Energia existuje mechanická, vnútorná, elektromagnetická, atómová, jadrová a ešte všelijaká iná. Každú z týchto energií vieme presne definovať. Avšak povedať, ako je definovaná energia vo všeobecnosti, je už ťažšie. A o to zaujímavejšie.
V minulom článku o teplote sme nechali nezodpovedané dve otázky. Po prvé, prečo je železné zábradlie studenšie ako rovnako teplé drevené zábradlie, a po druhé, odkiaľ vlastne vieme o absolútnej teplotnej nule. V odpovedi na prvú otázku hrá kľúčovú úlohu pojem tepla, ktorý je pri diskusii energie veľmi dôležitý, a preto sa mu budeme dnes venovať. Na tú druhú otázku odpovieme nabudúce.
.teplo po prvý raz
To, čo vnímame ako teplotu vecí, ktorých sa dotýkame, nie je v skutočnosti teplota tých vecí, ale teplota našej kože. Pri dotyku sa teploty vecí a kože vyrovnávajú. Ak sa teda dotkneme nejakého predmetu, pre náš pocit nie je určujúca jeho teplota, ale teplota, na ktorej sa ustáli naša koža.
Teploty sa vyrovnávajú tak, že ruka dodá predmetu určité množstvo tepla, pričom teplota ruky klesne a teplota predmetu stúpne. Teplo odobraté alebo dodané nejakej látke je dané rozdielom teplôt (počiatočnej a konečnej) tejto látky, jej hmotnosťou a jej takzvanou mernou tepelnou kapacitou, čo nie je nič iné, než učený názov pre ochotu látok zohrievať sa. Dva predmety s rovnakou teplotou môžu odobrať z ruky rôzne množstvo tepla (a teda rôznym spôsobom zmeniť jej teplotu), ak sa líšia ich hmotnosti alebo merné tepelné kapacity.
Ako je to so železom a drevom? Ak by malo železo oveľa väčšiu mernú tepelnú kapacitu ako drevo, potom by bolo všetko okamžite jasné – železo by odoberalo z ruky viac tepla ako drevo a tým by ju ochladzovalo na nižšiu teplotu. Ale tak to nie je, merná tepelná kapacita železa a dreva je približne rovnaká.
Ostáva už len možnosť, že železa je v prípade zábradlia v nejakom zmysle viac, hoci to tak na prvý pohľad nevyzerá. A naozaj je to tak. Vtip je v tom, že železo je veľmi dobrý vodič tepla a tak z ruky odoberá teplo nielen tá časť zábradlia, ktorej sa dotýkame, ale aj vzdialenejšie časti. V prípade železa je teda v hre v nejakom zmysle viac zábradlia ako v prípade dreva, a preto je z ruky odobraté teplo výrazne vyššie. No a čím viac tepla sa z ruky odoberie, tým nižšia je jej výsledná teplota.
Príklad so zábradliami nám slúžil na to, aby sme si povedali či pripomenuli, čo je teplo. A teraz sa poďme pozrieť na to, ako súvisí teplo s energiou.
.teplo po druhý raz
Začalo sa to na ostrove Jáva niekedy okolo roku 1840. Mladý lodný lekár Robert Mayer robil pacientovi v tom čase bežný zákrok – púšťanie žilou. Vytekajúca krv však nebola tmavá, ako sa na žilovú krv patrí. Naopak, mala jasnočervenú farbu, takmer ako tepnová krv. O porušenie tepny však ísť nemohlo, krv totiž nestriekala, ale pokojne vytekala.
Doktora Mayera táto skutočnosť prekvapila a čoskoro zistil, že ide o úplne všeobecný jav – v Indonézii bola žilová krv vždy oveľa jasnejšia než na akú bol zvyknutý z Európy. Bola to záhada, ale filozoficky založený mladý muž ju pomerne rýchlo vyriešil.
V tom čase už bolo známe, že farba krvi súvisí s jej okysličením. Rovnako bolo známe, že kyslík sa v organizme využíva na spaľovanie potravy a produkciu tepla. Mayer teda uvažoval takto: v tropických a subtropických krajinách je oveľa teplejšie ako v Európe, čiže organizmu stačí vyrábať menej tepla na to, aby si uchoval stálu telesnú teplotu. To znamená, že spaľovanie potravy v tele je v teplejších krajinách pomalšie a z krvi sa spotrebuje menej kyslíka. Krv v žilách je teda v teplých krajinách menej odkysličená, a teda svetlejšia, ako v krajinách chladnejších.
