Energia - jej rodzaje i przemiany

Tematyka tego referatu jest bardzo szeroka. Można do niej podejść, w zależności od potrzeb, z punktu widzenia wielu różnych przedmiotów. Energią interesuje się zarówno ochrona środowiska, gospodarka, jak i astronomia i fizyka. Można rozpatrywać to zagadnienie od strony życia codziennego, opisać obserwacje przemian energii, z którymi spotykamy się na co dzień, jak również bardziej zagłębić się w te mechanizmy i rozpatrzyć je czysto naukowo: np. od strony chemii bądź fizyki. W niektórych przypadkach granica pomiędzy zakresem tych dwóch przedmiotów wręcz zanika, co dzieje się częściej z procesami pozostającymi dla zwykłego człowieka abstrakcją, m.in. przemianami jądrowymi.

Ten referat postaramy się napisać w taki sposób, aby znaczne korzyści z jego przeczytania mogły wynieść zarówno osoby mniej zainteresowane przedmiotami ścisłymi, głównie fizyką, jak również te, które na codzienność patrzą z zapałem przez pryzmat tych właśnie przedmiotów. Opiszemy sytuacje i urządzenia związane z energią oraz jej przemianami, które już nie raz obserwowaliśmy, lecz również postaramy się wytłumaczyć te zjawiska czysto naukowo.

W pracy kolejno prezentujemy takie zagadnienia, jak generalne pojecie energii, jej rodzaje, rodzaje przemian oraz urządzenia do nich służące oraz energię w świetle teorii relatywistycznej.

Ogólne pojecie energii

Jak już wspomnieliśmy, tematyka energii jest bardzo obszerna. Odbiciem tego faktu jest wprowadzenie do używanego na co dzień słownictwa pojęcia energii. Spotykamy się z nim przy opisywaniu ludzi. Według słownika wyrazów obcych, energia jest to wewnętrzna zdolność człowieka do działania, aktywnego życia. Samo słowo „energia” pochodzi z języka greckiego i pierwotnie oznaczało działanie.
Uproszczona definicja energii, którą spotykamy w fizyce, chemii, astronomii i astrofizyce, mówi nam, że jest ona wielkością, która opisuje zdolność ciała lub układu ciał do wykonania określonej pracy. Rozwijając ta definicję, musimy dodać, że energia jest wielkością opisującą stan układu: skalarną, addytywną i zachowywaną. Może być przekazywana w oddziaływaniach fizycznych, ale nie może zniknąć ani powstać ex nihilo.

Chcielibyśmy na chwilę zatrzymać się przy tej definicji. Jest addytywna, to znaczy, że jej wartość jest równa sumie poszczególnych elementów. Możemy więc wyobrazić sobie najprostszą sytuację: spadające ciało. Załóżmy, że posiada ono w danym momencie tylko dwa rodzaje energii: kinetyczną i potencjalną (dokładniejszym opisem poszczególnych rodzajów energii zajmę się później). Całkowita energia tego ciała jest równa sumie tych energii.

Istotne jest też, że energia jest skalarem, tzn., że jest określana jedna liczbą, podobnie jak masa bądź pole. Wynika z tego, że energia nie ma swojego kierunku, zwrotu, bądź punktu przyłożenia, tak jak wielkości wektorowe.

Jedna z najistotniejszych zasad, będąca podstawą całej fizyki, jest związana właśnie z pojęciem energii. Wspomnieliśmy już o niej pisząc, że energia jest wielkością zachowywaną. Tą zasadą jest oczywiście „zasada zachowania energii”. Brzmi ona następująco: w każdym izolowanym układzie fizycznym całkowita suma energii jest stała (nie zmienia się w czasie).

Aby zobrazować tę zasadę, powrócę do prostego przykładu spadającego ciała. Nieruchome ciało, trzymane w ręku na pewnej wysokości, posiada energię potencjalną (jej wartość zależy oczywiście od układu odniesienia, może być zerowa w stosunku do ręki, w której się znajduje, ale może mieć pewną wartość większą od zera, przyjmijmy, że w stosunku do ziemi). Całkowitą energię tego ciała stanowi więc energia potencjalna. W momencie, gdy ciało to wypada nam z ręki, suma energii (suma energii potencjalnej i kinetycznej nosi nazwę energii mechanicznej) pozostaje stała, gdyż energia potencjalna „nie znika”, lecz zostaje przemieniona w energię kinetyczną (energię ruchu).

