Transport energii

We wszystkich zjawiskach, jakie obserwujesz wokół siebie, nieustannie przekazywana jest energia. Jak to się dzieje? – oto pytanie zasadnicze.

1. W jaki sposób odbywa się przekazywanie energii?

Wymiana energii między ciałami może odbywać się dwoma sposobami.

• Jedno ciało może nad drugim ciałem wykonać pracę, czyli przekazać mu energię w sposób mechaniczny. W wyniku tego bezpośredniego oddziaływania ciało, nad którym wykonano pracę, zyskuje energię (mechaniczną lub wewnętrzną).

• Ciało może też przekazać swoją energię innemu ciału w sposób termiczny, czyli poprzez dostarczenie ciepła. Mamy w tym przypadku do czynienia z transportem energii, gdyż energię można w ten sposób przekazać na duże odległości, poprzez przewodnictwo, konwekcję i promieniowanie.

Wymiana energii między ciałami

• przez wykonanie pracy

• przez przekazanie ciepła
  • przewodnictwo
  • konwekcja
  • promieniowanie

2. Jak przekazywana jest energia drogą przewodnictwa?

Przenoszenie energii drogą przewodnictwa obserwujemy głównie w metalach. Gdy do jednego miejsca metalowego przedmiotu dostarczymy energii w sposób termiczny, czyli je ogrzejemy, to w tym miejscu ruch cząsteczek staje się bardziej intensywny. Ruch ten jest przekazywany sąsiednim cząsteczkom tak długo, aż cała nadwyżka energii kinetycznej cząsteczek rozejdzie się równomiernie wzdłuż całego ciała. Jest tak choćby w przypadku łyżeczki, zanurzonej w gorącej herbacie.

3. Od czego zależy przewodnictwo cieplne?

O tym, czy ciało jest dobrym, czy złym prze­wodnikiem energii, decydują wiąza­nia międzycząsteczkowe. Przekazywanie ruchów cieplnych jest najłatwiejsze w tych substancjach, w których elektrony mają dużą swobodę ruchu, czyli przede wszystkim w metalach. Szybkość przewodzenia energii zależy od rodzaju substancji. W takich materiałach, jak: wełna, drewno, papier, słoma, korek czy też styropian, energia nie może rozchodzić się w ten sposób, gdyż brak w nich swobodnych elektronów. Takie substancje nazywamy izolatorami. Słabymi przewodnikami są też gazy i ciecze, w tym powietrze. Dlatego też znane nam z codziennego życia materiały izolacyjne są zwykle takimi substancjami,
w których znajdują się liczne niewielkie przestrzenie wypełnione powietrzem (futro, cegła, styropian, wełna, wata szklana).

• Skojarz na przykładzie!
  Gdy stoisz bosymi stopami na drewnianej podłodze, to wydaje Ci się ona cieplejsza niż posadzka kamienna, chociaż oba podłoża mają taką samą temperaturę. Kamień jest w tym przypadku lepszym przewodnikiem energii niż drewno. Energia, jaką przekazują podłożu Twoje ciepłe stopy, szybciej rozchodzi się w kamiennych płytach niż w drewnie. Ten szybki odpływ energii odczuwasz jako „chłód” i dlatego wydaje Ci się, że kamień jest zawsze zimniejszy niż drewno.

4. Jak odbywa się transport energii w cieczach i gazach?

Przenoszenie energii w cieczach i gazach odbywa się w podobny sposób, czyli przez konwekcję. Energia wędruje dzięki ciągłym ruchom warstw cieczy lub gazu o różnej temperaturze, czyli dzięki tzw. prądom konwekcyjnym. Ogrzewanie powietrza w pokoju i wody w garnku odbywa się więc zupełnie podobnie. Powietrze w pokoju podgrzewane jest od dołu, przez kaloryfer umieszczony przy podłodze. Warstwy powietrza, które otaczają kaloryfer, ogrzewają się, rozszerzają i jako warstwy o mniejszej gęstości unoszą się w górę, ponieważ działa na nie siła wyporu. Na ich miejsce natychmiast napływają warstwy powietrza o niższej temperaturze. One również, po ogrzaniu, jako warstwy o mniejszej gęstości, powędrują w górę.

• Skojarz na przykładzie!
  Prądami konwekcyjnymi, które nieustannie powstają w atmosferze ziemskiej, są wiatry. Powstają one dlatego, że niektóre części powierzchni Ziemi nagrzewają się silniej niż inne. Gorące powietrze unosi się wówczas nad takimi obszarami w postaci tzw. prądów wstępujących. Nad obszarami o niższej temperaturze obserwujemy tzw. prądy zstępujące. Wyraźnie widać to chociażby nad brzegiem morza.

W ciągu dnia temperatura lądu wzrasta szybciej niż temperatura wody. Przyczyną tego jest dużo większe ciepło właściwe wody niż lądu. Powietrze nad lądem ogrzewa się więc szybciej niż powietrze nad wodą, co wymusza ruch powietrza znad wody w kierunku lądu. W nocy wszystko odbywa się odwrotnie. Woda wolniej się ochładza, więc powietrze nad nią jest cieplejsze niż powietrze nad lądem. Prądy konwekcyjne wędrują wówczas w kierunku przeciwnym, czyli z obszaru lądu nad obszar wody.

