Prečo energia nikdy nezmizne?

Pusti loptu na zem a odskočí späť nahor. Každý odskok je však o kúsok nižší ako ten predošlý, až kým lopta nezostane ležať na zemi. Kam sa podela jej energia? Zmizla?

Vedci to overovali znova a znova, v tisícoch pokusov. Odpoveď je vždy rovnaká. Energia nikdy nezmizne. Len sa presunie inam alebo sa zmení na inú podobu.

Pravidlo, ktoré sa nikdy neporuší

Je to jedno z najdôležitejších pravidiel celej vedy. Volá sa zákon zachovania energie. Slovo „zachovanie“ tu znamená, že množstvo energie zostáva rovnaké.

Pravidlo má dve časti:

• Energia nikdy nevznikne z ničoho.
• Energia nikdy nezanikne.

Energia sa môže iba presúvať z jedného miesta na iné alebo meniť z jednej podoby na inú. Sčítaj všetku energiu predtým, ako sa niečo stane, a všetku energiu potom. Vždy ti vyjde rovnaké množstvo.

Hojdačka: výška a rýchlosť sa striedajú

Sadni si na hojdačku a popros niekoho, aby ťa potiahol dozadu, vysoko hore. V najvyššom bode sa na chvíľu zastavíš. Energia hojdania je teraz celá uložená vo výške.

Potom sa spustíš dole. Výška sa mení na rýchlosť a v najnižšom bode sa pohybuješ najrýchlejšie. Teraz sa z nej stala pohybová energia.

Na druhej strane zase stúpaš a spomaľuješ. Rýchlosť sa mení späť na výšku. Výška, rýchlosť, výška, rýchlosť: energia sa stále mení z jednej podoby na druhú.

Ak ťa však nikto neroztláča, hojdačka vyletí zakaždým o kúsok nižšie. Nakoniec sa zastaví. Zmizla jej energia?

Nie! Reťaze sa trú o háky a hojdačka odtláča zo svojej cesty vzduch. Zakaždým sa tak kúsok pohybu zmení na teplo. Háky aj vzduch sa nepatrne zohrejú.

Keď sa dve veci o seba trú, pohyb sa mení na teplo. Tento jav sa volá trenie.

Môžeš si to vyskúšať: desať sekúnd si rýchlo šúchaj dlane o seba. Cítiš, ako sa zohriali? To, čo cítiš, je pohybová energia, ktorá sa zmenila na teplo.

Skákajúca lopta

Skákajúca lopta rozpráva ten istý príbeh. Keď padá, jej výška sa mení na rýchlosť. Keď narazí na zem, trochu sa stlačí ako pružina. Potom sa odrazí a vyletí späť nahor.

Každý odskok je však nižší. Pri každom náraze sa časť energie zmení na teplo v lopte a v podlahe. Časť sa zmení na zvuk odrazu a aj zvuk postupne utíchne a zmení sa na teplo.

Teraz to všetko sčítaj: teplo, zvuk aj energiu, ktorá v lopte ešte zostala. Spolu to dá presne toľko energie, koľko mala lopta na začiatku.

Kam sa podeje „minutá“ energia?

Často hovoríme, že sa energia „minula“. Batéria sa vybije a autu dôjde palivo. Energia však nezmizla. Zmenila sa na podoby, ktoré už nevieme využiť – väčšinou na teplo.

Pozri sa na vreckovú baterku. Energia uložená v batérii sa zmení na elektrinu a potom na svetlo. Svetlo dopadne na steny a nepatrne ich zohreje. Nakoniec sa všetka energia zmení na teplo, ktoré sa rozptýli po celej izbe.

Rozptýlené teplo sa dá znova využiť len veľmi ťažko. Je to ako s hradom z piesku, ktorý vietor rozfúkal po celej pláži. Žiadne zrnko piesku nezmizlo, ale hrad z neho už nepostavíš.

Preto stále potrebujeme novú, užitočnú energiu. Naše telo potrebuje jedlo, autá palivo a domácnosti elektrinu z elektrární.

Prečo žiadny stroj nemôže bežať večne

Stovky rokov snívali vynálezcovia o stroji, ktorý by bežal navždy bez akéhokoľvek postrčenia. Niektorí dúfali, že bude dokonca zadarmo vyrábať energiu navyše. Takémuto vysnívanému stroju sa hovorí perpetuum mobile. Po latinsky to znamená „večne sa pohybujúce“.

Ani jeden z nich nikdy nefungoval a ani fungovať nebude. Stroj nedokáže vyrobiť energiu z ničoho. A každý skutočný stroj stráca kúsok svojho pohybu trením – mení sa na teplo. Bez novej energie sa spomalí a zastaví.

Hádanka s tepelným čerpadlom

Tu je hádanka. Tepelné čerpadlo dokáže dodať domu asi trikrát viac tepla, než koľko spotrebuje elektriny. Porušuje to pravidlo? Vyrába energiu z ničoho?

