Energia i jej przemiany

• Wstęp

Pojęcie energii występuje powszechnie w niemal wszystkich gałęziach wiedzy - nie tylko w fizyce i astronomii, ale i chemii, biologii, medycynie, geologii i nauce o ochronie środowiska. Energia jest wszechobecna. Człowiek wykorzystuje ją i przetwarza codziennie na tysiące rozmaitych sposób, często nawet nie zdając sobie z tego sprawy. Samo pojęcie energii jest jednocześnie często mylone i fałszywie utożsamiane z wielkościami takimi jak siła czy praca. Rozpatrując pojęcie energii, należy zatem nie tylko podać jej przykłady i rodzaje, ale i zaprezentować naukowy opis pewnych znanych nam z życia codziennego, a przy tym często nie do końca zrozumianych zjawisk. Plan tego referatu obejmuje wyjaśnienie definicji energii, opis jej odmian i sposoby wykorzystania jej w nauce i technice, a także podejście relatywistyczne do zagadnienia energii.

• Definicja energii

Termin energia oznacza mniej więcej tyle co „działanie” i pochodzi ze starożytnej greki. Obecnie obserwuje się powrót użycia tego słowa do jego znaczenia pierwotnego. Energia czy byciem energicznym opisuje się przykładowo ludzi, przedmioty i zjawiska aktywne, wywierające istotny wpływ na otoczenie. Nas interesuje jednak bardziej podejście fizyczne do zagadnienia. Mówiąc najprościej i najogólniej, energia jest w fizyce zdolnością obiektu bądź systemu fizycznego do wykonania pewnej pracy. W przeciwieństwie do pracy jest ona wielkością skalarną, co oznacza, że do jej pełnego opisu należy podać jedynie jedną liczbę - jej wartość, a jej „ukierunkowanie”, ważne w przypadku pracy i siły, nie ma żadnego znaczenia. Innymi wielkościami skalarnymi są przykładowo masa i pola skalarne, przy czym masa jest w istocie inna formą energii. Jednostka podstawową energii w układzie SI jest jeden dżul (J). Dżul stanowi też jednostka pracy i ciepła, co oznacza tylko tyle, że energia jest zdolna do wykonania pracy, a praca może przemienić się w nie ukierunkowaną energię ciał. Inną spotykaną dość często jednostką jest jeden erg (układ CGS - centymetr, gram, sekunda), oraz elektronowolt, używany zwykle przy opisie energii nadawanych cząstkom rozpędzanym w akceleratorach.

Energia jest ponadto wielkością zachowywana przy przemianach fizycznych i chemicznych. Dla układu ciał energia poszczególnych ciał sumuje się, dając w prosty sposób energię całego układu. Najciekawszą być może własnością energii jest jej niezmienność i wieczność. Energia nie jest tworzona z niczego i nie może obrócić się w nicość. Może, naturalnie, ulec rozproszeniu, ale nawet wtedy nie ginie całkowicie. Kwestią sporną jest, czy cały Wszechświat można traktować jako zamknięty, izolowany układ i czy jego energia całkowita jest zachowana (a jeśli tak, to skąd się wzięła i w co obróci się, gdy nastanie ewentualny kres obecnego Kosmosu. Są to już w zasadzie pytania z pogranicza fizyki i filozofii.

Dane ciało może posiadać naraz kilka różnych rodzajów energii, które zawsze - niezależnie od tego, ile ich jest i jakie są - sumują się matematycznie w energię całkowitą obiektu. Prostym przykładem może być ciało poruszające się w polu grawitacyjnym Ziemi: ma ono jednocześnie energie kinetyczna ruchu i energie potencjalną (posiada także pewna ilość energii wewnętrznej oraz relatywistycznej, ale można to zaniedbać ze względu na ich niewielki przyczynek do sumy.) Energia takiego ciała wyraża się zatem równaniem:

