Enerģija

Šis raksts ir par fizikālu lielumu. Par citām jēdziena enerģija nozīmēm skatīt nozīmju atdalīšanas lapu.

Enerģija fizikā tiek definēta kā matērijas dažādo kustības formu vispārīgais mērs, ar kuru kvantitatīvi raksturo fizikālos procesus un mijiedarbības. Enerģija ir skalārs fizikāls lielums, kura mērvienība Starptautiskajā mērvienību sistēmā ir džouls (J).

Enerģijas veidu pārvērtības

Fizikālu ķermeņu enerģija var tikt pārnesta no viena ķermeņa uz otru vai pārvērsties no vienas enerģijas formas citā, bet saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu, nevar rasties no jauna vai pazust. Atbilstoši dažādām kustības formām izšķir mehānisko, siltuma, elektromagnētisko, gravitācijas, ķīmisko, kodolenerģiju un citas enerģijas formas. Piemēram, mehānikā, kur enerģija saistīta ar kustību, vēl ir iedalījums kinētiskajā enerģijā un potenciālajā enerģijā.

Enerģijas pārvēršanās no viena veida citā dod iespēju izmantot enerģiju saimnieciskajā darbībā, piemēram, elektrības ražošanā. To var iegūt no mehāniskās enerģijas ar ģeneratora palīdzību vai arī no ķīmiskās enerģijas (ar galvaniskā elementa vai akumulatora palīdzību). Savukārt no elektriskās enerģijas var iegūt citus enerģijas veidus — mehānisko (ar elektrodzinēju), ķīmisko (uzlādējot akumulatoru vai veicot elektrolīzi), gaismu (ar spuldzi), siltumu (kas izdalās jebkurā elektriskajā slodzē — pretestībā). Ar dažādām ierīcēm var realizēt enerģijas pārvērtības no viena veida citā. Piemēram, bremzējot ķermeni, tā mehāniskā kinētiskā enerģija pārvēršas siltumā, savukārt iekšdedzes dzinējā degvielas ķīmiskā enerģija pārvēršas siltumā un kustības kinētiskajā enerģijā.

Relativitātes teorijā ir aprēķināta sakarība, kāda pastāv starp ķermeņa enerģiju un tā masu:
$E=mc^{2}$.

Pētījumi par enerģiju

• 1842. gads — enerģijas nezūdamības likumu — pirmo termodinamikas likuma pamatu — atklāj vācu dabaszinātnieks Jūliuss Roberts Maiers (un neatkarīgi no viņa arī angļu fiziķis Džeimss Džouls).
• 1850. gadā vācu fiziķis Rūdolfs Klauziuss atklāj otro termodinamikas likumu.
• 1856. gadā angļu fiziķis Viljams Tomsons ievieš terminu "kinētiskā enerģija".
• 1905. gadā vācu fiziķis Valters Nernsts formulē trešo termodinamikas likumu.

Enerģijas iegūšanas avoti

Jau senatnē dabas spēku radītā enerģija tikusi izmantota dažādu ierīču un mehānismu darbināšanai. Aptuveni pirms 2000 gadiem senie grieķi un romieši graudus un olīvas mala ūdensdzirnavās. Vēlāk tvaika mašīnas izgudrošana, dabas gāzes izmantošana elektrības ražošanā ienesa milzīgas pārmaiņas ražošanas attīstībā un enerģijas ieguvē. Mūsdienās elektroenerģijas ražošanai un transportlīdzekļu dzinēju darbināšanai izmanto naftu un ogles, taču šie dabas resursi izsīkst. Tādēļ ir nepieciešams izmantot dabā pastāvošo saules, vēja un ūdens radīto enerģiju. Iespējams arī izmantot kodolenerģiju atomelektrostacijās.

