Przemiany energii w przyrodzie. Alternatywne źródła energii.
Chcąc podnieść za pomocą dźwigu wielotonowy ciężar wykorzystujemy energię prądu elektrycznego, jazda samochodem wymaga energii zawartej w paliwie, poruszamy sie dzięki energii zawartej w pokarmie. Wykonanie jakiejkolwiek pracy ( w sensie fizyki ) zwiazane jest z poborem energii. Energią nazywamy skalarną wielkość fizyczną będącą ogólną miarą rozważanych w fizyce postaci ruchu materii. Energia układu w sposób ilościowy opisuje ten układ pod względem możliwych przemian ruchu.
Przemiany te zachodzą dzięki oddziaływaniu części układu między sobą lub z ciałami zewnętrznymi (otoczeniem zewnętrznym ). W fizyce, do analizy jakościowo różnych postaci ruchu i odpowiadajacych im oddzialywań wprowadza się różne postacie energii: mechanicną, wewnętrzną, elektromagnetyczną, jądrową itp. Dodatkowo , energię ruchu mechanicznego ciała nazywa się energią kinetyczną, natomiast część energii mechanicznej układu zależną tylko od jego konfiguracji, czyli od wzajemnego rozmieszczenia wszystkich cząsteczek ( punktów materialnych ) układu i ich położenia w zewnętrznym polu sił - energią potencjalną
Przemiany energii w przyrodzie. Alternatywne źródła energii w gospodarce człowieka.
Całokształt reakcji biochemicznych zachodzących w komórkach organizmów żywych, zapewniający im wzrost, pobudliwość, zdolność do ruchu, egzystencji, regeneracji i rozmnażania opiera się na przekształcaniu energii potencjalnej dużych cząsteczek węglowodanów, tłuszczów i białek w energię kinetyczną i ciepło, w wyniku przemiany tych związków w inne, prostsze substancje. Ten stały przepływ energii w obrębie komórki i między komórkami jest jedną z charakterystycznych właściwości istot żywych. Nauka zajmująca się badaniem przekształceń energii w żywych organizmach nosi nazwę bioenergetyki. W świecie istot żywych wyróżniono trzy główne typy przekształceń energii:
1/ pochłanianie energii promieniowania słonecznego przez występujący w komórkach roślinnych chlorofil i przekształcaniu go w procesie fotosyntezy w energię chemiczną, wykorzystywaną następnie do syntezy węglowodanów i innych złożonych związków organicznych,
2/ przekształcanie energii chemicznej cząsteczek węglowodanów i innych związków w użyteczną biologicznie energię wysokoenergetycznych wiązań fosforanowych ( wśród wysokoenergetycznych związków fosforowych najważniejszym, uniwersalnym przenośnikiem jest adenozynotrójfosforan – ATP) w mitochondriach, w procesie oddychania komórkowego,
3/ wykorzystywanie przez komórki energii związków wysokoenergetycznych do wykonywania pracy, np. mechanicznej – przy skurczu mięśni, elektrycznej – przy przewodzeniu impulsów , osmotycznej – przy przemieszczaniu się komórek wbrew
gradientowi stężeń , czy chemicznej - przy syntezie cząsteczek potrzebnych do wzrostu organizmu.
Ponadto wszystkie istniejące na Ziemi organizmy żywe powiązane są ze sobą w tzw. łańcuchy pokarmowo – energetyczne. Sytuację energetyczną, jaka ma miejsce na łące o powierzchni 1 ha w czasie 1 roku można przedstawić schematem:
SŁOŃCE ŁĄKA
16 747 000 MJ 1 ha KROWA CZŁOWIEK
( energia słoneczna ) ( produkcja pierwotna ) ( produkcja wtórna )
Interpretacja :
W stosunku do początkowej ilości energii słonecznej docierającej w ciągu roku do łąki i traktowanej tu jako 100 % rośliny zielone wykorzystują zaledwie 13 %, do krów dociera tylko 0,2% , a do człowieka – 0,01%.Dzieje się tak dlatego, że znaczna część przyjętej energii zostaje zużyta na utrzymanie procesów życiowych i w kolejnych przemianach przekształca się w ciepło. Żadne organizmy nie potrafią wiązać energii cieplnej, więc ta część energii, która stała się ciepłem, jest dla nich stracona . Ale uwzględniając wszystkie rodzaje energii, ich suma pozostaje stała (energia nie powstaje i nie ginie - jest przetwarzana i przekazywana z obiektu na obiekt ).
Toteż mówiąc o źródłach energii, mamy na myśli substancje lub procesy wykorzystywane przez człowieka do wyprodukowania energii elektrycznej, cieplnej lub mechanicznej.
Jednym z ważniejszych wynalazków w historii cywilizacji była maszyna parowa Jamesa Watta - urządzenie, które zamienia ciepło w energię mechaniczną , zastępującą pracę człowieka. Równie doniosłe było wynalezienie silnika spalinowego, żarówki, silnika elektrycznego, a w końcu urządzeń elektrycznych. Z tymi wynalazkami wiąże się ciągły wzrost zapotrzebowania na energię. Większość energii elektrycznej wytwarzamy spalając paliwa kopalne:
- węgiel kamienny – skała osadowa pochodzenia organicznego, powstała z drzewiastych paprotników w wyniku OROGENEZY HERCYŃSKIEJ ( ruchy tektoniczne - obniżenie terenu - wypełnienie wodą, naniesienia materiału mineralnego przez napływające rzeki - odcięcie dopływu tlenu - karbonizacja), wydobywany w Europie od XVII wieku, choć jako źródło ciepła znany był już w czasach prehistorycznych ,
- węgiel brunatny – powstał w wyniku OROGENEZY ALPEJSKIEJ w sposób identyczny jak węgiel kamienny, ale zabrakło czasu do zakończenia karbonizacji – stąd słaba wartość energetyczna ( zawiera dużo wody ), jest używany bezpośrednio w kompleksach wydobywczo-energetycznych , natomiast jego transport już się nie opłaca,
- ropa naftowa – występuje w tzw. pułapkach naftowych, które powstały w wyniku fałdowań alpejskich ( TRZECIORZĘD), prawdopodobnie pochodzenia organicznego zwierzęcego, choć nie ma zdecydowanej teorii powstania ropy,
- gaz ziemny – „czapa” gazowa ropy naftowej , ale może też występować samodzielnie, prawdopodobnie powstał w wyniku rozkładu planktonu zwierzęcego bez dostępu tlenu pod pokładami nie skamieniałego, ale zwięzłego piasku.
