Energia – od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #5 - jak poprawnie mówić o energii i dlaczego tego nie robimy? (cz. 2)

W poprzednim tekście opowiedziałem o tym jak człowiek odkrywa prawa przyrody, jakich narzędzi do tego używa i jak konstruuje różne modele zjawisk fizycznych. Oczywiście pierwotnym (fundamentalnym) narzędziem, z którego korzystamy jest nasz mózg. To on interpretuje wszystkie dane odczytane z różnych przyrządów badawczych i tworzy modele opisu kolejnych poziomów rzeczywistości.

Teraz opiszę krótko jak mózg postrzega rzeczywistość i czy są jakieś ograniczenia w tym postrzeganiu. Następnie, przejdę do pierwszej części najczęściej używanych „skrótów myślowych” dotyczących pojęcia energii.

Proste pytania, brak odpowiedzi i ludzki mózg

Im ogólniejsza teoria tym pytania, które zadajemy są „prostsze” (bardziej ogólne i fundamentalne). Niestety, ale najtrudniej jest udzielić odpowiedzi na najprostsze pytania. Co jest czymś? Dlaczego coś się dzieje? Dlaczego to coś dzieje się w taki, a nie inny sposób? Opis słowny nigdy nie jest wystraczający. Słowa są niejednoznaczne, opisują rzeczy lecz nimi nie są. Trzeba mieć też na uwadze fakt, że rzeczy nie tylko istnieją, również zachowują się w jakiś sposób. W pewnym filozoficznym sensie, właściwości danej rzeczy są tak samo jej częścią jak samo jej istnienie. Można by rzec, że świat jest z budowany z rzeczy, które podlegają odpowiednim procesom. Niestety tak nie jest, bo okazuje się, że te rzeczy to tak naprawdę także procesy, tylko zachodzące na bardziej fundamentalnym poziomie. Na dodatek wiele rzeczy wzajemnie się przenika powodując, że rozmyte granice tworzące rzeczywistość są bardzo trudne do uchwycenia.

Dlaczego tak trudno jest badać nasze otoczenie i nas samych jako integralną część tego otoczenia?  Obiektem, którego używamy do badań jest ludzki mózg. To on określa sposób, w który widzimy świat. Zatem mózg próbuje badać mózg, czyli materia próbuje badać samą siebie. Obserwator jest jednocześnie obserwowany przez samego siebie. Jak zatem mamy poznać istotę procesów myślowych, które pozwalają nam poznawać świat, skoro układ bada (poznaje) sam siebie? Czy takie poznanie jest to do końca możliwe? Przecież układ nie jest w stanie zbadać sam siebie w sposób zupełny. Nie może zbudować języka bogatszego od tego, z którego sam się składa. Pojawia się zatem pytanie: Czy ludzki mózg jest układem emergentnym najwyższego rzędu? A jeśli tak, to czy jest możliwe dokonanie takich modyfikacji lub stworzenie odpowiedniego substytutu (AI: sztuczna inteligencja), które pozwolą na osiągniecie jeszcze wyższego poziomu w hierarchii złożoności?

Może to wszystko brzmi co najmniej dziwnie, ale taka jest „rzeczywistość”, a przynajmniej to co obecnie nazywamy „rzeczywistością”. Trudno powiedzieć jak daleko możemy zajść i czy są jakieś granice. Na razie wydaje się, że takie granice są, ale dla mózgu w obecnej postaci. Gdyby go jednak odpowiednio zmodyfikować sytuacja mogłaby wyglądać inaczej i pewien obecnie niedostępny obszar być może odkryłby przed nami swoje tajemnice. Być może w niedalekiej przyszłości zbudujemy układy (AI), które nas przewyższą (osobliwość technologiczna/Kurzweila). A te sztuczne inteligencje opracują jeszcze wydajniejsze sztuczne inteligencje itd.

Jak urazić fizyka, czyli „produkcja energii” i inne słowne okropności

Można zadać pytanie w jakim celu był ten wstęp, o tym jak poznajemy i opisujemy zjawiska fizyczne. Jego głównym celem było uświadomienie Wam, że za tym co widzimy na co dzień (prąd, spalanie paliw itp.) stoją skomplikowane, wieloetapowe procesy hierarchiczne, które trudno jest opisać. Ich opis zazwyczaj jest tylko pewnym kolejnym przybliżeniem, użytecznym dla praktycznego zastosowania danego zjawiska. Sam fakt, że pojęcie energii tak trudno zdefiniować w „zadowalający” sposób będzie powodował to, że opis wielu procesów i to nie na fundamentalnym poziomie, będzie daleko odbiegał od poprawności. Mówienie o tych zjawiskach na co dzień jest obarczone znacznymi uproszczeniami, które daleko odbiegają od poprawności, ale są użyteczne. Jak to mawiają: „Jest źle, to nie tak, ale wszyscy wiedzą o co chodzi i robią swoje”.

