Fyzika

Zákon o zachování energie

Energie, jak jsme si uvedli, se zachovává, což z ní činí jednu z nejdůležitějších fyzikálních veličin v přírodě. Zákon zachování energie lze vyjádřit takto:

Celková energie je v každém procesu konstantní. Může se měnit její forma nebo se přenášet z jedné soustavy do druhé, ale celková zůstává stejná.

Prozkoumali jsme některé formy energie a některé způsoby, jak ji lze přenášet z jedné soustavy do druhé. Toto zkoumání vedlo k definici dvou hlavních druhů energie – mechanické energie (KE + PE) a energie přenášené prostřednictvím práce vykonané nekonzervativními silami (Wnc). Energie má však mnoho dalších forem, projevuje se mnoha různými způsoby a my se musíme umět vypořádat se všemi těmito formami, než budeme moci napsat rovnici pro výše uvedené obecné tvrzení o zachování energie.

Jiné formy energie než mechanická energie

Na tomto místě se budeme zabývat všemi ostatními formami energie tak, že je shrneme do jedné skupiny nazvané ostatní energie (OE). Pak můžeme vyjádřit zachování energie ve formě rovnice jako KEi + PEi +Wnc +OEi = KEf + PEf + OEf.

Všechny druhy energie a práce lze zahrnout do tohoto velmi obecného vyjádření zachování energie. Kinetická energie je KE, práce vykonaná konzervativní silou je reprezentována PE, práce vykonaná nekonzervativními silami je Wnc a všechny ostatní energie jsou zahrnuty jako OE. Tato rovnice platí pro všechny předchozí příklady; v těchto situacích byla OE konstantní, a proto se odečítala a nebyla přímo uvažována.

Kdy hraje OE roli? Jeden příklad nastane, když člověk jí. Potrava se oxiduje, přičemž se uvolňuje oxid uhličitý, voda a energie. Část této chemické energie se při pohybu člověka přemění na kinetickou energii, při změně výšky na potenciální energii a na tepelnou energii (další forma OE).

Některé z mnoha forem energie

Jaké jsou další formy energie? Pravděpodobně dokážete vyjmenovat řadu dosud neprobraných forem energie. Mnohými z nich se budeme zabývat v dalších kapitolách, ale některé z nich si zde podrobně popíšeme. Elektrická energie je běžnou formou, která se přeměňuje na mnoho dalších forem a funguje v celé řadě praktických situací. Paliva, například benzín a potraviny, jsou nositeli chemické energie, kterou lze oxidací přenést do systému. Chemické palivo může také produkovat elektrickou energii, například v bateriích. Baterie zase mohou produkovat světlo, což je velmi čistá forma energie. Většina zdrojů energie na Zemi je ve skutečnosti uložená energie, kterou získáváme ze Slunce. Někdy ji označujeme jako zářivou energii nebo elektromagnetické záření, které zahrnuje viditelné světlo, infračervené a ultrafialové záření. Jaderná energie pochází z procesů, které přeměňují měřitelné množství hmoty na energii. Jaderná energie se přeměňuje na energii slunečního světla, na elektrickou energii v elektrárnách a na energii přenosu tepla a výbuchu ve zbraních. Atomy a molekuly uvnitř všech objektů jsou v náhodném pohybu. Tato vnitřní mechanická energie z náhodných pohybů se nazývá tepelná energie, protože souvisí s teplotou objektu. Tyto a všechny ostatní formy energie se mohou navzájem přeměňovat a mohou konat práci.

Tabulka 1 uvádí množství energie uložené, využité nebo uvolněné z různých objektů a při různých jevech. Rozsah energií a rozmanitost jejich druhů a situací je impozantní.

Přeměna energie

Přeměna energie z jedné formy na jinou probíhá neustále. Chemická energie v potravinách se přeměňuje na tepelnou energii prostřednictvím metabolismu; světelná energie se přeměňuje na chemickou energii prostřednictvím fotosyntézy. Ve větším příkladu se chemická energie obsažená v uhlí přeměňuje na tepelnou energii, když hoří a mění vodu v kotli na páru. Tato tepelná energie v páře se zase přeměňuje na mechanickou energii, když roztáčí turbínu, která je připojena ke generátoru a vyrábí elektrickou energii. (Ve všech těchto příkladech se ne všechna počáteční energie přemění na uvedené formy. Tento důležitý bod je diskutován později v této části.)

Další příklad přeměny energie se vyskytuje ve slunečním článku. Sluneční světlo dopadající na solární článek (viz obrázek 1) vyrábí elektřinu, kterou lze následně použít k pohonu elektromotoru. Energie se přeměňuje z primárního zdroje sluneční energie na energii elektrickou a následně na energii mechanickou.