Duży nacisk nakładamy w tym referacie właśnie na słowo „przemiana”. Podstawą rozpatrywania wszystkich procesów tego typu jest właśnie zasada zachowania energii. Opiera się na niej działanie silników, prądnic, akumulatorów, hamulców oraz wielu innych urządzeń. Aby uniknąć podczas dalszego czytania błędnego rozumienia opisanych zjawisk, należy zaznaczyć, że doskonałe przemiany energii z jednej w drugą, bez ponoszenia strat, są czysto teoretyczne. W rzeczywistości procesom takim towarzyszy zawsze mniejsza bądź większa strata energii. Wyobraźmy sobie znowu spadające ciało, a dokładniej moment jego zderzenia z powierzchnią ziemi (przyjmijmy, że jest to piłka). Piłka ta po odbiciu nie osiągnie poprzedniej wysokości ze względu na straty energii: wzrost energii wewnętrznej piłki i podłoża (możliwy do zaobserwowania poprzez wzrost temperatury). Nie możemy powiedzieć, że skoro piłka nie osiągnęła poprzedniej energii potencjalnej, gdy zawisła w powietrzu, to energia „zginęła”. Po prostu uległa ona przemianie w inną.

Często, gdy mamy do czynienia z jakimiś urządzeniami mechanicznymi, spotykamy pojęcie sprawności. Jest to używana głównie w termodynamice wielkość opisująca stosunek wykonanej przez dany układ pracy do całkowitej energii zużytej przez ten układ do jej wykonania. Różnicę pomiędzy tą pracą i energią stanowi właśnie strata energii, o której pisaliśmy. Widać więc, że czym mniejsza strata energii, tym większa sprawność urządzenia, np. silnika. W przypadku silnika stratą energii jest głównie wydzielanie się ciepła do otoczenia.

Aby zakończyć ogólną charakterystykę pojęcia energii, dodać należy, że jej najczęściej spotykaną jednostką jest obecnie dżul (J). Jest to zarówno jednostka pracy, jak i ciepła, co dodatkowo obrazuje nam, że energia jest zdolnością do wykonania pracy. Dawniej używano jednostki, jaką jest erg, stanowiący 0,0000007 J. Jest to jednostka oparta na układzie CGS (centymetr, gram, sekunda).

Rodzaje energii

W opisie zjawisk fizycznych występuje bardzo wiele rodzajów energii. Dotychczas wspomnieliśmy o energii mechanicznej (kinetycznej wraz z potencjalną) oraz cieplnej. Z tymi dwoma mamy najczęściej do czynienia, jak również z energią elektryczną. Pozostają jeszcze: jądrowa, chemiczna, spoczynkowa, wewnętrzna, promieniowania elektromagnetycznego oraz wiele bardziej szczegółowych, jak np. energia wiązania. Większość z wymienionych rodzajów energii postaramy się ogólnie scharakteryzować, a niektórym z nich, szczególnie tym, których przemiany nas interesują, poświęcimy więcej uwagi.

Energia mechaniczna

Wcześniej mieliśmy już okazję wspomnieć o energii mechanicznej, definiując ją jako sumę energii kinetycznej i potencjalnej danego ciała. Wyrażając się bardziej precyzyjnie, energia mechaniczna jest to suma energii kinetycznych tworzących układ fizyczny i energii potencjalnych wszystkich oddziałujących ze sobą ciał tego układu. Gdy zastanowimy się nad różnicą pomiędzy tymi dwoma definicjami, widzimy, że druga jest zarazem bardziej ogólna i możemy stosować ją z łatwością w bardziej złożonych przypadkach. Pojęcie energii mechanicznej jest dodatkowo istotne (zwłaszcza w tym referacie), ponieważ gdy wartość tej energii pozostaje niezmienna, zachodzą przemiany energii pomiędzy np. potencjalna sprężystości, potencjalna i kinetyczną (w przypadku odbijającej się piłki): ułatwia to zrozumienie zasady zachowania energii. Wyżej wymienione rodzaje energii w ujęciu fizyki klasycznej omówimy w kolejnych punktach, natomiast energii w świetle fizyki relatywistycznej poświecimy osobny punkt.