Nie. Väčšina tohto tepla vôbec nepochádza z elektriny. Tepelné čerpadlo používa elektrinu na to, aby presúvalo teplo, ktoré už existuje. Aj studený zimný vzduch má v sebe trochu tepla, ktoré tepelné čerpadlo pozbiera a prenesie do domu.

Keď všetko spočítaš, pravidlo stále platí. Teplo odobraté zvonku spolu s elektrinou dá presne toľko tepla, koľko príde do domu. Nič nevzniká z ničoho.

Poďme hlbšie: Prvý termodynamický zákon pre dospelých a extra zvedavých

Termodynamika je veda o teple a energii. Jej prvý zákon je práve zákon zachovania energie, zapísaný pre jeden predmet:

$$\Delta U = Q + W$$

Tu $\Delta U$ je zmena energie uloženej vo vnútri predmetu (jeho vnútornej energie), $Q$ je teplo, ktoré doň vtečie, a $W$ je práca, ktorú na ňom niekto vykoná – napríklad keď ho stláča alebo mieša. Všetky tri veličiny meriame v jouloch (J).

Energia nemôže zmiznúť, ale môže sa stať menej užitočnou. Rozptýlené teplo sa už nikdy nedá celé premeniť späť na pohyb. To opisuje druhý termodynamický zákon (pozri článok teplo).

Pravidlo obstálo v každej skúške, od hojdačiek až po hviezdy. Pri jadrových reakciách sa za energiu považuje aj hmotnosť – podľa slávneho Einsteinovho vzťahu $E = m c^2$: energia sa rovná hmotnosti krát druhej mocnine rýchlosti svetla. Keď ju započítame, celkové množstvo energie zostáva rovnaké.

Poďme hlbšie: Pokus s lopatkovým kolesom pre dospelých a extra zvedavých

V 40. rokoch 19. storočia James Prescott Joule ukázal, že teplo a pohyb sú dve podoby tej istej veci. Nechal padajúce závažie roztáčať lopatkové koleso v uzavretej nádobe s vodou. Lopatky vodu miešali a voda sa nepatrne zohriala.

Joule meral veľmi presne. Rovnaké množstvo padania vždy prinieslo rovnaké zohriatie: asi 4,2 joulu pohybu zohreje 1 gram vody o 1 °C. Pred Joulom si mnohí vedci mysleli, že teplo je neviditeľná tekutina, „tepelná látka“ (kalorikum). Jeho pokusy pomohli ukázať, že teplo je podoba energie. Po ňom je pomenovaná aj jednotka energie – joule.

Poďme hlbšie: Ako spočítať energiu tepelného čerpadla pre dospelých a extra zvedavých

Inžinieri opisujú tepelné čerpadlo jeho vykurovacím faktorom (COP): je to teplo, ktoré čerpadlo dodá, vydelené elektrinou, ktorú spotrebuje. COP 3 znamená 3 kWh tepla z 1 kWh elektriny.

Tie 2 kWh navyše nevznikli z ničoho. Čerpadlo ich vzalo z vonkajšieho vzduchu, zo zeme alebo z vody v jazere či rieke. Čím je vonku chladnejšie, tým viac sa musí tepelné čerpadlo namáhať a tým je jeho COP nižší.

Poďme hlbšie: Kde obrázok s vodou nesedí pre dospelých a extra zvedavých

• Voda je látka, ktorú vidíš a môžeš sa jej dotknúť. Energia nie: je to veličina, číslo, ktoré sa dá vypočítať a ktoré príroda udržiava stále rovnaké.
• Vyliatu vodu môžeš utrieť a naliať späť do džbánu. Rozptýlené teplo sa samo nikdy nezhromaždí späť na jedno miesto. Aby sa dalo znova pozbierať, treba stroj, ktorý spotrebuje ďalšiu energiu.

Over sa

Prečo sa hojdačka pomaly zastaví, keď ju nikto neroztláča?

Jej energia zmizne Jej pohyb sa pomaly mení na teplo – trením a odtláčaním vzduchu Zem ju prestane priťahovať

Ukáž odpoveď

Jej pohyb sa pomaly mení na teplo – trením a odtláčaním vzduchu — Energia nezmizne. Trenie v hákoch a odpor vzduchu pomaly menia pohyb hojdačky na teplo.

Over sa

Tepelné čerpadlo dodá domu trikrát viac tepla, než koľko spotrebuje elektriny. Ako je to možné?

Vyrába energiu z ničoho Presúva teplo zo vzduchu vonku do domu Elektrina je trikrát silnejšia ako teplo

Ukáž odpoveď

Presúva teplo zo vzduchu vonku do domu — Aj studený vzduch má v sebe trochu tepla. Tepelné čerpadlo ho prenesie dnu. Teplo zvonku spolu s elektrinou dá teplo, ktoré dostane dom.