.

Tabulka 1. Energie různých objektů a jevů
Objekt/jev	Energie v joulech
Velký třesk	1068
Energie uvolněná při supernově	1044
Splynutí veškerého vodíku v pozemských oceánech	1034
Roční světová spotřeba energie	4 × 1020
Velká fúzní bomba (9 megatun)	3.8 × 1016
1 kg vodíku (fúze na helium)	6,4 × 1014
1 kg uranu (jaderné štěpení)	8,0 × 1013
Štípná bomba velikosti Hirošimy (10 kilotun)	4.2 × 1013
90 000tunová letadlová loď o rychlosti 30 uzlů	1,1 × 1010
1 barel ropy	5.9 × 109
1 tuna TNT	4,2 × 109
1 galon benzínu	1.2 × 108
Denní spotřeba elektrické energie v domácnosti (vyspělé země)	7 × 107
Denní spotřeba potravin u dospělých (doporučená)	1,2 × 107
1000 kg automobilu při rychlosti 90 km/h	3.1 × 105
1 g tuku (9,3 kcal)	3,9 × 104
Reakce hydrolýzy ATP	3.2 × 104
1 g sacharidů (4,1 kcal)	1,7 × 104
1 g bílkovin (4.1 kcal)	1,7 × 104
Tenisový míček při rychlosti 100 km/h	22
Komár (10-2 g při rychlosti 0,5 m/s)	1,3 × 10-6
Jeden elektron ve svazku televizní trubice	4.0 × 10-15
Energie na přerušení jednoho vlákna DNA	10-19

Efektivita

Přestože se v procesu přeměny energie energie zachovává, bude výstup užitečné energie nebo práce menší než energie vstupní. Účinnost Eff procesu přeměny energie je definována jako

\displaystyle\text{Efficiency}(Eff)=\frac{\text{výstup užitečné energie nebo práce}}{\text{celkový vstup energie}}=\frac{W_{\text{out}}}{E_{\text{in}}}\\\548>

Tabulka 2 uvádí některé účinnosti mechanických zařízení a lidských činností. Například v uhelné elektrárně se přibližně 40 % chemické energie uhlí stane užitečnou elektrickou energií. Zbývajících 60 % se přemění na jiné (možná méně užitečné) formy energie, například na tepelnou energii, která se pak uvolňuje do životního prostředí prostřednictvím spalin a chladicích věží.

.

Tabulka 2. Účinnost lidského těla a mechanických zařízení
Činnost/zařízení	Účinnost (%)
Cyklistika a šplhání	20
Plavání, povrchové	2
plavání, ponořené	4
Plavba lopatou	3
Zvedání břemen	9
Párový motor	17
Benzínový motor	30
Dieselový motor	35
Jaderná elektrárna	35
Uhelná elektrárna	42
Elektromotor	98
Kompaktní zářivka	20
Plynové topení (bytové)	90
Solární článek	10

Shrnutí oddílu

• Zákon zachování energie říká, že celková energie je v každém procesu konstantní. Energie může měnit svou formu nebo být přenášena z jedné soustavy do druhé, ale celková zůstává stejná.
• Pokud uvažujeme všechny formy energie, zákon zachování energie se zapisuje ve tvaru rovnice jako KEi + PEi + Wnc + OEi = KEf + PEf + OEf, kde OE jsou všechny ostatní formy energie kromě mechanické.
• Mezi běžně se vyskytující formy energie patří elektrická energie, chemická energie, energie záření, jaderná energie a tepelná energie.
• Energie se často využívá k vykonání práce, ale není možné přeměnit veškerou energii systému na práci.
• Účinnost Eff stroje nebo člověka je definována jako \text{Eff}=\frac{{W}_{\text{out}}}{{E}_{\text{in}}}\\, kde Wout je užitečný pracovní výkon a Ein je spotřebovaná energie.

Slovníček

zákon zachování energie: obecný zákon, podle kterého je celková energie v jakémkoli procesu konstantní; energie může měnit svou formu nebo přecházet z jednoho systému do druhého, ale celková zůstává stejná

elektrická energie: energie: energie přenášená tokem náboje

chemická energie: energie v látce uložená ve vazbách mezi atomy a molekulami, která se může uvolnit při chemické reakci

energie záření: energie přenášená elektromagnetickými vlnami

jaderná energie: energie uvolněná při změnách uvnitř atomových jader, jako je fúze dvou lehkých jader nebo štěpení těžkého jádra

tepelná energie: energie uvnitř objektu způsobená náhodným pohybem jeho atomů a molekul, která odpovídá za teplotu objektu

účinnost: Účinnost: míra účinnosti vložené energie k vykonání práce; užitečná energie nebo práce dělená celkovou vloženou energií

.