Help!
Top wrapper

Glavni izbornik
Početna stranica
Energija uz video prikaz
Energija općenito
Uvod u izvore energije
Obnovljivi izvori energije
Neobnovljivi izvori energije
Energija i ekologija
Činjenice o energiji
Korisni linkovi
Izvori energije - RSS Feed
Dodatno
Nafta - Neka pitanja
Geo. en. - Upotreba i principi
Prednosti biomase
Kako radi nukl. elektrana?
Zanimljivi linkovi
US Department of Energy
Crude Oil Price
 
 

Energija (Energy)

Tuesday, 08 April 2008
Munja.
Munja - oslobađanje ogromnih količina energije u vrlo kratkom vremenu. Kliknite na sliku za punu veličinu.

Riječ energija nastala je od grčke riječi energos što znači aktivnost. Energija je karakteristika sustava kojom se opisuje sposobnost tog sustava da vrši neki rad. Prema međunarodnom sustavu mjernih jedinica, u čast engleskom fizičaru James Prescott Joule-u (1818 - 1889), mjerna jedinica za energiju nazvana je džul (J). Važno svojstvo energije je da ne može niti nastati niti nestati pa je prema tome količina energije u zatvorenom sustavu uvijek konstantna. Ovo svojstvo energije zove se zakon o očuvanju energije koji je prvi puta postavljen u devetnaestom stoljeću. Svi do sad poznati prirodni procesi i fenomeni mogu se objasniti s nekoliko oblika energije prema sljedećim definicijama: kinetička energija, potencijalna energija, toplinska energija, gravitacija, elastičnost, elektromagnetizam, kemijska energija, nuklearna energija i masa.

Iako ne može niti nastati niti nestati, energija može prelaziti iz jednog oblika u drugi. Prelazak energije iz jednog oblika u drugi naziva se rad ili snaga. U čast škotskom inženjeru i izumitelju James Watt-u (1736 - 1819) mjerna jedinica za rad nazvana je vat (W). Jedan vat je rad obavljen u jednoj sekundi prelaskom jednog džula energije iz jednog oblika u drugi (W = 1 J/s). Iz definicije je vidljivo da se u vatima zapravo izražava brzina prelaska energije iz jednog oblika u drugi. Ponekad se kao jedinica mjere za energiju koristi i jedinica vat-sat (Wh). Jedan vat-sat je konstantni rad (snaga) od jednog vata u periodu od jednog sata, pa je prema tome 1Wh = 1 J/s * 3600s = 3600J. Za količinu proizvedene odnosno utrošene električne energije uobičajeno se koriste višekratnici mjerne jedinice Wh, a to su kWh, MWh, i GWh (kilovat-sat, megavat-sat i gigavat-sat).

U automobilskoj industriji uobičajeno se za izražavanje maksimalne snage motora koriste konjske snage. Postoji više definicija konjske snage, ali u automobilskoj industriji važne su samo dvije: mehanička konjska snaga i metrička konjska snaga. Mehanička konjska snaga je otprilike 746 W, a metrička konjska snaga je oko 735,5 W. Uobičajeno je da proizvođači automobila snagu izražavaju u mehaničkim konjskim snagama, ali ponekad se za "uljepšavanje" brojke koriste i metričke konjske snage, osobito kod egzotičnih sportskih automobila.

Sunce kao izvor energije

Sunce.
Sunce je daleko najveći izvor energije u solarnom sustavu. Kliknite na sliku za punu veličinu.

Sunce je daleko najveći izvor energije u solarnom sustavu. Zbog toga jer je relativno malo u odnosu na ostale zvijezde i zato jer je žuto, Sunce spada u klasu zvijezda koje nazivamo žuti patuljak. Iako je relativno malo usporedimo li ga s ostalim zvijezdama, Sunce je golemo u usporedbi s planetima koji ga okružuju – u Suncu je sadržano 99,8% mase cijelog sunčevog sustava. Za lakšu vizualizaciju koliko je Sunce zapravo veliko može poslužiti i podatak da unutar Sunca stane 962.000 cijelih kopija Zemlje, a u praznine između složenih kugli stalo bi još otprilike 340.000 "otopljenih" Zemlji. Prema tome da bi popunili volumen Sunca morali bi upotrijebiti oko 1.300.000 Zemlji.

