Menu |
|  | |
 |
Zdvihneme-li do výšky kladivo, nebo z rovnovážné polohy vychýlíme kyvadlo hodin,
nebo načerpáme-li vodu do výše položené nádrže, dáme jim schopnost pracovat ve
fázi návratu do původní polohy. Fyzik to formuluje tak, že zdvižením v tíhovém
poli Země získává každé těleso tzv. potenciální
energii Wpot . Ta může mít ve světě techniky i jinou podobu,
např. stlačeného vzduchu nebo jiného média pod určitým tlakem. Patří sem i energie elastická, jakou
získá např. pružina svým stlačením či natažením.
Uvolníme-li kyvadlo, stlačenou pružinu nebo uzávěr vodou naplněné hráze, dají se
tělesa i tekutiny do pohybu. Jejich potenciální energie se před naším zrakem mění
v energii pohybovou neboli kinetickou (Wkin). Známý
školní pokus s kyvadlem názorně ukazuje, že u dané soustavy těles se součet
potenciální a kinetické energie nemění, jak to popisuje vzorec
Wpot + Wkin = konst.
Důležitost tohoto poznatku vzrostla, když se prokázalo, že platí nejen pro velká
tělesa, ale i pro jejich nepatrné částice např. molekuly, jejichž pohyb je podstatou
tepla. Tím jsme poznali, kam se vlastně
"ztrácí" energie pohybujících se těles vlivem tření nebo odporu vzduchu:
část se jí přemění ve zrychlený tepelný pohyb molekul tělesa - tedy ve formu tepla.
 |
Cesty energie ke spotřebitelům. |
Kinetické energie větru a tekoucí vody využívá lidstvo od pradávna. Účinnost
větrných motorů (větrných kol a turbín)
zaostala na 20 až 30 %, kdežto účinnost vodních turbín se podařilo zlepšit až na
obvyklých 80 %. Na mechanické energii a
motorickém výkonu stojí veškeré strojírenství a mechanizace. Pracovní stroje,
jeřáby, lisy, obráběcí stroje, čerpadla,
kompresory aj. jsou vlastně měniče
mechanické energie. Stroje a zařízení obvykle musejí ve svých mechanismech
měnit otáčky a kroutící moment, což je záležitostí mechanických,
hydrostatických nebo hydrodynamických či pneumatických převodů, přenášejících výkon poháněcího stroje (motoru) na pracovní nástroje či mechanismy s
průměrnou účinností od 50 do 95 %.
Generátory a alternátory (1-3) mění mechanickou energii
na hřídeli poháněcího stroje v elektřinu
s vynikající účinností až 98% a jejich jednotkové výkony na přelomu století
díky použití supravodivého vinutí přesáhnou hranici 2000 MW.
 |
Vysvětlení záhady 160% účinnosti
tepelného čerpadla |
Kuriózním zařízením v řádku přeměn mechanické energie na teplo (1-2) jsou
bezesporu tepelná čerpadla,
vykazující praktickou účinnost až 160 % tím, že přečerpávají teplo z
chladnějšího prostředí na teplejší. Nikoliv však v rozporu s druhou větou
termodynamickou, ale tím, že odčerpávají např. z říční vody, z ovzduší, z
půdy či z teplejších odpadních vod tzv. nízkopotenciálové teplo.
Obvykle stlačením pomocného média ho převedou na tzv. teplo
vysokopotenciální, které se dá pak využít například k vytápění. Okruh
je uváděn v činnost bud elektricky poháněným kompresorem, nebo spalovacím motorem. Zjednodušený diagram
energetické bilance moderního tepelného čerpadla poháněného pomaluběžným
dieselovým motorem ukazuje, jak odčerpáním z okolního prostředí a využitím
odpadní energie z výfuku a chlazení motoru lze ze 100 % spotřebované primární energie (paliva pro diesel) získat
pro vytápění až 160 %! Takovou "lest" proti přírodě dovolují zatím
menší jednotky o výkonech od 50 do 500 kW. |
PROBLÉMY S TEPELNOU ENERGIÍ
Tepelná energie hraje v energetice nejvýznamnější roli už tím,
že náš život na Zemi je možný jen díky určité pozemské teplotě prostředí.
Tepelná energie tvoří přesto oporu energetiky, protože teplo jako médium zprostředkovává převod chemické energie spalovaných paliv. Slouží
přímo k vytápění nebo v důležitých průmyslových procesech (např. ve výrobě
železa a oceli), v tepelných motorech se pak mění na mechanickou práci, sloužící k
pohonu nejrůznějších strojů a dopravních prostředků.