Tým sa však Mayerove úvahy neskončili, naopak, tým sa len začali. Jedlo a kyslík predsa organizmus nepotrebuje len na udržiavanie stálej telesnej teploty, ale aj na konanie práce. Spaľovaním potravy získava človek schopnosť konať prácu aj produkovať teplo. Koľko tepla a koľko práce sa dá získať spálením určitého množstva potravy?
Na prvý pohľad by sa mohlo zdať, že pri spálení určitého množstva potravy vzniká vždy rovnaké množstvo tepla. Mayer však dospel k záveru, že ak organizmus koná prácu, potom získa spálením potravy menej tepla.
Predpokladajme, že by to tak nebolo, že pri spaľovaní potravy by sa uvoľnilo rovnaké množstvo tepla, či už by sme pritom pracovali, alebo nie. V takom prípade by sme však mohli prácu využiť na výrobu dodatočného tepla, napríklad trením, a tak by sme získali spálením rovnakého množstva potravy raz menej a raz viac tepla. Toto úplne protirečilo základnému Mayerovmu filozofickému princípu, podľa ktorého rovnaká príčina nemôže vyvolať raz väčší a raz menší účinok.
A tak dospel Mayer k záveru, že ak môže spálenie potravy viesť raz ku vzniku mechanickej práce a inokedy ku vzniku tepla, potom mechanická práca a teplo by mali byť vlastne jedno a to isté. Toto bola akási prvá a zatiaľ len veľmi intuitívna formulácia zákona zachovania energie.
.energia
Zo zákona zachovania energie sa zásluhou ľudí ako James Prescott Joule, Hermann von Helmholtz a lord Kelvin rýchlo stal prvý základný zákon termodynamiky – vedy, ktorá prežívala hviezdne chvíle v druhej polovici devätnásteho storočia. Podľa tohto zákona sú teplo a práca len akési pomocné veličiny, ktoré vyjadrujú zmenu naozaj fundamentálnej veličiny, ktorou je energia. Energia sa môže meniť buď konaním práce, alebo odovzdávaním či prijímaním tepla, výsledná energia všetkých zúčastnených sa pritom vždy zachováva (čo o práci ani teple rozhodne neplatí).
Zákon zachovania energie bol nejaký čas považovaný za úplne základný zákon prírody, až kým sa neprišlo na to, že ani on neplatí. Ukázalo sa totiž, že ak sú v hre aj elektromagnetické polia, časť energie sa môže strácať. Súčasne s touto zlou správou sa však objavila aj dobrá. Elektromagnetickým poliam sa tiež dala pripísať nejaká energia, a keď sa to urobilo rozumným spôsobom, tak sa energia znovu zachovávala. Jediné, čo bolo treba urobiť, bolo pripočítať k dovtedy známej energii aj túto novú formu energie.
A takto sa to potom v histórii fyziky niekoľkokrát zopakovalo. Občas sa ukázalo, že energia sa nezachováva, ale vždy sa zistilo, že ak k dovtedy známym formám energie pripočítame ešte nejakú novú formu, tak sa celková energia znovu zachováva.
No tak moment. To čo je za prírodný zákon, ktorý čas od času prestane platiť a my k nemu vždy čosi „došolicháme“ tak, aby znovu platil? To veru nepripomína prírodné vedy, to skôr pripomína legislatívny chaos všelijakých novelizácií, doplňovacích zákonov, vykonávacích predpisov a podobne. To je na tom jeden zo základných prírodných zákonov naozaj tak zle?
Veru áno, a to ešte nie je všetko. Zákon zachovania energie vlastne vôbec nie je až taký fundamentálny, za aký býva všeobecne považovaný. V skutočnosti je odvodený z nejakých základnejších, a teda hlbších prírodných zákonov.
Tak, a teraz, keď už sme zákon zachovania energie úplne demaskovali, nastal hádam čas na jeho opätovnú glorifikáciu. Na to, aby sa energia zachovávala, k nej naozaj treba čas od času nejakú novú formu pridať, ale nedeje sa to hala-bala. Nová forma energie vždy súvisí s nejakou novou fyzikou, a to nie ľubovoľne, ale celkom jednoznačným spôsobom. Tento súvis je dokonca jednou z najhlbších vecí v celej fyzike. Ako ukázala začiatkom dvadsiateho storočia nemecká matematička Emmy Noether, zákon zachovania energie veľmi úzko súvisí s tým, že prírodné zákony sa nemenia v čase. Takže zákon, ktorý sa nám pred chvíľkou zdal nemiestne vrtošivý, je v skutočnosti prejavom zásadnej nemennosti prírodných zákonov. No nie je tá fyzika zaujímavá?