Glavni energetski proces koji se odvija na Suncu je nuklearna fuzija, a to je spajanje dva laka atoma u jedan teži, uz oslobađanje energije proporcionalne razlici masa prije i nakon reakcije (prema Einstein-ovoj formuli E = mc2). Nuklearnom fuzijom se svake sekunde u Suncu pretvori oko 700.000.000 tona vodika u oko 695.000.000 tona helija, a razlika od 5.000.000 tona se pretvori po Einstein-ovoj formuli u energiju u obliku gama zračenja. Kada se tih 5.000.000 tona u sekundi pretvori u rad odnosno snagu dobije se da je snaga Sunca oko 386 milijardi milijardi megawata. Samo za usporedbu: najveća nuklearna elektrana na svijetu je japanska nuklearna elektrana Kashiwazaki koja ima sedam operativnih reaktora i ukupnu snagu od 8.212 MW. Nuklearna elektrana Krško ima snagu na pragu 696 MW. Zemlja u svakom trenutku od Sunca prima 174 petavata (1015 W) solarne radijacije.

Oblici energije

Kao što smo već spomenuli u uvodu svi do sad poznati prirodni procesi i fenomeni mogu se objasniti s nekoliko osnovnih oblika energije. U nastavku su neki od tih oblika energije nabrojani i detaljnije objašnjeni.

  • Potencijalna energija

    Potencijalna energija se definira rad koji se obavi protiv dane sile promjenom pozicije promatranog objekta u odnosu na neku referentnu poziciju. Ime „potencijalna energija“ dolazi iz pretpostavke da se takva energija može lako pretvoriti u koristan rad. Ovo nije sasvim točno za sve sustave, ali pomaže kod shvaćanja potencijalne energije. Dvije najočitije vrste potencijalne energije su gravitacijska potencijalna energija i elastična potencijalna energija. Gravitacijska potencijalna energija je energija povezana s gravitacijskom silom i djeluje između bilo koja dva objekta koji imaju masu. Proporcionalna je masi objekata, a obrnuto proporcionalna udaljenosti između objekata. Elastična potencijalna energija je potencijalna energija elastičnog objekta poput opruge, katapulta i sličnog. Nastaje kao posljedica sila koje pokušavaju objekt vratiti u izvorni položaj, a to su najčešće elektromagnetske sile u atomima i molekulama koje tvore objekt. Primjer iskorištavanja gravitacijske potencijalne energije su velike hidroelektrane kod kojih se potencijalna energija vode pretvara u kinetičku energiju kojom se tada pokreće turbina generatora električne energije.

  • Kinetička energija

    Kinetička energija ili energija kretanja je energija potrebna da se neki objekt ubrza na neku brzinu, odnosno energija objekta kod određene brzine u odnosu na neki referentni objekt. Prema klasičnoj mehanici kinetička energija proporcionalna je masi objekta i kvadratu brzine kretanja objekta. Kod brzina usporedivih s brzinom svjetlosti kinetička energija se više ne može računati formulama koje vrijede u normalnoj klasičnoj mehanici, nego se mora upotrijebiti teorija relativnosti. Energija objekta koji se kreće brzinom usporedivom s brzinom svjetlosti računa se Lorentz-ovim transformacijama prema kojima objekt koji bi se kretao brzinom svjetlosti mora imati beskonačnu energiju, pa je samim time i nemoguće ubrzati objekt na brzinu svjetlosti. Primjer iskorištavanja kinetičke energije su recimo pretvaranje energije vjetra u električnu energiju u vjetrenjačama.

