Energia jako wielkość fizyczna
CZY POTRZEBUJEMY ENERGIĘ?
Rozwój społeczny czy gospodarczy wszystkich państw związany jest ze powiększonym zamówieniem na energię. Dlatego światowa produkcja surowców energetycznych od momentu pierwszej rewolucji przemysłowej systematycznie rośnie.
Energia ciągle była oraz będzie niezbędna człowiekowi w jego funkcjonowaniu. Jej zastosowanie może być przeróżne, ale na ogół musimy ja mieć do wyrobu energii elektrycznej, w transporcie, ogrzewaniu domostw czy oświetlaniu.
Źródła energii pierwotnej to: nieodnawialne (organiczne): paliwa kopalne (węgiel, ropa, gaz ), paliwo jądrowe, energia geotermiczna a także odnawialne źródła energii. Do odnawialnych źródeł energii wlicza się energię słoneczna, wodną, wiatrową, pływów oraz fal morskich, jak również energie biomasy. Naj bardziej cenna jest forma energii końcowej, energia elektryczna, która sprawnie oraz bez skażenia środowisko zamienia się w energię użytkową.
Perspektywy wyczerpania się paliw kopalnych i obawy skażenia środowiska naturalnego bardzo zwiększyły zaciekawienie odnawialnymi źródłami energii. Zastosowanie wszelkich alternatywnych źródeł energii elektrycznej jest powiązane z małym, a niejednokrotnie żadnym wpływem na otoczenie. Właśnie dlatego źródła te są bardzo dobrą alternatywę, jeżeli porównamy ją, do konwencjonalnych źródeł. Są jednak przeróżne ograniczenia w ich wykorzystaniu, największe to ograniczenia natury:
-technologicznej - ze względu na formę ich pojawiania się oraz możliwości praktycznego zastosowania.
-ekonomicznej - powiązane z ogromnymi wydatkami ich wykorzystania
Alternatywne źródła energii
Energia była, jest i będzie niezbędna człowiekowi w życiu. Jej forma, postać oraz zastosowanie może być przeróżne, ale przede wszystkim konieczna jest nam ona przy produkcji przemysłowej, transporcie, ogrzewaniu oraz oświetleniu. Na początku tą energię dostarczało nam otoczenie w formie zasobów naturalnych nieprzetworzonych opału oraz paliw np. drewna, węgla, ropy naftowej oraz gazu. Także kiedyś, dawno temu, przetwarzano energię w wiatrakach oraz młynach wodnych. Ale ciągły wzrost na zagospodarowanie na energię i to w przeróżnych postaciach, kurczenie się zasobów kopalnianych, względy ekologiczne oraz ekonomiczne stawiają przed człowiekiem nowe zadania oraz wyzwania w tej dziedzinie. Postęp technologii w drugiej połowie dziewiętnastego wieku oraz utworzenie dużej ilości maszyn elektrycznych wymusił postęp elektrowni, których celem jest dostarczać prąd elektryczny do konkretnych odbiorców. Elektrownie są w stanie pobierać energię niezbędną do produkowania prądu z przeróżnych źródeł. Mogą być to elektrownie cieplne, jądrowe, wiatrowe, słoneczne, geotermalne.
Większą część tej energii dostarczają surowce energetyczne konwencjonalne.
Zastosowanie paliw kopalnianych do wyrobu energii elektrycznej niesie za sobą znaczną ilość skażeń oraz niebezpieczeństw dla ludzi oraz jego otoczenia. Dlatego ludzie powinni stosować w pełni pozostałe, korzystne dla otoczenia naturalne źródła energii.
Ekologiczne źródła energii są w stanie w przyszłości pokryć całe zamówienie człowieka na energię. Aktualnie zdecydowanie niewiele jest ich udział w wyrobie energii elektrycznej.
Energia to podstawowa wielkość fizyczna, która opisuje zdolność konkretnego ciała materialnego do zrobienia określonej pracy.
ENERGIA MECHANICZNA,
energia związana z ruchem układu mech. jako całości albo poszczególnych jego części względem siebie; Em=Ek+Ep
ENERGIA KINETYCZNA
Kinetyczna- część energii układu mech. (np. ciała sztywnego) uzależniona od prędkości jego punktów.
