluje na olovku. Drugim riječima, obavili ste mehanički rad, "radili ste"! Za podizanje olovke koristili ste se vlastitom nagomilanom kemijskom energijom koju ste u tijelu pohranili unošenjem hrane.

Kako stalno ističemo, energija se ne može poništiti ni stvoriti, već može samo promijeniti oblik. Mehanički rad koji ste uložili za podizanje olovke dobiven je pretvorbom kemijske energije pohranjene u Vašem tijelu i zatim pretvoren u potencijalnu energiju olovke u trenutku vraćanja olovke na stol.

Drugim riječima, kemijska se energija pohranjena u ljudskom tijelu, posredstvom mehaničkog rada, pretvorila u potencijalnu energiju olovke. Posredstvom prijelaznog oblika energije jedan se od nagomilanih oblika energije pretvorio u drugi i "prešao" s jednog na drugo tijelo.

Kako mjerimo energiju?

Energija se mjeri na mnoštvo načina.

Osnovna jedinica za energiju je džul (joule), nazvana prema engleskom fizičaru Jamesu Prescottu Jouleu (1818-1889). On je otkrio da je toplina jedna vrsta (oblik) energije. Obilježava se slovom "J".

Jedan džul je energija potrebna za rad obavljen silom od jednog njutna (newton, "N") kad se njezino hvatište pomakne za 1 metar u smjeru sile. Jedan džul je također i energija djelovanja snage od jednoga vata (wat, kratica W) u trajanju od jedne sekunde: J = Ws.

Za veće se iznose energije upotrebljavaju jedinice kilodžul (kJ) i megadžul (MJ). "Kilo" označava tisuću, a "mega" milijun. Izgaranjem jedne šibice oslobodi se otprilike 1000 J toplinske energije, dok je za spravljanje jedne šalice kave potrebno otprilike 2 milijuna džula (MJ) energije.

Energija se može izražavati i u drugim jedinicama, primjerice u kalorijama, kilovat-satima ili britanskim toplinskim jedinicama. Omjer između različitih jedinica za energiju je stalan: jedna kalorija (cal) je 4,18 J; jedan kilovat-sat (kWh) odgovara 3,6 milijuna džula (3,6MJ); a 1055 džula odgovara jednoj britanskoj toplinskoj jedinici (Btu). Jedna čaša coca-cole (240 g) sadrži 170 kJ odnosno 40 kcal energije. Istu količinu energije sadrži i jedna jabuka (100 g).

Komad kruha namazanog maslacem sadrži oko 315 kJ energije. Ta energija je dostatna za:

  • 6 minuta trčanja ili
  • 10 minuta vožnje biciklom ili
  • 15 minuta šetnje ili
  • vožnju auta 7 sekundi pri brzini od 80 kilometara na sat ili
  • rad žarulje od 100 W tijekom jednog sata ili
  • podizanje tereta od 50 kg na 1 m visine 650 puta.

Pretvorbe oblika energije

Jedan oblik energije može se pretvoriti u druge oblike energije. Primjerice, dio kemijske energije pohranjene u bateriji pretvara se u svjetlost kada uključimo baterijsku svjetiljku.
Hrana također sadrži kemijsku energiju. Kada tijelo koristi tu pohranjenu kemijsku energiju ona se, i opet samo dijelom, pretvara u mehaničku energiju i/ili mehanički rad.
Kada se prejedete, energija iz hrane se akumulira, tj. pohranjena je kao kemijska energija u obliku masnih stanica.

Kada razgovaramo preko telefona zvuk se pretvara u električnu energiju, koja se dalje prenosi preko žice (ili kroz zrak u obliku elektromagnetske energije). Na drugoj strani telefon pretvara električnu energiju u zvuk preko zvučnika.

Automobil se koristi pohranjenom kemijskom energijom goriva za kretanje. Motor s unutrašnjim izgaranjem transformira kemijsku energiju u unutrašnju kaloričku energiju, da bi se unutrašnja kalorička energija pretvorila zatim u toplinsku i mehanički rad.
Slično, u tosteru se električna energija transformira najprije u unutrašnju kaloričku energiju, a ova zatim u toplinu i svjetlost. (Pogledate li u unutrašnjost tostera vidjet ćete užarene žice koje svijetle.).

Televizor transformira elektromagnetsku energiju u svjetlost i zvuk.

Toplinska energija

Toplina je prijelazni oblik energije. Koristimo je za puno toga, primjerice za zagrijavanje prostorija i pripremanje hrane.

Prijelaz toplinske energije između tijela različitih temperatura odvija se na dva fizikalno različita načina: prvi je vođenjem i prenošenjem, a drugi toplinskim zračenjem. Prvi je vezan za materiju, a drugi je posljedica elektromagnetskog zračenja.

Vođenje se događa kada toplinska energija prelazi s jednog tijela na drugo prilikom izravnog kontakta. Kada dotaknemo prstom vrući predmet toplina prelazi na prst provođenjem i zagrijava ga. Toplina prelazi s predmeta koji ima višu temperaturu na predmet koji ima nižu temperaturu.

