Energie

Průvodce pro začátečníky

Vyšlo také v tištěné verzi

Objednat můžete na

www.knihazlin.cz

www.albatrosmedia.cz

Vaclav Smil

Energie – e-kniha

Copyright © Albatros Media a. s., 2018

Všechna práva vyhrazena.

Žádná část této publikace nesmí být rozšiřována

bez písemného souhlasu majitelů práv.

Copyright © 2006, Vaclav Smil

The moral rights of the author have been asserted

Translation © Pavel Kaas, 2018

E-book konverze © Grafické a DTP studio Fragment, 2018

ISBN tištěné verze 978-80-7473-634-6

ISBN e-knihy 978-80-7473-651-3 (1. zveřejnění, 2018)

Energie zvládne vše, co lze ve světě udělat.

Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832)

Přehled ilustrací

Není-li uvedeno jinak, je vlastníkem autorských práv k ilustraci autor.

1 James Watt (bez copyrightu)

2 James Joule (bez copyrightu)

3 Energie a jejich konverze

4 Radiační bilance Země

5 Elektromagnetické spektrum

6 Geotektonické desky

7 Cyklus C 3 /C 2

8 Kleiberova čára

9 Specifický bazální metabolismus (BMR)

10 Relativní podíl BMR u dospělých

11 Celoživotní vývoj specifického BMR u mužů a chlapců

12 Popula ční hustota jednotlivých režimů zásobová ní potravou

13 Čínský vůl a fra ncouzský kůň zapřažení k pump ov ání v ody (reprodukce z  Tian gong k ai wu , 1637, a  L’Encyclopedi e , 1769–1772)

14 Klipr z devatenáctého století (bez copyrightu)

15 Francouzské kolo se spodním nátokem ze sklon ku osmná ctého století (reprodukce z  L’Encyclopedie )

16 Řez francouzským větrným mlýnem z osmnáct ého stole tí (reprodukce z  L’Encyclopedie )

17 Větrný mlýn z konce devatenáctého století na severoamerckých Velkých planinách (repro dukce z Wolff, A. R. 1900. The Windmill a s Prime Mover )

18 Glo bální produkce uhlí, surové ropy a zemního plynu a výrob a elektřiny

19 P arní stroj Jamese Watta (vlevo) a detail oddělenéh o kondenzátoru (re produkce z Farey, J. 1827. A Treatise on Ste am Engines )

20 Řez Parsonsovou parní turbínou o výkonu 1 MW (reprodukce z 11. vydání Encyclopedia Britannica , 1911)

21 Energetická bilance tepelné elektrárny na uhlí

22 Kapacita větrné pr odukce elektrické energie ve světě a v USA

23 Dodávky fotovoltaických článků ve světě a v USA

24 Atmosférické koncentrace CO 2 (odvozen o z dat Carbon Dioxi de Information and Analysis Center)

25 Změny výživy v Číně, 1980–2000 (odvozeno z dat různý ch vydání China Statistical Yearbook )

26 Účinnost svítidel

27 Globální registrace motorových v ozidel (odvozeno z dat Moto r Vehicle Facts & Figures )

28 Řez proudovým motorem GE90 (v yobrazeno s laskavý m svolením General Electric)

29 B oeing 747-400 fotografovaný na mezinárodním letiš ti Los Angeles (snímek přetisknut s lask avým svolení m Briana Locketta)

30 Rozložení průměrné ná rodní energetické spotřeby na osob u a Lorenzova křivka globální komerční energetické spotřeby

31 P orovnání energetické hustoty spotřeby energie a produkc e obnovitelné energie

32 Dekarbonizace světového zásobování energií

33 Větrná elektrárna v Alban y, USA (reprodukováno s laskavým svolením Western Power Corporation)

1

Energie v naší mysli: pojmy a měřítka

Slovo energie je stejně jako mnoho dalších abstraktních pojmů (počínaje hypotézou a konče sófrosyné) řeckou složeninou. Aristotelés (384–322 př. n. l.) vytvořil tento pojem ve své Metafyzice spojením (v) a  (práce) do termínu (energeia, „skutečnost identifikovaná pohybem“), který propojil s entelechií, tj. „kompletní realitou“. Podle Aristotela existenci každého předmětu udržuje energeia související s funkcí předmětu. Sloveso energein má tudíž znamenat pohyb, akci, práci a změnu. Tyto definice nevylepšil žádný zásadní intelektuální pokrok po téměř celá dvě následující tisíciletí, a dokonce i mnozí zakladatelé moderní vědy přicházeli s naprosto mylnými představami o energii. Nakonec se tento termín stal prakticky neodlišitelným od výkonu a síly. V roce 1748 si David Hume (1711–1776) v díle An Enquiry Concerning Human Understanding postěžoval, že „se v metafyzice nevyskytují pojmy nejasnější a nejistější než síla, výkon, energie nebo nezbytná spojitost, s čímž se neustále musíme potýkat ve všech našich výkladech“.

