Skola energetike

[miki]

Uvod

Energija je pokretac našeg života.
Koristimo ju da bismo radili. Ona osvjetljava naše gradove. Pokrece bicikle, vlakove, avione i ostala motorna vozila. Grije naše domove, omogucava kuhanje hrane i slušanje glazbe, daje nam sliku na televizoru. Pokrece strojeve u tvornicama i traktore na farmama.
Energija dobivena od Sunca daje nam svjetlost tijekom dana, suši nam odjecu, pomaže biljkama da rastu. Biljojedi jeduci biljke dobivaju energiju potrebnu za preživljavanje. I mesojedi jeduci svoj plijen dobivaju energiju. Sve što radimo na neki je nacin povezano s energijom.
Energija je definirana kao sposobnost obavljanja rada.
Kada jedemo, naša tijela pretvaraju energiju pohranjenu u hrani u energiju potrebnu za rad. Kada trcimo ili hodamo u našem se tijelu troši energija koju smo unijeli jeduci hranu. Kada mislimo, citamo ili pišemo - takoðer radimo. U mnogo slucajeva to je težak rad!
Automobili, zrakoplovi, žarulje, brodovi i razni elektricni strojevi kada rade takoðer pretvaraju energiju iz jednog oblika u drugi.
Rad znaci pokretanje necega, grijanje necega, osvjetljavanje necega. Sve navedeno samo je dio razlicitih oblika energije. Ali odakle energija dolazi?
Postoji mnogo izvora energije. U "Školi energetike" uvjerit cemo se da energija omogucuje rad, te da je važan dio našeg svakodnevnog života.
Promatrat cemo ove oblike energije:
• elektricitet i elektricnu energiju,
• energiju biomase,
• geotermalnu energiju,
• energiju fosilnih goriva,
• hidroenergiju (energiju vodenih masa) i energiju valova,
• nuklearnu energiju,
• energiju Sunceva zracenja,
• energiju vjetra i
• energiju potrebnu za prijevoz.
Takoðer cemo razmatrati kako rade generatori, što je elektricitet i elektricna energija, kako prenijeti energiju do potrošaca i kako smanjiti kolicine energije potrebne za naš život, odnosno kako uštedjeti dio energije kojom se koristimo. Konacno, razmatrat cemo ½novije½ oblike energije i kako ih iskorištavati u buducnosti.

[miki]

01 - Što je energija?

