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:
- 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.
- 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:
- 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.
- 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.
- 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”).
- 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.
Co to jest 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 (i nie tylko).
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
Nie wiemy na razie czym 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.
| Formy przepływu energii | ||||
|---|---|---|---|---|
| Lp. | Forma/sposób przepływu energii | Potencjał | Przepływ | Moc P [W] |
| 1 | Ruch mechaniczny | Siła F [N] | Prędkość v [m/s] | P = F x v |
| 2 | Moment obrotowy t [Nm] | Częstość kątowa omega [rad/s] (prędkość obrotowa n, obr/min) | P = t x omega = t x n x pi/30 | |
| 3 | Przepływ prądu elektrycznego (przez generatory lub odbiorniki energii) | Napięcie U [V] | Prąd I [A] | P = U x I |
| 4 | Przepływ płynu (gazu, cieczy, innej materia); (przepływ przez generatory (pompy, sprężarki) lub odbiorniki energii (turbiny)) | Różnica ciśnień delta_p [Pa] | Strumień (przepływ) objętościowy Q [m3/s] | P = delta_p x Q |
| 5 | Ekspansja gazu i in. czynników ściśliwych | Ciśnienie p [Pa] | Przyrost objętości delta_V' [m3/s] | P = p x delta_V' |
| 6 | Przepływ ciepła | Temperatura ciała T [K] | Strumień entropii S' [W/K] | P = T x S' |
| 7 | Wymiana energii czynnika tłoczonego rurociągiem (czynników w układach otwartych, czyli z wymianą czynnika) | Przyrost entalpii właściwej delta_i [J/kg] | Strumień substancji m' [kg/s] | P = delta_i x m' |
| 8 | Reakcje chemiczne | Potencjał chemiczny m [J/mol] | Strumień substancji N' [mol/s] | P = m x N' |
| Wielkości z oznaczeniem ' są strumieniami wielkości, czyli ilością zmieniającą się w czasie, z jednostką fizyczną odniesioną do jednostki czasu, np. m' jest ilością kg w jednostce czasu, czyli wyrażoną w [kg/s]. Standardowym zapisem jest m'=dm/dt. | ||||
Jak widać moc [W], czyli strumień energii, może przepływać w różnych zjawiskach fizycznych. Przyczyną przepływu energii jest zawsze potencjał lub różnica potencjałów, np. siła fizyczna (mechaniczna) [N] czy też napięcie elektryczne [V] albo różnica ciśnień [Pa]. Potencjał ma różne formy w różnych zjawiskach, powodując przepływy w różnej formie (prędkość [m/s], prąd elektryczny [A], przepływ płynu [m3/s]). Iloczyn potencjału i przepływu jest strumieniem energii, dla wszystkich zjawisk wyrażony taką samą jednostką [W]. Stąd można powiedzieć, że przepływ energii łączy różne zjawiska fizyczne.
Takie połączenie różnych zjawisk fizycznych odbywa się w rzeczywistości. Na przykład przepływ prądu przy określonym napięciu może powodować prędkość materii poruszającej dzięki określonej sile fizycznej (lokomotywa elektryczna na torach – pobiera energię elektryczną, jedzie z określoną prędkością i określoną siłą “na haku”).
Możliwe są dowolne kombinacje zamiany form przepływu energii, a gdy są one zamieniane w sposób zorganizowany, mamy do czynienia z wynalazkami, ponieważ to obserwacja różnych zjawisk i ich powiązania doprowadziła do wynalezienia urządzeń służących takiej zmianie. Każde z takich urządzeń energetycznych charakteryzowane jest wartością mocy znamionowej, to jest dopasowany jest do przeniesienia określonych ilości energii w czasie.
Ponadto energia może przepływać samoczynnie, samorzutnie, czyli niekoniecznie w zorganizowany sposób.
Skutki przepływu energii
Skutkiem przepływu energii z obiektu A do obiektu B jest zmiana stanu obiektu A oraz obiektu B. W literaturze obiekt nazywa się “układem” a ciałem B często jest “otoczenie”, czyli niesprecyzowane ciało B.
Zmiana stanu jest skutkiem przepływu energii. Oznacza to, że przepływ energii powoduje zmiany – powoduje, że coś się dzieje.
Należy podkreślić, że przepływ energii z obiektu A do obiektu B powoduje zmiany zarówno w obiekcie A jak i w obiekcie B.