V roce 1807 v přednášce pro Royal Institution definoval Thomas Young (1773–1829) energii jako produkt hmotnosti tělesa a čtverce jeho rychlosti, čímž vyslovil nepřesný vzorec (hmotnost by měla být vydělena dvěma) a omezil vysvětlení na kinetickou (mechanickou) energii. O tři desetiletí později sedmé vydání Encyclopedia Britannica (dokončené v roce 1842) přineslo pouze velice stručný a nevědecký záznam popisující energii jako „sílu, účinek nebo výkon tělesa. Používá se též obrazně k označení důraznosti projevu.“ V běžném projevu se od té doby, vlastně už od Humeových časů, změnilo kromě frekvence nesprávného užívání pojmu jen málo. Na počátku 21. století se podstatné jméno energie i z něj odvozené přídavné jméno (energický) používají zcela bez výběru jako kvalifikátory jakéhokoliv množství rušných, živých, intenzivních akcí a prožitků a energie je stále běžně zaměňována se silou, mocí a výkonem. Příkladů je spousta – výkonný nový ředitel vnáší čerstvou energii do staré společnosti; dav je v moci působivého řečníka; pop kultura je měkkou silou Ameriky.

Stoupenci fitness jdou ještě dál a prohlašují (proti veškeré logice i vědeckým důkazům), že jsou nabiti energií po obzvlášť náročném delším cvičení. Ve skutečnosti tím chtějí říci, že se po něm cítí lépe, pro což máme naprosto srozumitelné vysvětlení – dlouhodobé fyzické cvičení podporuje uvolňování endorfinů (neurotransmiterů, které tlumí vnímání bolesti a navozují euforii) v mozku, a může tudíž navozovat výrazné pocity pohody. Po dlouhém běhu můžete být unavení, dokonce i vyčerpaní, můžete být nadšení až euforičtí – ale nikdy nemůžete být nabití energií, tj. nemůžete mít vyšší hladinu akumulované energie, než jste měli, než jste se rozběhli.

Věda o energii: původ a abstrakce

Používání vžitých pojmů bez jakéhokoliv řádu se vymýtit nedá, ale pro více než stoleté užívání špatně definované terminologie v odborných textech není omluvy. Teoretické výzkumy energie dosáhly uspokojivé (ačkoliv ne dokonalé) koherence a srozumitelnosti před koncem 19. století, kdy po generacích váhavého progresu propuknuvší intelektuální a vynálezecká aktivita v západním světě položila pevné základy moderní vědy a záhy vyvinula mnohé z jejích sofistikovanějších konceptů. Budování základů tohoto vývoje začalo v 17. století a významně pokročilo o století později, kdy bylo podpořeno přijetím Newtonova (1642–1727) komplexního vnímání fyziky i technickými experimenty souvisejícími zejména se zdokonalením parních strojů Jamesem Wattem (1736–1819) (obr. 1; viz též obr. 19).

Na počátku 19. století byly klíčovým příspěvkem k mnohostranné povaze moderního chápání energie teoretické dedukce mladého francouzského technika Sadiho Carnota (1796–1832), který stanovil univerzální principy platné pro produkci kinetické energie z tepla a definoval maximální účinnost ideálního (vratného) tepelného stroje. Krátce nato Justus von Liebig (1803–1873), jeden ze zakladatelů moderní chemie a vědecky podloženého zemědělství, předložil v zásadě správný výklad metabolismu lidí a zvířat, v němž přisoudil vznik oxidu uhličitého a vody oxidaci potravy.

Formulace jednoho z nejzásadnějších zákonů moderní fyziky má původ v cestě na Jávu, kterou v roce 1840 podnikl mladý německý lodní lékař Julius Robert Mayer (1814–1878). Krev pacientů, jimž tam pouštěl žilou (tento postup se v léčbě řady onemocnění uplatňoval ještě dlouho i v 19. století), se zdála být mnohem světlejší než krev pacientů v Německu.

Mayer nešel pro vysvětlení daleko. Krev v tropech podle něj nemusí být tolik okysličována jako v mírném podnebném pásu, protože v teplém podnebí není k tělesnému metabolismu zapotřebí tolik energie. Tato odpověď jej však zavedla k další zásadní otázce. Pokud se v tropech ztrácí méně tepla vyzařováním, co teplo ztracené v důsledku fyzické práce (tj. vynaložení mechanické energie), která zjevně ohřívá okolní prostředí, ať již je vykonávána v Evropě, nebo v tropické Asii? Pokud mu nepřisoudíme nějaký mysteriózní původ, pak i toto teplo musí pocházet z oxidace krve, a tudíž teplo a práce musí být ekvivalentní a v pevně daném poměru převoditelné. Tak začala formulace zákona zachování energie. V roce 1842 Mayer publikoval první kvantitativní odhad energetického ekvivalentu a tři roky nato rozšířil koncept zachování energie na veškeré přírodní jevy včetně elektřiny, světla a magnetismu a popsal detaily svého výpočtu založeného na pokusu s prouděním plynu mezi dvěma izolovanými válci.