E = E_k + E_p

Energia potencjalna jest czasem (zwłaszcza w publikacjach akademickich) oznaczana literą V, a kinetyczna - T. Inny zapis powyższej równości to w tej konwekcji:

E = V + T

Gdzie:

T = 1/2mv²

V = mgh

Gdzie V to prędkość, m - masa, h - wysokość, g - przyśpieszenie grawitacyjne (g ≅ 9,81 [Nm²/k²])

Przykład ciała spadającego w polu grawitacyjnym może także służyć do zobrazowania zasady zachowania energii. Co właściwie oznacza, że energia jest zachowana przy przemianach? Zasada ta głosi, że w układzie odizolowanym od wpływu otoczenia (czyli w sytuacji, gdy nie ma dopływu energii z poza układu ani jej napływu) mogą nastąpić przejścia pomiędzy składnikami układu, ale suma poszczególnych ich energii nie może się zmienić w funkcji czasu. Przedmiot, wyrzucony pionowo w górę, ma pewną prędkość, a więc i związaną z nią energię kinetyczną. Z czasem jednak ciało wyhamowuje, jego prędkość i energia kinetyczna spada. Ciało znajduje się jednak coraz wyżej, więc jednocześnie rośnie energia potencjalna związana z wysokością. Ciało osiąga wreszcie punkt krytyczny, w którym jego prędkość spada do zera, a wysokość jest maksymalna - wówczas posiada jedynie energię potencjalną. Następnie zaczyna opadać, powoli znów zyskując energię kinetyczną kosztem potencjalnej. Wszystkie przemiany energii wewnątrz układy zamkniętego mają podobny charakter. Przemiany te są bardzo istotne z punktu widzenia techniki i stanowią podstawę funkcjonowania wszelkiego rodzaju silników i innych generatorów energii. W rzeczywistości fizycznej nasze powyższe rozważania są oczywiście dość wyidealizowane i w praktyce zawsze obserwuje się pewne straty energii, np. na rozpraszanie lub ciepło. Jeżeli jednak traktować Kosmos jako zamknięty system, to jego cała energia jest i w tym przypadku nadal zachowana. Zasada zachowania energii uważana jest za niepodważalne prawo, które musi być bezwzględnie respektowane przy interpretacji wyników doświadczeń i konstruowaniu teorii fizycznych. Wiele teorii porzucono właśnie z tego powodu, że nie spełniały zasad zachowania podstawowych wielkości fizycznych.

Należy jeszcze w tym miejscu wyjaśnić pojęcie sprawności maszyn. Wielkość ta, najczęściej występująca w mechanice i termodynamice, definiuje relację pomiędzy pracą wykonaną przez urządzenie mechaniczne a energią całkowitą, spożytkowaną przez maszynę na wykonanie tej pracy. Straty energii na rozpraszanie cieplne jest tu właśnie różnicą pomiędzy pracą a energią całkowitą. Oczywiście wraz ze wzrostem sprawności maszyny zmniejszają się niepożądane straty energii

• Rodzaje energii

Najbardziej znane (i najistotniejsze z punktu widzenia praw fizyki) są dwa rodzaje energii: energia mechaniczna oraz cieplna. Energia mechaniczna to energia kinetyczna, energia potencjalna bądź ich suma (w przypadku ciała mającego obie te energie, np. spadająca piłka.) Energia, cieplna związana jest w ruchami termicznymi. Inne rodzaje to: energia jądrowa, pola elektrycznego, wiązań chemicznych, masy spoczynkowej (w Teorii Względności), i różne energie promieniowania. To tylko niektóre przykłady, w rzeczywistości można ich wskazać więcej. Każda energia ma pewne cechy charakterystyczne, dzięki którym z łatwością można ją zdefiniować.

