Co to jest energia?

Wprowadzenie

Po pierwsze: Ten kto mówi, że wie co to jest energia – nie mówi prawdy.

Po drugie: Stosowane powszechnie definicje energii, w szczególności definicje słownikowe, definicje w wikipedii, są nieprawdziwe, nieprecyzyjne lub nic nie wyjaśniają.

Na przykład, w słowniku Wikipedii:

Energia (gr. ενεργεια energeia od ergon „praca”) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca stan układu fizycznego (materii)[1][2] jako jego zdolność do wykonania pracy[3].

Energia występuje w różnych postaciach np.: energia kinetyczna, energia potencjalna, energia sprężystości, energia cieplna, energia jądrowa.

[1] Leksykon naukowo-techniczny WNT 1984 s. 200.

[2] Encyklopedia techniki – podstawy techniki WNT 1994 s. 155.

[3] Ilustrowana encyklopedia dla wszystkich. Fizyka. wyd. drugie WNT 1987 s. 72.

Tak, jest to definicja słuszna, ale nie energii, tylko egzergii. Część energii zdolna do wykonania pracy to egzergia.

Ale energia to coś innego od zdolności wykonania pracy. Na przykład woda w jeziorze ma energię, ale zdolność do wykonania pracy ma przeważnie równą zero. Gorąca woda w czajniku ma energię (równą energii wody zimnej powiększonej o dostarczone ciepło), ale zdolność do wykonania pracy ma znikomą.

Energia całkowita określająca stan

Energia układu (ciała fizycznego/obiektu/materii/substancji) często mylona jest z przepływem energii z układu do innego układu (np. ciepła przekazywanego z ciała X do ciała Y). Wynika to z tego, że zarówno energia stanu jak i przepływ energii określany jest tą samą jednostką (w Joule’ach [J]).

Układ w danej chwili, czyli znajdujący się w określonym stanie, ma pewną ilość energii. Ta ilość energii uwzględniona w każdej postaci zwana jest energią całkowitą. Na energię całkowitą składają się różne składniki: energia mechaniczna sprężystości, energia kinetyczna (związane z jego ruchem makroskopowym), energia potencjalna (związana z wysokością w polu grawitacyjnym), energia wewnętrzna (związana energią cząstek drgających pod wpływem temperatury – drgania mikroskopowe), energia jądrowa, energia chemiczna, energia elektrostatyczna (związana z naładowaniem ładunkiem elektrycznym) i pewnie wiele innych.

Energia całkowita jest sumą wszystkich składników energii. Naturalnie, przy obliczeniach stanu energii układu, czy zmiany stanu energii układu związanej wymienianą energii, bierze się pod uwagę tylko te składniki energii całkowitej, które ulegają zmianie w sposób istotny.

Przykłady dla obliczeń energii całkowitej:

  1. Przykład dla obliczenia energii stanu (dla danej chwili): Przy obliczaniu energii kinetycznej samochodu bierze się pod uwagę jego prędkość i masę, a nie bierze się np. energii paliwa zawartego w baku.
  2. Przykład dla obliczenia zmiany stanu (dla przemiany odbywającej się w określonym czasie): Przy obliczaniu temperatury tarcz hamulcowych jaka zostanie osiągnięta na skutek wyhamowania od prędkości 100 km/h do 0 km/h bierze się pod uwagę energię wewnętrzną początkową tarcz (na podstawie ich temperatury początkowej) i energii kinetycznej samochodu przy prędkości 100 km/h, która zwiększy energię wewnętrzną tarcz (temperaturę) o tę wartość energii kinetycznej. Energia wewnętrzna tarcz zwiększy się a energia kinetyczna samochodu zmniejszy się (do zera). W tym przypadku energia całkowita pojazdu nie zmieni się, ponieważ z zewnątrz nie zostaje doprowadzona energia ani na zewnątrz energia nie jest doprowadzona.