  • Toplinska energija

    Toplinska energija je energija nasumičnog gibanja mikroskopskih čestica koje tvore objekt, tj. energetski udio sustava koji se povećava s temperaturom. Toplinska energija prelazi sa jednog objekta na drugi zbog razlike u temperaturi. Toplina se prenosi na tri osnovna načina: kondukcijom, konvekcijom i zračenjem. Kondukcija topline je spontani prijelaz toplinske energije kroz tvar iz toplijeg dijela u hladniji dio u svrhu izjednačavanja temperaturnih razlika. Konvekcija je strujanje kapljevina ili plinova kod kojeg topliji fluid struji prema hladnijem i predaje toplinu okolini. Toplije tijelo zrači jačim elektromagnetskim zračenjem jer što je neko tijelo toplije atomi koji čine to tijelo imaju sve veću energiju i titranje električnih naboja je intenzivnije. Tim zračenjem se toplina može prenositi s jednog tijela na drugo. Toplinska energije se može direktno koristiti za grijanje ili posredno za dobivanje ostalih oblika energije. Tako se toplinska energija spremljena unutar Zemlje – geotermalna energija - može koristiti za generiranje električne energije.

  • Električna energija

    Električna energija je oblik potencijalne energije u polju Kulonove sile u kojem se čestice istog naboja međusobno odbijaju, a čestice suprotnih naboja se međusobno privlače. Električna energija nedvojbeno je trenutno najvažniji oblik energije koji koristi čovječanstvo jer se relativno jednostavno transportira i što je najvažnije – jednostavno se može pretvoriti u ostale korisne oblike energije poput kinetičke i toplinske energije. Električna energija se trenutno najvećim dijelom proizvodi iz fosilnih goriva i to uglavnom iz ugljena. Budući da fosilna goriva imaju negativne posljedice na okoliš i nisu neiscrpna, sve se više koriste alternativne metode proizvodnje električne energije poput iskorištavanja energije Sunca, energije vode, geotermalne energije, energije vjetra i drugih.

  • Kemijska energija

    Kemijska energija može se definirati kao rad koji obave električne sile prilikom preslagivanja električnih naboja – protona i elektrona – u kemijskim procesima. Ako se kemijska energija sustava smanji u kemijskoj reakciji to znači da je razlika emitirana u okolinu u obliku svijetlosti ili topline, a ako se kemijska energija poveća to znači da je sustav iz okoline uzeo određenu količinu energije i to najčešće u obliku svijetlosti ili topline. Vatra je jedan oblik prelaska kemijske energije u toplinu i svjetlost, a može nastati samo ako su zadovoljena tri osnovna uvjeta za lančanu reakciju: prisutnost dovoljne količine kisika, prisutnost gorivog materijala i prisutnost dovoljne količine topline. Primjer iskorištavanja kemijske energije su fosilna goriva koja izgaranjem oslobađaju toplinu koja se onda direktno preko pritiska pretvara u kinetičku energiju ili se koristi za grijanje neke tekućine u svrhu isparavanja te tekućine i dobivanja kinetičke energije. Elektrana na ugljen primjer je pretvaranja kemijske energije u električnu energiju.

  • Nuklearna energija

    Nuklearna energija je energija koja se dobiva postupcima nuklearne fuzije i nuklearne fisije. Nuklearna fuzija je spajanje dva ili više laka atoma u jedan teži uz oslobađanje određene količine energije u obliku raznih zračenja. Nuklearna fisija je također oslobađanje određene količine energije u obliku raznih zračenja, ali dobiva se cijepanjem teških atoma na dva ili više manja atoma. Kod oba postupka uvijek je masa prije reakcije veća od mase nakon reakcije, a razlika u masama pretvorena je u energiju po Einstein-ovoj formuli E=mc2. Energija Sunca posljedica je neprestane nuklearne fuzije koja se odvija u jezgri zvijezde i u obliku zračenja dolazi do površine i onda zrači u svemir. Istraživanja mogućeg iskorištavanja nuklearne fuzije na zemlji su još u početnoj fazi u obliku međunarodnog ITER projekta, ali za sad nema naznaka da bi se nuklearna fuzija mogla u skorijoj budućnosti koristiti na zemlji. Ali je zato nuklearna fisija dovoljno jednostavan proces koji se široko iskorištava u nuklearnim reaktorima za proizvodnju električne energije.