Energia kinetyczna

Opisując energie mechaniczną napisaliśmy, że jedną z jej składowych jest energia kinetyczna. Zawężając definicję, jest ona częścią całkowitej energii ciała (bądź układu ciał) zależna od jego prędkości i masy. Przyjrzyjmy się punktowi materialnemu (w przybliżeniu nierelatywistycznym). Jego energia kinetyczna jest wyrażana wzorem:

Ek=mV2/2
(m – prędkość ciała; V – prędkość, z jaką ciało się porusza)

Drugi sposób przedstawienia energii kinetycznej polega na przekształceniu wzoru tak, aby był on funkcja pędu tego ciała:

Ek= p2/2m
(m – prędkość ciała; p – pęd ciała)

W celu rozpatrzenia składowych, od których zależy wartość energii kinetycznej, łatwiej jest posłużyć się pierwszym wzorem. Widzimy więc, że energia ta jest wprost proporcjonalna do masy oraz do kwadratu prędkości. Istotna jest informacja o kwadracie prędkości. Każdy, np. podczas zderzeń samochodowych, jest w stanie zaobserwować, że większe uszkodzenia spowoduje ciężka ciężarówka niż lekki samochód (jadąc z tą samą prędkością). Dla uproszczenia możemy przyjąć, że uszkodzenia te są wprost proporcjonalne do energii kinetycznej. Łatwo też dostrzec, że zwiększenie prędkości powoduje zwiększenie uszkodzeń. Jednak ciężko jest czasami zdać sobie sprawę z faktu, że proporcjonalności nie obrazuje w tym przypadku funkcja liniowa. Sytuacja wygląda tak, że wgniecenie maski samochodu jadącego z prędkością v jest 4 razy mniejsze od wgniecenia w samochodzie jadącym z prędkością 2v. Informacja ta powinna być istotna dla kierowców ze względu na bezpieczeństwo. Podobnie jest z hamowaniem: 3 razy większa prędkość oznacza 9 razy większą drogę hamowania.

Skoro już napisaliśmy o całkowitej sumie energii kinetycznej, to przedstawimy jeszcze energię bryły sztywnej będącej w ruchu (poruszającej się ruchem postępowym oraz obracającej się wokół swojego środka ciężkości). Całkowita energia kinetyczna tego ciała jest sumą energii kinetycznej środka masy bryły i energii kinetycznej bryły w ruchu obrotowym.

Ek= mvs2/2 + Eobr
(m – masa bryły; v – prędkość środka masy)

Energia potencjalna

W porównaniu z energią kinetyczna, energie potencjalną ciężej jest sobie uzmysłowić. Jest to część całkowitej energii ciała (układu ciał), związana ze wzajemnym położeniem poszczególnych jego części i od ich położenia w zewnętrznym polu sił. Najczęściej, mówiąc o energii potencjalnej ciał, wiążemy ją z polem grawitacyjnym. Energia potencjalna może być określona tylko dla sił zachowawczych, czyli sił fizycznych posiadających taką własność, że wartość pracy wykonanej przez tę siłę zależy od punktu początkowego początkowego punktu końcowego drogi, wzdłuż której wykonuje ona pracę, a nie od przebiegu tej drogi. Aby łatwiej zrozumieć to pojęcie posłużymy się przykładem: człowiek, usiłując dostać się na szczyt góry, wykona tę sama pracę wspinając się pionowo pod górę, jak i idąc w poprzek stoku. Wykonuje on pracę przeciwko sile grawitacyjnej, będącej jedną z sił zachowawczych.

Energia potencjalna określa zdolność ciał do uzyskania odpowiedniej kinetycznej energii ruchu, która może stać się źródłem pracy. Miarą energii potencjalnej jest praca, jaką należy wykonać, aby zmienić konfiguracje układu. Zawsze należy jednak pamiętać, aby dobrać odpowiedni układ odniesienia i w sposób arbitralny określić, jaką konfiguracje przyjmuje się za nową wartość energii potencjalnej.
Energia potencjalna ciała znajdującego się w polu grawitacyjnym Ziemi na wysokości h nad powierzchnia Ziemi jest równa:

Epot= mgh
(m – masa ciała; g – przyspieszenie ziemskie)

Aby udowodnić równoważność pracy i energii posłużymy się wzorami na energię kinetyczna i na pracę: Ek=mgh, W=F∆s (F – wartość siły wykonującej pracę, s – przesunięcie). Wyobraźmy więc sobie wspinaczkę. Wykonujemy pracę przeciwko sile ciężkości Fc=mg. Startujemy w punkcie h0 i kończymy wspinaczkę na wysokości hk. Przesunięcie wynosi więc ∆s=hk-h0=∆h, z czego wynika, że wykonana praca jest równa W=mg∆h. Energia potencjalna w punkcie h0 jest równa Ep0=mgho, w punkcie hk jest równa Epk=mghk, więc różnica energii wynosi ∆Ep=mghk – mgh0= mg(hk – h0)= mg∆h. W ten sposób udowodniliśmy równoważność pracy i energii.