Energija je uzrok svemu što se dogaða oko nas.
Pogledajte kroz prozor! Danju sa Sunca dolazi energija zracenja, a s njom toplina i svjetlost. Nocu ulicne svjetiljke rabe elektricnu energiju za osvjetljavanje. Auto koji prolazi pokraj nas koristi se energijom pohranjenom u gorivu (benzinu, plinu, nafti) ili u akumulatorskoj bateriji. Hrana koju jedemo sadrži energiju potrebnu za rad i igranje.
Definicija energije dana je u Uvodu:
Energija je sposobnost obavljanja rada.
Energija se pojavljuje u razlicitim oblicima. Postoji kemijska energija, elektricna energija, toplinska energija, energija zracenja, mehanicka energija i nuklearna energija. Važno je zapamtiti da se energija ne može poništiti ni stvoriti, vec samo može promijeniti svoj oblik.
Nagomilani (pohranjeni) i prijelazni oblici energije
Oblike energije moguce je svrstati u razlicite skupine i podijeliti prema razlicitim karakteristikama. Jedna od podjela je podjela na nagomilane (skupljene, pohranjene) i prijelazne oblice energije.
Nagomilani se oblici energije mogu održati u svojem obliku kroz dulje vremensko razdoblje, dok se prijelazni oblici javljaju kratkotrajno. Prijelazna se energija pojavljuje kad nagomilana energija mijena svoj oblik ili kad nagomilana energija prelazi s jednog sustava na drugi (s jednog tijela na drugo).
Nagomilani oblici energije dijele se na mehanicku energiju i unutrašnju energiju. U mehanicku energiju ubrajaju se energija mirovanja, potencijalna, kineticka, elasticna i rotacijska energija. Energija mirovanja posljedica je toga što tijelo mase m posjeduje energiju jednaku mc2koja je raspoloživa za transformaciju u druge oblike energije. Unutrašnja energija dijeli se na nuklearnu energiju, kemijsku energiju i unutrašnju kaloricku energiju. Za kemijsku energiju se može reci da je zapravo elektromagnetska potencijalna energija.
Prijelazni su oblici energije mehanicki rad, toplinska energija, elektricna energija i energija koja se troši zbog trenja.
Pomocu olovke možete demonstrirati neke od preobrazbi oblika energije i navedene dvije vrste energije.
Stavite olovku na rub stola i gurnite je preko ruba da padne na pod. U odnosu na pod olovka posjeduje potencijalnu energiju. Za vrijeme pada olovke potencijalna se energija olovke pretvara u njezinu kineticku energiju. U trenutku kad olovka padne na pod, kineticka se energija pretvara u unutrašnju kaloricku energiju koja se pohranjuje u olovci i podu. Zbog malene mase olovke u odnosu na pod, temperatura olovke poraste u odnosu na temperaturu poda, dok se, zbog velike mase poda, njegova temperatura prakticki ne mijenja.
Razlika u temperaturi olovke i poda uzrokovat ce prijelaz toplinske energije s olovke na pod. Buduci da se energija ne može stvoriti, toplinska energija koja prelazi s olovke na pod dobivena je preobrazbom unutrašnje kaloricke energije.
Naime, unutrašnja se kaloricka energije olovke pretvara u toplinsku energiju koja prelazi s olovke na pod (s toplijeg tijela na hladnije) da bi se pretvorila u unutrašnju kaloricku energiju poda. Prijelaz toplinske energije, odnosno preobrazba unutrašnje kaloricke energije u toplinsku i zatim toplinske u unutrašnju kaloricku energiju, odvija se tako dugo dok se ne izjednace temperature olovke i poda. Temperatura ce se olovke pritom snižavati, a poda rasti.
Uzmite sada olovku i vratite je natrag na stol. Da biste podigli olovku, svladavali ste silu težu - gravitacijsku privlacnu silu kojom Zemlja djeluje na olovku. Drugim rijecima, obavili ste mehanicki rad, "radili ste"! Za podizanje olovke koristili ste se vlastitom nagomilanom kemijskom energijom koju ste u tijelu pohranili unošenjem hrane.
Kako stalno isticemo, energija se ne može poništiti ni stvoriti, vec može samo promijeniti oblik. Mehanicki rad koji ste uložili za podizanje olovke dobiven je pretvorbom kemijske energije pohranjene u Vašem tijelu i zatim pretvoren u potencijalnu energiju olovke u trenutku vracanja olovke na stol.
Drugim rijecima, kemijska se energija pohranjena u ljudskom tijelu, posredstvom mehanickog rada, pretvorila u potencijalnu energiju olovke. Posredstvom prijelaznog oblika energije jedan se od nagomilanih oblika energije pretvorio u drugi i "prešao" s jednog na drugo tijelo.
Kako mjerimo energiju?
Energija se mjeri na mnoštvo nacina.
Osnovna jedinica za energiju je džul (joule), nazvana prema engleskom fizicaru Jamesu Prescottu Jouleu (1818-1889). On je otkrio da je toplina jedna vrsta (oblik) energije. Obilježava se slovom "J".
Jedan džul je energija potrebna za rad obavljen silom od jednog njutna (newton, "N") kad se njezino hvatište pomakne za 1 metar u smjeru sile. Jedan džul je takoðer i energija djelovanja snage od jednoga vata (wat, kratica W) u trajanju od jedne sekunde: J = Ws.
Za vece se iznose energije upotrebljavaju jedinice kilodžul (kJ) i megadžul (MJ). "Kilo" oznacava tisucu, a "mega" milijun. Izgaranjem jedne šibice oslobodi se otprilike 1000 J toplinske energije, dok je za spravljanje jedne šalice kave potrebno otprilike 2 milijuna džula (MJ) energije.
Energija se može izražavati i u drugim jedinicama, primjerice u kalorijama, kilovat-satima ili britanskim toplinskim jedinicama. Omjer izmeðu razlicitih jedinica za energiju je stalan: jedna kalorija (cal) je 4,18 J; jedan kilovat-sat (kWh) odgovara 3,6 milijuna džula (3,6MJ); a 1055 džula odgovara jednoj britanskoj toplinskoj jedinici (Btu). Jedna caša coca-cole (240 g) sadrži 170 kJ odnosno 40 kcal energije. Istu kolicinu energije sadrži i jedna jabuka (100 g).
Komad kruha namazanog maslacem sadrži oko 315 kJ energije. Ta energija je dostatna za:
• 6 minuta trcanja ili
• 10 minuta vožnje biciklom ili
• 15 minuta šetnje ili
• vožnju auta 7 sekundi pri brzini od 80 kilometara na sat ili
• rad žarulje od 100 W tijekom jednog sata ili
• podizanje tereta od 50 kg na 1 m visine 650 puta.
Pretvorbe oblika energije
Jedan oblik energije može se pretvoriti u druge oblike energije. Primjerice, dio kemijske energije pohranjene u bateriji pretvara se u svjetlost kada ukljucimo baterijsku svjetiljku.
Hrana takoðer sadrži kemijsku energiju. Kada tijelo koristi tu pohranjenu kemijsku energiju ona se, i opet samo dijelom, pretvara u mehanicku energiju i/ili mehanicki rad.
Kada se prejedete, energija iz hrane se akumulira, tj. pohranjena je kao kemijska energija u obliku masnih stanica.
Kada razgovaramo preko telefona zvuk se pretvara u elektricnu energiju, koja se dalje prenosi preko žice (ili kroz zrak u obliku elektromagnetske energije). Na drugoj strani telefon pretvara elektricnu energiju u zvuk preko zvucnika.
Automobil se koristi pohranjenom kemijskom energijom goriva za kretanje. Motor s unutrašnjim izgaranjem transformira kemijsku energiju u unutrašnju kaloricku energiju, da bi se unutrašnja kaloricka energija pretvorila zatim u toplinsku i mehanicki rad.
Slicno, u tosteru se elektricna energija transformira najprije u unutrašnju kaloricku energiju, a ova zatim u toplinu i svjetlost. (Pogledate li u unutrašnjost tostera vidjet cete užarene žice koje svijetle.).
Televizor transformira elektromagnetsku energiju u svjetlost i zvuk.
Toplinska energija
Toplina je prijelazni oblik energije. Koristimo je za puno toga, primjerice za zagrijavanje prostorija i pripremanje hrane.
Prijelaz toplinske energije izmeðu tijela razlicitih temperatura odvija se na dva fizikalno razlicita nacina: prvi je voðenjem i prenošenjem, a drugi toplinskim zracenjem. Prvi je vezan za materiju, a drugi je posljedica elektromagnetskog zracenja.
Voðenje se dogaða kada toplinska energija prelazi s jednog tijela na drugo prilikom izravnog kontakta. Kada dotaknemo prstom vruci predmet toplina prelazi na prst provoðenjem i zagrijava ga. Toplina prelazi s predmeta koji ima višu temperaturu na predmet koji ima nižu temperaturu.
Metal je izvrstan vodic toplinske energije. Drvo i plastika nisu dobri vodici topline. "Loši" vodici nazivaju se izolatorima. Zbog toga se kuhinjske posude rade od metala a drške od plastike.
Prenošenje je gibanje plinova ili tekucina od toplijih prema hladnijim mjestima. Ukoliko je posuda za juhu prozirna, moguce je vidjeti gibanje struje prenošenja. Topli se dijelovi juhe gibaju prema gore, dalje od zagrijavanog dijela posude na dnu, prema hladnijem dijelu posude na vrhu. Hladniji dio juhe istovremeno se giba tako da zauzme mjesto toplijeg dijela juhe. Gibanje je kružnog oblika unutar posude.
Strujanje zraka u atmosferi cesto je rezultat voðenja topline prenošenjem. Dobar primjer je vjetar koji gotovo uvijek puše u blizini mora. Topli zrak je lakši od hladnog zraka i stoga se diže. Kopno se zagrijava brže od mora, pa je za vrijeme suncanog dana kopno toplije od mora. Topli zrak iznad kopna se diže, a nadomješta ga hladniji zrak iznad mora. To gibanje zraka osjecamo kao ljetni povjetarac.
Energija osloboðena na Suncu naziva se Suncevom energijom. To je energija koja nastaje u unutrašnjosti Sunca termonuklearnom fuzijom. Spajanjem cetiriju jezgara vodika u helij oslobaða se energija od 1,17?10-18 kWh za svaku jezgru helija. Ta se energija prenosi kondukcijom prema površini Sunca s koje se emitira u Svemir (3,3?1027kWh godišnje) u obliku elektromagnetnih valova, odnosno, kako se još govori, zracenja: radiovalovi, infracrveno, vidljivo, ultraljubicasto, rendgensko i gama zracenje.
Vecina energije sa Sunca, meðutim, što dopire do Zemlje je energija ultraljubicastog i infracrvenog zracenja. Naime, ta se energija ne može prenijeti do Zemlje provoðenjem ili prenošenjem topline zbog gotovo praznog prostora izmeðu Sunca i Zemlje. Kako ne postoji materija koja bi prenijela tu energiju, ona se prenosi zracenjem pomocu elektromagnetnih valova odnosno pomocu elektromagnetnog zracenja razlicitih duljina.
Od energije emitirane sa Sunca do Zemlje dopire tek milijarditi dio (1,556 1018 kWh godišnje). Od te energije, koja dopire do vrha Zemljine atmosfere, oko 30% reflektira se natrag u svemir, oko 47% pretvara se u toplinu i emitira kao infracrveno zracenje, oko 23% troši se na isparavanje vode i oborinski ciklus u atmosferi, a samo se mali dio pretvara u energiju vjetra, troši na fotosintezu i sl.
Kada svjetlost doðe do Zemlje, tu se apsorbira ili reflektira. Tamnije površine više apsorbiraju, a svjetlije površine više reflektiraju elektromagnetsko zracenje. Dakle, ljeti ce nam biti manje vruce ukoliko se odjenemo u svjetliju odjecu.
Energija hrane
Energija mijenja oblik u svakom koraku hranidbenog lanca. To cemo opisati na primjeru jednog klipa kukuruza.
Fotosinteza je proces u kojem se svjetlosna energija pretvara u kemijsku energiju pohranjenu u glukozi. Za fotosintezu je potrebna svjetlosna energija, kloroplast, voda i ugljicni dioksid. Dok je izložena svjetlosti, biljka apsorbira ugljicni dioksid, a ispušta kisik. Tijekom fotosinteze biljka kroz korijen uzima hranjive tvari iz zemlje.
Kukuruz raste i razvija klipove ? vlastito sjeme. Energija svjetlosti, posredstvom fotosinteze, pohranjena je u biljci. Zrna kukuruza puna su energije u obliku šecera i škroba. Obrani kukuruz služi kao hrana pilicima i drugim životinjama. Pilici koriste hranu da bi rasli i kretali se. Dio energije spremaju kao tkivo mišica - proteine, i kao masno tkivo.
Da bi piletina stigla do trgovine potrebna je energija kod obrade, transporta i zamrzavanja. Kod pripreme jela takoðer se troši energija.
Mi jedemo hranu za rast, pokretanje i pohranu. Kada se naše tijelo koristi energijom iz hrane, potreban mu je kisik koji udiše iz zraka. Kao dio produkata kemijskih procesa u našem tijelu izdišemo ugljicni dioksid. Ugljicni dioksid opet mogu koristiti biljke za rast. Dakle, to je veliki krug života!
U ovom ste poglavlju naucili što je to energija i osnovne podjele oblika energije. Iduci odlomak donosi više o posebnom obliku energije - elektricnoj

[MIKI]

02 - Što je to elektricna struja?

