Is the Term “Energy” in Physics (and Outside It) Used Always Correctly? Je pojem energie užíván ve fyzice (a mimo ni) vždy správně? Bohumil Vybíral Abstract: The article is dealing with an important term “energy”, that is known as a physical quantity but it is also used in a conceptual meaning in physics when it cannot be understood as a measurable physical quantity (e.g. “energy transmission”, “energy transformation”, energy source”). Outside the physics we can usually meet inappropriate and misleading phrases such as “energy production”, “energy consumption” etc. This problem is discussed in the article and instead of the stated conceptual meaning of the word “energy” (a noun in the grammar) it suggests to use the word “energetic” (an adjective) or replace the inappropriate phrase with a correct, brief indirect expression. A vocabulary of inappropriate physical usage of the term “energy” and appropriate correct expressions is attached. Keywords: Energy, physical quantity, energetic. Abstrakt: Stať se zabývá významným pojmem energie, který je sice zaveden jako fyzikální veličina, avšak užívá se i ve fyzice také v abstraktním významu, kdy již jej nelze chápat jako měřitelnou fyzikální veličinu (např. „přenos energie“, „přeměna energie“, „zdroj energie“). Mimo fyziku se běžně setkáme s fyzikálně nevhodným a zavádějícím spojením jakým je „výroba energie“, „spotřeba energie“ aj. Stať tuto problematiku diskutuje a místo uvedeného abstraktního významu slova energie (gramaticky podstatného jména) navrhuje užívat slovo energetický (jako přídavné jméno), případně fyzikálně nevhodné spojení nahradit správným stručným opisem. Zavádí rovněž pojem „energetický stav“ tělesa. Je uveden slovník fyzikálně nevhodných užití pojmu energie a adekvátních spojení slov fyzikálně správných. Klíčová slova: Energie, fyzikální veličina, energetický.
1 Úvod do problému Odpověď na otázku v názvu stati se evokuje hned: bohužel není. Problém je to v tom, že týž pojem se užívá ve dvou různých významech (i když zdánlivě podobných). Energie je jednak významná fyzikální veličina, tedy veličina v konkrétní situaci měřitelná (např. kinetická energie tělesa pohybujícího se vzhledem l určité inerciální vztažné soustavě), jednak jde o různé abstraktní pojetí tohoto pojmu, jako neměřitelná entity, užívané v různých významech (např. přenos energie, degradace energie, zdroj energie či dokonce výroba energie). Pojetí energie se v průběhu didaktického vývoje fyziky měnilo a rozšiřovalo. Lze se setkat se zcela nehomogenní pojetím energie ve fyzice, např. Duit (1981, 1984) uvádí tento výčet: • Energie je schopnost konat práci (jde o „tradiční“ pojetí, ve školách stále užívané). • Energie je schopnost způsobovat změny. • Energie je schopnost produkovat teplo. • Energie je obecným druhem paliva. • Energie je „kvazimateriální“ substance. • Energie je abstraktní veličina. Z výčtu je zřejmé, že se s pojmem energie ve fyzice sice pracuje jednak jako s měřitelnou veličinou, avšak také jako s nějakou substancí, fluidem, neuchopitelnou věcí (dokonce i jako XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
1
s nějakým abstraktním palivem). V předložené stati je analyzován uvedený dvojí pohled na tento významný pojen a je navrženo určité řešení, jak se s touto nežádoucí a zavádějící obsahovou dvojznačností pojmu energie vyrovnat. To, že řešení problému není jednoduché, je dáno již tím, že pojem energie je jednak obsažen ve všech oborech fyziky, jednak jde o pojem, který je z rozličných důvodů velmi frekventován v technických oborech a vůbec v celé společnosti – samozřejmě nejen české. V minulosti – asi před padesáti roky – se podobná dvojznačnost řešila (a vyřešila) i kolem pojmu hmota, který se užívál jednak abstraktně ve filosofii (i ve fyzice jako látka a pole), jednak se užíval konkrétně jako důležitá fyzikální veličina. Řešení problému bylo jednoduší již v tom, že nešlo o pojem tak široký a také prakticky jen český (v jiných jazycích se obsah rozlišoval užíváním dvou rozdílných slov, např. v angličtině matter, mass). Česká fyzikální terminologie proto také zavedla dvě různá slova – hmota, hmotnost – a podařilo se je postupně prosadit do užívání ve fyzice, technických oborech a v celé české společnosti. Tehdy fyzika tedy poměrně snadno ustoupila filosofii, protože se jí podařilo pro veličinu, která je mírou setrvačných a gravitačních účinků těles, najít pěkný český výraz hmotnost, analogicky podobné veličině v elektromagnetismu, kde indukčnost je mírou elektromagnetické setrvačností proudu v elektrických obvodech; slovo hmotnost má podobnou jazykovou strukturu.