Energia mechaniczna jest to suma energii kinetycznej (ruchu ciała) i potencjalnej (związanej z pewnym potencjałem, np. grawitacyjnym, lub też z tzw. sprężystością ciał.) Warto tu przypomnieć, że zgodnie z założeniem Zasady Zachowania Energii suma obu składowych energii mechanicznej jest dla układu odosobnionego zawsze niezmienna. Energia kinetyczna jest zależna jedynie od ruchu punktu materialnego (dokładniej: jego prędkości) oraz od masy bezwładnej. Można ją rozpatrywać relatywistycznie (przy prędkościach ciała zbliżonych do prędkości światła), jak i nie relatywistycznie. Równanie definiujące energię kinetyczną ma w tym drugim przypadku postać:

E_k = 1/2mV²

Gdzie V jest prędkością ciała, a m - jego masą. Ponieważ pęd w mechanice klasycznej wyraża się wzorem:

P = mV

Wzór na energię ruchu możemy także przekształcić do postaci:

E_k= p²/2m

Można też zapisać równanie energii kinetycznej dla dowolnej bryły sztywnej obracającej się lub jednocześnie obracającej się i wykonujące ruch postępowy (np. toczenie się.) Energia taka stanowi sumę energii pewnego punktu geometrycznego (tzw. środka masy ciała) oraz energii ruchu obrotowego bryły. Oczywiście, jeden z tych składników (jak również oba naraz) może się zerować. Wzór ma postać:

E_k= mv²/2 + E_obr

Gdzie m jest całkowitą masą bryły; V - prędkością środka masy bryły, a E_obr - jej energią obrotową, wyrażającą się bardziej skomplikowaną formułą.)

Należy przy tym zwrócić uwagę, ze we wszystkich powyższych zapisach energia kinetyczna jest wprost proporcjonalna do kwadratu prędkości ciała, nie do samej prędkości, pomnożonego przez masę całkowitą. Prędkość występuje we wzorach w drugiej potędze, z czego w prosty sposób wynika, że uzyskana przez ciało energie nie jest proporcjonalna do samego modułu szybkości, a więc nie zależy od niego liniowo. Dobrze uwidacznia się to na przykładzie zderzeń ciał poruszających się, przy których efekt zderzenia jest tym większy, im większe są prędkości ciał i nie zależy d dużej mierze od ich mas w porównaniu z prędkościami. Fakt takiej a nie innej proporcjonalności ma duże znaczenie w przypadku kolizji kolejowych i samochodowych, gdzie im mniejsza prędkość pojazdów zderzających się jest głównym czynnikiem określającym zagrożenie życia oraz straty materialne przy wypadku. Także przy hamowaniu na drodze wzrost prędkości początkowej samochodu daje w efekcie zależność kwadratową wydłużenia się drogi potrzebnej na wyhamowanie do zera.

Energia potencjalna ciała jest intuicyjnie trudniejsza do zrozumienia niż kinetyczna. Zależy ona albo od umiejscowienia ciała materialnego w polu sił (sił zachowawczych, jak potencjał grawitacyjny czy elektryczny - siłach takich, że wykonana przez nie praca jest zależna co do wartości jedynie od położeń punktów końcowych i początkowych drogi, ale nie od jej kształtu), lub od konfiguracji przestrzennej elementów budujących dane ciało. Siły zachowawcze są szczególnym przypadkiem, istnieje także wiele rodzajów sił nie zachowawczych. Siła grawitacji jest silą centralną jedynie dzięki odwrotnej zależności siły od kwadratu odległości do ciała, na które ta siła działa. Zachowawczość pociąga za sobą dobrze znane, ale nie zawsze rozumiane zachowania się ciał przy wykonywaniu nad nimi pracy: np. wciągając ciężar na szczyt góry lub wysokiego budynku, wykonuje się dokładnie identyczna pracę, ciągnąc przedmiot najpierw poziomo po ziemi, a potem zupełnie pionowo w gorę, co działając na niego siła na ukos, pod pewnym kątem.

