Energia – od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #9 - fakty, mity, ciekawostki (cz. 2)

Kolejna garść ciekawostek i odpowiedzi na różne nurtujące pytania. Każde z poniższych zagadnień będzie omawiane dokładniej w kolejnych tekstach. Do niektórych powrócimy kilka razy, lecz za każdym razem w innym aspekcie. Energia to bardzo szerokie zagadnienie i można powiedzieć, że pojawia się wszędzie i dotyczy wszystkiego.

Prąd i jego nośniki:

Nie trudno zgadnąć, że o prądzie i energii elektrycznej będzie poświęcony w przyszłości tekst i to zapewne nie jeden. Teraz chciałbym jednak wyjaśnić o co chodzi z ładunkami elektrycznymi. Kojarzone są one z prądem i nic dziwnego, bo prąd to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Ładunki nie są jednak oderwane od swoich nośników. Wszyscy wiedzą, że takimi najprostszymi nośnikami ładunku są elektrony i to one są odpowiedzialne za prąd np. w przewodach elektrycznych. Można zadać pytanie czy są jakieś inne możliwości? Co z prądem w cieczach i gazach? Tam sytuacja rzeczywiście jest inna. Atomy są neutralne pod względem ładunku elektrycznego. Dodatni ładunek jądra atomowego jest równoważony przez ujemny ładunek elektronów na powłokach w atomie. Sytuacja jest jednak trochę bardziej skomplikowana. Atomy i cząsteczki rzeczywiście są neutralne ładunkowo, jednak ten ładunek nie jest w nich rozmieszczony równomiernie. Cały dodatni ładunek jest skupiony w jądrze atomowym, które jest 100 000 razy mniejsze od całego atomu. Natomiast ładunek ujemny jest rozłożony wokół jądra na dużo większej przestrzeni. To powoduje, że podczas zbliżania się do siebie atomów, nie odczuwają się one nawzajem jako neutralne ładunkowo. To właśnie dzięki temu mamy możliwości tworzenia wiązań chemicznych i budowy skomplikowanych struktur. To dzięki temu istniejemy i możliwe jest zachodzenie wielu reakcji chemicznych. W elektrolitach, roztworach, gazach występuje przewodnictwo jonowe. Jony to atomy lub grupy atomów połączonych wiązaniami chemicznymi (cząsteczki), w których występuje nadmiar lub niedomiar elektronów w stosunku do protonów.

W półprzewodnikach, uwzględniając tzw. pasmową budowę możemy mówić o tzw. „przewodnictwie dziurowym”. Jest to interpretacja pewnych zjawisk zachodzących w materiałach.

Oczywiście w tym samym materiale przewodnictwo może odbywać się przy wykorzystaniu różnych nośników. Na przykład kiedy dany przewodnik schłodzimy do odpowiednio niskiej temperatury to może on stać się tzw. nadprzewodnikiem. Kiedy ołów zostanie schłodzony do temperatury poniżej 7,2 K, zanika w nim opór elektryczny. Ołów staje się wtedy nadprzewodnikiem, a przewodnictwo odbywa się nie przy udziale elektronów, jako odrębnych cząstek, ale tzw. par Coopera. Czym one są? To dwa elektrony! Ktoś mógłby zapytać jak to możliwe, przecież w szkole uczą, że ładunki jednoimienne odpychają się, jak zatem dwa elektrony mogą się przyciągać i tworzyć parę Coopera. To oczywiście zjawisko czysto kwantowe, związane z twierdzeniami o związku spinu ze statystyką (bozony i fermiony). Warto wspomnieć, że jest wykorzystywane w wielu urządzeniach. Najbardziej znane to pociągi, ale także w specjalistycznej aparaturze badawczej. Najważniejszą właściwością tego zjawiska jest zanik oporu elektrycznego i tym samym brak „strat energii”. Dlatego z nadprzewodnikami wiąże się bardzo duże nadzieje. Od lat próbuje się skonstruować tzw. nadprzewodniki wysokotemperaturowe. Marzeniem byłoby uzyskanie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej.