Zasada zachowania energii
Zasada zachowania energii mówi, że energia nie może znikać ani tworzyć się. Może tylko przepływać z ciała A do ciała B. Oznacza, to że jeżeli z ciała A przepłynie porcja 1 kJ energii do ciała B, to energia ciała B powiększy się dokładnie o 1 kJ.
Ta zasada została zaobserwowana we wszystkich znanych zjawiskach i przypadkach a wynika z fizycznej zależności dowolnych zjawisk lub ciał. Można by powiedzieć, że zależności pomiędzy zjawiskami i ciałami są “zaprogramowane” w ten sposób, że musi zgadzać się rachunek zachowania energii.
Zasada zachowania energii pozwala na obliczenia energetyczne wpływu jednego ciała na drugie w trakcie trwania różnych zjawisk, a także na projektowanie i organizowanie zmian naszego otoczenia w sposób zaplanowany. Bez zasady zachowania energii nie byłoby możliwe zaprojektowanie np. silnika spalinowego, pompy, wentylatora do określonych potrzeb.
Zasada określająca kierunek przepływu energii
Kierunek przepływu energii jest określony przez potencjał energetyczny ciał A i B biorących udział w przemianie. Energia samorzutnie przepływa zawsze od ciała o niższym do ciała o wyższym potencjale energetycznym. Potencjał jest, w zależności od formy przepływu energii, rozumiany jako:
- dla przepływu prądu elektrycznego – gęstością ładunku elektrycznego w danym ciele (A lub B), gdzie prąd przepływa od ciała o wyższej gęstości do ciała o niższej gęstości ładunku elektrycznego, przy czym różnica tej gęstości dla ciała A i dla ciała B jest napięciem elektrycznym. W przypadku elektrotechniki ciała o różnej gęstości oznacza się umownie przez plus (+) i minus (-).
- dla ruchu materii (w tym przepływu substancji) – ciśnieniem danego ciała (substancji), gdzie materia porusza się (przepływa) z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru o niższym ciśnieniu.
- dla przepływu ciepła – temperaturą, gdzie ciepło przepływa z ciała o wyższej do ciała o niższej temperaturze.
- dla reakcji chemicznych – potencjałem energetycznym, gdzie substratami reakcji są substancje bardziej reaktywne, a produktem – mniej reaktywne.
Powyższe zasady dotyczą samorzutnego przepływu energii. Nie oznacza to, że nie jest możliwy przepływ ciepła od ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze, ale jest to możliwe pod warunkiem zaistnienia szeregu przemian, w których konieczne jest dostarczenie energii z zewnątrz (a właściwie pracy, a jeszcze dokładniej mówiąc – egzergii).
Nieodwracalność przemian
Klasycznym przykładem przemian nieodwracalnych są:
- wsypanie cukru do herbaty – odwrócenie tego procesu, czyli oddzielenie herbaty od cukru wymagałoby szeregu energochłonnych zabiegów,
- zmieszanie wody ciepłej z zimną – otrzymamy wodę o temperaturze pośredniej – powrót do stanu poprzedniego wymagałby szeregu energochłonnych przemian.
- bałagan na biurku – robi się sam – zrobienie porządku wymaga nakładu pracy.
Zauważmy, że zaistnienie przemian nieodwracalnych nie wymaga nakładu energetycznego, np. herbata z cukrem połączą się same. Nazywa się to przemianą samorzutną. Przemiana ta jest przemianą nieodwracalną, co NIE znaczy, że nie dałoby się rozdzielić herbaty od cukru. Wymagałoby to jednak szeregu przemian, a na pewno nakładu energii (a właściwie egzergii, o czym później), czyli włożenie pracy fizycznej (w kilodżulach) lub ekwiwalentu pracy. Czyli przemiany nieodwracalne są to takie przemiany, które samorzutnie (bez nakładu pracy) nie mogą przebiegać w odwrotnym kierunku (z powrotem do stanu początkowego).
To może teraz przykład przemiany odwracalnej. Tłok pompki do roweru spręża powietrze, jednak zawór tłoczny się nie otwiera, i po zdjęciu siły zewnętrznej z pompki sprężone powietrze cofa tłok z powrotem do punktu początkowego. W przybliżeniu jest to przemiana odwracalna, ponieważ samorzutnie tłok wrócił do położenia początkowego a ciśnienie powietrza zmalało również do początkowego.