Podane przykłady doprowadzają do następujących wniosków dotyczących energii:

  1. Energia określana dla danego układu i dla danej chwili jest zwana energią stanu układu. W określonej przemianie i w określonym czasie stan układu może się zmieniać.
  2. W praktyce obliczenia energetyczne wykonuje się tylko do tych składników (postaci, form) energii, które w istotny sposób ulegają zmianie. Dla przedstawionego przykładu samochodu nie uwzględniono energii jądrowej cząstek, ani nawet nie uwzględniono strat ciepła hamulców do otoczenia (założenie krótkiego czasu hamowania), ani tym bardziej ubytku paliwa i strat ciepła w spalinach w trakcie tego hamowania.
  3. Przy obliczeniach zmian stanu poszczególnych układów (w tym przypadku tarcz hamulcowych (w odniesieniu do energii wewnętrznej związanej z temperaturą) i całego pojazdu (w odniesieniu do energii kinetycznej) stosuje się zasadę zachowania energii. Ta zasada mówi, że energia może zmieniać postać, ale jej całkowita ilość nie zmienia się (stąd mówi się, że energia podlega prawu tzw. „zachowania”).
  4. Prawo zachowania energii pozwala na obliczenia dla zjawisk energetycznych pozornie nie związanych ze sobą. Czy nie znając prawa zachowania energii moglibyśmy przeliczyć prędkość pojazdu [km/h] na temperaturę tarcz [st.C]? Przecież te dwie wielkości są niezwiązane ze sobą, mają nawet różne jednostki fizyczne. A jednak. Stąd widzimy, że energia jest niewidzialnym czynnikiem łączącym różne zjawiska.

Entalpia

Dla opisania stanu energii płynów w instalacjach rurociągowych zdefiniowano specjalną wielkość określającą energię czynnika tłoczonego rurociągiem. Entalpia składa się z dwóch składników: energii wewnętrznej czynnika (związanej głównie z temperaturą) i energią przetłaczania (inaczej energią hydrauliczną, związaną z ciśnieniem i strumieniem objętościowym czynnika).

Ze względu na trafnie zdefiniowaną wielkość, jest ona stosowana w termodynamice jako podstawowa wielkość określająca energię czynnika (wody, pary wodnej, powietrza, gazu ziemnego, czynników chłodniczych czy każdego innego czynnika) w instalacjach rurociągowych.

Czym jest energia?

Problem w zdefiniowaniu energii polega na tym, że energia nie ma formy, nie da się jej zważyć, zobaczyć, usłyszeć, powąchać ani dotknąć, nie składa się ona z cząsteczek, nie da się jej bezpośrednio zmierzyć (nie ma energomierza, można zmierzyć tylko pośrednio efekty jej przepływu; nawet licznik energii elektrycznej nie mierzy energii, ale zjawiska związane z przepływem swobodnych elektronów). Energia jest czymś abstrakcyjnym, jest po prostu wartością matematyczną – liczbową, a nie czymś fizycznym.

Można by nawet stwierdzić, że energia jest bardziej czymś ze świata duchowego niż fizycznego. A o tym później (niżej).

Ściślej, są oczywiście powiązania fizyczne przy wymianie energii w różnych zjawiskach, powiązania na poziomie atomowym i cząstek elementarnych, ale w wielu przypadkach te powiązania nie są znane. Na przykład przepływ prądu elektrycznego przez opornik powodujący jego ogrzanie na poziomie cząsteczkowym ma związek pomiędzy swobodnymi elektronami prądu elektrycznego i elektronami cząsteczek opornika, których energia drgań ulega zwiększeniu (czyli następuje ich wzrost temperatury).

Formy przepływu energii

Wiemy na razie czym nie jest energia, ale znane nam formy (sposoby) jej przepływu są nam na tyle znane, że pomogą w zrozumieniu natury energii.

Każdy z przepływów energii wynika z różnicy potencjałów energetycznych, stanowiących moc sprawczą przepływu energii, i z przepływu wymuszonego przez ten potencjał.

Główne formy przepływu energii (z ciała do innego ciała, z miejsca do innego miejsca) podano w poniższej tabeli.

/w przygotowaniu/