Atjaunīgie enerģijas avoti

Par atjaunīgajiem enerģijas avotiem uzskata tos, kuri nevarētu izzust tuvākajā nākotnē. Šie enerģijas avoti ir ekoloģiski tīrāki, t.i., mazāk bīstami apkārtējai videi, nekā degizrakteņi. Naftu, akmeņogles un dabasgāzi sauc par degizrakteņiem, jo tie ir izveidojušies no sen esošu augu vai dzīvnieku atliekām. Sadedzinot šo degvielu, tiek atbrīvota enerģija, kuru var pārveidot citā enerģijas formā. Degizrakteņi ir neatjaunojami, un to krājumi neglābjami sarūk. Pretstatā degizrakteņiem atjaunīgie enerģijas avoti nekad neizsīks. Tie ir saules gaisma, vējš, plūdmaiņas un lietusūdens, kas rada hidroelektroenerģiju. Trīs ceturtdaļas pasaules elektroenerģijas saražo termoelektrostacijās, kurās izmanto degizrakteņus, kā arī kodolelektrostacijās. Degizrakteņi rada piesārņojumu, un to resursi ir ierobežoti. Kodoldegvielas droša izmantošana ir dārga, bet izlietotā degviela ir bīstama un grūti uzglabājama. Taču pastāv vairākas iespējas, kā darbināt elektriskos ģeneratorus, neradot piesārņojumu vai kodolavāriju risku. Šādu alternatīvu metožu piemērošanai izmanto dabas resursus, kas nekad nebeigsies. Tos sauc par atjaunīgās enerģijas avotiem. Atjaunīgās enerģijas avoti tiek dēvēti arī par alternatīvo enerģiju un var tikt izmantota kā alternatīva degviela tehnoloģiski nodrošinātās automašīnās, mājsaimniecībās u.c.

Enerģijas ieguves veidi

Saules enerģija

Saule uz Zemi izstaro lielu daudzumu enerģijas. Enerģija rodas Saulē notiekošo kodolsintēzes reakciju rezultātā. Zeme saņem tikai nelielu daļu no šīs enerģijas, taču tā pietiekami nodrošina augu, dzīvnieku un cilvēku eksistenci uz planētas. Saules enerģija izpaužas ļoti tīras siltumenerģijas veidā, kas nerada nekādas blakusparādības apkārtējā vidē. Fotogalvaniskie (solārie) elementi šo enerģiju var uztvert, sakrāt un pārvēst elektrībā. Fotogalvanisko elementu ražošana kļuva iespējama tikai 20. gadsimta 50. gados, kad amerikāņu zinātniekiem Dž. L. Pīrsonam, D. M. Čepinam un K. S. Fuleram izdevās no sīkiem solārajiem elementiem izveidot saules bateriju. Saules enerģija ir droša un videi draudzīga, jo tā nerada nekāda veida piesārņojumu. 15% no saņemtajiem saules stariem solārie elementi var pārvērst elektriskajā enerģijā. Zinātnieki cer šos rādītājus uzlabot. Saule ir neizsīkstošs enerģijas avots. Saules enerģiju pārvērš elektrībā saules baterijas, kuras tiek izmantotas arī dažādās ierīcēs, piemēram, kalkulatoros, satelītos un arī telefona tīklos nomaļos rajonos. Daudzās valstīs saules siltumu izmanto arī ūdens sildīšanai. Saules baterijas, ar kurām aprīko kosmiskos kuģus, Saules starojumu tieši pārvērš elektroenerģijā. Saules paneļos, ar kuriem aprīkotas ēkas, izmanto Saules enerģiju, lai uzsildītu ūdeni apkures sistēmās. Saules krāsnis būvē, izmantojot milzīgus spoguļus Saules starojuma fokusēšanai. Visefektīvāk saules enerģiju (kWh) var iegūt, ar saules kolektoriem priekšsildot šķidrumu karstajam ūdenim un apkurei.