Spalenie wyżej wymienionych paliw dla uzyskania energii cieplnej, elektrycznej, mechanicznej, wiąże się z powstawaniem dwutlenku węgla . Istnieje zatem zagrożenie, że nastąpi ocieplenie klimatu Ziemi. Paliwa kopalne zawierają też pewne ilości siarki. Podczas ich spalania powstają tlenki siarki, które łącząc się z parą wodną w atmosferze, tworzą kwas siarkowy ( kwaśne deszcze).Elektrownie węglowe wytwarzają też dużo pyłu , unoszonego przez wiatr na duże odległości. Globalny problem energetyczny polega jednak na zagrożeniu wyczerpania się tych, dotąd wykorzystywanych, a nieodnawialnych zasobów surowców energetycznych. Aby zapobiec temu podejmuje się poszukiwania alternatywnych źródeł energii - atomowej, słonecznej, siły wiatru, wykorzystywania zjawisk geotermicznych, odpadów roślinnych, zwierzęcych, przemysłowych oraz bardziej racjonalnego wykorzystywania tradycyjnych źródeł ( ropa, gaz, węgiel ), wprowadzania mniej energochłonnych sposobów produkcji i życia. Szczególnie elektrownie wiatrowe uzyskują coraz więcej zwolenników na całym świecie. Najwięcej energii z wiatru produkuje się obecnie w Stanach Zjednoczonych, w Danii, Niemczech, Wielkiej Brytanii i Holandii. Podstawowym warunkiem powstania elektrowni wiatrowej są warunki wiatrowe. Do pracy śmigła wiatraka potrzebny jest podmuch wiatru o prędkości 4 m/s. Przy 5m/s urządzenie zaczyna produkować prąd. Oprócz silnego wiatru potrzebny jest wolny teren ( w promieniu 400m nie może być żadnych budynków i drzew).Wiatraki nie mogą być sytuowane na terenie rezerwatów i obszarów podmokłych. Zgodę na ich wybudowanie musi wyrazić także dowództwo lotnictwa wojskowego. Rozpoczęto budowę pierwszej w Polsce Energetycznej Farmy Wiatrowej w polskiej strefie Bałtyku. Ekologiczna elektrownia będzie zlokalizowana na sztucznej wyspie. Pierwsze wiatraki mają ruszyć w sierpniu tego roku. Docelowo farma liczyć będzie minimum 49 turbin wiatrowych -generatorów o mocy po 2 MW każda.
Trwają także prace projektowe nad budową elektrowni wiatrowej w Kisielicach koło Kwidzynia. Projekt ten realizowany jest dzięki dotacji Programu Eko-Links, będącego inicjatywą Amerykańskiej Agencji Rozwoju Międzynarodowego ( USAiD ).
W krajach o dużym nasłonecznieniu alternatywą są kolektory słoneczne . Ogniwa zamieniające energię świetlną na elektryczną są jeszcze wciąż bardzo drogie , podobnie jak wysoki koszt związany jest z uruchomieniem pomp cieplnych wykorzystujących różnicę temperatur nawet rzędu 0,1 C.
Do napędzania turbin elektrycznych próbuje się wykorzystywać energię spiętrzonej wody.
Nie powstają przy tym żadne produkty uboczne. Jednak zapory wodne nie są korzystne dla środowiska. Podczas ich budowy zostają zniszczone ( przez zalanie ) ekosystemy dolin rzecznych. Ponadto zbiorniki powoli wypełniają się mułem naniesionym przez rzekę, i ich czas funkcjonowania jest ograniczony.
W Japonii wykorzystuje się energię fal morskich i uzyskuje tą drogą 40 tys. MW , bez odpadów i zanieczyszczeń.
W USA, Indiach, Chinach oraz Szwajcarii, Francji i Niemczech coraz szerzej stosowany jest biogaz, czyli gaz z fermentacji odpadów organicznych przy udziale bakterii metanowych. Jest łatwopalny, zużywa 65 % metanu . Można używać go zamiast gazu ziemnego: palić w kuchni, ogrzewać mieszkanie, także napędzać generatory prądu elektrycznego.
W elektrowniach jądrowych energia pochodzi z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych . Nie tworzy się przy tym dwutlenek węgla, dwutlenek siarki ani pyły. Produktem ubocznym są jednak odpady radioaktywne – głównie zużyte paliwo reaktorów jądrowych, które wydziela szkodliwe promieniowanie przez tysiące lat.
Duże nadzieje wiąże się z reakcją termojądrową polegającą na połączeniu jąder atomowych dwóch odmian ( izotopów) wodoru. Podczas tej reakcji wydziela się energia , nie powstają przy tym żadne produkty radioaktywne. Zasoby wodoru są olbrzymie, narazie jednak nie udało się opracować metod kontrolowania reakcji termojądrowej.