Elektricna struja je svugdje u našem svakodnevnom životu. Elektricna struja osvjetljava naše domove, kuha hranu, omogucava rad kompjutera, TV prijamnika i ostalih elektronickih ureðaja. Elektricna struja iz akumulatora pokrece motore naših automobila i stvara svjetlost u tami.
Evo prijedloga, što možete uciniti da bi se uvjerili u važnost elektricne struje. Prošetajte vašom školom, kucom ili stanom i zapišite sve razlicite kucanske aparate, ureðaje i strojeve koji za svoj rad koriste elektricnu struju. Iznenadit cete se koliko mnogo stvari koristimo svaki dan, a koje ovise o elektricnoj struji.
Što je elektricna struja? Od kuda dolazi? Što radi? Prije nego li shvatimo sve to, trebamo znati nešto o atomima i njihovoj strukturi.
Sva materija je graðena od atoma, a atomi su graðeni od manjih cestica. Tri glavne cestice koje grade atom su proton, neutron i elektron.
Elektroni kruže oko središta ili nukleusa atoma na isti nacin kao što mjesec kruži oko zemlje. Nukleus je graðen od neutrona i protona.
Elektroni imaju negativni naboj a protoni pozitivni naboj. Neutroni su neutralni, to znaci nemaju niti pozitivni niti negativni naboj.
Postoji mnogo razlicitih atoma, jedan za svaki kemijski element. Atom je dakle jedinicni dio koji gradi svaki element. Sve živo i neživo oko nas je izgraðeno od 118 razlicitih poznatih elemenata. Neki elementi, kao kisik koji udišemo, su kljucni za život.
Svaki atom ima specificni broj elektrona, protona i neutrona. Ali bez obzira koliko cestica atom ima, broj elektrona obicno treba biti jednak broju protona. Ako je taj broj jednak atom je u ravnoteži i veoma stabilan.
Ako atom ima šest protona treba imati takoðer i šest elektrona. Element s šest elektrona i protona se zove ugljik. Ugljik se nalazi u izobilju na suncu, zvijezdama, kometima, atmosferi vecine planeta i hrani koju jedemo. Ugljen je graðen od ugljika, a takoðer i dijamanti.
Neke vrste atoma imaju labavo zakvacene elektrone. Atom koji izgubi elektrone ima više protona nego elektrona i pozitivni naboj. Atom koji prihvati elektrone ima više negativnih cestica i negativni naboj. "Nabijeni" atom se zove "ion".
Elektroni se mogu gibati od jednog atoma do drugog. Kada se elektroni gibaju izmeðu atoma nastaje elektricna struja. Elektroni se dakle gibaju od jednog atoma do drugog u "struji". Atom prihvati jedan elektron a izgubi drugi.
Ovaj lanac je slican kao što su u stara vremena vatrogasci gasili vatru kantama. Umjesto dodavanja jedne kante od pocetka lanca ljudi do kraja, svaki covjek bi trebao imati kantu vode koju bi pretakao u kantu iduceg u lancu. Rezultat takvog nacina je mnogo prosute vode i nedovoljno vode za gašenje vatre. Ova situacija je veoma slicna prolasku elektricne struje duž vodica odnosno elektricnog kruga. Naboj je prešao od atoma do atoma, dakle,elektricna struja je "prošla".
Znanstvenici i inženjeri su pronašli mnogo nacina za odvajanje elektrona od atoma. To znaci, kada atomu uzimate elektron, atom ima jedan proton više umjesto da je u ravnoteži.
Zato što atomi žele biti uravnoteženi, atom koji nije u ravnoteži traži slobodan elektron za ispunjenje slobodnog mjesta odnosno da bi postao uravnotežen. Kaže se da ovaj "neuravnoteženi" atom ima "pozitivni naboj" (+) zato što ima previše protona.
Kada je otrgnut, slobodni elektron se giba tražeci neuravnoteženi atom gdje bi se smjestio. Naboj slobodnog elektrona je negativan jer nema protona za uravnoteženje, zato se kaže elektron ima "negativni naboj" (-).
U kakvoj vezi su pozitivni i negativni naboji s elektricnom strujom?
Znanstvenici i inženjeri su izumili nekoliko nacina za kreiranje velikog broja pozitivnih atoma i slobodnih negativnih elektrona. Pozitivni atomi jako privlace negativne elektrone jer se žele uravnotežiti. Elektroni takoðer žele biti dio uravnoteženog atoma te imaju jaku privlacnost prema pozitivnim atomima. Dakle pozitivni naboj privlaci negativni da bi se uravnotežio.
Što je više pozitivnih atoma ili negativnih elektrona to je jaca meðusobna privlacnost. Kada postoje obje pozitivne i negativne grupe koje privlace jedna drugu ukupna privlacnost se zove "naboj".
Ako se elektroni gibaju izmeðu atoma materijala stvara se elektricna struja. Upravo to se dogaða u komadu žice. Elektroni prelaze od atoma do atoma kreirajuci elektricnu struju od jednog kraja do drugog.
Pojedini materijali vode elektricnu struju bolje od drugih. Elektricna otpornost je mjera kako dobro neki materijal vodi elektricnu struju. Neki materijali veoma snažno vežu svoje elektrone. Kroz njih se elektroni skoro uopce ne mogu gibati. Takvi materijali se nazivaju izolatori. Guma, plastika, tkanina, staklo i suhi zrak su dobri izolatori i imaju vrlo veliku otpornost.
Drugi materijali imaju slabo vezane elektrone, koji se veoma lako gibaju kroz materijal. Ovi materijali se zovu vodici. Vecina metala kao što su bakar, aluminij ili celik su dobri vodici.
Od kuda dolazi rijec elektricitet (elektricna struja)? Elektricitet, elektroni, elektricna (struja), elektronika i druge rijeci koje pocinju s "elektr..." potjecu od grcke rijeci "elektor" što znaci "zraka sunca". U grckom "elektron" je rijec za jantar. Jantar je veoma lijepa zlatno smeða "stijena" koja svjetluca narancasto i žuto na zrakama sunca. Jantar je u stvari fosilizirani biljni sok. Štap korišten u filmu "Jurassic Park" je u stvari jantar. Milijune godina ranije insekti su uginuli u biljnom soku. Insekti koji su ugrizli dinosauruse, imali su u krvi DNA dinosaurusa, koja je fosilizirana u jantaru. Anticki Grci su otkrili da se jantar ima cudno svojstvo, privlaci perje, kada se protrlja o krzno ili drugi slican materijal. Oni pak nisu znali što je prouzrocilo taj fenomen. Dakle, Grci su otkrili jedan od prvih primjera statickog elektriciteta (Poglavlje 3). Latinska rijec "electricus" znaci proizveden od jantara trenjem. Tako smo dobili naše rijeci koje pocinju s "elektr..." od grcke i latinske rijeci jantar.