2 Energie jako fyzikální veličina Energie ( E ) je významná skalární fyzikální veličina, která se uplatňuje ve všech oborech fyziky, v nichž charakterizuje formy pohybu hmoty (Svoboda, 1996; Mechlová, 1999). Toto vyjádření je dosti vágní, málo vypovídající. Důsledkem je, že se ve fyzice s tímto pojmem vždy nezachází jako s měřitelnou veličinou. Toto je první část problému, na který je předložený příspěvek zaměřen s cílem navrhnout, jak by se ne zcela správný přístup k pojmu energie přijatelně odstranil. Energii lze konkrétněji charakterizovat jako fyzikální veličinu, když pomocí ni budeme popisovat energetický stav těles (obecně materiálních objektů) a jejich soustav. Energetický stav materiálních objektů může být (Zelenka, 2014): • kinetický, • potenciální, • strukturální. Kinetický energetický stav těles souvisí s jejich pohybem v určité vztažné soustavě. Popisuje jej kinetická (pohybová) energie ( E k ). Kinetický stav může být makroskopický, kdy se těleso (nebo soustava těles) pohybuje (obecně translačním a rotačním pohybem) jako celek, přičemž u soustavy těles i pohybem těles i vůči sobě. Tento makroskopický pohybový stav popisuje mechanická kinetická energie. Mikroskopický kinetický stav makroskopických těles (pevných a tekutých) naopak souvisí s mikroskopickým pohybem jeho strukturálních částí, tj. chaotickým, rotačním a vibračním pohybem molekul a atomu v klidové soustavě spojené s tělesem. Mikroskopický kinetický energetický stav těles popisuje podstatná část veličiny vnitřní energie ( U ) těles, s níž pracuje termika a termodynamika. Mikroskopický kinetický energetický stav elektricky vodivých těles je podstatou vzniku elektrického proudu, jako usměrněného pohybu nabitých částic – proudu jako zdroje magnetického pole. Magnetickou energii lze tak tedy chápat jako složku kinetické energie, i když se společně s elektrickou energií vyčleňuje jako zvláštní druh energie – elektromagnetická energie ( Eem ). Potenciální energetický stav těles (materiálních objektů a jejich soustav) souvisí s jejich polohou ve fyzikálních polích vytvořených jinými tělesy. Tento stav popisuje veličina potenciální (polohová) energie ( Ep ), např. gravitační energie, elektrická (elektrostatická) energie. XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
2
Tato energie je určena až na konstantu – při výpočtu (či měření) je nutné volit nulovou (či vztažnou) hladinu energie. Makroskopicky k potenciální energii patří také tlaková potenciální energie tekutin a potenciální energie pružnosti deformovaných pružných těles. Mikroskopicky se zde však jedná o komplexní změnu kinetického a potenciálního energetického stavu mikročástic (zejména u plynu je tlak a tlaková energie projevem změny kinetického energetického stavu molekul plynu při jejich interakci se stěnou nádoby). Mikroskopická potenciální energie pevných a tekutých těles se rovněž zahrnuje do vnitřní energie – viz dále. Strukturální energetický stav těles (resp. složených materiálních objektů) souvisí s vazbou složkových materiálních objektů do strukturálních soustav (mikroskopických i makroskopických). Tento strukturální stav popisuje vazební energie ( E v ). U atomů jde např. o jadernou energii (vazební energii nukleonů v jádře), ionizační energii (vazební energii jednotlivých elektronů v obale atomu) a vazební energii atomů v molekule. Tyto jmenované případy se v širším slova smyslu rovněž zahrnují do vnitřní energie těles. Do kategorie energie strukturálních soustav makroskopických těles se zahrnuje např. gravitační vazební energie vesmírných těles – např. Země, Slunce, Galaxie (viz např. Zelenka, 2014). Energetický stav fyzikálních soustav se v důsledku určitých dějů v prostoru a čase mění – tj. jeden energetický stav částečně nebo úplně přehází do druhého stavu, avšak energie (jako veličina, která stavy fyzikálně popisuje) se při těchto změnách v izolované soustavě zachovává – zákon zachování energie ( E = Ek + Ep + E v ). Zákon zachování energie soustavy těles v izolované fyzikální soustavě je charakteristikou stálosti celkové energie jako fyzikální veličiny. Několik poznámek k chápání pojmu vnitřní energie tělesa (pevného či tekutého). V moderních učebnicích fyziky (např. Svoboda, 1996) se chápe ve dvou významech. V širším komplexním významu zahrnuje: • Celkovou kinetickou energii U k tepelného pohybu částic, které tvoří soustavu tělesa.