Usporedbe energetskih vrijednosti

  Litra benzinskog goriva 34 MJ   32.200 btu  
  Litra dizelskog goriva 38,7 MJ   36.720 btu  
  Kilogram čokolade 23 MJ   21.780 btu  
  Barel sirove nafte (oko 159 litara) 6.123 MJ   5.800.000 btu  
  Li-ion baterija (gustoća) 540-720 kJ/kg   511 – 682 btu/kg  
  kWh električne energije 3,6 MJ   3.412 btu  
  Prirodni plin (m2) 38,3 MJ   36.241 btu  
  Kilokalorija (kalorija, hrana) 4.184 J   3,96 btu  
  Metrička tona ugljena 29 GJ   27.467.300 btu  
  Tona urana-235 7,4 x 1016 J   70 x 1012 btu  
 

Normalna čokolada od 100g ima energetsku vrijednost od oko 2,3 MJ. Jedna litra benzinskog goriva ima energetsku vrijednost od oko 34 MJ i teži oko 730 grama. Prema tome ukoliko bi automobile mogli voziti na čokoladu jednu litru benzina trebali bi nadomjestiti s oko kilogram i pol čokolade.

Jedna normalna AA baterija u sebi ima pohranjeno oko 1000J energije i to je dovoljno samo za vrlo male potrošače poput MP3 playera. Za velike potrošača mogu se koristiti nizovi baterija i na tom principu se mogu koristiti za pogon automobila. Jedan od boljih električnih automobila koji se proizvodio bila je Nissan Altra koja je mogla ići 120 km/h i s jednim punjenjem joj je doseg mogao biti oko 190 km. Auto je koristio li-ion baterije za pogon. Bolje li-ion baterije imaju gustoću energije od oko 720 kJ/kg i taj kapacitet je osnovna mana električnih automobila. Jedan tank kod prosječnog automobila ima oko 50l i ukoliko se uzme da auto koristi normalno benzinsko gorivo to znači da jedan tank goriva ima 1700 MJ energije. Bilo bi potrebno imati oko 2360 kg tešku li-ion bateriju da bi mogla spremiti istu količinu energije kao i tank goriva od 50l, ali su zato električni motori puno efikasniji u korištenju energije od benzinskih motora pa za istu učinkovitost automobila nije potrebna ista energija. Ovo je samo okvirna usporedba da se dobije dojam o baterijama kao izvoru energije.

Svi do sad spomenuti izvori energije ne mogu se nikako mjeriti s nuklearnom energijom. Kod urana-235 gustoća energije po kilogramu materijala je za oko šest redova veličine veća od gustoće energije u ugljenu i ostalim fosilnim izvorima energije. To je zbog toga jer se kod nuklearne energije pretvara masa u energiju po poznatoj Einstein-ovoj formuli E=mc2, a kod ostalih izvora energije zbroj masa ostaje nepromijenjen nakon upotrebe.

Energetska vrijednost hrane i mršavljenje

  Kalorija po gramu
  Ugljikohidrati 4 kcal  
  Proteini 4 kcal  
  Masti 9 kcal  
  Alkohol 7 kcal  
 

Za označavanje energetske vrijednosti hrane većinom se koriste kalorije odnosno kilokalorije (kcal). Kao i kod konjskih snaga i kod kalorija postoji nekoliko definicija koje se međusobno malo razlikuju, ali uobičajena definicija kilokalorije je da je to energija potrebna da se jedan kilogram vode zagrije za 1°C sa 14,5 °C na 15,5 °C na standardnom atmosferskom tlaku od jedne atmosfere – otprilike 4,184 kJ. Kod hrane se za kilokalorije katkad pojednostavljeno samo veli kalorije, a podrazumijeva se da se radi o kilokalorijama. Osoba koja se umjereno bavi sportom i teška je 80 kg treba 28-30 kcal po kilogramu težine, tj. oko 2320 kcal energije dnevno. Iznimno aktivni sportaši, na primjer maratonci, trebaju oko 50-60 kcal/kg energije dnevno pa prema tome iznimno aktivna osoba mase 80 kg treba dnevno oko 4400 kcal energije.