Ek=mv2
ENERGIA ELEKTRYCZNA,
Elektryczna- energia układu ładunków elektrycznych nie poruszających się (energia elektrostatyczna) albo ruchomych (energia elektrodynamiczna); jest w stanie zamienić się w ciepło (np. w grzejnikach), energię mechaniczną (w silniku elektrycznym) itp.
E=UIt
ENERGIA SPRĘŻYSTA
Sprężysta- mech. Energia potencjalna sprężystego odkształcenia ciała; uzależniona jest od naprężeń w ciele oraz jego właściwości mech.; przy znikaniu odkształcenia zostaje zwrócona (np. w sprężynie).
ENERGIA WIĄZANIA,
Energia konieczna do rozdzielenia związanego układu fizycznego (np. cząstki) na części składowe oraz oddalenie ich od siebie tak, by nie oddziaływały na siebie; równocześnie energia, która wydziela się przy wiązaniu (łączeniu) się oddzielnych składników w jedną całość (np. e. w. Nukleonów w jądro atomów).
ENERGIA SWOBODNA
(funkcja Helmholtza, F ), jedna z funkcji stanu termodynamicznego; F = U - TS ( U - energia wewn. układu, S - jego entropia, T - temp. bezwzględna); w izotermicznych procesach odwracalnych równa jest ona pracy wykonanej nad układem.
ENERGIA POTENCJALNA,
część energii mech. układu fiz. Uzależniona od wzajemnego ułożenia części układu (np. energia sprężysta) oraz ich ułożenia w zewn. polu sił (np. polu grawitacyjnym, polu elektr.).
Ep= mgh
ENERGIA JONIZACJI,
energia konieczna do oderwania elektronu od obojętnego atomu albo cząsteczki oraz wytworzenia jonu; wartość energii j. Uzależniona jest od typu atomu (cząsteczki) a także stanu elektronu w atomie; energie konieczne do oderwania następnych elektronów z uzyskanego jonu nazywają się odpowiednio drugą, trzecią, ..., e.j.; wyrażana jest na ogół w elektronowoltach (eV).
ENERGIA WEWNĘTRZNA
Wewnętrzna- funkcja stanu układu termodynamicznego, jeden potencjałów termodynamicznych; jest równa sumie średniej energii ruchu (postępowego, obrotowego albo drgającego) oraz średniej energii wzajemnego oddziaływania mikrocząsteczek (cząstek, atomów elektronów) układu fizycznego.
Ew=W+Q
ENERGIA SŁONECZNA
Podstawowym źródłem energii s. jest reakcja reakcje termojądrowa jak zachodzi w jądrze Słońca, polega na zamianie jąder wodoru w jądra helu.
Energia ta jest najbardziej niebezpieczna ze wszelkich znanych źródeł pozyskiwania energii. Jest duża, ale bardzo rozproszona. By produkować z niej energię elektryczna konstruuje się elektrownie oraz ogniwa fotowoloiczne. Baterie słoneczne, czyli maszyny elektroniczne także wyrabiają energię elektryczną. Stosują one zjawisko fotowoloiczne do zamiany światła na prąd elektryczny.
ENERGIA WIATROWA
Wiejący wiatr to masy powietrza atmosferycznego przemieszczające się nad powierzchnią naszej planety z jakąś szybkością. Masa oraz szybkość to energia. Energię wiatru jesteśmy w stanie okiełzać oraz zastosować przy pomocy turbin wiatrowych. Turbiny wiatrowe wyrabiają energię w sposób ekologicznie bezpieczny.
Energetykę wiatrową wykorzystuje się coraz częściej na świecie.
Nowoczesne elektrownie wiatrowe nie są wykorzystywane już do produkowania energii mechanicznej (np. do poruszania kół młyńskich) ale do wyrobu energii elektrycznej. Główną rolę w tych elektrowniach stanowią przeróżne kształty ogromnych wiatraków z łopatkami o szerokości nawet 100m. Wiatraki te napędzają generatory prądu, kierując w ten sposób wyprodukowany prąd od razu do sieci albo gromadzą go w akumulatorach na okres, gdy siła wiatru maleje.