[MIKI]

03 - Otpor i staticki elektricitet

Kao što smo naucili neki atomi imaju slobodne elektrone koji se mogu kretati od jednog atoma do drugog. Kada se takvi elektroni krecu od atoma do atoma nekog metala, kažemo da je potekla elektricna struja.
Uzmimo komad žice. Elektroni se krecu od atoma do atoma, stvarajuci time elektricnu struju od jednog kraja žice do drugog. Elektroni su vrlo, vrlo mali. Primjerice, jedan bakreni novcic od 5 lipa sadrži više od 10 000 000 000 000 000 000 000 elektrona.
Elektricna struja bolje tece kroz odreðene materijale nego kroz neke druge. Mjera kako dobro odreðeni materijal vodi struju naziva se otpor.
Otpor žice ovisi o njenoj duljini, debljini i materijalu od kojeg je napravljena.
Razliciti materijali se koriste pri izradi žice za voðenje elektricne struje. Postoje bakrene žice, aluminijske žice, pa cak i celicne žice. Svaki od navedenih materijala ima razliciti otpor ovisno o tome koliko dobro provodi elektricnu struju. Manji otpor žice znaci bolju vodljivost elektricne struje.
Najcešce se upotrebljava bakar zbog svojeg malog otpora u odnosu prema drugim materijalima. Žice ugraðene u vaše zidove, unutar svjetiljki, te u mnoge druge ureðaje, od bakra su.
Dio metala može se upotrijebiti kao grijac. Kada potece elektricna struja stvara se trenje uslijed otpora, a trenje izaziva zagrijavanje. Što je veci otpor to je zagrijavanje vece. Prema tome svitak žice velikog otpora, kao što je to u sušilu za kosu, može se jako ugrijati kada kroz njega potece elektricna struja.
Neki materijali vrlo slabo vode elektricnu struju. Takvi materijali se nazivaju izolatori. Guma je dobar izolator, te se upotrebljava za izolaciju gole elektricne žice. Staklo je još jedan dobar izolator. Tako se može uociti da je svaki kraj dalekovoda zakacen za kvrgavi završetak. To su stakleni izolatori. Oni odvajaju žice dalekovoda od metalnih stupova.
Staticki elektricitet
Drugi tip elektricne energije je staticki elektricitet. Za razliku od elektricne struje koja se krece, staticki elektricitet miruje.
Pokušajte provesti sljedeci pokus
Trljajte balon ispunjen zrakom o vašu vunenu vestu ili o kosu. Postavite ga blizu zida. Balon ce ostati priljubljen uz zid.
Povežite dva kraja balona. Sada trljajte jedan i drugi balon, držite ih za vezu i pustite da se približe jedan drugom. Nakon približavanja razdvojit ce se.
Trljanjem balona predaje im se staticki elektricitet. Kada se trlja balon on preuzima na sebe dodatne elektrone s vunene veste ili kose, te postaje blago negativno nabijen.
Negativno nabijeni balon privlaci pozitivni naboj u zidu.
Dva balona koja vise na svojoj vezi su oba negativno nabijena. Negativni naboj uvijek odbija negativni naboj, kao i što pozitivni odbija pozitivni naboj. Prema tome dva se negativno nabijena balona razdvajaju – odbijaju.
Staticki elektricitet može izazvati proboj, odnosno u nekim situacijama i blagi šok. Ukoliko se krecete preko vunenog tepiha, povlaceci noge, te nakon toga dodirnete neki metalni predmet, pojavit ce se iskra izmeðu vas i metalnog predmeta. Povlacenjem nogu po tepihu preuzimate elektrone koji se rašire po površini vašeg tijela. Kada dotaknete metalni predmet iskra preskoci s vašeg tijela na metalni predmet nešto prije nego ga dodirnete. Ukoliko hodate po tepihu na opisan nacin i dotaknete racunalo, možete ga oštetiti.
Jedan je oblik statickog elektriciteta posebno spektakularan. To je munja. Oblaci postaju negativno nabijeni kada se kristali leda u njima taru jedni o druge. U meðuvremenu se površina zemlje sve više pozitivno nabija - elektroni u oblacima odbijaju elektrone u zemlji. Oblaci postaju toliko jako nabijeni da elektroni preskoce s oblaka na zemlju. To izaziva pojavu velike iskre na nebu, odnosno pojavu munje.
Ali što je staticki elektricitet?
Sjetit cete se iz poglavlja 2 da rijec elektricitet dolazi od grcke rijeci "elektor", za "sunceve zrake" i "elektron"; obje rijeci opisuju jantar. Jantar je fosilna naslaga stvarana milijunima godina i cvrstoce poput kamena.
Oko 600 godina prije naše ere Grci su opazili neobicnu pojavu. Trljanjem «elektron» o dio krzna, jantar pocinje privlaciti djelice prašine, perje i slamu. Nitko nije obracao posebnu pozornost toj "cudnoj" pojavi sve do oko 1600 godine kada je dr. William Gilbert istražio meðudjelovanje magneta i jantara i otkrio druge predmete koji mogu biti "elektricni".
Gilbert je rekao da jantar stice, kako se izrazio, "smolasti elektricitet" kada se trlja o krzno. Staklo kada se trlja o svilu, stice, kako se izrazio, "stakleni elektricitet".
Smatrao je da elektricitet privlaci istovrsni i odbija suprotni tip elektriciteta. Gilbert i ostali znanstvenici toga doba smatrali su da trenje stvara elektricitet (njihov naziv za elektricni naboj).
1747. Benjamin Franklin iz Amerike i William Watson iz Engleske dolaze do zajednickog zakljucka. Izjavili su da svi materijali posjeduju odreðeni dio tzv. elektricnog "fluida". Nisu ništa znali o elektronima i atomima, pa su ih nazvali fluidom.
Oni su smatrali da taj fluid može slobodno ulaziti u materijal i da ne može biti stvoren niti uništen. Njih dvojica su smatrali da trljanje (poput jantara o krzno) pomice taj nevidljivi fluid s jednog predmeta na drugi, elektrizirajuci ih oba.
Franklin je definirao fluid kao pozitivan, a manjak fluida kao negativan. Stoga, prema Franklinu, smjer kretanja ½fluida½ je od pozitivnog prema negativnom. Danas znademo da je istina suprotna. Elektricitet ide od negativnog prema pozitivnom. Kad metalom tece elektricna struja, slobodni se elektroni gibaju u smjeru od negativnog pola prema pozitivnom polu izvora, a smjer elektricne struje definiran je suprotno: od pozitivnog pola prema negativnom polu izvora. Definicija smjera elekricne struje, kao što to sada znadete, takva je zbog povijesnih razloga. Ostali su preuzeli ideju i razvili je dalje govoreci da postoje dva fluida. Rekli su da se predmeti s istim fluidom privlace, dok se predmeti koji imaju razlicite fluide odbijaju.
Sve to je samo djelomicno ispravno. Meðutim, tako se razvija znanstvena teorija. Ljudi razmišljaju, promatrajuci pojavu, predlažuci objašnjenja. Ponekad su potrebna stoljeca kako bi se došlo do prave istine. Npr., umjesto objašnjenja elektriciteta pomocu fluida, danas znademo da je to kretanje nabijenih djelica izmeðu predmeta - dva predmeta zapravo izmjenjuju elektrone.

[MIKI]