Se zjednodušením, za které se předem omlouváme fyzikům, se pokusme vysvětlit, proč
právě tento nejužívanější způsob, o který se opírá energetika, probíhá s
poměrně nízkou účinností.
Potřebujeme-li získat mechanickou práci z tepla, což je základním principem všech
druhů tepelných motorů (parními stroji počínaje, turbínami a spalovacími motory konče), je nutné
vytvořit určitý tepelný spád. Přírodě se tento postup kupodivu zalíbil a také
většinu jiných energii ráda přeměňuje v teplo (například třením a odpory).
Teplá tělesa se tak nezadržitelně ochlazují a chladná tělesa se přitom oteplují.
To by mohlo postupně vyrovnat rozdíl teplot a tepelný spád by zmizel. Někteří
filozofové z toho dospěli k pochmurným úvahám o tepelné smrti vesmíru.
K takovému znehodnocování energie na naší planetě však naštěstí pro nás
dochází nesmírně pomalu.
 |
|
Sadi Carnot |
|
Měníme-li teplo v práci v periodicky pracujícím tepelném stroji (motoru), pak
určitá část tepla odebraná z teplejšího tělesa (T1), o které fyzikové
mluví jako o ohříváku, je nutně předávána tělesu chladnějšímu -
chladiči - (T2). Jaká část tepla může být přeměněna v
užitečnou práci, záleží na rozdílu teplot obou těles, označovaných výstižněji
"lázně". Podle tzv. Carnotova
cyklu je účinnost tepelné přeměny za ideálních podmínek dána
vzorcem:
h = T1 - T2 / T1 x 100 (% )
Maturantovi bude jasné, že aby účinnost byla stoprocentní, musela by se teplota
ochlazení rovnat absolutní nule, tedy prakticky nedostupné hodnotě -273,15 °C. Může
se však zlepšovat se zvyšováním vstupní teploty T1 samozřejmě jen po
hranici, kam až to vydrží použité materiály zařízení. Nejmodernější parní turbíny pracují s teplotou páry
nejvýše 640 °C. Lopatky spalovacích turbín
s keramickým nástřikem a dutinovým chlazením odolávají dlouhodobě až 1000 °C. To
je příčinou oné zarážející nízké účinnosti tepelných motorů, která se jak u
pístových motorů, tak u parních turbín pohybuje v rozmezí od 30 do 40 % a jen v
případě předřazení spalovací turbíny parní turbíně v tzv. paroplynovém cyklu
překročí o málo 50 %! Takové účinnosti dosahují i vyvíjené magnetohydrodynamické generátory
(MHD), využívající energie proudících žhavých a elektricky vodivých spalin
(horkého plazmatu) k indukci stejnosměrného
proudu ve vinutí cívek zabudovaných do stěn žáruvzdorného kanálu (přeměna 2
- 3). |
Je pro svou čistotu, univerzálnost, možnost přenosu na dálku a snadný rozvod nejužívanější sekundární energii. Její podstatou je tok
volných elektronů při vodivém
spojení míst s rozdílným elektrickým
potenciálem. V mechanickou práci (3 - 1) ji mění nejrůznější typy elektromotorů s účinností kolem 90 až
98 %, která klesá jen při starších způsobech regulace otáček a rozběhu pomocí
odporů. Nejmodernější regulační elektropohony řízené změnou kmitočtu a napětí
v tyristorových měničích dokáží s minimální ztrátou plynule regulovat otáčky a
odpadá použití převodových skříní a mechanismů. S vysokou účinností pracují i
transformátory, invertory a
křemíkové usměrňovače (3 - 3), které
upravují napětí s průmyslovým kmitočtem (u nás 50 Hz) podle potřeby na jiné
napětí, jiný kmitočet, nebo napětí usměrňují. Nižší účinností se vyznačuje
jen přeměna energie na světlo (3 - 4). Tato zářivá energie má lecos společného s energií elektrickou (jde o elektromagnetické
vlny), jenže jejím nositelem nejsou elektrony,
nýbrž neutrální částice zvané fotony.