Gdzie się podziała cała benzyna z baku?

Umieszczamy baterie w urządzeniu, korzystamy z urządzenia, a potem wyciągamy „zużyte” baterie (chociaż mogą wyglądać tak samo) i umieszczamy nowe (naładowane). Kiedy jednak wlewamy do baku kilkadziesiąt litrów paliwa, to po przejechaniu odpowiedniej odległości bak jest pusty. Oczywiście nie jest to magia tylko specyfika tych źródeł energii. W przypadku baterii i akumulatora wewnątrz zachodzą odpowiednie reakcje chemiczne i produkty tych reakcji także pozostają wewnątrz. Natomiast w przypadku paliwa w samochodzie jest to trochę bardziej skomplikowane. Paliwo ulega spalaniu, co w sensie chemicznym jest łączeniem się z tlenem. Tlen jest pobierany z atmosfery (np. silniki rakietowe mają zarówno paliwo jak i utleniacz i dzięki temu mogą pracować w próżni kosmicznej). Oczywiście wszystkie produkty reakcji chemicznych wydostają się na zewnątrz pojazdu. Dodatkowo emitowane jest ciepło. Jeśli wyobrazimy sobie ilość samochodów i codziennie spalanego paliwa możemy wpaść w zakłopotanie. Co się z nim dzieje? Wszystko jest przekazywane do atmosfery, a potem w dużej części opada na powierzchnię. Nie widzimy tego, ponieważ ulega rozproszeniu w atmosferze. Rozrzedzenie jest tak duże, że substancje te możemy wykryć podczas badań składu chemicznego gleby, czy wody. Czy jest to jakiś problem? To cena, którą w mniejszym lub większym stopniu prawie wszyscy godzimy się płacić za rozwój cywilizacyjny. Na szczęście w ostatnich latach w coraz mniejszym stopniu. Próbuje się szukać alternatywnych rozwiązań.

Gdzie się podziała część drewna z kominka?:

W przypadku spalania drewna w kominku lub węgla mamy do czynienia z popiołem i dymem. Popiołu jest oczywiście mniej niż pierwotnego surowca do spalania. Pozostaje jeszcze dym. A czym jest dym? Ktoś na pierwszy rzut oka mógłby rzec, że jakimś gazem i nie jest możliwe, żeby znajdowało się w nim zbyt dużo ciała stałego. Nic bardziej błędnego. Dym jest tzw. koloidem, czyli pewną niejednorodną mieszaniną (zazwyczaj dwufazową), tworzącą układ dwóch substancji, w którym jedna jest rozproszona w drugiej. Warto dodać, że rozdrobnienie (tzw. stopień dyspersji) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie homogenicznej (jednorodnej), jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek. Dym to ciało stałe w gazie. Dym i popiół są produktami ubocznymi spalania i często towarzyszą ogniowi.

Jako ciekawostkę mogę podać, że dwoma „wzajemnie odwrotnymi” koloidami są wszystkim znane: mgła i piana. Mgła to ciecz w gazie, a piana to gaz w cieczy.

Czasami chłodzenie jest kłopotliwe, czyli jak schłodzić „wypalone” pręty paliwowe w reaktorze, gwiazdę lub planetę:

Wyobraźmy sobie następującą czynność. Gotujemy wodę w garnku. Wyłączamy źródło energii (powiedzmy gaz). Tuż po wyłączeniu raczej nikt z nas nie włoży ręki do garnka. Musimy poczekać pewien czas, aż woda w garnku wystygnie, czyli jej temperatura zrówna się z temperaturą otoczenia lub się do niej zbliży. Wystarczy kilkadziesiąt minut. Ktoś mógłby się zapytać dlaczego zatem „wypalone” pręty paliwowe z reaktora jądrowego trzeba chłodzić przez wiele lat, a gwiazdy i planety nie stygną przez miliardy lat? Przecież nie ma żadnego zewnętrznego źródła energii jak np. spalanie gazu pod garnkiem. I owszem, nie ma zewnętrznego źródła, pozostaje zatem jakieś wewnętrze. W przypadku garnka mamy do czynienia z tzw. bezwładnością cieplną i pojemnością cieplną. To one powodują, że po odcięciu zewnętrznego źródła energii (spalanie gazu) trzeba trochę poczekać, aż woda w garnku zmniejszy swoją temperaturę wymieniając energię z otoczeniem.