Energia elektryczna

Energia elektryczna jest kolejnym pojęciem, które można traktować niejako na dwóch płaszczyznach: życia codziennego oraz ścisłej nauki. W pierwszym przypadku bowiem hasło to rozumie się jako prace wykonywaną lub ciepło dostarczane przez urządzenia elektryczne (np. grzejniki, suszarkę). Wartości te mierzy się za pomocą liczników energii elektrycznej, stosując najczęściej (przeważnie w gospodarstwach domowych) jednostki, jaką jest kilowatogodzina (1 kWh = 3,6 ∙ 106 J). Ponieważ zajmujemy się przemianami energii, istotne jest podanie wzoru na energię E przepływającego prądu elektrycznego w czasie t:

E = UIt = I2Rt
(I - natężenie prądu, U - napięcie wywołujące jego przepływ,
R - opór elektryczny)

W ujęciu bardziej naukowym energia elektryczna jest jedną z postaci energii potencjalnej związaną ze wzajemnym oddziaływaniem ładunków elektrycznych. W dużym uogólnieniu energię tę można traktować jako energię pola elektrycznego (dokładniej mówiąc w sytuacji, gdy nie ma punktowych ładunków elektrycznych, występuje jedynie ciągły rozkład ładunku). Istotne jest rozróżnienie energii elektrodynamicznej i elektrostatycznej: pierwsza występuje w sytuacjach, gdy ładunki elektryczne się poruszają, druga zaś, gdy pozostają w spoczynku.

Energia jądrowa

Z tym rodzajem energii mamy kontakt najrzadziej, chociaż w ostatnim wieku pojęcie to stało się bardzo istotne. Energia jądrowa wykorzystywana jest w produkcji broni (bomby atomowe i wodorowe), medycynie, jak również przez elektrownie.

Energia ta wyzwala się podczas łańcuchowej reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych. Reakcja jest bardzo ciężka do wywołania, gdyż następuje w skutek pochłonięcia neutronu przez wystarczająco ciężkie jądro tarczy. Proces ten jest dla wielu jąder ciężkich egzotermiczny. Energia wydzielona np. podczas rozszczepienia jednego jądra izotopu uranu 235U wynosi 3,2 ∙ 10-11 J (ok. 200 MeV), czyli tyle, ile uzyskamy ze spalenia 50 mln atomów węgla. Używając porównania, które lepiej odda nam potęgę tej reakcji możemy napisać, że przy rozszczepieniu 1 g uranu uzyskuje się tyle energii, co przy spaleniu ponad 2 t węgla.

Energia ta jest oddawana głównie w postaci energii kinetycznej fragmentów. Następstwem ich wyhamowania w ośrodku jest jego nagrzewanie.

Oprócz wspomnianego izotopu uranu 235U, izotopami rozszczepialnymi są również 233U oraz izotop plutonu 239Pu. Stanowić mogą podstawowy składnik paliwa jądrowego do reaktorów lub rozszczepialną masę.

Nie poświęcamy więcej miejsca na opisanie złożonych reakcji. Chcielibyśmy tylko wspomnieć o specyficznym rodzaju energii jądrowej - o energii termojądrowej. Próby uzyskania kontrolowanej reakcji tego typu trwają już wiele lat, gdyż mogłaby ona posłużyć jako najbardziej wydajne źródło energii na świecie. Schemat reakcji termojądrowej wygląda w następujący sposób:

D + T 4He + n + 2,82∙10-12 J (17,6 MeV)
(D – jądro deuteru, T – jądro trytu)

Widzimy, że jest to synteza dwóch lekkich jąder, przy której wytwarza się ogromna ilość energii. Wspomnieliśmy, że jeszcze nie znaleziono sposobu na przeprowadzenie w pełni kontrolowanej reakcji. Jednym z powodów jest oddziaływanie elektrostatyczne (silne odpychanie) pomiędzy dwoma dodatnio naładowanymi cząstkami. Aby doprowadzić do rozpoczęcia reakcji należy odpowiednio zwiększyć energię kinetyczną tych cząsteczek, np. poprzez zwiększenie temperatury (do około 6 ∙ 107˚C). Dotychczas zjawisko to jest wykorzystywane na większą skalę jedynie w bombie wodorowej (deuter i tryt są izotopami wodoru, kolejno 2H i 3H), w której odpowiednie ilości deuteru i trytu są ogrzewane do temperatury potrzebnej do rozpoczęcia właściwej reakcji.