Dla najprostszego, służącego często jako przykład przypadku ciała znajdującego się na pewnej wysokości h w polu grawitacyjnym Ziemi, wzór na energie potencjalną ma postać:

E_p= mgh

gdzie m jest jak zwykle masa ciała, a g - przyspieszeniem ziemskim

Porównując definicję energii potencjalnej oraz pracy (rozumianej jako siły działającej na pewnej drodze):

W = Fs

gdzie s jest przesunięciem (drogą.)

widzimy wyraźnie, że energia potencjalna jest tożsama z prac w tym sensie, że opisuje zdolność ciała do zamiany tej energii w energie kinetyczna jego ruchu, który z kolei można spożytkować na wykonanie pracy. W przypadkach pól grawitacyjnych oraz elektrostatycznych energia potencjalna stanowi po prostu wartość pracy, jaka musi być wykonana nad układem cząstek celem zmiany ich konfiguracji (np. ich wzajemnych odległości między sobą.) Nie należy jedynie zapominać, ze praca, w odróżnieniu od energii, jest wektorem. Mając dane równania na prace i energię potencjalną, możemy sobie wyobrazić, że praca wykonywana jest przeciwko pewnym siłom (np. sile grawitacji.) Siła grawitacji wyraża się następująco:

F = mg

Załóżmy dalej, że w punkcie P1 rozpoczyna się działanie pracy przezwyciężającej grawitację, a w punkcie P2 znajduje się koniec drogi działania pracy. Całkowite przesunięcie jest zawsze równe P = P2 - P1, na skutek niezależności pracy od kształtu drogi, a praca wykonana nad siłą ciężkości wyraża się wzorem:

W = mgP

Z drugiej strony wiadomo, że energia potencjalna dla punktu P1 ma wartość E_p1 = mgP1, zaś dla punktu końcowego - E_p2 = mgP2. Różnica tych dwóch różnych energii daje oczywiście wyrażenie mgP. Wykonana na tej drodze praca jest zatem równa energii potencjalnej ciała.

Blisko związana z pojęciem energii mechanicznej jest energia wewnętrzna ciała. Stanowi ona także energię ruchu, ale ruchu cząsteczek mikroskopowych - cząstek chemicznych lub atomów. Jest ona tzw. energią ukrytą, trudno zauważalną, ale dająca pewien przyczynek do energii całkowitej. Nazywana jest też energią cieplną i energią ruchu termicznego. Bywa też mylona z ciepłem, które jednak nie jest energią, a raczej pracą spożytkowaną przy przekazaniu energii pomiędzy ciałami o różnej temperaturze. Nie jest to praca w sensie pracy mechanicznej, czyli siły działającej na określonej drodze. Praca ciepła jest to pojęcie najczęściej używane w termodynamice, zwłaszcza gdy mowa jest o zerowej i pierwszej zasadzie termodynamiki - zasadzie zachowania energii cieplnej. Zerowa zasada brzmi ona następująco: Ciała lub układy pozostają w równowadze termicznej, jeżeli między nimi nie ma przepływu energii wewnętrznej (cieplnej.) Jeżeli dwa ciała, A i B, są w równowadze termicznej z trzecim ciąłem (C), to także ciała A i B są w równowadze termicznej ze sobą (co jest równoważne ze stwierdzeniem, że mają równe temperatury.) Doświadczalną podstawą pierwszej zasady termodynamiki jest eksperyment Joule'a dowodzący równoważności ciepła i pracy mechanicznej. Praca zamienia się w takim doświadczeniu na ciepło. Tym sposobem okazuje się, że zmiana ciepła w układzie jest również włączona do ogólnej Zasady Zachowania Energii. Zmiana energii wewnętrznej układu równa jest dodaniu do układu ciepła i pracy wykonanej nad układem przez siły zewnętrzne, zgodnie z równaniem:

dU = dQ + dW

W powyższym wzorze dQ jest małym przyrostem ciepła dodanym do układu, natomiast dU oznacza infinitezymalnie mały przyrost energii wewnętrznej systemu. Gdy układ przekazuje ciepło na zewnątrz, jego energia wewnętrzna zmniejsza się (ciepło przyjmuje wówczas oczywiście wartość ujemną.) Ponadto zmiana wartości dU ma zawsze wartość tę samą, niezależnie od wzajemnego stosunku dodanego ciepła i wykonanej nad układem pracy. Dobry przykład mogą stanowić dwa ciała o różnych ilościach ciepła (temperaturach). Gdy tworzą one system izolowany, ciepło przechodzi z ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej. Ciepło otrzymane przez ciało, które początkowo miało małą temperaturę, powoduje wzrost energii cieplnej (wewnętrznej.)

Innym nieco rodzajem energii jest tzw. energia elektryczna (lub elektrostatyczna). Stanowi ona w rzeczywistości formę energii potencjalnej. Energia ta pochodzi z oddziaływania ładunków elektrycznych między sobą w ciele lub układzie. Dla ciągłego rozkładu ładunków można ją jednak zapisać jako sumę wszystkich takich oddziaływań, a zatem w postaci tzw. sumarycznej energii elektrycznej (energii pola elektrycznego.) Energia ta różni się znacznie w dwóch przypadkach: ładunki mogą być w ruchu (tzw. energia elektrodynamiczna) lub nieruchome (elektrostatyczna.) W potocznym rozumieniu energia elektryczna rozumiana jest też jako praca otrzymywana na skutek działania rozmaitych maszyn elektrycznych, takich np. jak grzejnik. W tym wypadku jednostką typową energii jest kilowatogodzina (1 kWh), ilość energii, jaką zużywa przez godzinę urządzenie o mocy jednego kilowata, równa co do wartości 3 600 000 dżuli. Energia płynącego prądu elektrycznego w funkcji czasu wyraża się następującym wzorem:

E = UIt = I2Rt

gdzie t jest czasem, I - natężeniem prądu w Amperach, U - napięciem powodującym przepływ elektryczności w Voltach, a R - oporem elektrycznym w Ohmach.

Energia jądrowa (inaczej: nuklearna) jest dobrze znana z procesów termojądrowych zachodzących w reaktorach i wnętrzach gwiazd, oraz przy wybuchach bomb atomowych. Reakcja jądrowa jest, najprościej mówiąc, energią wydzielaną w procesie bombardowania jąder atomowych cząstkami o bardzo dużych energiach. Najbardziej wydajne jądra rozszczepialne to izotopy: uran 235U, uran 233U oraz pluton 239Pu (z plutonu otrzymuje się nieco mniej energii niż z uranu.) W ujęciu mikroskopowym jest ona energią w łańcuchowej reakcji rozczepiania. Zapoczątkowana jest absorpcją neutronu przez złożone z neutronów i protonów ciężkie jądro. W procesie tym wydziela się niemal zawsze energia o bardzo dużej wartości w porównaniu z energią mechaniczna lub cieplną. Przykładowo, przy rozpadzie nuklearnym jednego zaledwie jądra izotopu uranu 235U otrzymywana jest energia rzędu 200 MeV (megaelektronowoltów). Ta sama energia uzyskana w inny sposób wymagałaby spalenia aż kilkudziesięciu milionów atomów węgla, co jest równe kilku tonom tego pierwiastka. Energia rozpadu jądrowego jest przekazywana otoczeniu głównie jako energia mechaniczna eksplodującej materii bądź cząstek, a także jako energia termiczna (promieniowanie). Dość dobrze obrazuje to zapis filmowy wybuchu bomby jądrowej, na którym można zaobserwować zarówno energię kinetyczną wybuchu, jak i rozprzestrzeniająca się szybko fale gorąca.