V minulom článku o teplote sme nechali nezodpovedané dve otázky. Po prvé, prečo je železné zábradlie studenšie ako rovnako teplé drevené zábradlie, a po druhé, odkiaľ vlastne vieme o absolútnej teplotnej nule. V odpovedi na prvú otázku hrá kľúčovú úlohu pojem tepla, ktorý je pri diskusii energie veľmi dôležitý, a preto sa mu budeme dnes venovať. Na tú druhú otázku odpovieme nabudúce.
.teplo po prvý raz
To, čo vnímame ako teplotu vecí, ktorých sa dotýkame, nie je v skutočnosti teplota tých vecí, ale teplota našej kože. Pri dotyku sa teploty vecí a kože vyrovnávajú. Ak sa teda dotkneme nejakého predmetu, pre náš pocit nie je určujúca jeho teplota, ale teplota, na ktorej sa ustáli naša koža.
Teploty sa vyrovnávajú tak, že ruka dodá predmetu určité množstvo tepla, pričom teplota ruky klesne a teplota predmetu stúpne. Teplo odobraté alebo dodané nejakej látke je dané rozdielom teplôt (počiatočnej a konečnej) tejto látky, jej hmotnosťou a jej takzvanou mernou tepelnou kapacitou, čo nie je nič iné, než učený názov pre ochotu látok zohrievať sa. Dva predmety s rovnakou teplotou môžu odobrať z ruky rôzne množstvo tepla (a teda rôznym spôsobom zmeniť jej teplotu), ak sa líšia ich hmotnosti alebo merné tepelné kapacity.
Ako je to so železom a drevom? Ak by malo železo oveľa väčšiu mernú tepelnú kapacitu ako drevo, potom by bolo všetko okamžite jasné – železo by odoberalo z ruky viac tepla ako drevo a tým by ju ochladzovalo na nižšiu teplotu. Ale tak to nie je, merná tepelná kapacita železa a dreva je približne rovnaká.
Ostáva už len možnosť, že železa je v prípade zábradlia v nejakom zmysle viac, hoci to tak na prvý pohľad nevyzerá. A naozaj je to tak. Vtip je v tom, že železo je veľmi dobrý vodič tepla a tak z ruky odoberá teplo nielen tá časť zábradlia, ktorej sa dotýkame, ale aj vzdialenejšie časti. V prípade železa je teda v hre v nejakom zmysle viac zábradlia ako v prípade dreva, a preto je z ruky odobraté teplo výrazne vyššie. No a čím viac tepla sa z ruky odoberie, tým nižšia je jej výsledná teplota.
Príklad so zábradliami nám slúžil na to, aby sme si povedali či pripomenuli, čo je teplo. A teraz sa poďme pozrieť na to, ako súvisí teplo s energiou.
.teplo po druhý raz
Začalo sa to na ostrove Jáva niekedy okolo roku 1840. Mladý lodný lekár Robert Mayer robil pacientovi v tom čase bežný zákrok – púšťanie žilou. Vytekajúca krv však nebola tmavá, ako sa na žilovú krv patrí. Naopak, mala jasnočervenú farbu, takmer ako tepnová krv. O porušenie tepny však ísť nemohlo, krv totiž nestriekala, ale pokojne vytekala.
Doktora Mayera táto skutočnosť prekvapila a čoskoro zistil, že ide o úplne všeobecný jav – v Indonézii bola žilová krv vždy oveľa jasnejšia než na akú bol zvyknutý z Európy. Bola to záhada, ale filozoficky založený mladý muž ju pomerne rýchlo vyriešil.
V tom čase už bolo známe, že farba krvi súvisí s jej okysličením. Rovnako bolo známe, že kyslík sa v organizme využíva na spaľovanie potravy a produkciu tepla. Mayer teda uvažoval takto: v tropických a subtropických krajinách je oveľa teplejšie ako v Európe, čiže organizmu stačí vyrábať menej tepla na to, aby si uchoval stálu telesnú teplotu. To znamená, že spaľovanie potravy v tele je v teplejších krajinách pomalšie a z krvi sa spotrebuje menej kyslíka. Krv v žilách je teda v teplých krajinách menej odkysličená, a teda svetlejšia, ako v krajinách chladnejších.