„Wypalone” pręty paliwowe w reaktorze

Niektórzy z pewnością słyszeli, że po usunięciu z rdzenia reaktora „wypalonych” prętów paliwowych nie mogą one opuścić terenu elektrowni jądrowej, tylko muszą być chłodzone przez wiele lat w specjalnych basenach. Można by rzec, że przecież po kilku godzinach po usunięciu ich z rdzenia powinny osiągnąć temperaturę otoczenia. W przypadku prętów paliwowych tak się jednak nie dzieje. Nie działamy na nie żadnym zewnętrznym źródłem energii, które pozwoliłoby im utrzymać temperaturę, albo ją zwiększyć. Nie ma też żadnych czynników uniemożliwiających rozprzestrzenianie się w nich ciepła. O temperaturze jeszcze napiszę dokładniej, teraz wystarczy nam wiedza, że jest to średnia energia kinetyczna cząstek, z których zbudowany jest obiekt, o którego temperaturze mówimy. Patrząc na co dzień na różne przedmioty trudno uwierzyć, że na poziomie molekularnym cząsteczki wchodzące w ich skład są w ciągłym ruchu. Dodatkowo, natura jest tak niesamowita, że istnieją procesy, które mogą ten ruch podtrzymywać, a nawet zwiększać od wewnątrz. Takim zjawiskiem jest wszystkim znana i niestety (niesłusznie) źle kojarzona – promieniotwórczość. Cząsteczki zbudowane są z atomów, a te z kolei z jąder atomowych oraz elektronów. Jądra atomowe nie są stabilne i nie istnieją wiecznie. Niektóre ich odmiany (izotopy) charakteryzują się samorzutnymi rozpadami, które zachodzą o wiele częściej niż dla innych jąder. Te z kolei emitują cząstki nadając im dużą energię kinetyczną i tym samym zwiększają temperaturę obiektu w skład, którego wchodzą. Podczas pracy reaktora jądrowego powstaje bardzo dużo izotopów promieniotwórczych, w tym takich, które nie istnieją w przyrodzie. Po usunięciu prętów paliwowych z rdzenia izotopy te ulegają rozpadom i zwiększają temperaturę wypalonych prętów paliwowych. Dlatego muszą być one nieustannie chłodzone, przez wiele lat zanim będzie je można odpowiednio przetworzyć i zagospodarować. Mówimy, że takie izotopy mają bardzo dużą aktywność, czyli w krótkim czasie zachodzi duża ilość rozpadów. Trzeba więc trochę poczekać, zanim aktywność izotopów osiągnie akceptowalny przez technikę i normy bezpieczeństwa poziom.