Pojęciem zasługującym na osobne omówienie jest energia termojądrowa. Energia ta może się wytwarzać w reakcjach syntezy. Aby reakcja taka mogła zajść, jądra biorących w niej udział atomów muszą pokonać energetyczną barierę odpychania coulombowskiego, np. poprzez nadanie im wysokich energii (temperatur.) Wtedy dopiero zbliżają się do siebie na odległość ok. 10^-12 cm. Reakcje takie zachodzą przy temperaturach milionów stopni Kelwina, przy których energia cieplna jest wystarczająca do pokonania odpychania elektrostatycznego i jądra mogą się połączyć w jedna całość, co zachodzi przy emisji pewnej energii. Praktyczne wykorzystanie tej możliwości jest niezwykle trudne. Nie można jak dotychczas łatwo i efektywnie przeprowadzić kontrolowanej reakcji syntezy (inaczej: fuzji) termojądrowej. Reakcje te zachodzą natomiast bardzo powszechnie we wnętrzach niemal wszystkich typów gwiazd (jedynym wyjątkiem są tu gwiazdy zdegenerowane oraz tzw. brązowe karły - gwiazdy, których masa była na tyle mała, że zapalenie się reakcji syntezy w ich wnętrza nie było możliwe ze względu na zbyt niskie temperatury tam panujące. W praktyce w warunkach ziemskich trudne jest jednak pokonanie bariery potencjału elektrostatycznego (odpowiednie zwiększenie temperatury). Jedyne zastosowanie fuzji jądrowej to obecnie produkcja bomb wodorowych, w których możliwe jest doprowadzenie izotopów wodoru (deuter, tryt) do energii cieplnej tak dużej, że możliwe staje się zbliżenie do siebie atomów i zapoczątkowanie reakcji. Gdyby człowiekowi udało się na większą skalę opanować sztukę kontrolowania reakcji fuzji, otrzymałby prawdopodobnie najbardziej efektywne źródło energii w całej historii ludzkości!

Energia relatywistyczna wiąże się z Ogólną Teorią Względności Alberta Einsteina. Zdefiniowana jest jako energia całkowita ciała izolowanego od otoczenia, a więc nie znajdującego się pod wpływem żadnych potencjałów zewnętrznych. Einstein odkrył, że nawet ciało znajdujące się w idealnym spoczynku ma pewien zasób energii. Dla takiego nieruchomego ciała energia relatywistyczna jest nazywana energią spoczynkową i definiuje ją słynny wzór na równoważność masy i energii:

E = mc²

gdzie m jest masą ciała a stała c wartością prędkości fal elektromagnetycznych w próżni; c ≅ 299 000 km/s)

Inaczej wygląda równanie dla ciała poruszającego się z dowolna prędkością v < c. Wówczas jednak, co jest intuicyjnie łatwe do zrozumienia, całkowita energia stanowi sumę energii kinetycznej ruchu oraz energii spoczynkowej ze wzoru Einsteina. Dla cząstki materialnej można zapisać sumę jako:

E = mγc² - mc²

Współczynnik γ wynosi tu 1/[1-(v/c)²], jest wartością występująca bardzo często w mechanice relatywistycznej, a pochodzi bezpośrednio z teorii eteru, poprzedzającej powstanie Teorii Względności. W przypadku nie relatywistycznym, czyli gdy v << c, powyższe równanie upraszcza się:

E = mc² +1/2mv²

Pierwszy człon (mc²) odpowiada tu energii wewnętrznej ciała, podczas gdy drugi jest energia kinetyczną znaną z mechaniki klasycznej. Ponieważ współczynnik γ wzrasta wraz ze zwiększaniem się prędkości ciała przy założeniu niezmienności stałej c, energia relatywistyczna punktu materialnego także rośnie przy wzroście prędkości, osiągając teoretycznie maksymalną wartość dla v = c.

Pozostaje wyjaśnić, skąd właściwie bierze się energia spoczynkowa cząstki nieruchomej. Badania wykazały, że jest ona suma wielu składników: energii kinetycznej elementów jądra atomowego, energii potencjalnej wynikającej ze wzajemnych oddziaływań pomiędzy częściami jądra, ruchów termicznych itd. Bezpośrednim rezultatem jest nierównoważność masy całej cząstki złożonej i sumy jej tworzących ją składników. Energię spoczynkową można rozumieć jako pewien rodzaj energii wewnętrznej ciała.