Energia wewnętrzna

Wspomieliśmy już o energii mechanicznej. Innymi słowy jest to energia makroskopowa, czyli energia ruchu masy. Drugim rodzajem energii, według tego podziału, jest energia mikroskopowa, czyli „ukryta” energia cząstek. To jest właśnie energia wewnętrzna.

Pojęcie to jest wykorzystywane głównie w termodynamice, z którą nie mieliśmy jeszcze kontaktu w szkole. Z tego powodu w tym referacie ograniczymy się do omówienia pierwszej, najprostszej, zasady termodynamiki. Jest to po prostu inna wersja zasady zachowania energii. Aby ją zrozumieć potrzebna nam jest znajomość jeszcze jednego pojęcia: ciepła. Nie jest to, jak uważa wiele osób, rodzaj energii, lecz sposób przekazywania energii między zamkniętym układem termodynamicznym a otoczeniem, różny od pracy mechanicznej. Poniżej podajemy pierwszą zasadę termodynamiki:

∆Q = ∆U + ∆W
(Q – ciepło, U – energia wewnętrzna, W – praca)

Słownie zasada ta stwierdza, że ciepło pobrane przez układ równe jest sumie wzrostu energii wewnętrznej układu oraz pracy wykonanej przez ten układ. Najprostszym przykładem ukazującym prawdziwość tej zasady jest sytuacja, w której stykają się ze sobą dwa ciała (lub układy) o różnych temperaturach. Zaobserwujemy wtedy, że ciepło jest przekazywane z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Ciepło pobrane przez ciało o niższej temperaturze musi się równać wzrostowi jego energii wewnętrznej (ewentualnie dodatkowo pracy wykonanej przez ten układ nad otoczeniem zewnętrznym).

Energia w świetle teorii relatywistycznej

Założenia wyżej wymienionej teorii są często sprzeczne ze „zdrowym rozsądkiem”. Dla wielu ludzi problem może stanowić zrozumienie pojęcia energii w ujęciu fizyki klasycznej, więc w ujęciu relatywistycznym może być całkowitą abstrakcją.

Za samo pojęcie energii relatywistycznej uważa się całkowitą energię ciała swobodnego (takiego, które nie oddziałuje z innymi) w szczególnej teorii względności, której twórcą był genialny naukowiec Albert Einstein. Można tu określić dwa rodzaje cząstki: cząstkę w spoczynku oraz cząstkę w ruchu.

W przypadku cząstki nieruchomej energia relatywistyczna jest równa energii spoczynkowej opisanej słynnym wzorem:

E=mc2
(m – masa cząstki, c – prędkość światła w próżni [c = 299 860 ± 80 km/s])

Udowodniono, że w skład energii spoczynkowej cząstki złożonej, np. jądra atomowego, wchodzi zarówno energia spoczynkowa składników, jak i ich energia kinetyczna oraz energia potencjalna ich oddziaływania. Z tego właśnie powodu, co jest ciężkie do zrozumienia, masa cząstki złożonej nie jest równa masie ich składników. Odpowiednikiem energii spoczynkowej w fizyce klasycznej jest opisana już przeze mnie energia wewnętrzna. Najciekawsze jest jednak to, że według tej teorii, np. woda ma energie spoczynkową około 40 miliardów razy większą niż jej ciepło parowania. Oznacza to, że gdyby naukowcy odkryli sposób na wykorzystanie tej energii, (co jest bardzo ciężkie), to powstałoby źródło energii jeszcze bardziej wydajne od energii jądrowej.

W przypadku cząstki poruszającej się z prędkością v, jej energia relatywistyczna jest sumą energii spoczynkowej oraz energii kinetycznej opisana wzorem:

E = mc2/

Sama energia kinetyczna jest więc różnicą energii relatywistycznej i spoczynkowej, czyli:

Ek= mc2/ - mc2

Bardzo często we wzorach pojawiających się w teoriach względności Einsteina mamy do czynienia ze współczynnikiem 1/. Naukowcy określili go symbolem γ. Widzimy, że wartość tego współczynnika zwiększa się wraz ze wzrostem prędkości v (c jest zawsze stałe) i spełnia zawsze nierówność γ ≥1. Tak więc energia kinetyczna (oraz relatywistyczna) wzrasta wraz ze wzrostem prędkości.