Vēja enerģija

Vēja ģenerators

Vējš ir viens no atjaunojamiem resursiem, jo tas pūš vairāk vai mazāk nepārtraukti. Vēja spēku var izmantot mehānismu darbināšanai un elektroenerģijas ražošanai. Pirmās vējdzirnavas izmantoja mehānismu darbināšanai, lai samaltu graudus un veiktu citus darbus. Tagad vējdzirnavām galvenā funkcija ir sūknēt ūdeni no pazemes avotiem un darbināt turboģeneratorus, tā ražojot elektrību. Mūsdienās vēja dzinējus apvieno, izveidojot vēja "laukus" — saimniecības. Visefektīvākie ir vēja dzinēji ar divām vai trijām lāpstiņām, kuras ir līdzīgas lidmašīnas propellerim. Elektroģenerators ir izvietots iekārtas "galvā". Tā var pagriezties, saglabājot lāpstiņu vērsumu pret vēju. Ir arī vēja dzinēji ar izliektām lāpstiņām, kas griežas ap vertikālu asi. Vēja enerģija ir labi izmantojama ilgstošu uzdevumu veikšanai. Vēja dzinējs, piemēram, darbina sūkni, kas sūknē ūdeni no apūdeņošanas kanāliem uz tīrumiem. Vēja ģeneratori ražo elektrību "vēja fermās", piemēram, Almont Pass Kalifornijā, ASV 1980. gados vairāk nekā 20 000 vēja ģeneratori ir uzstādīti visā pasaulē. Zinātnieki paredz, ka ar vēja ģeneratoriem 2030. g. varēs saražot vairāk nekā 10% no visas pasaules elektrības.

Ūdens enerģija

Krītošs ūdens rada pietiekami lielu spēku, lai darbinātu turbīnas, kas ražo elektrību. Hidroelektrostacijās būvē aizsprostus, lai uzkrātu ūdeni ezerā vai ūdenskrātuvē. Izmantojot slūžas, iespējams regulēt ūdens daudzumu, kas krīt uz turbīnām, kuras griežas. Ūdenskrātuves parasti piepildās ar lietusūdeni vai upju ūdeni. Akumulējošās hidroelektrostacijās ir divas ūdenskrātuves dažādos līmeņos. Ūdeni uzsūknē no zemākās ūdenskrātuves, lai piepildītu augstāk izveidoto ūdenskrātuvi. Parasti to veic naktī, kad enerģijas patēriņš ir neliels, un, dienai sākoties, augstākais rezervuārs jau ir piepildīts.

Visvecākais zināmais zemes un akmens dambis tika uzbūvēts pār Garavi ieeju Ēģiptē aptuveni pirms 5000 gadiem. 19. gadsimta vidū pēc franču konstruktora Fransuā Zolā rasējumiem sāka celt modernus arkveida aizsprostus. Tie aptur ūdens vareno spēku, jo ar savu formu spiež ūdens lielo masu uz leju. Bet blīvais un smagais materiāls, no kā dambji ir būvēti, neļauj ūdenim izspiesties cauri.

Hidroelektroenerģija

Hidroelektrostacijās elektrības ražošanai izmanto ūdenskritumus vai dambjus. Krītošais ūdens griež turbīnas, kuras savukārt darbina ģeneratorus. Hidroelektrostacijās iegūst aptuveni 7% no visā pasaulē ražotās enerģijas.

Viļņu enerģija

Ja 1 m augsts un 25 m garš vilnis triecas pret krastu, tad atbrīvojas aptuveni 120 000 džoulu potenciālās enerģijas. Ja to pārvērstu elektriskajā enerģijā, tās pietiktu galda lampas spuldzes kvēlošanai aptuveni vienu stundu. Viļņu jauda 5 km garas krastmalas posmā ir aptuveni 10 miljardi džoulu vienā stundā jeb 2,5 megavati. Tas būtu pietiekami 500 māju apgādāšanai ar elektroenerģiju.

Elektroenerģiju var ražot, izmantojot okeāna viļņu kustības enerģiju. Ūdens neplūst līdz ar vilni, tas kustas tikai augšup un lejup. Šo kustību izmanto ģeneratoru darbināšanai. Vēl viens veids, kā izmantot okeāna enerģiju, ir uzplūdu jaudas ģeneratoru darbināšana. Tajos izmanto upes estuārā diennakts laikā ieplūstošo un izplūstošo ūdeni.