ENERGIA WODNA
Energetyka wodna zajmuje się gromadzeniem energii wód oraz jej zamiana na energię mechaniczną oraz elektryczną przy zastosowaniu silników wodnych hydrogeneratorów w siłowniach wodnych i elektrowniach wodnych , jak również innych maszynach. Energetyka wodna opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu energii wód śródlądowych o dużym natężeniu przepływu oraz ogromnym spadzie - zmierzonym różnicą poziomów wody górnej oraz dolnej z uwzględnieniem strat przepływu . Zastosowanie w elektrowniach energii wód śródlądowych i pływów wód morskich opiera się na zredukowaniu w granicach jakiegoś terenu naturalnych strat energii wody oraz pozyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu. Ogromne znaczenie posiadają również elektrownie wodne szczytowo-pompowe, które pozwalają na zastosowanie wody jako magazynu energii. Postęp hydroenergetyki jest zależny od zasobów energii wód, zwanych inaczej zasobami hydroenergetycznymi. Za postępem hydroenergetyki przemawia fakt, iż koszt energii elektrycznej wyprodukowanej w elektrowni wodnej jest mniejszy aniżeli energii elektrycznej wyprodukowanej w elektrowni cieplnej.
ENERGIA GEOTERMALNA
Energia geotermalna - energia środka naszej planety - czyli naturalne ciepło środka Ziemi nagromadzone w skalach oraz wypełniających je wodach.
Ale ten sposób gromadzenie energii nie jest tak ekologiczny jak energia wiatru, słońca. Wydobycie energii geotermalnej sprawia ogromne kłopoty ekologiczne, z których najistotniejszy polega na problemach związanych z wysyłaniem niebezpiecznych dla nas ludzi gazów uwalniających się z geopłynu, i skażenie dla zdrowia jakie powoduje radon, wyrób rozpadu radioaktywnego uranu, wydobywający się razem z parą ze studni geotermalnej.
ENERGIA FAL MORSKICH
Są dwa rozwiązania zastosowania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną lub powietrzną. W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana jest następnymi falami działająca zwężającą się sztolnią do położonego na górze pojemnika. Gdy w pojemniku tym jest wystarczająca ilość wody, wtedy przelewa się ona przez upust oraz napędza turbinę rurową Kaplana, sprzężona z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda powraca do morza. Zastosowana jest zatem przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu. W kolejnym rozwiązaniu pojemnik jest skonstruowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy oraz wypychają powietrze do górnej części pojemnika. Sprężone przez fale powietrze powoduje, że turbina Wellsa, która napędza generator, zaczyna się poruszać,
ENERGIA CIEPLNA OCEANU
Przemiana energii cieplej oceanu to zastosowanie różnicy temperatury wody na powierzchni oraz w głębi morza albo oceanu. Jest to ewentualne na obszarach równikowych; woda morska posiada tam na powierzchni temperaturę ok. 30 0C, natomiast na głębokości 300-500m temperaturę ok. 61616oC. Zastosowanie tej różnicy polega na wykorzystaniu czynnika roboczego, który jest w temperaturze wody powierzchniowej oraz jest skraplany za przy pomocy wody czerpanej z głębokości 300-500m. Czynnikiem takim jest amoniak, freon albo propan. Cała instalacja razem z generatorem jest umieszczona na platformie pływającej.
ENERGIA GEOTERMICZNA
Środek naszej planety jest ogromnie gorący. Co 100 m w głąb naszego globu temperatura rośnie . W pewnych obszarach na naszej planecie wrząca woda albo para wodna wytryskuje na powierzchnię jako gejzery. Są to źródła geotermiczne.
Chcąc zastosować to źródło energii robi się dwa odwierty w głąb naszej planety, w gorącą warstwę skalną. W jeden odwiert pompuje się pod ciśnieniem chłodną wodę, która się nagrzewa, zamienia w gorącą parę oraz drugim odwiertem wydobywa się na powierzchnię, gdzie jak w każdej innej elektrowni, napędza turbiny produkujące prąd.
BIOGAZ
Bardzo dobra dla otoczenia naturalnego jest energia otrzymywana z odnawialnych (bo odrastających) surowców pochodzenia roślinnego, tzw. bioenergia.