04 - Strujni krugovi

Elektroni, kao negativni naboj, koje privlace pozitivno nabijeni atomi, ne mogu samo jednostavno "preskociti" kroz zrak do njih. Da bi se pozitivni i negativni naboji približili potrebna je veza ili most izmeðu podrucja gdje se oni nalaze. Uobicajeno je taj "most" ili "vezu" nazivati strujnim krugom. Kada se uspostavi veza svi se elektroni pocinju istodobno kretati. Nastoje na najbrži moguci nacin prijeci put do pozitivnih atoma. Prijelaz, a to je elektricna struja, ovisi o otporu kojeg pruža materijal veze. Kretanje velikog broj elektrona vezom u jedinici vremena cak može uništiti vezu.U trecem poglavlju naucili ste o elektronima i privlacenju izmeðu pozitivnih i negativnih naboja, a u ovom smo poglavlju dosad naucili da je moguce uspostaviti vezu ili strujni krug izmeðu tih naboja. Nadalje, važno je znati da je moguce ograniciti broj elektrona koji u jedinici vremena prolaze strujnim krugom, kao i «zaposliti» te elektrone da tijekom svog putovanja naprave nešto korisno za nas. Na primjer, ako se strujni krug sastoji od žarulje onda ce elektroni svojim prolaskom zagrijati njezinu žarnu nit zbog cega ce ona svijetliti, proizvoditi svjetlosnu energiju. Kada ogranicavamo broj elektrona koji u jedinici vremena prolazi strujnim krugom kažemo da pružamo otpor njihovu kretanju - slicno kao što to cine naplatne kucice motornim vozilima na autocestama. Bakrena žica samo je jedan od mogucih nacina da se povežu komponente u strujnom krugom. U tom su slucaju elektroni (nositelji negativnog naboja) "nositelji" struje. No pri voðenju struje, kroz tekucine na primjer, nositelji struje mogu biti i pozitivno nabijene cestice. Tako su u ljudskom tijelu nositelji elektricne struje pozitivni i negativni ioni u stanicnoj i izvanstanicnoj tekucini. Radi li se o gibanju pozitivnih iona (na primjer iona natrija, Na+, definirani se smjer struje podudara sa smjerom gibanja pozitivnih iona). Prije no što elektroni stignu do svog odredišta može se dogoditi da se sudare i povežu s atomima koje susrecu na svom putu. Na taj nacin nastaju novi nosioci naboja koji su veci i tromiji buduci su nastali povezivanjem atoma i elektrona. Osim toga oni mogu cak promijeniti i smjer kretanja. Za ovu je pojavu karakteristicno pretvaranje elektricne energije u unutrašnju kaloricku energiju koja se zatim pretvara u toplinu i prelazi u okolicu. Znaci naucili smo da elektroni svojim kretanjem kroz strujni krug mogu stvarati svjetlosnu i unutrašnju kaloricku (toplinsku) energiju. Zamislite strujni krug kao crijevo za zalijevanje vrta. Tada tok naboja odgovara toku vode kroz crijevo. Napon strujnog kruga odgovara tlaku u crijevu, a promjer crijeva kljucan je parametar za odreðivanje otpora koji to crijevo pruža toku vode.Kretanje naboja u strujnom krugom predstavlja struju. U elektricnom strujnom krugu elektroni se krecu od negativnog prema pozitivnom polu. Ako negativan i pozitivan pol odgovaraju nekom izvoru elektricne struje dobili smo struji krug (zamislite to kao da se radi o negativnom i pozitivno polu elektricne baterije). Dodajmo sada još u taj strujni krug žarulju i sklopku. U žarulji se uslijed prolaska elektricne struje transformira elektricna energija u unutrašnju kaloricku energiju i svjetlosnu energiju.
Pokus sa strujnim krugom
Kada je Thomas Edison bio maleni djecak imao je na tavanu svoje kuce laboratorij. Upravo su ga pokusi u tom laboratoriju ucinili genijalcem "žednim" spoznaja o tome kako funkcioniraju prirodne pojave i kako to može iskoristiti u svojim izumima. Žarulja i projektor filmova samo su neki od njegovih otkrica. Možete (ako želite) i vi sami poput Edisona vrlo jednostavno izraditi svoj prvi strujni krug i otkriti što ce se dogoditi kada je krug otvoren odnosno kada je zatvoren.
Popis stvari koje su Vam potrebne:
1. Žaruljica
2. Džepna baterija
3. Tri izolirane žice (vodici)
4. Ljepljiva vrpca (kako biste povezali polove džepne baterije sa krajevima žice)
5. Tanki komad metala (kontakt sklopke)
6. Komad drva
Pokus sa strujim krugom
Napomena: Koristite žaruljicu iz džepne svjetiljke a ne klasicnu žarulju Izrada strujnog kruga:
1. Utisnite jedan metalni cavlic u drvo
2. Utisnite drugi metalni cavlic kroz tanki komad metala i onda u drvo ali tako da taj metal ne dodiruje drugi cavlic
3. Povežite prvu izoliranu žicu (vodic) s jednim od cavlica, a drugi kraj s žaruljicom
4. Povežite drugu izoliranu žicu (vodic) s žaruljicom a na njenom drugom kraju je pomocu ljepljive vrpce pricvrstite za jedna od polova baterije
5. Preostali slobodni pol baterije povežite s trecom žicom koja završava na drugom slobodnom cavlicu sklopke.
Strujni krug je sada spreman za eksperimente. Kada pritisnete metalni kontakt koji povezuje dva cavlica strujni krug je zatvoren i njime tece elektricna struja - žaruljica ce svijetliti. Kada metalni kontakt pomaknete strujni krug je otvoren i struja više njime ne tece - žaruljica više ne svijetli. Broj elektrona koji u jedinici vremena putuju strujnim krugom cini elektricnu struju. Mjerna jedinica za elektricnu struju je Amper (A). Jedan Amper odgovara 6 250 000 000 000 000 000 elektrona koji proðu strujnim krugom u jednoj sekundi. Inace, taj se veliki broj naziva još i "coulomb" prema znanstveniku Charlesu A. Coulombu koji je doprinio otkricu elektricne struje. Ako se sjecate, u prvom smo poglavlju definirali energiju kao sposobnost obavljanja rada. Da bismo odvojili elektrone od atoma (to se dogaða u izvoru elektricne energije, generatoru i/ili bateriji primjerice) moramo obaviti rad. Rad je energija, ne može biti izgubljen, ta energija ostaje sacuvana u položajima (odvojenih) elektrona i atoma. Oni se meðusobno privlace, posjeduju elektricnu potencijalnu energiju. Omogucimo li njihovo spajanje, elektricnim krugom, elektroni na putu do atoma, kao što smo se uvjerili, mogu obaviti rad. Taj se rad može izraziti na poseban, posredan nacin kao omjer obavljenog rada i naboja (ukupnog broja elektrona koji su sudjelovali u obavljanju rada). Tako odreðeni omjer naziva se naponom. Jedinica napona jednaka je omjeru jedinice energije (rada) i jedinice naboja, dakle džul po kulonu. Naziova se volt, prema znanstveniku Aleksandru Volti koji je osmislio prvu bateriju, i ima znak V. 1 V (jedan volt) odgovara naponu koji je potreban da bi 1 C (kulon, 6,25x1018 elektrona) obavio rad jednak 1 J (džul).Napon, struja i otpor važne su velicine kojima se opisuju strujni krugovi. Ukoliko su napon ili struja preveliki može doci do kvara u strujnom krugu. No ako je neki od njih premali strujni krug ne ce funkcionirati na zadovoljavajuci nacin. Na isti nacin, ako je otpor strujnog kruga prevelik, elektroni nece moci stici do svojeg odredišta. Ako je pak otpor mali velik broj elektrona ce pojuriti krugom i pritom ga razoriti. Paralelni strujni krugovi - ako postoji samo jedan moguci put elektrona izmeðu polova izvora elektricne energije onda govorimo o serijskom strujnom krugu. Ako postoji više mogucih putova onda govorimo o paralelnim strujim krugovima. Nazivamo ih paralelnim jer oni realno rade paralelno izmeðu istoga para polova izvora elektricne energije. Sasvim opcenito moguc je neogranicen broj takvih paralelnih strujnih krugova kojima pripada isti napon na njihovim krajevima. No kako smo ugradnjom paralelnih krugova povecali broj putova kojima može teci struja to znaci da ce broj elektrona a time i ukupna struja u strujnom krugu narasti. Pri tome ne ce doci do razaranja strujnog kruga jer se ta struja dijeli na paralelne krugove (grane).
Elektricni motori
Elektricni motori pretvaraju elektricnu energiju u mehanicku. Pretvorba se temelji na pojavi koja se naziva elektromagnetizam. Motor se sastoji od zavojnice (strujnog kruga koji ima puno zavoja) i koji je smješten izmeðu sjevernog i južnog pola permanentnog (trajnog) magneta. Kada struja tece zavojnicom ona proizvodi drugo magnetsko polje. Južni pol permanentnog (fiksnog) magneta privlaci sjeverni pol zavojnice i obrnuto, dok se istoimeni polovi odbijaju. Uslijed opisanih odbijanja i privlacenja polova zavojnice i permanentnog magneta dolazi do okretanja zavojnice u polju permanentnog magneta.