Viļņu enerģijas izmantošana ir uzsākta tikai tagad, ir uzbūvēti daži eksperimentāli ģeneratori. Dažus ģeneratorus paredzēts novietot piekrastē, bet citus — jūras dzīlēs, kur viļņu enerģija ir daudz spēcīgāka. Visiem viļņiem — gan ūdens, gan elektromagnētiskajiem — piemīt enerģija. Ja vilnis pret kaut ko atsitas, tas atdod daļu no savas enerģijas. Ūdenī iemests olis rada vibrāciju, kas izplatās uz visām pusēm kā vilnis. Kad gaismas viļņi sasniedz acs ābola aizmugurējo sieniņu, to enerģija iedarbojas uz tīkleni (gaismas jutīgu slāni) un mēs redzam pasauli. Infrasarkanajiem stariem ar kaut ko saduroties, to enerģija pārveidojas siltumā. Radioviļņu enerģija, tiem saskaroties ar antenu, pārveidojas elektriskajā strāvā, ko radioaparāts pārvērš skaņā.

Plūdmaiņu enerģija

Plūdmaiņu enerģiju pirmoreiz izmantoja Spānijas, Francijas un Anglijas krastos pirms vairāk nekā 900 gadiem. Paisuma laikā tika piepildīti ūdens uzkrāšanās dīķī. Iestājoties bēgumam, ūdens plūda no dīķiem uz jūru, griežot ūdensratus. Modernākas plūdmaiņu izmantošanas metodes ir dambju vai aizsprostu būve pāri upes grīvai. Grīvai jābūt platai un ar tādu sašaurinājumu, lai izveidotos liela augstumu starpība starp augstāko un zemāko ūdens līmeni. Jūras ūdens plūst caur turbīnām gan paisuma, gan bēguma laikā, ražojot elektrību aptuveni desmit stundas diennaktī.

Paisuma un bēguma enerģija

Paisuma un bēguma enerģiju izmanto aizsprostos jeb dambjos, kurus būvē estuāros (applūstošas upes grīvā). Paisuma vai bēguma brīdī ūdens plūst caur milzīgām turbīnām.

Ģeotermālā enerģija

Ģeotermālā enerģija ir Zemes dzīļu siltuma enerģija. Ieži zem Zemes virsas bieži ir karsti. Ģeotermālās elektrostacijās izmanto šo iežu siltumu, lai pārvērstu ūdeni tvaikā. Tvaiku var izmantot elektrības ražošanai vai apsildīšanai. Mūsdienās visvairāk ģeotermālo enerģiju izmanto seismiski aktīvos rajonos, piemēram, Islandē un Jaunzēlandē. Aptuveni 20 valstis izmanto ģeotermālo enerģiju apsildīšanai un elektrības ražošanai.

Biomasas enerģija

Biomasas enerģiju iegūst no organiskām vielām, piemēram, koksnes un lauksaimniecības atkritumiem. Daudzās valstīs ir uzbūvētas biomasas elektrostacijas. Tās nerada lielu gaisa piesārņojumu un parasti neietekmē globālo sasilšanu.

Koksnes un augu enerģija

Malka var būt atjaunojamie resursi, ja izaug pietiekami daudz koku, taču koksnes degšanas rezultātā rodas piesārņojums un palielinās globālā sasilšana. Augi ir potenciāli vērtīgi kurināmā, ķīmisko vielu un citu materiālu resursi. Sojas pupiņas un olīvas audzē eļļas ieguvei, kuru galvenokārt izmanto ēdiena pagatavošanai. Taču tādi mazāk zināmi augi kā, piemēram, kreozots, satur eļļai līdzīgas ķīmiskās vielas, kas kādreiz varētu aizstāt naftu kā degvielu. Jau ir izgatavoti automobiļi, kuros izmanto no cukurniedrēm un citiem augiem ražotu degvielu.

