Enerģija

Vikipēdijas raksts
Pārlēkt uz: navigācija, meklēt
Šis raksts ir par fizikālu lielumu. Par citām jēdziena enerģija nozīmēm skatīt nozīmju atdalīšanas lapu.
Enerģijas veidu pārvērtības

Enerģija ir fiziskas sistēmas spēja paveikt darbu. Izšķir enerģiju, kas saistīta ar kustību jeb kinētisko enerģiju, un enerģiju, kas saistīta ar pozīciju jeb potenciālo enerģiju. Enerģija izpaužas fiziskas sistēmas īpašību maiņā. Viens no būtiskākajiem ar enerģiju saistītajiem fizikas likumiem ir enerģijas nezūdamības likums.

Plašākā uztverē ar enerģiju apzīmē arī citus enerģijas veidus. Labs piemērs ir elektriskā enerģija un tās pārvērtības. 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 elektromotoru), ķīmisko (uzlādējot akumulatoru vai veicot elektrolīzi), gaismu (ar spuldzi), siltumu (kas izdalās jebkurā elektriskajā slodzē - pretestībā). Enerģija un spēks nemitīgi maina pasauli. Enerģijai ir daudzas formas, bet vienīgi gaismas enerģija ir redzama. Cilvēki ir uzbūvējuši dažādus mehānismus un ierīces, lai pārveidotu enerģiju no vienas formas citā. Enerģiju nevar radīt no jauna vai iznīcināt, to var tikai pārvērst no viena veida citā. Ar dažādām ierīcēm var realizēt enerģiju veidu pārvērtības. Piemēram, bremzējot mehāniskā kinētiskā enerģija pārvēršas siltumā, savukārt iekšdedzes dzinējā degvielas ķīmiskā enerģija pārvēršas siltumā un kustības kinētiskajā enerģijā.

Relativitātes teorijā pilno ķermeņa enerģiju aprēķina pēc formulas E=mc^2.

Enerģija faktos un skaitļos[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Enerģijas mērvienība ir džouls (J). Enerģija, kuras lielums ir desmit džoulu (10J), ir pietiekama, lai paceltu, pārvarot gravitācijas spēku, vertikāli augšup vairāk nekā par vienu metru (1m) vienu kilogramu (1kg) masas.

Svarīgi fakti:

Enerģijas iegūšana[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Jau tūkstošiem gadu cilvēks ir izmantojis dabas spēku radīto enerģiju dažādu ierīču un mehānismu darbināšanai. Aptuveni pirms 2000 gadiem senie grieķi un romieši graudus un olīvas mala ūdensdzirnavās. Tvaika mašīnas izgudrošana, dabas gāzes izmantošana elektrības ražošanā ienesa milzīgas pārmaiņas mehānikas attīstībā un enerģijas ieguvē. Mūsdienās elektroenerģijas ražošanai un transportlīdzekļu motoru darbināšanai izmanto naftu un ogles, taču šie dabas resursi acīm redzami samazinās. Tādēļ ir nepieciešams izmantot dabā pastāvošo saules, vēja un ūdens radīto enerģiju, kas nekad nebeigsies.

Atjaunojamie enerģijas avoti[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Par atjaunojamiem enerģijas avotiem uzskata tos, kuri nevarētu izzust tuvākajā nākotnē. Šie enerģijas avoti ir ekoloģiski tīrāki, t.i., mazāk bīstami apkārtējai videi, nekā fosilais kurināmais. Naftu, akmeņogles un dabasgāzi sauc par fosilo kurināmo, jo tie ir izveidojušies no sen eksistējošo augu vai dzīvnieku atliekām. Sadedzinot šo degvielu, tiek atbrīvota enerģija, kuru var pārveidot citā enerģijas formā. Fosilais kurināmais ir neatjaunojams, un tā krājumi neglābjami sarūk. Pretstatam fosilajam kurināmajam atjaunojamie enerģijas avoti nekad neizsīks. Tie ir saules gaisma, vējš, plūdmaiņa un lietusūdens, kas rada hidroelektroenerģiju. Trīs ceturtdaļas pasaules elektroenerģijas saražo termoelektrostacijās, kurās izmanto fosilo kurināmo, kā arī kodolelektrostacijās. Fosilais kurināmais rada piesārņojumu, un tā 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 atjaunojamiem enerģijas avotiem. Atjaunojamie enerģijas avoti tiek dēvēti arī par alternatīvo enerģiju un var tikt izmantota kā alternatīva degviela tehnoloģiski nodrošinātās automašīnās, mājsaimniecībās u.c.

