MECHANICKÁ ENERGIE

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).

 

ELEKTRICKÁ ENERGIE

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!

 

ZÁŘIVÁ ENERGIE

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).

 

CHEMICKÁ ENERGIE

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!

 

TŘI CESTY K JADERNÉ ENERGII

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).