• Celkovou potenciální energii U p částic jejich vzájemného silového působení. • Energii elektronů v elektronových obalech atomů a iontů. • Energii jader atomů. Při zkoumání tepelných dějů, kterými se zabývá termika a zvláště termodynamika, se pojem vnitřní energie látky omezuje jen na první dva uvedené příspěvky, neboť složky podle dalších dvou bodů se při těchto dějích nemění. Vnitřní energie v užším významu, s nímž pracuje nauka o teple, tedy je U = U k + U p . Z hlediska popisovaných energetických stavů těles zahrnuje vnitřní energie v širším slova smyslu mikroskopicky všechny tři složky (kinetickou, potenciální i strukturální). Druhá poznámka se vztahuje ke zmíněné elektromagnetické energii (resp. energii elektromagnetického pole). Tento pojem rovněž patří k správně užívaným pojmům, protože jde o měřitelnou veličinu. Pro její prostorovou hustotu platí G G G G w = we + wm = 12 E ⋅ D + H ⋅ B .
(
)
Šíření energie prostorem popisuje zářivý (Poyntingův) vektor, pro nějž platí (např. Vybíral, 1984) G G G G G G G crG 0 G . R = E × B = wv = E ⋅ D + H ⋅ B 2 ε r μr
(
)
XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
3
G Vektor R má fyzikální význam elektromagnetické energie záření, které projde za jednotku času jednotkovou plochou orientovanou kolmo na směr šíření elektromagnetické vlny, resp. G G G elektromagnetického záření (proto má R vektorový charakter). V těchto výrazech je E , H G G G intenzita a D, B indukce elektrické a magnetické složky pole, v je rychlost šíření elektromagnetického záření, přičemž pro velmi krátké (světelné) vlny je velikost jeho rychlosti dána vztahem v = c / n , kde n je index lomu prostředí. Uvedené výrazy mají obecnou platnost pro elektromagnetické záření širokého spektra, a tedy stejné výrazy popisují i energii světelného záření a šíření tepla sáláním. Nositelem energie elektromagnetického pole jsou fotony, které G G se prostorem šíří rychlostí v (resp. ve vakuu rychlostí c ).
3 Energie jako abstraktní pojem Příkladem abstraktního užití pojmu energie je pojem „přeměna energie“, kterým se ve fyzice zdůrazňuje (viz např. Schlichting, 1983), že „energie se může vyskytovat v různých formách, neboli že energie může být měněna z jedné formy do druhé“. Z této formulace je zřejmé, že se o energii nehovoří jako o měřitelné veličině, nýbrž jako o nějaké obecné entitě, nějaké věci, či substanci. Z tohoto užívaného pojmového aparátu ve fyzice je zřejmé, že se rozlišuje mezi energií jako měřitelnou fyzikální veličinou a dosud užívaným pojmem „přeměna energie“. Z hlediska zavedeného pojmu „energetický stav“ je možné proces „přeměny energie“ chápat jako proces změn příslušných energetických stavů soustavy. Tyto změny jsou popsány příslušnými energiemi jako měřitelnými fyzikálními veličinami. Elementárním příkladem je volný pád tělesa (modelově „hmotného bodu“, abychom nemuseli uvažovat rotaci tělesa), u nějž se počáteční potenciální energetický stav mění zmenšováním výšky vůči zvolené hladině a jeho kinetický stav se mění zvětšováním rychlosti (a strukturální energetický stav zůstává nezměněn). V dosud běžném pojetí „přeměny energie“ je student fyziky schopen prohlásit, že „u volného pádu se výška mění na rychlost“. Druhým příkladem může být štěpení uranu 235 v jaderném reaktoru, při němž rozdíl mezi vazební energií jádra uranu na jeden nukleon a jeho štěpných produktů se projeví změnou kinetického energetického stavu štěpných produktů včetně jaderného záření. Tyto změny při štěpné reakci se projeví zvětšením vnitřní energie soustavy vzniklých izotopů, neutronů a dalších částic, což se makroskopicky projeví jako teplo vyvinuté jaderným reaktorem. Dalším abstraktním pojmem užívaným ve fyzice je „přenos energie“. Jde o abstraktní použití pojmu energie ve fyzice, kterým se vyjadřuje (Schlichting, 1983), že „energie může být nejen hromaděna na jednom místě, ale že může také měnit své místo“. V některých pojetích se používá pojem „toku energie“. Stejně jako u pojmu přeměna energie zde zřejmě opět vystupuje „fluidní“ pojetí energie (tj. energie chápané jako neuchopitelnou substanci, jakési „fluidum“, za které se historii fyziky považovalo teplo či elektrický náboj). Východiskem z málo vhodného použitého pojmu energie