Správnou hodnotu ekvivalentu tepelné a mechanické energie nalezl anglický fyzik (obr. 2) James Prescott Joule (1818–1889) poté, co provedl spoustu pečlivých experimentů. Joule používal vysoce citlivé teploměry k měření teploty vody mísené soustavou otočných lopatek poháněných klesajícími závažími; toto uspořádání umožňovalo poměrně přesné měření mechanické energie vynaložené na proces míchání. V roce 1847 přinesly Jouleovy puntičkářské experimenty výsledek s méně než 1% odchylkou přesnosti od skutečné hodnoty. Zákon zachování energie, podle nějž energii nelze vyrobit ani zničit, je nyní všeobecně znám jako první zákon termodynamiky.

1 | James Watt

2 | James Joule

V roce 1850 německý teoretický fyzik Rudolf Clausius (1822–1888) publikoval svoji mechanickou teorii tepla, v níž prokázal, že maximální výkon dosažitelný ze stroje využívajícího Carnotův cyklus závisí výlučně na teplotách zásobníků tepla, nikoliv na charakteru pracovního média, a že chladnější těleso nemůže samovolně předávat teplo tělesu teplejšímu. Clausius na této zásadní teorii dále pracoval a v díle z roku 1865 poprvé použil pojem entropie (z řeckého „přeměna“) k měření míry degradace v uzavřeném systému. Clausius rovněž jasně definoval druhý zákon termodynamiky, podle něhož entropie vesmíru směřuje k maximální hodnotě. V praxi to znamená, že v uzavřeném systému (bez jakéhokoliv přísunu energie zvenčí) může dostupnost využitelné energie pouze klesat. Kus uhlí je vysoce kvalitní a vysoce uspořádaná (s nízkou entropií) forma energie, jehož spálení vyprodukuje teplo, rozptýlenou, neuspořádanou (s vysokou entropií) formu energie nízké kvality. Tato sekvence je nevratná: rozptýlené teplo (a uvolněné plynné spaliny) se už nikdy nemůže znovu stát kusem uhlí. Teplo má tudíž v hierarchii energií jedinečnou pozici: všechny ostatní formy energie lze v teplo zcela přeměnit, jeho přeměna na jiné formy však nikdy nemůže proběhnout beze zbytku, protože pouze určitý podíl prvotního vstupu skončí jako nová forma.

Druhý zákon termodynamiky – univerzální směřování k tepelné smrti a degradaci – se stal snad nejvýznamnější ze všech kosmických generalizací, ač jej většina nevědců nadále ignoruje. Tuto skutečnost famózně vystihl C. P. Snow (1905–1980), anglický fyzik, politik a spisovatel, ve své redeovské přednášce (Rede Lecture) z roku 1959 nazvané Dvě kultury a vědecká revoluce:

Mnohokrát jsem byl přítomen shromážděním lidí považovaných podle měřítek tradiční kultury za hluboce vzdělané, kteří s gustem vyjadřovali úžas nad nevzdělaností vědců. Tu a tam jsem se nechal unést a zeptal se společnosti, kolik z nich by dokázalo popsat druhý zákon termodynamiky. Reakce byla chladná a záporná zároveň. A přesto byla má otázka jakýmsi vědeckým ekvivalentem dotazu: „Četli jste Shakespeara?“

Navzdory předpokládané univerzálnosti se zdá, že je druhý zákon neustále porušován živými organismy, jejichž početí a růst (jako jedinců) i evoluce (jako druhů a ekosystémů) produkují výrazně uspořádanější a komplexnější formy života. Ve skutečnosti však o žádný konflikt nejde, protože druhý zákon termodynamiky se vztahuje pouze na uzavřené systémy s termodynamickou rovnováhou. Biosféra Země je otevřený systém, který bez ustání importuje sluneční energii a využívá její fotosyntetické konverze na novou fytomasu jako základu pro vyšší uspořádanost a organizovanost (redukci entropie).

Třetí zákon termodynamiky, který formuloval roce 1906 Walther Nernst jako tepelný teorém, říká, že všechny procesy dospějí k zastavení (a entropie na tom nic nemění), pouze pokud se teplota přiblíží absolutní nule (−273 °C).

První desetiletí 20. století přineslo zásadní rozšíření prvního zákona termodynamiky, když v roce 1905 Albert Einstein (1879–1955) dospěl k závěru, že hmota sama je formou energie. Podle snad nejslavnější rovnice na světě E = mc2 je energie rovna součinu hmotnosti a čtverce rychlosti světla. Pouhé čtyři tuny hmoty podle této rovnice obsahují ekvivalent roční světové spotřeby komerční energie. Tento ohromující potenciál však zůstává právě jen potenciálem, protože nemáme prostředky k uvolnění energie hmoty například z vápence nebo z vody.