Solārā (Saules) enerģija[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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. gs. 50. gados, kad amerikāņu zinātniekiem Dž. L. Pīrsonam, D. M. Čepinam un K. S. Fuleram izdevās no sīkiem solārajiem elementiem izveidot saules bateriju. Solārā 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.

Vēja enerģija[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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. Šis vēja motors darbina sūkni, kas sūknē ūdeni no apūdeņošanas kanāliem uz tīrumiem, kur ūdens ir nepieciešams. 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[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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 pielildinātu 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. gs. 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[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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 uzkrāta 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 acābola aizmugurējo sieniņu, to enerģija iedarbojas uz tīkleni (gaismas jūtīgu 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[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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 būvē pāri upes grīvai. Grīvai jābūt platai un ar tādu sašaurinājumu, lai izveidotos liela augstumu starpība starp augstāko un zemāko ūdens līmenī. Jūras ūdens plūst caur turbīnām gan paisuma, gan bēguma laikā, ražojot elektrību aptuveni desmit stundas diennaktī.

Paisuma un bēguma enerģija[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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

Ģeotermālā enerģija[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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.

Augu enerģija[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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 kādā dienā varētu aizstāt naftu kā degvielu. Jau ir izgatavoti automobiļi, kuros izmanto no cukurniedrēm un citiem augiem ražoto degvielu.

Kodolenerģija[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Aptuveni 10% pasaules elektroenerģijas tiek saražoti, izmantojot kodolenerģiju. Kodoldegvielā, urāna vai plutonija atomiem sašķeļoties mazākos atomos, rodas siltumenerģija. Šo siltumu izmanto ūdens vārīšanai, 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 tā ir rūpīgi jāglabā speciālās glabātuvēs. Visā pasaulē ir aptuveni 350 atomelektrostaciju, un tās saražo vairāk nekā 5% no pasaules elektrības. Atomelektrostacijas, neizdala kaitīgas gāzes un nesekmē globālo sasilšanu, taču avārijas un nepareiza radioaktīvo stieņu glābšana rada nopietnus draudus.

Gaismas enerģija[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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.

Kustības enerģija[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

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.

Enerģijas pārvēršanās[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Enerģiju nevar ne iznīcināt, ne arī radīt no nekā. Ja vien kaut kas notiek, tad kāda enerģijas forma pārvēršas citā. Spēkstacijās saražotā siltumenerģija tiek nodota ūdenim. Tas pārvēršas tvaikā, kas tiek izlaists pa lieliem betona skursteņiem. Tvaika kinētiskā enerģija griež turbīnu. Turbīnas rotācijas (griešanās) kustības kinētiskā enerģija darbina ģeneratoru, kas pārveido kinētisko enerģiju elektriskajā, ko mēs visi izmantojam.

Interesanti fakti par enerģiju[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

  1. Lielākie enerģijas patērētāji ir ASV valsts - 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). Otrā valsts, kura pielieto visvairāk enerģijas no visā pasaulē saražotā ir NVS 16,8% un trešā valsts ir Ķīna 8,4% no visā pasaulē saražotās enerģijas.
  2. Lielākie kodolenerģijas lietotāji ir Lietuva - 85,59%, otrā valsts kodolenerģijas lielākajiem lietotājiem ir Francija - 76,14%, bet trešā valsts, kura patērē kodolenerģiju ir Beļģija 55,52% no visas saražotās enerģijas.
  3. Lielākie koksnes patērētāji ir Mali 97%, otrajā vietā ir Ruanda 96%, bet trešajā vietā ir Tanzānija 94% no visa enerģijas patēriņa. Daudzas jaunattīstītās valstis par enerģijas avotu izmanto koksni.
  4. Rekords: pasaulē lielākais vēja turbīnas spārns ir vairāk nekā 50 m garš. Uz šī spārna plecu pie pleca varētu nostāties 100 cilvēku.
  5. Katra Lielbritānijas pilsoņu krāsu televizors patērē 20% no viena cilvēka patērētās elektroenerģijas.
  6. Visā pasaulē aptuveni 17% no saražotās elektrības patērē apgaismošanai.
  7. Lielbritānijā viens pilsonis patērē 10 reižu vairāk nekā viens pilsonis Indijā.
  8. Ejot cilvēks patērē piecas reizes vairāk enerģijas, nekā nekustīgi sēžot; skriešanai nepieciešamas septiņas reizes vairāk enerģijas.
  9. Apmēram piekto daļu visas pasaules elektroenerģijas ražo hidroelektrostacijās.
  10. Mūsdienās izmantotie enerģijas avoti: nafta 37,9%, ogles 30%, gāze 20%, ūdens enerģija 6,8% un kodolenerģija 5,3%.

Skatīt arī[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]