Dlatego jestem teraz zobowiązany wyjaśnić wiele nieprawidłowych terminów używanych nawet przez ekspertów w dziedzinie energetyki. Jak tylko słyszę coś w stylu „produkcja energii/prądu” od razu przychodzi mi na myśl stary dowcip: „Panie Majster, przynieś Pan dwa wiadra prądu”. Albo wiele innych: „Dlaczego w pewnym mieście na liniach wysokiego napięcia wymienia się druty na kolczaste? Bo miasto leży na górce i po zwykłych prąd by się ślizgał.” „Dlaczego w pewnym mieście rozłożono siatkę tuż pod linią wysokiego napięcia? Żeby napięcie nigdy nie spadło.” „Jaki jest szczyt niemożliwości: Tak połaskotać żarówkę, aby ci w elektrowni się śmiali.” Te dowcipy mają jedną wspólną cechę. Każdy z nas próbuje wyobrażać sobie pewne zjawiska. A im zjawisko jest bardziej skomplikowane i im mniejsza powszechna wiedza na jego temat, tym mocniej pracuje wyobraźnia i tworzy różne dziwolągi. I tu pojawia się problem, ponieważ niektórzy rzeczywiście mogą je dosłownie rozumieć (Oczywiście nie mam na myśli Was, Drodzy Czytelnicy.).

W najgorszej sytuacji są uczniowie. W szkole uczą się, że energii nie można tworzyć, ani niszczyć. A tu codziennie słyszą, że ktoś „produkuje energię”, „produkuje prąd”, „odnawialna energia” i wiele innych pojęć tego typu. O co tutaj chodzi? Czy ktoś mija się z prawdą? Dlatego poniżej przedstawię szereg różnych sformułowań, które związane są z energią i dla jednych są skrótami myślowymi, dla innych prawdami (niestety), a jeszcze dla innych niedopuszczalnymi wyrażeniami. Ostrzegam, że cudzysłów będzie używany w dużej ilości.

Produkcja/wytwarzanie energii:

Zasada zachowania energii – fundament, który mówi, że energii nie można wytworzyć, ani zniszczyć. Czy zatem elektrownia produkuje/wytwarza energię? Oczywiście, że nie! Ona tylko dokonuje odpowiednich operacji na materii, którą w tym przypadku nazywamy paliwem. Jest to szereg przemian energetycznych. Np. bezpośrednio ze spalania węgla nie ma prądu, jest ciepło. To na samym końcu mamy coś co nazywamy energią elektryczną. Z punktu widzenia fizyki tak naprawdę dokonano kilku operacji na materii (przemian energetycznych) przy pomocy odpowiednich urządzeń.

Sprowadza się to do następujących procesów: dokonano modyfikacji na poziomie powłok elektronowych w cząsteczkach, utworzono nowe cząsteczki - np. CO₂ (energia chemiczna) - zmieniano prędkość cząsteczek (ciepło) oraz zmuszano do ruchu elementy maszyn (energia mechaniczna). W końcowym etapie uzyskano uporządkowany ruch ładunków elektrycznych w przewodach, czyli prąd (energia elektryczna).

W rzeczywistości ilość procesów zachodzących w elektrowni od węgla w wagonach do prądu w „gniazdku” jest duża i wymaga jeszcze innych form materii, jak choćby tlenu do spalania. Wymaga także odpowiedniego przygotowania paliwa. Można powiedzieć, że niektóre typy elektrowni wykorzystują łańcuch konwersji energii na jej różne formy. Zamieniają energię chemiczną (spalanie) na cieplną, cieplną na mechaniczną, a mechaniczną na elektryczną. Oczywiście w przyszłości zostanie poświęcony temu osobny tekst.

Produkcja/wytwarzanie prądu: uporządkowany ruch ładunków elektrycznych:

„Nie widać go a kopie”. Jak mówić o czymś czego „nie widać”. Prąd nie jest materialny. Prąd elektryczny (tak, możliwe też są inne, ale o tym zapomnijmy), to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. „Produkcja prądu” to po prostu szereg procesów, które powodują ten ruch np. w przewodzie, którym go „przesyłamy”. Czy dodajemy coś do przewodu przesyłowego? Nie, wprawiamy tylko elektrony w ruch. Nie jest więc to materialne, po prostu zmieniamy tylko odpowiednio konfigurację układu fizycznego. Zmuszamy go do określonego zachowania.