Relativně velký (avšak stále nedostačující) podíl hmoty dokážeme v komerčním měřítku konvertovat na energii pouze prostřednictvím jaderných reaktorů; štěpením jádra jednoho kilogramu uranu-235 se uvolní množství energie odpovídající 190 tunám surové ropy, přičemž dojde k úbytku pouhého gramu (čili jedné tisíciny) původní hmoty. Naproti tomu spálením jednoho kilogramu surové ropy dojde k úbytku pouhé jedné desetimiliardtiny hmoty paliva (a kyslíku potřebného k jeho spálení), což je redukce tak malá, že je prakticky neměřitelná.

Po necelém století usilovného vědeckého bádání bylo poznání podstaty fenoménu energie prakticky kompletní. Navzdory tomuto obsáhlému a vysoce komplexnímu vědeckému úspěchu však není nijak snadné porozumět zásadnímu konceptu, který je mnohem obtížněji pochopitelný než například hmota nebo teplota. Richard Feynman, jeden z nejbrilantnějších fyziků 20. století, to ve svých proslulých Přednáškách z fyziky z roku 1963 shrnul s odzbrojující upřímností:

Je důležité si uvědomit, že současná fyzika vlastně neví, co je to energie. Nepředstavujeme si, že by se energie vyskytovala v určitém počtu malých kapiček. Tak to není. Existují však vztahy pro výpočet určité číselné veličiny… Je to abstraktní věc v tom smyslu, že to neříká nic o mechanismu nebo příčinách jednotlivých vztahů. (Překlad M. Jodas a I. Štoll, 2000.)

Avšak jakkoliv je to obtížné, musíme se snažit do tohoto abstrakta více proniknout.

Základní pojmy: energie, konverze, účinnost

Dosud nejběžnější definicí energie je „schopnost vykonat práci“, ale úplný význam tohoto jednoduchého výroku se stává jasným, až když přestaneme uvažovat o práci jen jako o mechanické námaze (fyzikálně vzato o energii přenášené vyvinutím síly, obecně vzato o vykonané práci, ať už je to vyťuknutí písmena na stroji nebo zasazení rýžové sazenice) a vztáhneme tento pojem obecně na jakýkoliv proces, který produkuje změnu (místa, rychlosti, teploty, složení) zasaženého systému (organismu, stroje, planety). Pokud budete následujících deset minut nehybně sedět v izolované místnosti a zvažovat tento výrok, nevyvinete v omezeném, striktně fyzikálním a běžně užívaném smyslu uplatnění síly k mechanickému výkonu žádnou práci.

Avšak i když nehybně sedíte, váš metabolismus vykonává spoustu práce, protože energie získaná ze strávené potravy je využívána (abychom uvedli alespoň čtyři zásadní procesy) k dýchání, při němž dochází k příjmu kyslíku a uvolňování oxidu uhličitého; k udržování tělesné teploty zhruba 37 °C; k pumpování krve; a tvorbě řady enzymů, jež řídí vše počínaje trávením a konče přenosem nervových signálů. Usilovným přemýšlením o abstraktním pojmu ve skutečnosti opravdu využíváte o něco více energie, avšak navazování všech těch nervových spojení ve vašem mozku navíc znamená jen zcela zanedbatelné zvýšení energetické náročnosti. Dokonce i když tvrdě spíte, váš mozek se podílí na zhruba 20 % metabolismu vašeho organismu, a ani náročná duševní zátěž tento podíl nijak výrazně nenavýší.

Mimo izolovanou místnost je práce vykonávaná jednotlivými energiemi prováděna nesčetnou spoustou způsobů. Blesk, který sjede z letní oblohy, pracuje úplně jinak než gigantický přístavní jeřáb zvedající obrovské ocelové kontejnery z mola a skládající je do závratné výšky na nákladní loď. A tyto rozdíly spočívají v jedné z nejzásadnějších skutečností fyziky, jíž je existence různorodých forem energie a jejich konverze v prostoru a čase v řádech od galaktického po subatomický a od evolučního po efemérní. Blesk pracuje během nepatrného zlomku sekundy, kdy ozáří a ohřeje atmosféru a rozloží molekuly dusíku, čímž přemění elektrickou energii výboje mezi mraky nebo mezi mrakem a zemí na energii elektromagnetickou, tepelnou a chemickou. Naopak motory nákladních jeřábů v kontejnerových přístavech pracují nepřetržitě a konvertují elektrickou energii v mechanickou a polohovou energii naskládaného nákladu.