je opět popis prostřednictvím změn energetického stavu těles. Na konci 2. oddílu příspěvku byl popsán jev elektromagnetického záření, spojený s transportem energie, avšak tento děj je svázán s pohybem fotonů, které jsou nositelem této energie záření. Jiným příkladem je může být přenos tepla (vnitřní energie) prouděním, kdy se přemísťuje tekuté prostředí nesoucí molekuly s větší (či menší) vnitřní energii – přemísťují se částice látky se změněným energetickým stavem a nikoli samotná energie. Ještě méně vhodným je pojem „degradace energie“, který byl zaveden Schlichtingem a Backhausem (1983) a který se vztahuje k výkladu 2. termodynamického principu nebo k pojmu entropie. Má vyjadřovat fakt, že čím má pracovní medium tepelného stroje nižší absolutní teplotu, tím je méně vhodné pro činnost tepelného stroje (to je bezesporu fakt) – dochází k degradaci jeho schopnosti konat práci. Z hlediska našeho přístupu k řešení pojmového problému energie lze konstatovat, že energetický stav látky se snižováním absolutní teploty deXXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
4
graduje – energetický stav látky má nižší kvalitu (i když se energetický obsah látky nemusí zmenšit, zvětší-li se při nižší teplotě množství látky).
4 Energetika a pojem energie Název tohoto významného průmyslového oboru má přímo v základu pojem „energie“, což z hlediska zkoumané pojmové čistoty není na závadu. Nelze se však vyrovnat s popisem činností jako je „výroba energie“, „ztráta energie“, „zdroj energie“, „spotřeba energie“, „přenos energie“, protože z hlediska zákona zachování energie nelze energii ani vyrobit ani ztratit. Nelze ji ani rozvádět či přenášet, protože to není nějaká věc (nějaká substance či fluidum), nýbrž „jen“ fyzikální veličina. Problém lze řešit tak, že místo podstatného jména „energie“ použijeme vazbu s přídavným jménem „energetický“, vazby použité již při popisu „energetického stavu těles“. Tedy přijatelnější je „energetická výroba“, „energetická ztráta“, „energetický zdroj“, „energetická spotřeba“. Avšak i toto předložené řešení není z fyzikálního hlediska zcela čisté, avšak je přijatelnější než současně používané pojmosloví v tomto oboru. Popišme si proces energetické výroby a spotřeby z fyzikálního hlediska na případě uhelné parní elektrárny. Při hoření uhlí v kotli, neboli při exotermické reakci okysličování uhlíku, dochází ke změnám ve strukturálním energetickém stavu soustavy molekul uhlíku a kyslíku. Makroskopicky tak vzniká tepelná výměna mezi ohništěm a vodou v kotli a zvětšuje se vnitřní energie molekul vody, která přešla do skupenství páry. Na výstupu z kotle je pára o vysoké teplotě a tlaku, tedy pracovní medium s makroskopicky výrazně změněným potenciálním energetickým stavem. V turbíně pára expanduje, zvětšuje se usměrněná rychlost jejich molekul, přičemž na lopatkách turbíny se mění směr toku molekul páry – tím dochází ke změně toku vektoru hybnosti páry. Následkem je zvětšení kinetického energetického stavu makroskopické soustavy rotoru turbíny a rotoru generátoru elektrického proudu. Rotující elektromagnet na kotvě generátoru indukuje v cívkách statoru elektrický proud, neboli vznikne usměrněný tok elektronů – jak ve vodičích cívek statoru generátoru, tak v cívkách nezbytných transformátorů a ve vodičích na trase mezi elektrárnou a spotřebičem. Tak se mechanický kinetický energetický stav rotoru turbíny přeměnil na elektrický kinetický stav elektronů ve vodičích celé energetické soustavy. Tento proces vedení proudu je také částečně spojen se zvětšováním vnitřní energie částic vodičů i jejich okolí (vzniká energetická ztráta Joulovým teplem). Spotřebičem může být např. klasická žárovka, v jejímž wolframovém vlákně se zvětší vnitřní energie natolik, že dojde k excitaci elektronů (tedy ke strukturálním energetickým změnám v atomech wolframu) a k následné emisi fotonů – tedy ke světelnému záření. V celém procesu popsané energetické výroby a spotřeby došlo k řetězci změn energetických stavů zúčastněných fyzikálních těles. K žádné výrobě ani ztrátě energie samozřejmě nedochází, energie se zachovává, avšak prostřednictvím změn energetických stavů v celém procesu se mění kvalita energie těchto stavů, za což musí spotřebitel platit.