Gwiazdy i planety w próżni kosmicznej

Oglądając górników w podziemnych kopalniach widzimy, że zazwyczaj nie mają oni podkoszulków i wręcz pot z nich spływa. Pod ziemią musi więc być bardzo gorąco. Słyszymy też, że najgłębsze kopalnie sięgają do 4 km pod powierzchnię Ziemi (średni promień Ziemi: 6371 km) i że nie pracują tam ludzie, ale maszyny ze specjalnym systemem chłodzenia. Można by pokusić się o następujące rozumowanie. Wiek Ziemi obecnie jest szacowany na 4,5 miliarda lat. Zatem nawet jeśli była gorącą planetą tuż po uformowaniu, to powinna już dawno ostygnąć. Przecież powierzchnia planety styka się z rozrzedzoną atmosferą, a ta z kolei wraz z wysokością coraz bardziej się rozrzedza, aż w końcu przechodzi w próżnię kosmiczną (tak, są jeszcze inne rodzaje próżni). Jaki zatem mechanizm powoduje, że wewnątrz Ziemi wciąż jest gorąco, a nawet bardzo gorąco? W dużej części jest to oczywiście wspomniana powyżej promieniotwórczość naturalna. Zasoby ciepła we wnętrzu Ziemi są nieustannie uzupełniane tzw. ciepłem izotopowym. Oczywiście istnieje też ciepło pierwotne, pochodzące z czasów formowania się naszej planety. Dodatkowo we wnętrzu Ziemi występuje ogromne ciśnienie. Ciśnienie jak najbardziej ma związek z temperaturą, ale o tym będzie później. Zasoby ciepła we wnętrzu Ziemi i uzupełnianie tego ciepła powodują, że są one ogromne w porównaniu z szybkością oddawania tego ciepła (stygnięcia).

Te wszystkie czynniki powodują, że pomimo tego, że Ziemia ma już około 4,5 miliarda lat, i że styka się poprzez atmosferę z próżnią kosmiczną, wciąż nie ostygła i pozwala na istnienie i rozwój życia.

Stygnąca gwiazda zwiększa swoją temperaturę!

Z pewnością brzmi to jak jakaś niedorzeczność. Jak gwiazda emitując promieniowanie może zwiększać, zamiast (co mogłoby się wydawać logiczne) zmniejszać temperaturę. Przecież ciała emitujące energię (promieniowanie) stygną. Tak w istocie jest, ale gwiazdy są szczególnymi obiektami. O gwiazdach i grawitacji będzie w kolejnych tekstach. Teraz powiemy sobie tylko tyle, że grawitacja trzyma całą materię gwiazdy razem, w jednym obiekcie. Co więcej, grawitacja próbuje ścisnąć tę materię do punktu, jednak ciśnienie promieniowania i oddziaływania pomiędzy cząstkami przeciwstawiają się temu ściskaniu. Kiedy jednak gwiazda wypromieniowuje energię, ciśnienie materii maleje, a grawitacja ściska materię jeszcze bardziej powodując zapłon reakcji termojądrowych dla coraz to cięższych jąder. I właśnie dlatego gwiazda wypromieniowując energię zwiększa swoją temperaturę. Oczywiście tak się nie dzieje w nieskończoność, barierą są jądra żelaza, ale i one z czasem mogą ulec i nie być końcowym etapem ewolucji gwiazdy.

Boimy się tego, ale to dzięki temu wciąż mamy szansę istnieć

Powyżej dużo powiedzieliśmy o jednym z najciekawszych zjawisk natury – promieniotwórczości. Można powiedzieć, że to właśnie między innymi dzięki niej istniejemy! Gdyby gwiazdy i planety ulegały chłodzeniu dużo szybciej i nie miały mechanizmu zwiększającego temperaturę, nie byłoby szans, aby na planetach narodziło się życie. Jest to możliwe tylko dzięki temu, że procesy te trwają przez miliardy lat. A to dzięki promieniotwórczości, reakcjom jądrowym, które niestety, ale kojarzone są przez społeczeństwo z czymś całkowicie odwrotnym. Z czymś, co nie tylko, że nie przyczynia się do powstania i utrzymania życia, ale wręcz przewinie, do jego zniszczenia. Jak powiedział kiedyś Paracelsus: „Wszystko jest trucizną i nic nie jest trucizną. Tylko dawka czyni, że dana substancja nie jest trucizną (łac. Omnia sunt venena, nihil est sine veneno. Sola dosis facit venenum)”. To czemu zawdzięczamy życie może też być tym co nas uśmierci. I właśnie w przypadku energii spotkamy się z tym wielokrotnie, bo to, co życiodajne może też okazać się bardzo groźne.