3 | Energie a jejich konverze

Energie není jednoduchá a snadno definovatelná entita, ale spíše abstraktní kolektivní pojem, jímž fyzikové 19. století označili celou škálu přírodních i antropogenních (lidmi vyvolaných) jevů. Jejími nejběžněji se vyskytujícími formami jsou teplo (tepelná energie), pohyb (kinetická nebo mechanická energie), světlo (elektromagnetická energie) a chemická energie paliv a živin. Některé jejich konverze jsou samotným základem života: během fotosyntézy se malá část elektromagnetické energie světla stává chemickou energií bakterií a rostlin, vaření a topení probíhá konverzí chemické energie biomasy (dřeva, dřevěného uhlí, slámy) nebo fosilních paliv (uhlí, ropy, plynu) na energii tepelnou (obr. 3). Jiné přeměny umožňují ve velkém měřítku využívaný komfort: konverze chemické energie v bateriích na energii elektrickou pohání miliardy mobilních telefonů, přehrávačů i rádií. Další druhy konverze jsou naopak poměrně vzácné, například gama-neutronové reakce, k nimž dochází konverzí elektromagnetické energie na energii jadernou, jsou využívány pouze pro specializované vědecké a průmyslové cíle.

Kinetická energie souvisí s veškerou pohybující se hmotou, ať už jde o těžké protipancéřové granáty z ochuzeného uranu nebo cáry mračen vznášející se nad tropickým deštným pralesem. Její projevy jsou snadno zaznamenatelné a její velikost lze snadno vypočítat, protože jde o prostou polovinu hmotnosti pohybujícího se předmětu (m) vynásobenou čtvercem jeho rychlosti (v): Ek = ½ mv2. Zásadní je fakt, že kinetická energie závisí na čtverci rychlosti předmětu. Zdvojnásobením rychlosti se energie zvětšuje čtyřnásobně, ztrojnásobením pak již devítinásobně, a tudíž se při vysoké rychlosti dokonce i malé předměty mohou stát velmi nebezpečnými. Vichry o síle tornáda, jejichž rychlost přesahuje 80 m/s (téměř 290 km/h) dokážou zarazit stéblo rovnající se hmotností peříčku do kmene stromu, drobounká částečka kosmického smetí (např. uvolněný šroubek) pohybující se rychlostí 8000 m/s dokáže proděravět tlakový skafandr kosmonauta pohybujícího se vesmírem a kosmická loď může být poškozena mikrometeoroidem pohybujícím se rychlostí 60 000 m/s (ač se toto riziko jeví jako skutečně minimální).

Potenciální (polohová) energie je výsledkem změny umístění hmoty v prostoru nebo jejího uspořádání. Gravitační potenciální energie vznikající změnou polohy v gravitačním poli Země je všudypřítomná; získává ji vše, co stoupá, ať je to vznášející se vodní pára, ruka zdvižená v gestu, letící pták nebo vzlétající raketa. Praktickým příkladem využití gravitační potenciální energie s významným ekonomickým přínosem je voda zadržovaná přehradní hrází ke spouštění na lopatky turbíny, a tím k výrobě elektřiny. Tímto způsobem se vyrábí téměř 20 % celosvětové produkce elektrického proudu. Potenciální energie vody za přehradní hrází (nebo kamene vratce umístěného na zvětrávajícím svahu) je prostým násobkem změny polohy hmoty o hmotnosti m směrem vzhůru, její průměrné výšky nad povrchem (h) a tíhového zrychlení (g): Ep = mgh. Pružiny napnuté vinutím jsou běžným příkladem praktického využití elastické potenciální energie, která je zadržována deformací a uvolněna jako užitečná práce, když se pružina rozvíjí a pohání hodinový stroj nebo mechanickou hračku.

Biomasa (živě zastoupená v rostlinách, mikroorganismech, zvířatech a lidech, neživě především v půdě, organické hmotě a kmenech stromů) a fosilní paliva (vznikající přeměnou neživé biomasy) jsou enormní zásobárnou chemické energie. Tato energie je udržována v atomových vazbách pletiv, tkání a paliv a je uvolňována spalováním (rychlou oxidací), jež produkuje teplo (exotermní reakce). To vede ke vzniku nových chemických vazeb a k tvorbě oxidu uhličitého, často k emisím dusíku a mnohdy i oxidů síry, v případě kapalných a plynných paliv také k uvolňování vody.

Účinnost energetické konverze je prostým poměrem žádoucího výstupu oproti počátečnímu vstupu. Snad nejvýstižnějším příkladem vysoce neefektivního procesu je fotosyntéza. Dokonce ani u těch nejproduktivnějších plodin není v novou rostlinnou hmotu (fytomasu) transformováno více než 4–5 % slunečního záření, které každoročně dopadne na pole, a globální roční průměr tohoto procesu (obvykle limitovaného chladem nebo nedostatkem vláhy) odpovídá ubohým 0,3 %. Je-li počáteční vstup omezen pouze na fotosynteticky aktivní záření (vlnové délky, které mohou být absorbovány rostlinnými pigmenty a jejichž podíl na příchozím slunečním záření představuje kolem 45 %), užitečný přenos se zdvojnásobuje, globálně však zůstává nižší než 1 %. Vysoká energetická ztráta během energetické konverze o nízké účinnosti jednoduše znamená, že pouze velmi malá část počátečního energetického vstupu může být transformována na požadovaný výkon nebo produkt. Žádná energie se neztratí (první zákon termodynamiky), ale (jak diktuje druhý zákon termodynamiky) významný podíl počátečního vstupu končí jako nevyužitelné, rozptýlené teplo.

