Energie ve vztahu k vodě

Úvod

Ve škole jsme se učili jen o energii potenciální a kinetické. Na poznatky fyzikální vědy se nějak zapomínalo, a to dost dlouho. Na teorii relativity, fyziku atomů, na elementární částice a jejich interakce se zřetel nebral, a přitom každá z těchto interakcí těsně souvisí s energií. Zvláště to platí o energii vody, která je nějak vázána na všechny čtyři interakce.

Zákon zachování energie nás dovede až k samotnému počátku vesmíru před 13 miliardami let. Množství energie ve vesmíru bylo tehdy stejné jako dnes. Energii nelze vytvořit ani zničit, její celkové množství nelze nijak zvětšit ani zmenšit. Její množství ve vesmíru je neměnné. Avšak s formou energie je tomu naopak. Ta sice mění svou tvář (jako herec na jevišti), ale její množství zůstane při každé přeměně stejné. Chceme-li porozumět energii v plném smyslu, musíme ji uvažovat z hlediska Einsteinovy rovnice a čtyř základních interakcí.

Na začátku minulého století teorie relativity udělala rovnítko mezi energií a hmotou (tzv. Einsteinova rovnice). Potom fyzika poznala, že hmota je složena z elementárních částic. Od poloviny minulého století jsou známy základní síly - interakce mezi elementárními částicemi. Vyjděme ze stavby molekuly vody. Tato molekula je složena z elementárních částic držených pohromadě silou jadernou a elektrickou. V oběhu vody má základní roli gravitace. Často se hovoří o geotermální vodě. Její teplo je z radioaktivního rozpadu prvků v nitru Země. Ten je způsoben slabou interakcí.

Energie

Podle řeckého názvu en ergos rozumíme slovem energie to, co je v práci. Nebo co bychom mohli na práci přeměnit. Hraje podstatnou roli ve všem dění v celém vesmíru - tedy i na Zemi. Je v každém pohybu a v každé změně. Energií je vybavena každá věc ve vesmíru, od elektronu až po hvězdy. Energie je v každém záření.

Nositeli energie jsou obě základní složky vesmíru: elementární částice a fotony.

• Elementární částice o hmotnosti m obsahuje energii mc², kde písmeno c je rychlost světla. Ta je všude stejná, takže energie částice je určena hmotností. Hmotnost elementární částice je však proměnná. Působením interakcí může hmotnost růst, nebo ubývat. S ní se mění i energie mc².

Obr. 1

Obr.1 zobrazuje neutron, proton a elektron představující základní stavební prvky vesmíru a zároveň i kapky energie. Velikost energie E obsažené v částici je určena hmotností částice m (viz následující obrázek). Hmotnost částice může být různá - lze ji zvětšovat nebo je možné ji odčerpávat. Odčerpávání se děje interakcemi - základními silami vesmíru. Proton s neutronem se v jádře atomu pevně drží jadernou silou. Síla elektrická, jíž si proton přidržuje elektron, je mnohem slabší. Proton by mohl být nazýván "hrdina vesmíru", neboť je vybaven všemi silami a neutrony v atomových jádrech vznikly z protonů v nitru hvězd.

Podle Einsteinovy rovnice E = mc² je tedy různá i energie částice E. Hmotnost m¹ téže elementární částice (např. protonu) závisí na jejím prostředí. Je-li vzhledem k okolí v klidu, pak je vždy a všude stejná a říkáme jí klidová hmotnost (m₀).

	938 MeV
	939,5 MeV
	0,5 MeV

Obr. 2 Klidová energie elementárních částic 938 MeV, 939,5 MeV a 0,5 MeV.

V pohybu je hmotnost m větší než v klidu, jak vyjadřuje Einsteinova rovnice (viz další obrázek). Naopak částice v systému (např. proton v jádře) má menší hmotnost než klidovou. Část své hmotnosti (čili i klidové energie) odevzdala částice jako "vstupné do systému". Představuje vazebnou energii částice v systému. Hmotnostní úbytek v atomových jádrech vázaných jadernou silou je velký (zhruba promile klidové hmotnosti). Je však nepatrný (zhruba miliardtina klidové hmotnosti) v molekulách - systémech atomů vázaných elektrickou silou. Srovnání účinnosti všech interakcí viz dále.

Každá částice, která se nepohybuje, má klidovou hmotnost m₀ (kg). To platí vůbec o každém tělese či látce - systému mnoha elementárních částic. Podle speciální teorie relativity má klidovou energii E₀ (joulů): E₀ = m₀c², kde c je rychlost světla (3.10⁸ m.s^-1). Tato Einsteinova rovnice například vyjadřuje, že jeden kg (jakékoliv) látky obsahuje energii 9.10¹⁶ J, tj. 25 miliard kWh. Číslo c² je obrovské (9.10¹⁶ m².s^-2), a proto je obrovská i energie uložená v hmotě.