Tým sa však Mayerove úvahy neskončili, naopak, tým sa len začali. Jedlo a kyslík predsa organizmus nepotrebuje len na udržiavanie stálej telesnej teploty, ale aj na konanie práce. Spaľovaním potravy získava človek schopnosť konať prácu aj produkovať teplo. Koľko tepla a koľko práce sa dá získať spálením určitého množstva potravy?
Na prvý pohľad by sa mohlo zdať, že pri spálení určitého množstva potravy vzniká vždy rovnaké množstvo tepla. Mayer však dospel k záveru, že ak organizmus koná prácu, potom získa spálením potravy menej tepla.
Predpokladajme, že by to tak nebolo, že pri spaľovaní potravy by sa uvoľnilo rovnaké množstvo tepla, či už by sme pritom pracovali, alebo nie. V takom prípade by sme však mohli prácu využiť na výrobu dodatočného tepla, napríklad trením, a tak by sme získali spálením rovnakého množstva potravy raz menej a raz viac tepla. Toto úplne protirečilo základnému Mayerovmu filozofickému princípu, podľa ktorého rovnaká príčina nemôže vyvolať raz väčší a raz menší účinok.
A tak dospel Mayer k záveru, že ak môže spálenie potravy viesť raz ku vzniku mechanickej práce a inokedy ku vzniku tepla, potom mechanická práca a teplo by mali byť vlastne jedno a to isté. Toto bola akási prvá a zatiaľ len veľmi intuitívna formulácia zákona zachovania energie.
.energia
Zo zákona zachovania energie sa zásluhou ľudí ako James Prescott Joule, Hermann von Helmholtz a lord Kelvin rýchlo stal prvý základný zákon termodynamiky – vedy, ktorá prežívala hviezdne chvíle v druhej polovici devätnásteho storočia. Podľa tohto zákona sú teplo a práca len akési pomocné veličiny, ktoré vyjadrujú zmenu naozaj fundamentálnej veličiny, ktorou je energia. Energia sa môže meniť buď konaním práce, alebo odovzdávaním či prijímaním tepla, výsledná energia všetkých zúčastnených sa pritom vždy zachováva (čo o práci ani teple rozhodne neplatí).
Zákon zachovania energie bol nejaký čas považovaný za úplne základný zákon prírody, až kým sa neprišlo na to, že ani on neplatí. Ukázalo sa totiž, že ak sú v hre aj elektromagnetické polia, časť energie sa môže strácať. Súčasne s touto zlou správou sa však objavila aj dobrá. Elektromagnetickým poliam sa tiež dala pripísať nejaká energia, a keď sa to urobilo rozumným spôsobom, tak sa energia znovu zachovávala. Jediné, čo bolo treba urobiť, bolo pripočítať k dovtedy známej energii aj túto novú formu energie.
A takto sa to potom v histórii fyziky niekoľkokrát zopakovalo. Občas sa ukázalo, že energia sa nezachováva, ale vždy sa zistilo, že ak k dovtedy známym formám energie pripočítame ešte nejakú novú formu, tak sa celková energia znovu zachováva.
No tak moment. To čo je za prírodný zákon, ktorý čas od času prestane platiť a my k nemu vždy čosi „došolicháme“ tak, aby znovu platil? To veru nepripomína prírodné vedy, to skôr pripomína legislatívny chaos všelijakých novelizácií, doplňovacích zákonov, vykonávacích predpisov a podobne. To je na tom jeden zo základných prírodných zákonov naozaj tak zle?
Veru áno, a to ešte nie je všetko. Zákon zachovania energie vlastne vôbec nie je až taký fundamentálny, za aký býva všeobecne považovaný. V skutočnosti je odvodený z nejakých základnejších, a teda hlbších prírodných zákonov.
Tak, a teraz, keď už sme zákon zachovania energie úplne demaskovali, nastal hádam čas na jeho opätovnú glorifikáciu. Na to, aby sa energia zachovávala, k nej naozaj treba čas od času nejakú novú formu pridať, ale nedeje sa to hala-bala. Nová forma energie vždy súvisí s nejakou novou fyzikou, a to nie ľubovoľne, ale celkom jednoznačným spôsobom. Tento súvis je dokonca jednou z najhlbších vecí v celej fyzike. Ako ukázala začiatkom dvadsiateho storočia nemecká matematička Emmy Noether, zákon zachovania energie veľmi úzko súvisí s tým, že prírodné zákony sa nemenia v čase. Takže zákon, ktorý sa nám pred chvíľkou zdal nemiestne vrtošivý, je v skutočnosti prejavom zásadnej nemennosti prírodných zákonov. No nie je tá fyzika zaujímavá?
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.