Existuje však i dostatek procesů, zařízení a strojů s účinností vyšší než 90 %. Elektřinu lze konvertovat na teplo deskovým odporovým ohřívačem se 100% účinností. Zdraví lidé s vyváženou stravou dokážou trávit sacharidy (cukry, škroby) s účinností až 99 %, nejkvalitnější kotle na zemní plyn jsou schopny konvertovat 95–97 % spotřebovaného paliva na teplo pro vytápění obydlí, více než 95 % elektřiny je konvertováno na rychlou rotaci výkonných elektromotorů a naopak obří turbíny v tepelných elektrárnách konvertují rotací v magnetickém poli až 99 % své mechanické energie na elektřinu.

Navzdory jejich mnohotvárným projevům – od oslepujícího světla naší nejbližší hvězdy po nepostřehnutelné, avšak smrtící ionizující záření, jež může unikat z vadného jaderného reaktoru, od vysokoteplotního spalování v raketových motorech po úžasně důmyslné enzymatické reakce probíhající při běžných teplotách a tlacích okolního prostředí – lze veškeré energetické jevy kvantifikovat pomocí nevelkého počtu univerzálních jednotek. Přestože se ve světě stále běžně používají tradiční měrné jednotky, moderní vědecké a technické kvantifikace vycházejí z Mezinárodní soustavy jednotek (Système International d’Unités), pro kterou se používá zkratka SI, přijaté v roce 1960. V této knize budu používat pouze příslušné jednotky SI: jejich ucelený přehled včetně předpon označujících násobky a zlomky bude uveden dále v této kapitole.

Teplo

Spalné teplo (neboli specifická energie) je rozdíl mezi energií vazeb ve výchozích reaktantech a vazeb v nově vzniklých sloučeninách. Nejméně účinná paliva (mokrá rašelina, mokrá sláma) uvolňují méně než třetinu tepelné energie produkované spalováním benzinu nebo petroleje. Energetický obsah paliva, potraviny nebo jakéhokoliv jiného spalitelného materiálu lze snadno stanovit spálením absolutně suchého vzorku v kalorimetru (zařízení, které měří teplo uvolněné během chemických reakcí). Teplo je uvolňováno řadou dalších energetických konverzí. Jaderné štěpení je významným komerčně využívaným procesem, jehož teplo slouží k výrobě elektřiny, teplo vznikající odporem vůči elektrickému proudu se využívá k přípravě jídla, ohřevu vody a vytápění, tření produkuje značný podíl nežádoucího (v převodech vozidel) i nevyhnutelného (na styku pneumatik s vozovkou) tepla.

Jakmile je teplo vytvořeno, může se šířit třemi způsoby: vedením neboli kondukcí (což je přímý molekulární kontakt nejběžnější v pevném skupenství), prouděním neboli konvekcí (pohybem kapalin nebo plynů) a sáláním neboli radiací (vyzařováním elektromagnetických vln tělesy teplejšími než jejich okolí). Většina tepla sálajícího při teplotách okolního vzduchu z povrchu Země, z rostlin, budov i lidí má formu neviditelného infračerveného záření, ale žhavé (o teplotě nad 1200 °C) předměty, jako například vinutá wolframová vlákna v žárovkách, tavená ocel v elektrických pecích nebo vzdálené hvězdy, sálají za doprovodu viditelného světla.

Latentní teplo je množství energie potřebné k dosažení změny fáze látky beze změny teploty. Změna vody na páru (latentní teplo odpařování) při teplotě 100 °C vyžaduje přesně 6,75× více energie než změna ledu na vodu při teplotě 0 °C.

Na ohřev vody rovněž připadá většina z rozdílu mezi hrubou (a tedy vyšší) výhřevností paliva a jeho čistou (nižší) výhřevností. První hodnota se rovná celkovému množství energie uvolněné jednotkou paliva při spalování, kdy je veškerá voda kondenzována na kapalné skupenství (a tudíž došlo k rekuperaci odparného tepla); k druhé hodnotě dojdeme po odečtení energie potřebné k odpaření vody vzniklé během spalování. Tento rozdíl činí zhruba 1 % u koksu (což je v podstatě prakticky čistý uhlík, jehož spalování generuje pouze oxid uhličitý), kolem 10 % u zemního plynu a téměř 20 % u čistého vodíku (jehož spalování generuje pouhou vodu). Rozdíl může být ještě větší u dřeva, ale pouze na malé části tohoto rozdílu se podílí vodík přítomný v palivu. Čerstvé (mokré) dřevo prostě obsahuje příliš mnoho (někdy přes 75 %) vlhkosti; většina tepelné energie uvolněné spalováním nevyzrálého (zeleného) dřeva se spotřebovává na odpařování vody místo na ohřev okolního prostoru, a pokud má mokré dřevo více než 67 % vody, ani nedojde k jeho zapálení.