Oczywiście w rzeczywistości nastąpiły pewne straty nieodwracalne – tarcie tłoka o cylinder zamieniło część pracy na ciepło, stąd określenie “W PRZYBLIŻENIU jest to przemiana odwracalna”. Każdy kto wykonał takie doświadczenie zauważył, że tłok wrócił w położenie początkowe, ale brakuje jednak kilku mm lub cm, aby było to dokładnie położenie początkowe – wynika to właśnie z tych drobnych strat energii.
Skoro zatem przemiany można podzielić na odwracalne i nieodwracalne, to jak fizycznie i matematycznie można określić dopuszczalny kierunek samorzutnych przemian? Bez określenia takiego prawa fizycznego świat byłby oszalał. Na przykład połamane gałęzie zamiast spadać z drzew na ziemię, unosiłyby się z ziemi i łączyły z drzewem. Na szczęście takie prawo fizyczne określono i nazywa ono się Drugą Zasadą Termodynamiki.
Entropia Świata, Druga Zasada Termodynamiki
Druga Zasada Termodynamiki określa nowy parametr stanu ciał, jakim jest entropia. Jest ona wyrażana w [J/K] (dżul na kelwin), ale wyjaśnienie tej jednostki jest skomplikowane, więc to pomińmy (ma to związek z przepływem ciepła z ciała o danej temperaturze do ciała o innej temperaturze, które może odbywać się tylko w jednym kierunku). Każde z ciał we wszechświecie ma swoją entropię. Na przykład garnek z wodą ma swoją entropię. Planeta Ziemia ma swoją entropię, która jest sumą entropii całej materii na planecie, w tym tego garnka z wodą. Entropia wszechświata jest sumą entropii wszystkich światów.
Zakładając, że istnieje tylko ten jeden wszechświat, możemy obliczyć całą jego entropię w danej chwili, nazwijmy ją entropią początkową. Po upływie jakiegoś czasu entropia wszechświata może być tylko większa od entropii początkowej, ponieważ zaistnienie jakiejkolwiek przemiany nieodwracalnej zwiększa entropię wszechświata. Tylko przemiany odwracalne nie zwiększają entropii wszechświata, a o takie przemiany jest trudno, jak podaliśmy na przykładzie pompki do roweru.
Można z tego wyciągnąć wniosek, że entropia świata czy wszechświata tylko dąży do jakiegoś maksimum. Maksymalną entropię świata, np. planety Ziemi, można sobie wyobrazić jako wymieszane ze sobą wszystkie możliwe substancje i wyrównaną temperaturę wszystkich ciał (materii) na świecie. Bomby atomowe pomagają zwiększyć entropię (wyrównanie temperatury, mieszanie – przemiany nieodwracalne).
Ale jednak Słońce zmniejsza entropię Świata, bo zwiększa różnice temperatur, powoduje że jedne ciała mają większą temperaturę od innych, umożliwiając powtórny samorzutny przepływ ciepła pomiędzy nimi. Jak to? Przecież entropia Świata nie może zmaleć. Nie! Entropia Wszechświata nie może zmaleć. Ale entropia świata może zmaleć, podczas gdy wzrośnie entropia Słońca. Warunek jest taki, że suma entropii Słońca i Ziemi nie może zmaleć. Czyli mamy sytuację, że entropia Ziemi spada o 1 J/K a entropia Słońca rośnie o 3 J/K. Bilans tego procesu wynosi +2 J/K. O tyle wzrosła entropia wszechświata (a właściwie to obliczaliśmy układ Słońce-Ziemia). Oczywiście podane tu wartości i jednostki powinny być w dużej wielokrotności, aby były realne dla całej planety.
Entropia jest nazywana stopniem uporządkowania, a właściwie stopniem nieuporządkowania, stopniem chaosu. Zwiększanie entropii to zwiększenie chaosu (wymieszanie, brak uporządkowania), nieporządku (nieporządek na biurku), marnowanie potencjałów (niewykorzystanie możliwości uzyskania energii).
Entropia w teorii informacji
O tym krótko, ponieważ nie jestem ekspertem w tej dziedzinie.
Zdanie:
Ala ma kota.
mniejszą entropię od:
sdg we vevbe
ponieważ napisanie “Ala ma kota.” wymagało uporządkowania informacji, natomiast “sdg we vevbe” jest czysto chaotyczny ciągiem znaków, nieuporządkowanym – o większej entropii. Liczba znaków jest ta sama, a entropia jest większa.
Energia – Egzergia – Anergia
/w przygotowaniu cd./
Energia dla świata duchowego (Energia w znaczeniu potocznym)
/w przygotowaniu cd./