Przesyłanie energii/przepływ energii:

Skoro energia to coś niematerialnego, to jak ją można przesłać? Inaczej: jak można przesłać „zdolność do wykonywania pracy”? Kontakt z przewodem, w którym płynnie prąd o odpowiednim natężeniu, z dala od elektrowni do przyjemnych nie należy. Powinienem napisać: „nie sprawdzałem i innych nie zachęcam”. Miałem jednak kontakt z tzw. „elektrycznym pastuchem”, więc mogę próbować sobie wyobrazić co mogłoby być w przypadku prądu o innych parametrach. Dźwięki o dużym natężeniu też mogą okazać się dla nas nieprzyjemne oraz spowodować uszkodzenia narządów odpowiedzialnych za ich detekcję. Tak samo opalanie się bez zabezpieczeń. We wszystkich tych zjawiskach mamy do czynienia z odpowiednimi procesami, które można zinterpretować jako „przesył energii”. Prąd to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych (elektronów) w przewodzie, dźwięk to odpowiednie wprawienie cząsteczek powietrza w drgania, a promieniowanie słoneczne to fala elektromagnetyczna lub strumień fotonów (tzw. dualizm korpuskularno-falowy). Oznacza to, że możemy wykonywać pewne operacje na materii, które powodują określone zmiany jej zachowania w czasie i w przestrzeni. I właśnie takie zachowania układów możemy określić jako „transport energii”.

Straty energii/Zużycie energii:

Skoro energii nie można wytworzyć lub zniszczyć, to jak możemy ją tracić lub zużywać? Jest to związane z tym, że nie jesteśmy w stanie zaprząc do użytecznej dla nas pracy całej energii z danego procesu. Bilans musi się zgadzać, ale zawsze mamy jakieś tzw. starty. W przypadku prądu opór powoduje nagrzewanie się przewodów i emituje ciepło do otoczenia. Dodatkowo tarcie, które przejawia się w zużytych oponach, podeszwach butów i innych elementach różnych układów. Z tymi faktami związane jest pojęcie sprawności, czyli stosunek ilości energii wychodzącej z procesu do ilości energii wchodzącej do procesu. Opisuje ona w jakim stopniu w danym procesie przekształcana jest energia jednego rodzaju w energię innego rodzaju. Oczywiście bilans zawsze będzie się zgadzał, ale tutaj chodzi o konkretne formy energii, pozostałe uważamy za stratę. Czasami próbujemy je w części odzyskać.

Kiedy wyczerpiemy akumulator lub baterie w latarce mówimy, że „zużyliśmy całą energię”. W rzeczywistości to zużycie energii to szereg odpowiednich reakcji chemicznych, które po jakimś czasie nie mogą zachodzić w układzie. Nic tam nie znika, zmienia się tylko stan układu. W niektórych układach poprzez odpowiedni proces (ładowanie) możemy tak zmienić stan układu (znowu odpowiednie reakcje chemiczne), że znowu będziemy mieli źródło energii. Energia, więc się nie zużyła, ani nie pojawiła w tajemniczy sposób. Gdybyśmy zastosowali inny proces fizyczny, to wyczerpane źródło dla jednego procesu mogłoby stanowić pełne źródło dla innego procesu. Wyczerpany akumulator mógłby zniszczyć niejedno miasto, gdybyśmy mieli akumulator zbudowany z antymaterii (o tym będzie w przyszłości).

Jak w jakimś układzie „pojawia” się energia?

Prosty przykład: nalewamy zimnej wody do garnka. Stawiamy garnek na „gazie”. Każdy, bez obaw mógłby włożyć do środka dłoń. Teraz podgrzewamy wodę, powiedzmy do temperatury 90 stopni Celsjusza. Nic do wody nie dodaliśmy. Czy jednak teraz włożymy tam dłoń? Nasz układ (woda w garnku) uległ jednak pewnej modyfikacji. Owszem, my tam nic nie dodaliśmy, po prostu zwiększyliśmy prędkość cząsteczek wody, co spowodowało zwiększenie ich energii kinetycznej, która z kolei przejawia się na poziomie makroskopowym jako ciepło. W układzie „pojawiła” się, więc energia. Czy była tam wcześniej? A jeśli nie to gdzie ona była? Tak samo jak ładowanie akumulatora: szereg procesów  chemicznych zmieniających stan układu. Niczego tam nie dodajemy, nie dolewamy.

Za tydzień kolejna część opisująca „skróty myślowe” oraz wyjaśnienie dlaczego je stosujemy i będziemy stosować oraz jakie ma to konsekwencje.