• Przemiany energii

Liczba dostępnych przy określonych warunkach procesów fizycznych i reakcji jest tak duża, że teoretycznie każdy jeden rodzaj energii da się (pośrednio lub bezpośrednio) przekształcić w inny. Człowiek wraz z towarzyszącym rozwojowi cywilizacji postępem technicznym nauczył się wykorzystywać wiele z tych metod na własne potrzeby, inne jednak (jak np. wspomniana już kwestia wywarzania energii termonuklearnej).Nie da się już dziś zaprzeczyć, że wszystkie wykorzystywane przez nas urządzenia, począwszy od precyzyjnych komputerów, a skończywszy na rakietach balistycznych i promach kosmicznych, zasilane są energią i wykorzystują jej przemiany.

Najwcześniej wykorzystywaną przez nas forma energii była energia mechaniczna. Zaczęło się od energii mięsni ludzkich (która tak naprawdę jest skomplikowanym efektem energetycznych przemian biochemicznych zachodzących w organizmie.) Nieco później człowiek nauczył się korzystać z siły mięśni zwierząt, jeszcze później wynalazł koło, kołowrót, prymitywną maszynę parową, a wreszcie silnik. Zasadą jego działania jest zamiana dostarczanej mu energii (cieplnej, mechanicznej, elektrycznej, energii wody, wiatru lub jeszcze innej) na pracę, którą można ponownie wykorzystać. Najczęściej używany jest silnik cieplny. Energia w nim wydzielana powodowana jest przez przepływ materii wykazującej znaczną zmienność objętości przy zmianie temperatury i ciśnienia. Może być to para wodna lub paliwo (paliwo samochodowe itp.) Maszyna parowa ma przykładowo za zadanie przemianę energii rozprężającej się pary na energie mechaniczną. Odbywa się to poprzez działanie ciśnienia pary wodnej na tzw. tłoki silnika, a wywołany tym ciśnieniem, ruch tłoka poprzez przekładnie mechaniczną przekształca się następnie w ruch obrotowy wału, który z kolei wykorzystuje się np. do napędzania pociągu. W silniku spalinowym, gdzie paliwem może być gaz, benzyna lub inna mieszanka, także stosuje się tłoki umieszczone w specjalnych elementach - cylindrach, ale ruch napędzonego spalaniem mieszkanki tłoku jest zwykle ruchem posuwisto - zwrotnym lub obrotowym. Także i w tym przypadku tłok porusza się dzięki skokowym, okresowo powtarzającym się po wstrzyknięciu określonej dawki paliwa, rozprężaniem termicznym mieszanki w cylindrach. Silnik idealny (silnik, w którym cała taka energia zostanie zamieniona naprawdę mechaniczną) nie istnieje, zgodnie z Drugą Zasadą Termodynamiki. Część energii ulega nieodwracalnemu rozproszeniu. Silniki można także podzielić według kryterium metody wykorzystywania energii paliwa na silniki tłokowe, turbinowe i odrzutowe (te ostatnie spotykane są w samolotach i rakietach.)