Przemiany energii

Po bardziej bądź mniej szczegółowym opisaniu najistotniejszych rodzajów energii możemy przejść do scharakteryzowania procesów jej przemiany. W pewnym stopniu dokonałem już tego we wcześniejszej części pracy, gdy starałem się korzystać z przykładów obrazujących te rodzaje. Postaramy się więc nie powtarzać, a skoncentrujemy się na urządzeniach skonstruowanych specjalnie w celu przeprowadzenia najróżniejszych procesów przemiany energii. Procesów tych jest mnóstwo: każdy rodzaj energii, w prosty lub bardziej złożony sposób można przekształcić w drugi.
Podstawą działania większości urządzeń jest dostarczenie im energii: mechanicznej (w tym referacie pominiemy pracę wykonywaną przez ludzkie mięśnie) bądź elektrycznej. Tak więc pierwszy punkt będzie poświęcony uzyskiwaniu energii w elektrowniach wszelkiego rodzaju. Później napiszemy o uzyskiwaniu energii mechanicznej (silniki) z energii elektrycznej lub innej.

Uzyskiwanie energii elektrycznej

Podstawowym zjawiskiem, dzięki któremu jesteśmy w stanie przetworzyć energię mechaniczną w elektryczną, jest indukcja elektromagnetyczna. Proces ten w ogólnym rozumieniu jest właśnie procesem powstawania prądu elektrycznego. Dokładniej mówiąc siły elektromotorycznej indukcji. Warunkiem powstania tej siły jest zamknięty obwód elektryczny oraz zmienny strumień pola magnetycznego. Zmienny strumień pola możemy uzyskać na dwa sposoby: poprzez poruszanie obwodem elektrycznym w stałym polu magnetycznym bądź przez umieszczenie obwodu elektrycznego w zmiennym polu magnetycznym. Zjawisko to jest wykorzystywane między innymi w prądnicach (o których budowie i funkcji zaraz napiszemy) jak również w transformatorach oraz urządzeniach nadawczo-odbiorczych.

Prądnica, inaczej nazywana generatorem prądu, jest, jak już wspomnieliśmy, urządzeniem przetwarzającym energię mechaniczną na energię elektryczną. Urządzenie to dzieli się na dwa rodzaje, których budowa jest podobna, lecz produkują inny prąd: prądnica prądu stałego produkuje prąd stały, natomiast prądnica synchroniczna – prąd zmienny. Skoncentrujemy się na opisaniu budowy prądnicy prądu stałego.

W celu wytworzenia siły elektromotorycznej indukcji w najprostszym przypadku wykorzystuje się wirujące uzwojenie w kształcie prostokątnej ramki. Do końca uzwojenia tej ramki podłączone są dwa półpierścienie metalowe (komutator), stykające się z nieruchomymi szczotkami połączonymi z obwodem zewnętrznym.

W ostatnim czasie bardzo często zastępuje się prądnice tego typu prądnicami synchronicznymi, a dla uzyskania prądu stałego korzysta się z prostowników. Aby dodatkowo zaznaczyć, że zasada zachowania energii jest zawsze słuszna, dodam, że każda prądnica może stać się zarazem silnikiem elektrycznym, czyli może zamieniać energie elektryczną w mechaniczną.

Ten mechanizm wykorzystuje się we wszystkich rodzajach elektrowni. Elektrownia stanowi zespół urządzeń wytwarzających energię elektryczną z różnych form energii pierwotnej. W zależności od rodzaju tej energii rozróżniamy wiele rodzajów elektrowni: cieplne (energię pierwotną uzyskujemy w procesie spalania paliw kopalnych lub substancji organicznych), wodne (wykorzystuje się energie wód), wiatrowe (energię wiatru), maremotoryczne (energia z fal bądź prądów morskich), oraz jądrowe.

Te ostatnie wydają się być wybitnie interesujące. W tym przypadku energię pierwotną stanowi łańcuchowa reakcja rozszczepienia jąder atomowych (o tym procesie pisaliśmy już wcześniej). Głównym urządzeniem jest reaktor jądrowy, za pomocą którego uzyskuje się parę wodną pod wysokim ciśnieniem, kierowaną następnie do konwencjonalnej turbiny parowej, która jest napędem generatorów prądu elektrycznego.