Elektrická energie má jen jeden podstatný nedostatek: nedá se skladovat
do zásoby! |
Projevuje se jako elektromagnetické vlny nejrůznějších vlnových délek od
centimetrových mikrovln přes infračervené, viditelné a ultrafialové záření až po
tvrdé záření kosmické. Podle energetického a biologického účinku je využíváme
k nejrůznějším úkolům. Sluneční záření, které na naší planetu přenáší
životodárnou energii (na osvětlený m2 dopadá výkon přibližně
1 kW), dokáží s příznivou účinností 60 - 90 % přímo využít zejména solární
tepelné kolektory. Slouží k ohřívání užitkové vody, vyhřívání
bazénů nebo k ohřívání vzduchu v sušárnách dřeva a píce. Naproti tomu solární
fotovoltaické články,
obvykle v podobě panelů na křemíkové bázi, dosahují jen ve špičkových
výrobcích (například pro napájení družic elektřinou) účinnosti blížící se k
20 %. Praktická účinnost je ale poloviční, a proto různé prestižní programy, jako
např. "Sto tisíc solárních střech", jak v Německu, tak v Japonsku zcela
zklamaly.
 |
Zvláštním případem využití zářivé energie jsou lasery, vynalezené roku 1960.
Jsou založeny na tzv. stimulované emisi kvantových přeskoků elektronů v nejrůznějších látkách.
Nejvíce jsou rozšířeny lasery rubínové, polovodičové a plynové, avšak jak se
ukázalo, k “laserování" lze využít i nejrůznější jiné materiály a formy
energie. Paprsek fotonů, které laser vysílá plynule nebo v pulzech dokáže energii mimořádně zkoncentrovat a dá se
přesně ovládat. Stává se neopotřebitelným a nejuniverzálněji použitelným
nástrojem technologů (řeže, propaluje nebo svařuje i nejtvrdší materiály),
chirurgům nahrazuje skalpel, dokáže přenášet nesmírná kvanta informací (optické
spoje). |
 |
Hraje v našem životě i v energetice rozhodující úlohu. Využíváme ji formou spalování fosilních paliv, vzniklých před miliony let
zakonzervováním pod povrchem naší planety. Vytěžená a upravená či zušlechtěná
paliva lze dobře skladovat. Ropa i zemní plyn se dá snadno a levně přepravovat
ve velkém i na dálku potrubím. Přes mnohaletou snahu techniků a energetiků o
dokonalejší a účinnější spalování není však tento proces náležitě
"čistý" a zplodiny hoření, prachový úlet a exhalace narušují biosféru. V principu se
chemická energie uvolňuje na úkor vazeb atomů
a molekul spalovaných látek. V nejrozšířenějším případě (spalování uhlí a
uhlovodíkových paliv) probíhá spalování zjednodušeně tak, že zahřátím
rozkmitané atomy uhlíku C srážkami s molekulami vzdušného kyslíku O2
splynou svými elektronovými obaly.
Energetický stav hladin elektronů ve
vzniklé molekule oxidu uhličitého CO2 je snížen a uvolněnou energii
roznášejí do okolí zrozené fotony.
Tato chemická reakce se přenáší určitou rychlostí, závisející na podmínkách
spalování, na další atomy a molekuly paliva i kyslíku. Triliony fotonů unikajících
z hořícího paliva, například na roštu topeniště, předávají svoji energii všude
tam, kam dopadnou. Rozkmitají například živěji atomy kovové stěny kotle. Ty
předají tepelné kmity molekulám vody uvnitř a voda se uvede do varu. Nárazy miliard
kapiček vodní páry na lopatky turbíny v elektrárně nebo na píst parní lokomotivy
uvedou tyto stroje do pohybu. Zůstaňme u lokomotivy. Když brzdí, mění se její kinetická energie odvozená původně z tepla
uvolněného spáleným uhlím opět v tepelný pohyb molekul a atomů kovu, z něhož
jsou vyrobeny brzdové špalky, kola i kolejnice. Lokomotiva zastaví a neuspořádaný
pohyb molekul (teplo) vychládajícího kovu se přenáší na okolní vzduch a vrací se
tak do přírody. A to byl jen jediný úzce vybraný pohled na koloběh fotonů a energie
kolem nás!
Ke spalování ovšem může dojít i bez ohně a plamenů. V tzv. elektrochemických palivových
článcích (5 - 3) je možné místo přímého přeskoku z vyšších
energetických hladin na nižší nechat elektrony proběhnout vnějším okruhem, v
němž je zapojen elektrospotřebič.