[MIKI]

05 - Spremljena energija i baterije

Energija se ne može stvoriti ili uništiti, ali se može sacuvati u razlicitim oblicima. Jedan od nacina spremanja je u obliku kemijske energije u bateriji. Kada je spojena u strujnom krugu, baterija proizvodi struju.
Ako pozornije pogledate bateriju uocit cete dva pola - pozitivno i negativno nabijeni. Ako spojite dva pola sa žicom stvara se strujni krug. Kroz žicu ce poteci elektroni što ce rezultirati stvaranjem struje.
Unutar baterije odvija se reakcija meðu kemikalijama. Ali do reakcije ce doci samo ako doðe do protoka elektrona. Baterije se mogu spremiti na duži vremenski period i još uvijek biti valjane upravo zato jer kemijski proces nece zapoceti sve dok se elektroni ne pokrenu od negativnog prema pozitivnom polu strujnog kruga.
Kako dolazi do kemijske reakcije unutar baterije?
Vrlo jednostavna suvremena baterija je cink-ugljikova baterija, poznatija kao karbonska (ugljikova) baterija. Ova baterija sadrži kiselinu s cinkovim štapicem u sredini. Ovdje bi moglo pomoci nešto znanja iz kemije. Kada cink doðe u dodir s kiselinom ona nagriza cink. Cink je metal, a svi se metali (donekle) "tope" u kiselini; topivost razlicitih metala je razlicita. U procesu topljenja pozitivni ioni (pozitivno nabijeni atomi) metala (u ovom slucaju cinka) odlaze u otopinu, te buduci da elektroni tih atoma ostaju, metal (cink) postaje negativno nabijen, a otopina (kiselina i ioni metala) pozitivno. Drugim rijecima, cink je negativno nabijen spram otopine. Ako se sada u kiselinu stavi štapic ugljika, on se ne otapa u kiselini, cink je u odnosu na štapic ugljika isto tako negativno nabijen. Spojimo li izvana sa žicom štapic cinka sa štapicem ugljika, stvorili smo strujni krug, elektroni ce se poceti kretati kroz žicu i zatim u otopini spajati s pozitivnim ionima te ce se zatvoriti strujni krug. Povežemo li serijski nekoliko, npr. deset, takvih clanaka (opisani ureðaj koji sadrži štapice cinka, ugljika i kiselinu naziva se clankom), dobit cemo višestruko (deseterostruko) veci napon, dakle, kako se to govori, bateriju clanaka. Elektricna energija unutar tog kruga može sada ne samo upaliti žaruljicu nego i pokrenuti manji motor, odnosno, ovisno o velicini baterije, i automobil.
Umjesto cinka i ugljika možemo uzeti bilo koja dva metala A i B. Ucinak ce se razlikovati samo po iznosu proizvedenog elektricnog napona. Naime, jedan od metala bit ce slabije topiv od drugog, pa i manje negativan spram otopine. Stoga ce s metala koji sadrži veci broj elektrona elektroni prelaziti na metal s manjim brojem elektrona; poteci ce i opet elektricna struja. Kada kiselina potpuno potroši cinkov štapic, baterija više nije valjana.
Više o baterijama: Energizer Learning Center.
Razlicite vrste baterija
Razlicite vrste baterija koriste se razlicitim vrstama kemikalija i kemijskim reakcijama. Neke od najpoznatijih vrsta baterija su:
• Alkalijska baterija - baterije koje možete kupiti u svakoj samoposluzi ili na kiosku. Elektrode su od cinka i magnezij-oksida. Elektrolit je u obliku alkalijske paste.
• Baterija na bazi olovo-kiselina - upotrebljava se u automobilima. Elektrode su napravljene od olova i olovo-oksida s jakom kiselinom kao elektrolitom.
• Litijska baterija - rabi se u foto aparatima. Napravljena je od litija, litij-jodida i olovo-jodida. Daje energiju za foto blic.
• Litij-ionska baterija - nalazi se u prijenosnim racunalima, mobitelima i drugim prijenosnim ureðajima.
• Nikal-kadmijska ili NiCad baterija - elektrode su od nikal-hidroksida i kadmija. Elektrolit je potasium-hidroksid.
• Cink-karbon baterija (manganska) ili obicna karbonska baterija - cink i ugljik koriste se u svim obicnim ili standardnim AA, C i D akumulatorima. Elektrode su napravljene od cinka i ugljika s pastom od kiseline koja služi kao elektrolit (vodic).
Hrana - još jedan nacin spremanja energije
Uz baterije koje cuvaju energiju uz pomoc kemijskih procesa, postoje i drugi nacini spremanja energije. Uzmimo na primjer "prehrambeni lanac".
Biljke, kao što je npr. trava na livadi, procesom fotosinteze spremaju suncevu energiju u obliku kemijske energije. Ova energija se sprema u stanice i koristi se za rast, obnavljanje i razmnožavanje biljke.
Krave i ostale životinje uzimaju energiju (jeduci) sacuvanu u travi ili žitu i spremaju je u tijelo. Kada jedemo meso ili druge životinjske proizvode, zapravo spremamo tu energiju u naše tijelo. Tu spremljenu energiju koristimo za hodanje, trcanje, vožnju biciklom ili cak za citanje stranice na Internetu.

[MIKI]

06 - Turbine, Generatori i Elektrane

Kako smo naucili u poglavlju 2, elektricna struja tece kroz žice koje idu do naših domova i na taj nacin omogucava svijetljenje žarulje, rad televizora, osobnih racunala i rad drugih elektricnih aparata. Ali, postavlja se pitanje, odakle dolazi elektricna struja?
U ovom cemo poglavlju nauciti kako se proizvodi elektricna struja u "posebnim tvornicama" koje se nazivaju elektrane. U sljedecih nekoliko poglavlja govorit cemo i o raznim nacinima dobavljanja topline koja se zatim pretvara u elektricnu energiju. U poglavlju 7 naucit cemo kako se elektricna struja doprema iz elektrana u naše domove, škole i poduzeca.
Termoelektrane imaju velike kotlove u kojima izgara gorivo i pritom se oslobaða toplina (toplinska energija). Kotao se može zamisliti kao cajnik na pecnici. Kada voda zakipi tada para izlazi kroz malu rupicu na vrhu cajnika. Para se giba i prolazi kroz rupicu te stvara piskutavi zvuk koji nam daje do znanja da je voda zakipjela. U elektrani voda zakipi u velikim kotlovima iz kojih se tada para odvodi do turbine pomocu cijevi koje imaju debele stjenke.
Vecina kotlova se zagrijava tako da se ispod njih nalazi ložište u kojem se pali drvo, ugljen, nafta ili prirodni plin i tako se dobiva toplina. Kroz ložište i iznad njega prolazi niz cijevi kroz koje tece voda. Toplinska energija dobivena u ložištu prenosi se na cijevi koje tada zagrijavaju vodu koja tece kroz njih sve do trenutka dok se ne dobije para. Temperatura na kojoj voda prelazi u paru jako je visoka i ovisi o tlaku pod kojim se voda nalazi u kotlu; što je viši tlak, to je viša temperatira na kojoj voda zapocinje isparavati (kipjeti). Para visokog tlaka dovodi se do turbine i turbina se tada vrti. Energija pohranjena u pari pretvara se u mehanicku energiju osovine turbine. Kako je osovina turbine spojena s osovinom generatora, i on se vrti. Generator tada pretvara mehanicku energiju vrtnje u elektricnu energiju.
Turbina ima na stotine lopatica koje su okrenute pod nekim kutom (kao propeler kod broda). Kada se para dovodi do turbine ona klizi duž lopatica koje djeluju silom na paru skrecuci je s pocetnog smjera strujanja. Istom silom, no suprotnog smjera, para djeluje na lopatice koje su pak pricvršcene na osovinu; zbog djelovanja pare na lopatice silom osovina se vrti.
Nakon što para proðe kroz turbinu odvodimo je cijevima u ureðaj za hlaðenje (kondenzator) gdje joj se snizuje temperatura do trenutka kada se ponovno pretvara u vodu. Kada vruce cijevi doðu u kontakt s hladnim zrakom dolazi do zagrijavanja cestica vode koje se nalaze u zraku te se pretvore u paru i tada izgleda kao da se ureðaj za hlaðenje dimi. To, dakle, nije dim nego vodena para. Valja naglasiti da to nije ona para koja pokrece turbinu. Ohlaðena voda se pumpom ponovno dovodi do kotla u kojem se grije, pa se cijeli proces neprestano ponavlja.
Termoelektrane u Hrvatskoj koriste se ugljenom, naftom i plinom za grijanje vode, a nuklearna elektrana Krško nuklearnim gorivom pomocu kojeg grije vodu. Dakle, nuklearne elektrane su takoðer termoelektrane, ali umjesto ugljena, nafte ili plina rabe drugu vrstu goriva (nuklearno gorivo) za zagrijavanje vode. Postoje i elektrane koje se koriste geotermalnim izvorima te samim time ne trebaju nikakvo gorivo. O tim cemo energetskim izvorima saznati više u iducim poglavljima.
Kako radi generator
Osovina turbine je pricvršcena za osovinu generatora. Generator ima veliki pomicni magnet (rotor) koji se nalazi unutar nepomicnog prstena (stator) na koji je namotana dugacka žica.
Pošto je osovina turbine spojena s osovinom rotora, rotor se vrti kada se vrti turbina. Zbog pomicanja (okretanja) rotora (koji je veliki magnet) u žicama na prstenu (statoru) pocinje teci struja kao posljedica elektromagnetne indukcije. Dakle, generator pretvara mehanicku energiju rotora u elektricnu energiju.
Generator radi na principu elektromagnetne indukcije, što je otkrio britanski znanstvenik Michael Faraday 1831. godine. On je ustanovio da kroz vodic, na primjer bakrenu žicu, ako ga gibamo unutar magnetskog polja tece elektricne struja: govorimo da se u vodicu inducirala elektricna struja. Vrijedi i obratno. Gibamo li magnetno polje (tako da gibamo magnet - rotor) u blizini vodica, žica na statoru, tada se u njima inducira elektricna struja. To je upravo princip rada generatora. Želite li saznati više o elektromagnetnoj indukciji posjetite ovu adresu.
Struja proizvedena pomocu generatora prenosi se pomocu velikih žica koje se nazivaju dalekovodi do naših kuca, škola i poduzeca. Ako želite saznati nešto više o dalekovodima pogledajte poglavlje 7.