Metal je izvrstan vodič toplinske energije. Drvo i plastika nisu dobri vodiči topline. "Loši" vodiči nazivaju se izolatorima. Zbog toga se kuhinjske posude rade od metala a drške od plastike.

Prenošenje je gibanje plinova ili tekućina od toplijih prema hladnijim mjestima. Ukoliko je posuda za juhu prozirna, moguće je vidjeti gibanje struje prenošenja. Topli se dijelovi juhe gibaju prema gore, dalje od zagrijavanog dijela posude na dnu, prema hladnijem dijelu posude na vrhu. Hladniji dio juhe istovremeno se giba tako da zauzme mjesto toplijeg dijela juhe. Gibanje je kružnog oblika unutar posude.

Strujanje zraka u atmosferi često je rezultat vođenja topline prenošenjem. Dobar primjer je vjetar koji gotovo uvijek puše u blizini mora. Topli zrak je lakši od hladnog zraka i stoga se diže. Kopno se zagrijava brže od mora, pa je za vrijeme sunčanog dana kopno toplije od mora. Topli zrak iznad kopna se diže, a nadomješta ga hladniji zrak iznad mora. To gibanje zraka osjećamo kao ljetni povjetarac.

Energija oslobođena na Suncu naziva se Sunčevom energijom. To je energija koja nastaje u unutrašnjosti Sunca termonuklearnom fuzijom. Spajanjem četiriju jezgara vodika u helij oslobađa se energija od 1,17?10-18 kWh za svaku jezgru helija. Ta se energija prenosi kondukcijom prema površini Sunca s koje se emitira u Svemir (3,3?1027kWh godišnje) u obliku elektromagnetnih valova, odnosno, kako se još govori, zračenja: radiovalovi, infracrveno, vidljivo, ultraljubičasto, rendgensko i gama zračenje.

Većina energije sa Sunca, međutim, što dopire do Zemlje je energija ultraljubičastog i infracrvenog zračenja. Naime, ta se energija ne može prenijeti do Zemlje provođenjem ili prenošenjem topline zbog gotovo praznog prostora između Sunca i Zemlje. Kako ne postoji materija koja bi prenijela tu energiju, ona se prenosi zračenjem pomoću elektromagnetnih valova odnosno pomoću elektromagnetnog zračenja različitih duljina.

Od energije emitirane sa Sunca do Zemlje dopire tek milijarditi dio (1,556 1018 kWh godišnje). Od te energije, koja dopire do vrha Zemljine atmosfere, oko 30% reflektira se natrag u svemir, oko 47% pretvara se u toplinu i emitira kao infracrveno zračenje, oko 23% troši se na isparavanje vode i oborinski ciklus u atmosferi, a samo se mali dio pretvara u energiju vjetra, troši na fotosintezu i sl.

Kada svjetlost dođe do Zemlje, tu se apsorbira ili reflektira. Tamnije površine više apsorbiraju, a svjetlije površine više reflektiraju elektromagnetsko zračenje. Dakle, ljeti će nam biti manje vruće ukoliko se odjenemo u svjetliju odjeću.

Energija hrane

Energija mijenja oblik u svakom koraku hranidbenog lanca. To ćemo opisati na primjeru jednog klipa kukuruza.

Fotosinteza je proces u kojem se svjetlosna energija pretvara u kemijsku energiju pohranjenu u glukozi. Za fotosintezu je potrebna svjetlosna energija, kloroplast, voda i ugljični dioksid. Dok je izložena svjetlosti, biljka apsorbira ugljični dioksid, a ispušta kisik. Tijekom fotosinteze biljka kroz korijen uzima hranjive tvari iz zemlje.

Kukuruz raste i razvija klipove ? vlastito sjeme. Energija svjetlosti, posredstvom fotosinteze, pohranjena je u biljci. Zrna kukuruza puna su energije u obliku šećera i škroba. Obrani kukuruz služi kao hrana pilićima i drugim životinjama. Pilići koriste hranu da bi rasli i kretali se. Dio energije spremaju kao tkivo mišića - proteine, i kao masno tkivo.

Da bi piletina stigla do trgovine potrebna je energija kod obrade, transporta i zamrzavanja. Kod pripreme jela također se troši energija.

Mi jedemo hranu za rast, pokretanje i pohranu. Kada se naše tijelo koristi energijom iz hrane, potreban mu je kisik koji udiše iz zraka. Kao dio produkata kemijskih procesa u našem tijelu izdišemo ugljični dioksid. Ugljični dioksid opet mogu koristiti biljke za rast. Dakle, to je veliki krug života!

U ovom ste poglavlju naučili što je to energija i osnovne podjele oblika energije. Idući odlomak donosi više o posebnom obliku energije - električnoj energiji i odgovara na pitanje "Što je to električna struja?".