5 Závěr Předložené pojednání si vzalo za cíl upozornit na dvojznačnost v užívání pojmu „energie“, přičemž preferuje používání tohoto pojmu jako fyzikální veličiny. (Zvolit pro tuto veličinu nové označení „energičnost“ – analogicky hmotnosti a indukčnosti – jsem zamítl.) Ve fyzice musí být energie vázána k nějakému tělesu (materiálnímu objektu), na které je energie ve zkoumaném ději či jevu vázána. Proto je zaveden pojem „energetický stav“ tělesa (kinetický, potenciální a strukturální). Při různých fyzikálních dějích dochází ke změnám energetických stavů těles, provázený změnami energie jako fyzikální veličiny. Příspěvek uvádí příklady nevhodného používání pojmu energie. Jde o případy, kdy se s tímto pojmem pracuje jako s nějakou substancí, fluidem, i když se to přímo tak nevyjadřuje. Nejsme-li si jistí, zda je použití pojmu energie v určitém případě správné či ne, doporučuji za XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
5
slovo energie dosadit slova „fyzikální veličina“ a zamyslet se nad tím, zda toto spojení dává smysl. Pro případy, kdy pojem energie nevyjadřuje měřitelnou fyzikální veličinu lze problém řešit užitím přídavného jména odvozeného od pojmu energie, tedy „energetický“, jak je uvedeno na příkladech v následující tabulce 1. Někdy je vhodné se přímému použití pojmů energie, energetický vyhnout fyzikálně vhodnějším popisem situace. Je zřejmé, že „fluidní“ používání pojmu energie nebude snadné vymýtit, protože používání „energie“ je ve fyzice, v technických oborech a především v celé společnosti hluboce zakořeněno. Tab. 1. Slovník nesprávných a fyzikálně správných pojmů souvisejících s energií
Běžně užívaný pojem Navrhované vhodnější vyjádření přenos energie energetický přenos přeměna energie energetická přeměna; změna energetického stavu (tělesa, částice soustavy těles) degradace energie degradace energetického stavu (soustavy, plynu) zdroj energie energetický zdroj výroba energie energetická výroba spotřeba energie energetická spotřeba ztráta energie energetická ztráta
Použité zdroje DUIT, R., 1981. Understanding energy as a conserved quantity. European Journal of Science Education. 3, s. 291–301. DUIT, R., 1984. Der Energiebegriff im Physikanterricht. Habilitation sschrift eing reicht der Mathematisch-Naturwissengchaftlichen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität Kiel. Kiel: IPN. SVOBODA, Emanuel et al., 1996. Přehled středoškolské fyziky. Praha: Prometheus. MECHLOVÁ Erika a Karel KOŠŤÁL et al., 1999. Výkladový slovník fyziky pro základní vysokoškolský kurs fyziky. Praha: Prometheus. ZELENKA, Josef a Bohumil VYBÍRAL et al., 2014. Kognice prostoru. Hradec Králové: Gaudeamus. VYBÍRAL, Bohumil, 1984. Teorie elektromagnetického pole. Hradec Králové: Pedagogická fakulta. SCHLICHTING, H. J. a U. BACKHAUS, 1983. From energy devaluation to exergy. In: MARX, G. (ed.) Entropy in the School: Proceedings of the 6th Danube Seminar on Physics Education. Vol. I, II. Budapest: Roland Eötwös Physical Society, s. 228–240. SCHLICHTING, H. J. a U. BACKHAUS, 1981. Physikunterricht 5–10. München: Urban und Schwarzenberg.
prof. Ing. Bohumil Vybíral, CSc. Katedra fyziky, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Hradec Králové Rokitanského 62, 500 03 Hradec Králové, Česká republika E-mail:
[email protected] Telefon: +420 739 168 371
XXXII International Colloquium, Brno, May 22, 2014
6