Da bi se dobio pojam o energetskoj vrijednosti pojedinih namirnica uzet ćemo primjer jedne normalne čokolade od 100 grama. Istaknuta energetska vrijednost takve čokolade je oko 550 kcal (oko 2300 kJ), a to je energija potrebna da žarulja od 100W svijetli punom snagom malo duže od šest sati i 23 minute. Ista ta energija od 2300 kJ dovoljna je da se automobil težak jednu tonu podigne sa površine Zemlje 234,45 metara u visinu.

Prema nekim procjenama, osoba koja je teška 70 kg ozbiljnijim joggingom troši oko 560 kcal na sat. Pojednostavimo sve i pretpostavimo da osoba teška 75 kg koja svojim prehrambenim navikama održava tu težinu konstantnom želi izgubiti pet kilograma, a da ne mijenja prehrambene navike. U tom slučaju potrebno je povećati fizičku aktivnost da bi se u tijelu stvorio energetski deficit i osoba se odlučila svaki dan jedan sat baviti joggingom. Ukoliko pretpostavimo da osoba prilikom takvog mršavljenja podjednako gubi i proteine i masti dobivamo da je za smanjenje težine za jedan gram potreban energetski deficit od 6,5 kcal. Jednim satom jogginga se prema tome gubi oko 86 grama i to je dnevni iznos gubitka težine. Prema tome osoba će tim tempom izgubiti pet kilograma u nepuna dva mjeseca. Jogging se definira kao trčanje brzinom manjom od 10 kilometara na sat.

Zaključak

Moderni stil života podrazumijeva sve veću upotrebu energije u svrhu postizanja sve veće učinkovitosti i komfora, pa je upotreba energije svakim danom sve veća. Trenutno se većina energetskih potreba čovječanstva namiruje upotrebom vrlo štetnih fosilnih goriva, a u budućnosti će se ta goriva morati zamijeniti čišćim izvorima energije u obliku obnovljivih izvora energije ili nuklearne energije. Kao što se iz članka može vidjeti, dostupne energije ima i više nego dovoljno za pokrivanje svih mogućih budućih energetskih potreba, samo je potrebno pronaći načine čistog i sigurnog iskorištavanja raznih izvora energije, naravno uz postupno smanjenje utjecaja naftnih lobija koji svakom prilikom miniraju sve izvore energije koje oni financijski ne kontroliraju.

Zbog sve većeg utjecaja na svakodnevni život i kvalitetu života energija je postala glavni strateški resurs razvijenih država. U povijesti su se razni ratovi pokretali zbog nedostatka vode, nedostatka hrane, otklanjanja izravne opasnosti, iz vjerskih pobuda ili zbog jednostavnog povećanja teritorija. Da bi se održala stabilna opskrba energijom u zadnje vrijeme se pokreće sve više ratova kojima se pokušavaju osvojiti područja bogata energetskim resursima, pa tako energetsko bogatstvo zapravo nekim državama nanosi puno zla. Najaktualniji primjer je okupacija naftom bogatog Iraka od strane SAD-a u svrhu kontrole nafte. Ta okupacija i povećana potreba zemalja u razvoju ostatku svijeta je donijela znatno povećanje cijena svih naftnih proizvoda što se kasnije posredno odrazilo na cijene gotovo svih proizvoda. Novi i obnovljivi izvori energije će u budućnosti vjerojatno postati primarni izvori energije i time će ratovi za energiju postati prošlost i samim time svijet bi trebao postati mirnije mjesto.

 
Top ot the page!