[MIKI]

07 - Prijenos elektricne energije

Nakon što se elektricna energije proizvede u elektranama ona se predaje potrošacima. Naselja, gradovi, županije i cijela država isprepleteni su elektroenergetskim vodovima kojima se prenosi elektricna energija.
Tijekom vrtnje generatori proizvode elektricnu energiju napona i do 25 000 volti. Svejedno, nakon što je proizvedena u generatoru, elektricna energija prolazi kroz transformator, smješten u elektrani, koji joj mijenja napon od nižeg napona na ulazu u tranformator u napon iznosa i do 1 500 000 V (u RH do 400 000 V, odn. 400 kV) na izlazu iz transformatora jer je prijenos elektricne energije to ucinkovitiji što su viši naponi prijenosa.
Vodovi i kabeli za prijenos elektricne energije nacinjeni su od bakra ili aluminija jer su to materijali koji imaju malen elektricni otpor. U poglavlju 3 je opisano da veci elektricni otpor uzrokuje vece zagrijavanje vodica. Dakle, odreðena se kolicina elektricne energije izgubi kao posljedica "otpora" prijenosnih vodova odnosno njene pretvorbe u toplinsku energiju.
Visokonaponskim prijenosnim vodovima elektricna se energija prenosi do velikih, visokonaponskih transformatorskih stanica u kojima se transformira s najviših na nešto niže napone i zatim odvodi do transformatorskih stanica smještenih u blizini industrije i kucanstava. Te se transformatorske stanice nazivaju distribucijske (razdjelne) transformatorske stanice i u njima se elektricna energija i dalje transformira na još niže napone, na srednje napone.
Iz distribucijskih transformatorskih stanica (poput prikazane na slici), elektricna energija se, na razlicitim srednjonaponskim razinama, razvodi i upotrebljava za pogon potrošaca u industriji, tramvaja i ostalih sredstava javnog prijevoza, koja pogoni elektricna energija, za napajanje ulicne javne rasvjete i prometne signalizacije, kao i za ostale potrošace. Konacno, u našem susjedstvu, postoje maleni transformatori smješteni na stupove ili u kucice u kojima se elektricna energija transformira na najniže naponske razine koje se koriste u kucanstvima. Napon se trasformira s razina 10 000 ili 20 000 V na razinu 400 (trofazno) odn. 230 V (jednofazno odn. monofazno).
Osim zracnih vodova za prijenos elektricne energije sve se više rabe i kabelski vodovi koji se ukapaju u zemlju. Na taj se nacin vodovi štite od vremenskih nepogoda koje mogu oštetiti ili prekinuti elektricni vod.
Nakon što se elektricna energija prenese do kucanstva da bi došla do konacnog potrošaca, ona mora proci kroz brojilo. Brojila su smještena u prikljucnom ormaricu, a zaposlenici elektroenergetskih kompanija ocitavaju ih i na temelju tih ocitanja dostavljaju kucanstvima racune za potrošenu elektricnu energiju.
Osim kroz brojilo elektricna energija prolazi i kroz osigurace koji su takoðer smješteni u prikljucnom ormaricu. Osiguracima se štite elektricni ureðaji i njihovi korisnici u slucaju kvarova. U slucaju da osigurac pregori ili izbaci (ako je automatski) dogodio se kvar u instalaciji ili u nekom od trošila (kratki spoj).
Energetska pravila sigurnosti!
• Nikada se ne igraj u blizi transformatora. U slucajevima kada lopta ili igracka odleti u blizinu transformatora, reci roditeljima da pozovu djelatnike elektroeneregetske kompanije. Elektricna energija iz transformatora je opasna po život.
• Nikada ne puštaj zmaja u blizini elektroenegetskih vodova (dalekovoda). Vezica kojom pridržavaš zmaja može se zapetljati za elektroenergetski vod. Preko nje elektricna energija može doci do tebe.
• Nikada ne puštaj u nebo balone, posebno ako su metalizirani. Kako se helij iz balona ispušta, balon pocinje gubiti visinu i padati. Balon može dodirnuti elektroenergetsku opremu te uzrokovati probleme ili cak i požar.
• Nikada ne dodiruj elektricne instalacije i žice unutar i izvan kuce. U slucaju potrebe uvijek pozovi elektricara koji poznaje pravila za siguran rad s elektricnom energijom

[MIKI]