Proud elektronů v okruhu vodičů není nic jiného než elektrický proud, který zde byl získán
přímou přeměnou energie - a za studena! |
Při hoření a jiných chemických reakcích si vlastně jen "vypůjčujeme"
energii z pohybů poměrně lehoučkých elektronů v obalech reagujících prvků.
Milionkrát víc pohybu (a tedy i energie) odhalil Albert Einstein (1879-1955)
uvnitř atomů v jejich jádrech. Ve své
teorii relativity dospěl k názoru, že hmotnost je vždy a všude spjata s
energií. Usoudil, že hmota je v ustavičném vnitřním pohybu, jehož prostředníky
jsou síly gravitační, elektromagnetické a silné a slabé jaderné interakce.
Zároveň vypočetl, že každý kilogram hmoty v sobě může skrývat
25 miliard kilowatthodin energie! Toto později potvrzené a pro nás až
neuvěřitelné množství energie je skryto jak v kilogramu vody, tak v kilogramu chleba,
železa nebo uranu. Teprve uprostřed druhé
světové války se využitím objevu štěpení uranu podařilo alespoň
zlomek této energie z uranu a krátce poté i z plutonia prakticky uvolnit: poprvé v
pokusném jaderném reaktoru, později
bohužel v atomové pumě.
 |
V rozdílech energie, která
jádrům zbývá po vynaložení vazbové energie spotřebované k jejich vzniku,
nalézáme dvě možnosti využití energetického spádu štěpením nebo fůzí jader. |
Proč právě jen z těchto prvků, přesněji z izotopů U 235, U 233, Pu 239 a Pu
241? Jejich jádra vynikají nízkou vazbovou energií velkého počtu protonů a neutronů,
z nichž jsou složena. Po zásahu zpomaleným neutronem se rozštěpí na jádra prvků
středně těžkých (např. baryum-krypton nebo xenon-stroncium), majících vysokou vazbovou energii. Tento rozdíl vazbových
energii, odpovídající rozdílu klidových hmotností původních a výsledných
produktů reakce, se pak projeví podle Einsteinova vztahu jako uvolněná jaderná energie. Kromě toho se při
štěpení uvolňují dva až tři nové neutrony, které po zpomalení moderátorem mohou vyvolávat další
štěpení. Nastává tzv. řetězová
reakce, možná právě jen v uvedených čtyřech štěpných materiálech.
Prakticky se při štěpení jader kilogramu uranu nebo plutonia uvolní přibližně
třímilionkrát více energie než z kilogramu spáleného uhlí. Kulička z uranu U235
dokáže vydat teplo, srovnatelné s teplem ze spálených tří tisíc vagónů uhlí!
Zdá se to být skvělé v porovnání s výnosem chemických reakcí, avšak srovnáním
s již dříve zmíněnými 25 miliardami kWh skrytými v každé hmotě to je jen pouhá
tisícina, nebo chcete-li jedna desetina procenta. To je také důvod, proč v tabulce
přeměn energie účinnost pro jaderné procesy raději neuvádíme a ponecháváme ji
jen v procesech "nejaderných" přeměn.
 |
|
Tři stupně do atomového věku ze světa
páry a elektřiny. |
|
V diagramu zobrazujícím průběh vazbové energie vztažené na jeden nukleon u prvků
periodické soustavy, seřazených podle atomové hmotnosti, si jistě všimnete, že
existuje ještě jeden výraznější "spád" slibující uvolnění jaderné
energie, a to na straně nejlehčích prvků například mezi vodíkem a heliem. K
takovému slučování neboli fúzi jader dochází působením
obrovských tlaků a teplot v nitru našeho Slunce. Při termonukleární fúzi
může kilogram vodíku složením jádra helia z jednotlivých nukleonů uvolnit energii
srovnatelnou se spálením 3 tisíc vagónů uhlí. O uskutečnění řízených termojaderných reakcí (2 - 6, 4 - 6) se
pokoušejí vědci bezmála padesát let. Na některých aparaturách (např.
západoevropský JET v Culhamu, americký TFTR) se již podařilo fúzi alespoň
nastartovat a udržet po dobu několika desítek sekund.
I termojaderné reakce uvolňují všeho všudy jen jedno procento ve hmotě skryté
energie. Možnost jejího plného využití nabízí zatím spíše teoreticky její
uvolnění při zániku částic neboli při anihilaci.
Takové reakce jsou pozorovány při studiu kosmického záření (1-6) a vědci je
nejnověji vyvolávají pomocí velkých urychlovačů
jaderných částic (3-6).
|
|
|
|