Kvantitativní chápání: nutnost měrných jednotek

Soustava SI specifikuje sedm hlavních fyzikálních veličin: délku, hmotnost, čas, elektrický proud, teplotu, látkové množství a svítivost. Příslušné jednotky jsou užívány přímo k měření sedmi běžných veličin i k odvozování těch komplexnějších. Druhá jmenovaná skupina zahrnuje některé relativně jednoduché jednotky používané v běžných situacích (plocha, objem, hustota, rychlost, tlak) i složitější pojmy používané ve vědě a v technice (síla, tlak, energie, kapacitance, světelný tok). Pouze tři zásadní veličiny – hmotnost (m), délka (l) a čas (t) – jsou potřebné k odvozování jednotek, s nimiž se opakovaně setkáváme při studiu energie. Plocha je logicky l2 a objem l3, objemová hustota m/l3, rychlost l/t, zrychlení (změna rychlosti za jednotku času) l/t2 a síla podle Newtonova druhého pohybového zákona ml/t2 (hmotnost násobená zrychlením). Energie se spotřebovává (práce je vykonávána), pokud je síla vyvíjena na určitou vzdálenost: dimenzionální vzorec energie je tudíž ml2/t2.

ZÁKLADNÍ J EDNOTKY SI

Veličina

Název

Symbol

Délka

metr

m

Hmotnost

kilogram

kg

Čas

sekunda

s

Elektrický proud

ampér

A

Teplota

kelvin

K

Látkové množství

mol

mol

Svítivost

kandela

cd

Vědeckou definicí příkonu je jednoduše poměr využití energie: příkon se rovná množství energie spotřebované za jednotku času neboli ml2/t3. Tento pojem je velmi často nesprávně používán dokonce i v technických časopisech, kde je příkon zaměňován s elektrickým proudem, a v souvislosti s výkonem elektráren; ty ve skutečnosti vyrábějí elektrickou energii v proměnlivém poměru určovaném průmyslovou, komerční i občanskou poptávkou po kinetické energii (produkované elektromotory), tepelné energii (pro průmyslové pece, tepelné úpravy a vytápění domácností) a elektromagnetické energii (nebo přesněji po jejím viditelném segmentu, jímž je světlo). To, že znáte jmenovitý výkon konkrétního stroje, vám samozřejmě ještě nic neřekne o tom, kolik energie spotřebuje, pokud nevíte, jak dlouho poběží.

Každý zná standardní označení jednotek SI po délku (metr, m), hmotnost (kilogram, kg) a čas (sekunda, s), ale k měření teploty se používají spíše kelviny (K) než stupně Celsia; jednotkou elektrického proudu je ampér (A), mol (mol) kvantifikuje látkové množství a kandela (cd) svítivost. Více než dvacet odvozených jednotek včetně veškerých veličin souvisejících s energií má své specifické názvy a symboly, z nichž mnohé byly stanoveny na počest významných vědců a techniků. Jednotka síly označovaná kg m/s2 (kilogrammetr za čtvereční sekundu) se jmenuje newton (N): uplatnění síly 1 N dokáže zrychlit hmotnost jednoho kilogramu o jeden metr za každou sekundu. Jednotka energie joule (J) je síla jednoho newtonu působící na vzdálenost jednoho metru (kg m2/s2). Výkon, jednoduše řečeno energetický tok za jednotku času (kg m2/s3), se měří ve wattech (W): jeden watt odpovídá jednomu J/s a naopak energie se pak rovná výkonu násobenému časem, a tudíž jeden joule je jedna wattsekunda.

Jednou z nejobjevnějších veličin ve studiu energie je výkonová hustota (s jednotkou W/m2). Tato odvozená jednotka SI je někdy označována více vymezujícím pojmem hustota tepelného toku, ale koncept výkonu na jednotku plochy lze logicky aplikovat na jakýkoliv energetický tok počínaje sklizní potravin a konče průměrnou poptávkou po elektřině v hustě zalidněných městských oblastech. Jmenovatelem této veličiny je plocha zemského povrchu, půdorys stavby nebo jakákoliv jiná horizontální plocha. Výkonová hustota příchozího slunečního záření určuje energetické toky biosféry; výkonová hustota energie domácnosti diktuje míru spotřeby paliv a elektřiny. V některých případech je rovněž výmluvný výpočet vertikální výkonové hustoty energetických toků. Mimořádně užitečné je to v případě prudkých větrů, záplav a tsunami, které mohou zasáhnout vegetaci a stavby velkou silou na jednotku vertikální plochy a způsobit rozsáhlé poškození. Stačí si vzpomenout na tsunami v Indickém oceánu dne 26. prosince 2004.