Urychlením hmoty zvětšujeme její klidovou energii. Přírůstek se označuje jako pohybová (kinetická) energie. Celková energie pro rychlost v je určena Einsteinovou rovnicí:

Všimněme si: pohybová energie znamená zvětšenou hmotnost, neboť rychlost světla je vždy a všude stejná (viz obrázek s Einsteinem). Hmota v klidu má klidovou energii E₀ = m₀c². Pro rychlost v blížící se k rychlosti světla roste celková energie E do nekonečna. Nic ve vesmíru se proto nemůže pohybovat rychleji než rychlost světla c.

Obr. 3

Na obr. 3 je na vodorovné ose rychlost pohybu v tisících kilometrech za sekundu, na svislé ose je hmotnost m, která závisí na rychlosti podle křivky. Klidová hmotnost m₀ je označena jako jednotka. Stejná závislost na rychlosti platí i pro celkovou energii hmotných částic mc², neboť rychlost světla je vždy stejná (čili v grafu na svislé ose by místo m bylo mc²).

Za povšimnutí stojí, že urychlováním (tj. přidáváním energie) roste hmotnost, jak je znázorněno na obrázku. Proto například šálek horkého čaje má větší hmotnost (více váží) než tentýž čaj vychladlý. Zatím jsme hovořili o zvětšování klidové energie hmoty (částice nebo tělesa) přidáním energie kinetické (pohybové). Můžeme to znázornit jednoduše na obrázku, kde plocha prostředního obdélníku a kružnice pod obdélníkem znázorňují klidovou energii (m₀ c²). Vpravo je přírůstek, který odpovídá kinetické energii, a celá plocha obdélníku či kruhu je celková energie.

Obr. 4

Obr. 4 - Z klidové energie částic lze ubírat, jak je vidět v levé části obrázku. To je základní proces čerpání energie z hmoty vůbec - na Zemi i v celém vesmíru.

Jsou čtyři základní síly (interakce), které z hmoty odčerpávají část klidové energie: elektrická, jaderná, slabá a gravitační. Zkusme se dále podívat, jak se v "ubírání" tyto základní síly uplatňují ve vodě. Předtím se ale pro úplnost ještě zmiňme o jiných - nehmotných - nositelích energie, o fotonech. Elektrické působení slunečních fotonů na molekuly vody jim přidává pohybovou energii. Pohlcené fotony tak zahřívají vodu. Slabá interakce (tj. radioaktivní rozpad) se sice také uplatňuje v ohřevu vody, ale poměrně velmi málo (geotermální voda).

Obr. 5

Na obr. 5 vidíme úbytek klidové energie (v předcházejícím obrázku vlevo) závisející na "ždímající síle" (interakci). Klidová energie je znázorněna plnou modrou krychlí. Gravitace černých děr v rádiových galaxiích a kvazarech "vyždímá" až polovinu klidové energie. Na málo hmotné Zemi je to mnohem méně.

• Fotony - částice světla (nebo odborně kvanta elektromagnetického záření) jsou zpravidla menší kapičky energie než elementární částice (např. foton červeného světla obsahuje energii jen 2 eV, kdežto elektron má klidovou energii půl milionu eV a proton téměř miliardu eV (přesně 938 MeV). Fotony si můžeme představit jako chomáčky energie, v nichž kmitá elektrická síla (a na ni kolmá síla magnetická). Čím je vyšší kmitočet f, tím větší je energie fotonu E, neboť: E = hf, kde konstanta úměrnosti h je Planckova konstanta (6,626.10^-34 J.s^-1).

Obr. 6

Obr.6 - Energie fotonu E je určena jeho kmitočtem f. Nahoře je napsán Planckův vztah, nazvaný podle fyzika Maxe Plancka. Jeho fotografie je na obrázku vlevo.

Obr. 7

Obr. 7 - Fotony, kmitající elektrická síla. Náš zrak vnímá různý kmitočet světelných fotonů jako různé barvy. Fotony s vyšší energií než 4 eV kmitají rychleji než fialové a říkáme jim ultrafialové. Náš zrak je nevnímá. Stejně tak nevnímá fotony s menší energií než 2 eV. Těm říkáme infračervené.

Co mají fotony společného s energií vody, o níž budeme pojednávat v dalších článcích po celý rok? Velmi mnoho, neboť Slunce zahřívá všechnu vodu, pohání její koloběh, dává energii vlnám, řekám a mořským proudům. Bez slunečních fotonů by Země byla mrazivě ledovou, temnou a mrtvou planetou.

¹ Hmotnost, m, je množství hmoty obsažené v elementární částici či v tělese. U těles je dáno součtem hmotností elementárních částic (především protonů a neutronů), z nichž je těleso složeno. Hmotnost (elementární částice, astronauta, sondy) zůstavá všude stejná, ať je na Zemi, na Měsíci nebo na Marsu. Naopak váha je gravitační přitažlivost - tedy síla, kterou je částice (astronaut , sonda ...) přitahována k Měsíci, Marsu, planetce. Hmotnost elementárních částic (i těles) lze určit prostřednictvím setrvačnosti nebo gravitace. Výsledky obou měření jsou stejné.