Innych rodzajów elektrowni nie będziemy opisywać, gdyż zmienia się tylko sposób wprawiania w ruch turbiny. Interesującym przykładem może być jeszcze turbina wprawiana w ruch poprzez wodę spadającą z wodospadu. Możemy się domyślić, że im większa będzie wysokość, z której spada woda, tym większą będzie ona miała energię potencjalna (a następnie kinetyczną) i większą energię kinetyczna ruchu obrotowego uzyska turbina.

Uzyskiwanie energii mechanicznej

W tym celu korzystamy z silników. Silnik jest to maszyna służąca do zamiany doprowadzanej do niej energii na pracę mechaniczną. W zależności od rodzaju wykorzystywanej energii rozróżnia się silniki cieplne (najliczniejsza grupa), elektryczne, silniki wodne (przetwarzające energię wód płynących na pracę mechaniczną - koła i turbiny wodne), silniki pneumatyczne (napędzane sprężonym powietrzem, np. ze sprężarki - przeponowe, tłokowe i wirnikowe, wykorzystywane np. w napędach pneumatycznych młotów maszynowych, hamulców i pneumatycznych podnośników) hydrauliczne, wiatrowe i inne.
Schemat działania silnika elektrycznego jest bardzo prosty do zrozumienia, jeżeli pojęło się już budowę prądnicy. Głównymi częściami silnika elektrycznego są: stojan z jedną lub kilkoma parami elektromagnesów oraz wirnika z uzwojeniem twornikowym. Ze względu na rodzaj prądu sieci, z której silniki elektryczne pobierają energię elektryczną, rozróżnia się: silniki prądu stałego oraz silniki prądu przemiennego (synchroniczne i asynchroniczne). Silniki elektryczne prądu stałego stosowane są głównie w trakcji elektrycznej.

Drugi rodzaj silnika, który chcielibyśmy scharakteryzować, jest najczęściej spotykany: silnik cieplny.

Przez silnik cieplny przepływa substancja charakteryzująca się dużymi zmianami objętości właściwej przy zmianach temperatury i ciśnienia, zwana czynnikiem pracującym. Ze względu na rodzaj czynnika pracującego silniki dzieli się na silniki spalinowe i parowe. Drugi podział silników (ze względu na sposób wykorzystania energii czynnika) silniki dzieli się na silniki tłokowe, turbinowe oraz odrzutowe.
Silnik parowy jest to silnik cieplny, który zamienia energię pary wodnej na energię mechaniczną. Silnik parowy tłokowy dokonuje zamiany energii cieplnej pary na pracę mechaniczną przez bezpośrednie działanie pary na tłok silnika umieszczony w cylindrze. Prostoliniowy ruch tłoka zamieniany jest na ruch obrotowy wału za pośrednictwem mechanizmu korbowego.

Silnik parowy wirnikowy dokonuje zamiany energii pary pośrednio, zamieniając ją najpierw w energię kinetyczną, która z kolei zamienia się na pracę mechaniczną, przy czy, uzyskujemy od razy ruch obrotowy wału.

W spalinowych silnikach tłokowych stosowany jest najczęściej posuwisto-zwrotny ruch tłoka. Są to silniki suwowe. W doświadczalnych silnikach obrotowych zastosowano obrotowy ruch tłoka. Ruch tłoka spowodowany jest gwałtownym rozprężeniem mieszkanki paliwowej w komorze spalania (cylindrze). Energia cieplna zostaje po części zamieniona na energie mechaniczną, jednak występują pewne straty, o których pisaliśmy wcześniej.

Podsumowanie

Mam nadzieję, udało nam się w tym referacie zbudować podstawy wszelkiej wiedzy dotyczącej energii, jej rodzajów oraz przemian. Jest to wiedza wielce użyteczna i możliwa do wykorzystania niejednokrotnie w życiu codziennym: wiemy już, że chociażby urządzenia takie jak hamulce konwertują jedna energie w drugą (w tym przypadku mechaniczna w cieplną).

Jest również prawdopodobne, że informacje zawarte w tym referacie rozbudza w czytelniku nowe zainteresowania, chociażby w kierunku astronomii, o której nie zdążyliśmy już wspomnieć, a w zakresie której odbywa się mnóstwo przemian energii na ogromna skalę.