Człowiek jest także w stanie wykorzystać energię związaną z polem elektrycznym. Jest to w dużej mierze zawdzięczane naukowcom badającym zjawiska elektryczności (Volta, Faraday, Maxwell.) Z technicznego punktu widzenia najistotniejsza jest możliwość zamiany energii mechanicznej na elektryczną, którą później można wykorzystać do oświetlania oraz w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych. Możliwość tę daje nam zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Jest ono związane z postacią Równań Maxwella (podstawowych równań opisujących zmienne pola elektryczne i magnetyczne) i definiuje indukowanie się prądów. Aby energia elektryczna mogła być wykorzystana, koniecznie jest działanie w układzie tzw. siły elektromotorycznej. Siła ta powstaje w zamkniętym obwodzie przewodzącym przy przepływie zmiennego strumienia magnetycznego. Strumień taki jest rezultatem zmiennego pola magnetycznego w obszarze obwodu lub też zmianę położenia samego obwodu w polu magnetycznym stałym w czasie. Jest tak, ponieważ zmienne w czasie pole magnetyczne generuje falowe pole elektryczne i na odwrót. Efekt ten jest podstawą działania prądnic, transformatorów napięcia, silników elektrycznych oraz radia. Prądnica (generator napięcia) jest prostym urządzeniem przekształcającym energie mechaniczną w przepływ prądu. Podstawę jej budowy stanowi wirujące uzwojenie, najczęściej miedziane (mieć jest dobrym przewodnikiem prądu.) Do końców zwojnicy przyczepione są tzw. komutatory - przewodzące pierścienie połączone z obwodem zewnętrznym urządzenia. Siła elektromotoryczna powstaje na skutek obrotu ramy ze zwojnicą. Prądnice dzieli się ze względu na rodzaj wytwarzanego prądu elektrycznego na prądnice prądu stałego i prądnice prądu zmiennego (alternatory). Oba te typy mają wiele odmian prądnic, różniących się jedynie szczegółami rozwiązań technicznych, rozwiązania te są dość podobne do rodzajów silników elektrycznych. W istocie silnik elektryczny może funkcjonować jako prądnicą także prądnica może być silnikiem.

Istnieją dwa główne rodzaje silników elektrycznych: silniki prądu stałego (wykorzystywane przy trakcjach elektrycznych) i zmiennego (urządzenia.) Przykładowy silnik prądu stałego składa się z dwóch magnesów ustawionych względem siebie różnymi biegunami. Magnesy te (jako że emitują pole magnetyczne) generują między sobą zmienne pole elektromagnetyczne. Pomiędzy nimi znajduje się przewodnik wraz z komutatorem, podłączone do źródła napięcia. Przewodnik ten wykonuje ruch wirowy względem własnej osi. Dzięki temu doprowadzona do niego energia elektryczna może być przetworzona na mechaniczną.

Pozostaje omówić pojęcie elektrowni. Elektrownia może być obecnie zdefiniowana jako system dokonujący transformacji rożnych typów energii w energię elektryczną, która może być następnie wykorzystywana przemysłowo. Energiami pierwotnymi doprowadzanymi do elektrowni są najczęściej: energia spadającej wody (elektronie wodne), ciepło (ciepłownie), wiatr (wiatraki), energia fal i pływów morskich, spalanie substancji organicznych oraz energia jądrowa (elektrownie atomowe.) Szczególnie ten ostatni typ zasługuje na bliższe zainteresowanie. W reaktorze jądrowym energia pozyskiwana jest z łańcuchowej reakcji rozszczepiania jąder pierwiastków ciężkich. Jądra tych pierwiastków muszą wcześniej nabrać dużych energii cieplnych. Końcowym efektem działania reaktora jest „zwyczajna” energia cieplna i mechaniczna pary wodnej, która trafia do turbiny parowej i jest przekształcana w sposób konwencjonalny w energię elektryczną. Budowa nowych reaktorów jądrowych budzi wiele kontrowersji ze względu na dalekosiężne skutki awarii takich elektrowni. Jednak nie należy zapominać, że dobrze kontrolowany reaktor jest źródłem niezwykle wydajnej i w pełni bezpiecznej energii, oraz że mimo protestów ekologów, w perspektywie rychłego skończenia się paliw naturalnych (ropa naftowa, gaz ziemny) ludzkość jest skazana na używanie kontrolowanej reakcji rozszczepiania uranu.

Jak dotychczas jedyną elektrownią jądrową w Polsce jest reaktor badawczy w Świerku pod Warszawą:

10

---