Kodolenerģija

Aptuveni 11,5% pasaules elektroenerģijas tiek saražoti, izmantojot kodolenerģiju. Kodoldegvielā, urāna vai plutonija atomiem sašķeļoties mazākos atomos, rodas siltumenerģija. Šo siltumu izmanto ūdens sakarsēšanai, tāpat kā krāšņu siltumu izmanto parastajās termoelektrostacijās. Kodoldegvielas enerģiju neiegūst no Saules. Tā ir ieslēgta atomu kodolos un atbrīvojas, kad kodoli sašķeļas. Bīstamā kodoldegvielas radioaktivitāte saglabājas vēl tūkstošiem gadu pēc tās izmantošanas reaktoros. Tādēļ kodoldegviela ir rūpīgi jāglabā speciālās glabātuvēs. Atomelektrostacijas neizdala kaitīgas gāzes un nesekmē globālo sasilšanu, taču avārijas vai nepareiza radioaktīvo materiālu glābšana var radīt nopietnus draudus.

Saskaņā ar datiem uz 2015. gada februāri, 31 pasaules valstī ir 435 komerciālo atomelektrostaciju ar kopējo ražošanas jaudu 375 000 MWe, un tās saražo vairāk nekā 11,5% no pasaules elektrības.

Gaismas enerģija

Gaismas enerģija ir elektromagnētiskā starojuma veids. Atkarībā no apstākļiem gaisma var izturēties kā vilnis vai kā daļiņu plūsma.

Gaismas enerģija izplatās no avota uz visām pusēm, tāpat kā ūdens viļņi izplatās no vietas, kur dīķī iemests akmens. Tas ir piemērs, kas liecina par gaismas viļņveida dabu.

Gaismas avotos gaismu izstaro ierosināti atomi un molekulas, pārejot no ierosināta stāvokļa stabilā stāvoklī. Atomu un molekulu ierosināšanai tiek patērēta enerģija. Ikvienā gaismas avotā kāda enerģija pārvēršas gaismas enerģijā. Termiskajos gaismas avotos atomu un molekulu siltumkustības enerģija pāriet elektromagnētiskā starojuma enerģijā. Kvēlspuldzēs elektriskā enerģija pārvēršas gaismas enerģijā. Spuldzes kvēldiegā brīvie elektroni saduras ar kristālrežģa mezglu punktos esošajiem joniem un atdod tiem elektriskā lauka iedarbībā iegūto enerģiju. Trūdošu ķermeņu spīdēšanu izraisa ķīmisko reakciju enerģija.

Enerģija un spēks

Darbs tiek veikts, ja uz ķermeni darbojas spēks. Ja vienu ņūtonu liels spēks pārvieto ķermeni par vienu metru, tad tiek veikts vienu džoulu liels darbs. Ja grāmatu kaudzes pārbīdīšanai pāri 2 m platam kvadrātveida galdam vajadzīgs 100 N liels spēks, tad veiktais darbs ir 100*2=200 J. Šajā piemērā darbs tiek veikts, lai pārvarētu berzes spēku starp grāmatām un galda virsmu.

Enerģija un darbs

Enerģija dod iespēju kaut kam notikt. Tas nav gluži tas pats, kas no Saules nākošā gaisma vai uguns radītais siltums. Zinātnieki saka, ka enerģija ir spēja paveikt darbu. Tā ir iesaistīta visos procesos, kas norisinās Visumā, no zāles augšanas līdz pat zvaigžņu eksplozijām. Vielas enerģija ir ieslēgta tās atomos un molekulās. Ir zināmi daudzi enerģijas veidi. To var pārvērst no viena veida citā. Ja spēks pārvieto ķermeni kādā attālumā, tad tiek veikts darbs. Enerģija ir spēja darīt darbu. Jauda ir ātrums, ar kādu tiek darīts darbs enerģijas pārveidošanā.