Bierze się ona przede wszystkim z roślin oraz odchodów zwierząt, przez produkowanie tzw. biogazu, przede wszystkim metanu. Gaz ten tworzy się w czasie rozkładu substancji organicznych (roślinnych oraz zwierzęcych), gdy proces ten przebiega bez dostępu
powietrza.
BIOMASA
Biomasę definiuje się jako masę materii organicznej, zawartą w organizmach zwierzęcych albo roślinnych. Wyrażana jest w jednostkach tzw. świeżej masy (naturalna masa organizmów) lub suchej masy (masa bezwodna).
Określenie biomasa tyczy się całego szeregu odnawialnych technologii energetycznych.
ENERGIA JĄDROWA
Wyzwolenie energii jądrowej opiera się na rozszczepieniu jądra ciężkiego atomu, które złożone jest z protonów oraz neutronów, na dwa jądra pierwiastków lżejsze, wydzielając w skutek ubytku masy energię cieplną oraz wyzwalając od 0 do 8 neutronów. Wysyłane neutrony są w stanie dotrzeć do innych jąder, które ulegają rozszczepieniu. W końcu tworzy się coraz więcej swobodnych neutronów oraz coraz więcej jąder ciężkich atomów rozszczepia się, co powiększa porcję energii.
Elektrownie jądrowe w czasie wydobycia wywierają niekorzystny wpływ na otoczenie przez wydzielanie produktów promieniotwórczych do atmosfery, wydzielanie ciepła odpadowego do wody chłodzącej i w czasie produkcji paliwa jądrowego tworzą się także odpady radioaktywne.
Elektrownia ta pozdaje możliwość częściowego zastąpienia nieodnawialnych źródeł energii takie jak węgiel, ropa naftowa oraz gaz ziemny. Bardzo często stosuje się w nich ciśnieniowe reaktory wodne.
ROPA NAFTOWA
Stworzona ze szczątków organizmów roślin czy zwierząt, które w dawnych okresach geologicznych były na naszej planecie, w morzach oraz oceanach. Skład ropy się zmienia oraz uzależniony jest od miejsca wydobycia.
Jest ona podstawowym źródłem energii w transporcie. W czasie jej przewozu dochodzi do katastrof, które wyrządzają ogromne szkody w otoczeniu naturalnym, zanieczyszczenia wód i skażenia fauny oraz flory. Ropa wylana na powierzchnię morza, jest w stanie spowodować duże straty w otoczeniu, niezbędna jest wówczas szybka akcja ratownicza.
WĘGIEL BRUNATNY
Jeden z węgli kopalnych, posiada 65-78% pierwiastka węgla. Wyróżnia się wiele odmian węgla brunatnego. Wykorzystywany jest jako tani materiał opałowy głównie w formie brykietów (z powodu ogromnej zawartości siarki - 4%, spalanie węgla brunatnego jest niebezpieczne dla otoczenia); jest cennym surowcem chemicznym przerabianym w procesach wytlewania, zgazowania czy uwodorniania węgla.
WĘGIEL KAMIENNY
Jeden z węgli kopalnych, posiada 78-92% pierwiastka węgla (do węgla kamiennego wlicza się również antracyt, posiadający do 97% węgla. Większa część węgla kamiennego zalicza się do węgli humusowych. Węgiel kamienny ma niejednorodną konstrukcję, złożony jest z kilku składników (odmian) petrograf różniących się połyskiem oraz twardością będących w formie pasemek w przeróżnych proporcjach.
Węgiel kamienny jest cennym paliwem stosowanym bezpośrednio (spalanie) albo po przeróbce chemicznej do celów energetycznych, jak również surowcem dla przemysłu chemicznego.
GAZ ZIEMNY,
Mieszanka węglowodorów, i (w zmiennych ilościach) azotu, dwutlenku węgla, siarkowodoru, gazów szlachetnych. Jest przede wszystkim w porowatych piaskach, piaskowcach, wapieniach oraz dolomitach, czasami również w szczelinach skał magmowych. Tworzy się na skutek analogicznych procesów jak ropa naft. albo stanowi jeden z produktów uwęglania substancji roślinnej. Gaz ziemny jest ważnym surowcem w wyrobie sadzy, gazu syntezowego i jest wykorzystywany jako paliwo. Wartość opałowa: 35,2 106-62,8 , 106 J/m3 (8400-15 000 kcal/m3).