Snad nejsnazší je posoudit velikost těchto jednotek energie a výkonu prostřednictvím tíhového zrychlení. To na zemském povrchu činí 9,81 m/s2; pokud je zaokrouhlíme na 10 (což představuje zvýšení o necelá 2 %), usnadníme si následující výpočet. Držíte-li těleso o hmotnosti 1 kg 1 m nad zemí – například litrovou plastovou lahev s vodou zhruba ve výši svého lokte –, bude tento předmět vystaven síle (zemské přitažlivosti) 10 N. Pokud budete držet něco, co váží desetinu této hmotnosti (mandarinka váží kolem 0,1 kg), bude na tento předmět působit síla jednoho newtonu. Zvednutí mandarinky z podlahy a její položení na stůl (zhruba 1 metr nad podlahou) tedy vyžaduje vynaložení energie jednoho joulu; pokud to provedete za přibližně jednu sekundu, vydali jste energii jednoho wattu.

Na tomto místě je vhodné zopakovat, že samotný výkon nám o celkovém množství energie spotřebované nebo uvolněné posuzovaným procesem nic neřekne. Gigantický blesk má výkon stejného řádu (1013 W) jako geotermální tok Země, blesk je však jev prchavý, trvající pouhý kratičký zlomek sekundy, kdežto geotermální tok trvá nepřetržitě od vzniku planety, čili už asi 4,5 miliardy let. Obdobně pokud jste drobná (padesátikilová) žena, váš bazální metabolismus (přeměna potravy na formy energie využitelné k růstu a aktivitě) nepřetržitě po celou dobu vašeho života bude přibližně 60 W, což odpovídá spotřebě žárovky, kterou jen tu a tam rozsvítíte na pár hodin. Sluneční záření dopadající na povrch Země je samozřejmě jejím nejsilnějším trvalým energetickým tokem, který vymezuje většinu přirozených procesů (o zbytek se postarají geotermální energie a gravitace), a tím i charakteristiky obyvatelného prostředí planety; jeho intenzita je 1,7 × 1017 W (tj. 170 PW). Oproti tomu v roce 2005 spotřeba veškerých fosilních paliv přispěla k této globální intenzitě necelými 12 TW, což odpovídá pouhým 0,007 % slunečního záření přijatého planetou.

Zaměříme-li se na elektřinu, elektrický proud (průtok elektronů vodičem označovaný v rovnicích obvykle značkou I) se měří v ampérech (A) na počest francouzského matematika jménem André-Marie Ampère (1775–1836), jednoho ze zakladatelů moderní elektrodynamiky. Volt (V), nazvaný podle Alessandra Volty (1745–1827), jednoho z prvních experimentátorů s elektřinou a vynálezce první baterie, je odvozenou jednotkou (V = W/A) elektrického potenciálu, a tudíž měřítkem rozdílu mezi kladným a záporným pólem baterie. Odpor (R), s nímž se proud setkává, se měří v ohmech (Ω) a závisí na materiálu a rozměrech vodiče. Měď je o téměř 70 % lepší vodič než čistý hliník, který naopak vede více než trojnásobně lépe než čisté železo, a dlouhý tenký drát klade vyšší odpor než krátký a tlustý. Hliníkové slitiny jsou však podstatně levnější než čistá měď, proto k výrobě dálkového vedení vysokého napětí používáme jich a nikoliv mědi.

Při stejnosměrném proudu (DC) elektrony proudí pouze jedním směrem, kdežto proud střídavý (AC) v pravidelných intervalech mění amplitudu i směr; v Severní Americe proběhne tato změna 120× za sekundu (frekvence 60 cyklů za sekundu), v Evropě 100× za sekundu. Ohmův zákon – Georg Simon Ohm (1789–1854) byl německý matematik a fyzik – vyjadřuje lineárně vztah mezi napětím, odporem a proudem ve stejnosměrných obvodech: U = IR. Pro obvody se střídavým proudem je nutné zákon modifikovat, protože ignoruje reaktanci, tj. odpor kladený střídavému proudu cívkami (induktivní reaktance) a kondenzátory (kapacitní reaktance). S použitím impedance (Z, kombinovaná reaktance s odporem měřená rovněž v ohmech) modifikovaný zákon zní I = U/Z. Bez úpravy však Ohmův zákon bez jakýchkoliv větších odchylek platí pro všechny běžné domácí elektrospotřebiče, jako jsou svítidla a obvyklé přístroje.

Nyní jsme připraveni pokračovat v evoluční sekvenci systematickým studiem energie v přírodě, historii a moderní společnosti.

Řády energie a výkonu

NÁSOBKY

Předpona

Značka

Vědecká notace

deka

d

101

hekto

h

102

kilo

k

103

mega

M

106

giga

G

109

tera

T

1012

peta

P

1015

exa

E

1018

zeta

Z

1021

yota

Y

1024

Energetický obsah paliv MJ/kg

Vodík

114,0

Benziny

44,0–45,0

Surová ropa

42,0–44,0

d

JEDNOTKY MIMO SOUSTAVU SI

Stejnosměrný a střídavý proud