Kinētiskā enerģija

Kustībā esošam objektam piemīt enerģija, ko sauc par kinētisko enerģiju. Jo masīvāks ir objekts un jo ātrāk tas kustas, jo lielāka ir tā kinētiskā enerģija. Skrējiena laikā skrējēja muskuļu ķīmiskā enerģija pārvēršas kinētiskajā enerģijā. Jo ātrāk ķīmiskā enerģija spēj pārvērsties kinētiskajā enerģijā, jo lielāku ātrumu spēj attīstīt skrējējs. Distances beigās muskuļi pārtrauc ražot kinētisko enerģiju un gaisa pretestība, kā arī berze starp apaviem un skrejceļa segumu apstādina skrējēja kustību. Distances beigās skrējēji ātri samazina kinētisko enerģiju un apstājas.

Potenciālā enerģija

Ķermeņiem var piemist enerģija atkarībā no tā, kur tie atrodas. Šo enerģijas veidu sauc par potenciālo enerģiju. Tā ir uzkrāta enerģija. Ceļamkrāns, paceļot ķermeni augstu virs zemes, pārvar gravitācijas spēku. Ķermenis uzkrāj enerģiju, kas bija nepieciešama tā pacelšanai. Kad ķermenis tiek atbrīvots, potenciālā enerģija pārvēršas kustībā, un objekts nokrīt atpakaļ uz zemes.

Tāpat potenciālā enerģija piemīt elastīgi deformētiem ķermeņiem. Šajā gadījumā potenciālā enerģija ir spēja veikt darbu. Piemēram, uzvilktam lokam ir potenciālā enerģija un tas veic darbu, piešķirot bultai lidojuma kinētisko enerģiju.

Interesanti fakti par enerģijas patēriņu

1. Lielākie enerģijas patērētāji ir ASV — 24,6% patēriņš no visā pasaulē saražotās enerģijas (24,6% veido rūpnieciski iegūtie kurināmie (nafta, akmeņogles, dabasgāzes), bet koksne un dzīvnieku ekskrementi nav iekļauti, tāpēc dotie skaitļi ir aptuveni). Otra valsts, kas patērē visvairāk enerģijas no visā pasaulē saražotās, ir NVS (16,8%), trešā valsts ir Ķīna (8,4% no visā pasaulē saražotās enerģijas).
2. Lielākie koksnes patērētāji ir Mali 97%, otrajā vietā ir Ruanda 96%, bet trešajā vietā ir Tanzānija 94% no visa enerģijas patēriņa. Daudzas jaunattīstības valstis par enerģijas avotu izmanto koksni.
3. Rekords: pasaulē lielākais vēja turbīnas spārns ir vairāk nekā 50 m garš. Uz šī spārna plecu pie pleca varētu nostāties 100 cilvēku.
4. Katra Lielbritānijas pilsoņa krāsu televizors patērē 20% no viena cilvēka patērētās elektroenerģijas.
5. Visā pasaulē aptuveni 17% no saražotās elektrības patērē apgaismošanai.
6. Lielbritānijā viens pilsonis patērē 10 reižu vairāk nekā viens pilsonis Indijā.
7. Ejot cilvēks patērē piecas reizes vairāk enerģijas, nekā nekustīgi sēžot; skriešanai nepieciešamas septiņas reizes vairāk enerģijas.
8. Apmēram piekto daļu visas pasaules elektroenerģijas ražo hidroelektrostacijās.
9. Mūsdienās izmantotie enerģijas avoti: nafta 37,9%, ogles 30%, gāze 20%, ūdens enerģija 6,8% un kodolenerģija 5,3%.

Skatīt arī

• Elektromagnētiskā lauka enerģija
• Potenciālā enerģija
• Kinētiskā enerģija
• Spēks
• Darbs
• Jauda
• Strāva

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Enerģija.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)
• Encyclopædia Universalis raksts (franciski)
• Zinātniskās fantastikas enciklopēdijas raksts (angliski)