5. W jaki sposób dociera do Ziemi energia słoneczna?

Ten sposób transportu energii nie wymaga pośrednictwa materii, tak jak to się dzieje w przypadku przewodnictwa i konwekcji. Zwróć uwagę,
że między Słońcem a Ziemią istnieją przecież ogromne obszary próżni kosmicznej. Mimo to na Ziemię dociera energia, którą emituje Słońce w postaci promieniowania, czyli wysyłanych w przestrzeń fal elektromagnetycznych.

6. Co trzeba wiedzieć o falach elektromagnetycznych?

Fale elektromagnetyczne to przenikające się wzajemnie zmienne pola elektryczne i magnetyczne, które rozchodzą się w przes­trzeni. Pola te są zmienne, czyli na przemian słabe i silne.
Im większa amplituda tych zmian, tym większa jest energia, jaką fale ze sobą niosą. Fale elektromagnetyczne mogą być falami o różnej długości. Im krótsze są fale elektromagnetyczne, tym większą energię ze sobą przenoszą.

7. Które ciała emitują promieniowanie?

Każde ciało jest źródłem promieniowania, ale tylko ciała o wysokich temperaturach (powyżej 500 °C) wysyłają fale o takiej długości, że są one widzialne dla człowieka jako światło. W temperaturach niższych ciała wysyłają fale elektromagnetyczne zbyt długie i dlatego niewidoczne dla człowieka. Jest to tzw. promieniowanie podczerwone, o niskiej energii, i dlatego nie odczuwamy zazwyczaj jego obecności. Najkrótsze
z tych fal podczerwonych są pochłaniane przez naszą skórę, dając wrażenie ciepła. Dlatego też często nazywamy je promieniowaniem cieplnym.
Promieniowaniem o dużej energii jest np. promieniowanie ultrafioletowe emitowane przez lampy kwarcowe. Jest ono również obecne w promieniowaniu słonecznym.

To właśnie promieniowanie powoduje opaleniznę na skórze człowieka. Aby się opalić, nie musisz więc wcale odczuwać ciepła! Wiedzą o tym turyści, przebywający zimą w górach, podczas słonecznej, mroźnej pogody.

Energia przenoszona przez promieniowanie ultrafioletowe jest tak duża, że niszczy wirusy i bakterie. Dlatego promieniowanie ultrafioletowe wykorzystujemy również do sterylizacji urządzeń medycznych.

• Skojarz na przykładzie!
  Promieniowanie podczerwone emitują urządzenia zdalnego sterowania (czyli tzw. piloty), służące do uruchamiania telewizora lub magnetowidu. Naciśnięcie kombinacji klawiszy powoduje emisję promieniowania podczerwonego w kierunku odbiornika. Promieniowanie to niesie zakodowany sygnał, w postaci impulsów, powodujący np. zmianę kanału. Odbiornik wykrywa to promieniowanie i dekoduje je. Jest to promieniowanie niosące tak małą energię, że nie jesteśmy w stanie wykryć jej żadnymi zmysłami.

Czy wiesz, że…
Trzy drogi przepływu energii od ciała cieplejszego do zimniejszego możesz przeanalizować, przyglądając się budowie termosu. Dzięki próżni, jaka istnieje między jego podwójnymi ściankami, nie jest możliwe ani przewodzenie ciepła, ani konwekcja. Niemożliwe jest też oddawanie energii do otoczenia drogą promieniowania, gdyż wewnętrzne ścianki są posrebrzane i odbijają wysyłane promieniowanie z powrotem do wnętrza termosu.

8. Od czego zależy intensywność promieniowania?

Intensywność promieniowania zależy nie tylko od temperatury ciała, ale również od jego powierzchni. Ciała ciemne i chropowate promieniują znacznie silniej niż ciała gładkie i lśniące. Ciała ciemne są też w stanie pochłonąć więcej energii padającego na nie promieniowania. W skrajnym przypadku, gdy ciało pochłania całe padające na nie promieniowanie, to nazywamy je ciałem doskonale czarnym.

Skojarz na przykładzie!
Wyobraź sobie, że wlewasz gorącą wodę do dwóch identycznych dzbanków, które różnią się jedynie rodzajem powierzchni. Jeden z nich jest biały i błyszczący, a drugi czarny i matowy. Jeśli wykonasz pomiary temperatury wody w dzbankach, to okaże się, że woda w ciemnym garnku stygnie szybciej. Ciemna powierzchnia takiego dzbanka ma bowiem większą zdolność emisyjną, czyli promieniuje znacznie intensywniej, a więc szybciej oddaje energię do otoczenia niż powierzchnia jasna i błyszcząca (rys. 7).

Czy domyślasz się, jaki byłby wynik tego doświadczenia, gdyby do obu dzbanków wlano lodowatą wodę, a następnie postawiono je w pobliżu źródła promieniowania? Ciemny dzbanek ogrzeje się wówczas szybciej, gdyż ma nie tylko dobrą zdolność wysyłania promieniowania, ale również i większą zdolność do jego pochłaniania.