08 - Fosilno gorivo - ugljen, nafta i prirodni plin

Postoje tri glavna oblika fosilnih goriva: ugljen, nafta i prirodni plin. Sva tri su nastala prije stotine milijuna godina, prije vremena dinosaurusa – otuda potice ime fosilna goriva. Period u kojemu su nastala fosilna goriva zove se karbon, dio geološke ere paleozoika. Ime karbon nastalo je od ugljika (lat. carbonus), osnovni element ugljena i ostalih fosilnih goriva.
Period karbon traje od 360 do 286 milijuna godina prije naše ere. U to vrijeme, zemlja je bila prekrivena mocvarama s velikim drvecem, papratima i ostalim velikim biljkama s lišcem, slicne slici gore. Voda i more je bilo puno algi – zelena tvar koja se stvori na vodi stajacici. Alge su zapravo milijuni sitnih biljaka.
Neki depoziti ugljena mogu se naci tijekom vremena dinosaurusa. Npr. tanki slojevi ugljena se mogu naci kroz period krete (prije 65 milijuna godina) – za vrijeme dinosaurusa Tyrannosaurus Rex. No glavni depoziti fosilnog goriva su iz peroida karbona. Za više o razlicitim geološkim formacijama, pogledajte ovdje.
Kako su drveca i biljke umirale, tonule su na dno mocvara i oceana. Stvorili su slojeve spužvastog materijala zvanog treset. Tijekom više stotina godina treset je prekrivena pijeskom, glinom i ostalim materijalom koji se pretvorio u sedimentarne stijene.
Sve više i više stijena se gomilalo na vrh drugih stijena i težilo sve više i više. Pocelo je pritiskati treset. Treset je bio stiskan i stiskan sve dok voda nije izašla iz njega i napokon, nakon milijuna godina, pretvorio se u ugljen, naftu i prirodni plin
Ugljen
Ugljen je tvrda tvar koja lici na crno obojani kamen. Sastavljen je od ugljika, vodika, kisika, dušika i razlicitih udjela sumpora. Postoje tri vrste ugljena: antracit, mrki ugljen i lignit. Antracit je najtvrði i ima najviše ugljika, što daje veci energijski sadržaj. Lignit je najmekši i ima mali udio ugljika, no puno vodika i kisika. Mrki ugljen je izmeðu. I danas se može naci prethodnicu ugljena, treset se u mnogim zemljama upotrebljava kao izvor energije.
Najranije poznato korištenje ugljena bilo je u Kini. Ugljen iz Fu-Shun rudnika u sjeveroistocnoj Kini je možda bio korišten za taljenje bakra prije skoro 3000 godina. Kinezi su smatrali da je ugljen kamen koji može gorjeti.
Ugljen se može naci na mnogo mjesta u svijetu. Ugljen se iskopava iz zemlje upotrebom mnogih metoda.. Neki su rudnici ugljena mreže okomitih i vodoravnih okana duboko pod zemljom u koje rudari silaze pomocu dizala ili vlakova kako bi kopali ugljen. Drugi nacin iskopavanja ugljena je površinski kop. Tada se maknu slojevi zemlje iznad depozita ugljena i ugljen se iskopa. Nakon što je iskopan sav ugljen slojevi zemlje se vracaju natrag.
Ugljen se zatim transportira vlakovima i brodovima, a takoðer i cijevima. U cijevima ugljen je sameljen i pomiješan s vodom tako da je tekucem stanju. Tada ga je pumpama moguce transportirati na velike udaljenosti. Na drugim krajevima cijevi moguce je tada taj ugljen rabiti u termoelektranama ili tvornicama.
Nafta
Nafta je drugo fosilno gorivo. Nastala je takoðer prije više od 300 milijuna godina. Neki znanstvenici tvrde da su mali diatomi izvor nastanka nafte. Diatomi su morske životinje velicine glavice igle. One pretvaraju suncevu svjetlost direktno u pohranjenu energiju.
Nakon što su ugionuli diatomi su padali na dno ondje su pokopani ispod sedimenta i drugih stijena. Stijena stišce diatome i energija u njihovim tijelima ne može izaci. Ugljik se pod velikim tlakom i visokom temperaturom nakon nekog vremena pretvara u naftu. Kako se zemljina kora pomicala i nabirala stvarali su se džepovi gdje se može naci nafta i prirodni plin.
Nafta se upotrebljavala vec prije više od 5-6 tisuca godina. Sumerani, Asirci i Babilonci su se koristili sirovom naftom i asfaltom (bitumenom) sakupljenim iz velikih izvora kod Tuttula (današnji Hit) na rijeci Eufrat. Izvor je mjesto na zemlji gdje nafta izvire iz zemlje. Egipcani su rabili naftu kao lijek za rane, i u svjetiljkama kao izvor svjetla.
Mrtvo more bilo je u stara vremena zvano Asfaltno jezero. Rijec asfalt je nastala jer su nakupine ljepljivog petroleja bile naplavljene na obale jezera iz podvodnih izvora nafte.
U sjevernoj Americi Indijanci su upotrebljavali deke da skinu ulje s površina rijeka i jezera. Koristili su naftu kao lijek i da naprave kanue vodootpornima. U tijeku Americkog rata za neovisnost Indijanci su naucili George Washintonove trupe kako da upotrebljavaju naftu za lijecenje ozeblina.
Kako je gospodarstvo raslo, potražnja za naftom je rasla zbog rasta potražnje za gorivom za svjetiljke. Petrolej je poceo zamjenjivati kitovo ulje u svjetiljkama jer je cijena kitovog ulja bila visoka. U to vrijeme je vecina petroleja dolazila iz destilacije ugljena u tekucinu ili skidanjem s površine jezera, baš kako su to radili Indijanci.
27 kolovoza 1859 Edwin L. Drake je pronašao je na naftu u u blizini Titusville u Pennsylvaniji. Otkrio je naftu ispod zemlje i nacin kako da ju pumpa transportira na površinu. Iz izvora je pumpao naftu u drvene bacve. Ovakva metoda još se uvijek koristi za crpljenje nafte koja je ispod površine.
Nafta i prirodni plin nalaze se ispod zemlje izmeðu nabora stijena i u dijelovima stijena koji su porozni Nabori stijena su nastali kako se zemljina kora pomicala. Slicno kako se mali tepih nabora na podu.
Da bi našle naftu i prirodni plin kompanije buše tlo do nalazišta smještenog duboko ispod zemljine kore. Nafta i prirodni plin se zatim crpe iz zemlje pomocu naftnih klackalica i prebacuju do potrošaca cijevima (naftovodi i plinovodi) ili brodovima (tankeri).
Najveci svjetski proizvoðaci nafte su zemlje oko Perzijskog zaljeva, Sjeverna Amerika i Rusija. Sirova nafta mora biti rafinirana (procišcena) da bi se mogla koristiti.
Rafinerije
Nafta je smještena u velikim skladištima prije nego što se šalje dalje na korištenje. U naftnim rafinerijama sirova nafta je, pomocu postupka destiliranja sirove nafte, preraðena u razlicite vrste proizvoda.
Sirova nafta se preraðuje u razne proizvode: umjetno gnojivo, umjetne tkanine, cetkice za zube, plasticne bocice, kemijske olovke. Sve to dolazi iz nafte. Postoji tisuce drugih proizvoda koji dolaze iz nafte. Gotovo sva plastika dolazi iz nafte.
Direktni proizvodi nastali u rafinerijama su benzin, dizel, kerozin (za zrakoplove), lož ulje (za grijanje u kucanstvima), laki mazut (za brodove) i teški mazut za termoelektrane.
U Kaliforniji tri cetvrtine nafte se rabi za transport: automobile, zrakoplove, kamione, autobuse i motorkotace.
O transportu ce se više govoriti u 18. poglavlju.
Prirodni plin
Negdje izmeðu 6000 i 2000 godina prije Krista, naðeni su prvi izvori prirodnog plina u Iranu. Radilo se na pocetku o izvorima u kojima je plin bio zapaljen, vjerojatno munjom. Slicno, druge su izvore onda zapalili ljudi i koristili se njima kao "vjecnim vatrama" za vrijeme religijskih obreda obožavatelja vatre.
Prirodni plin je smjesa plinova lakših od zraka. Sadrži vecinom plin metan. Metan je jednostavan kemijski spoj ugljika i vodika. Kemijska formula je CH4 – jedan atom ugljika i oko njega cetiri atoma vodika. Ovaj plin je veoma zapaljiv.
Prirodni plin je obicno smješten blizu naftnih polja. Ispumpava se i transportira cijevima do skladišta i potrošaca. Sljedece poglavlje opisuje plinski sustav.
Prirodni plin obicno nema mirisa i bezbojan je. Prije nego što se dostavi potrošacima miješa se, zbog sigurnosnih razloga, s kemikalijama koje daju jaki neugodan miris što podsjeca na pokvarena jaja. Taj neugodan miris ukazuje na curenje plina.
OPREZ!
Ako osjetite miris pokvarenih jaja u kuci, recite ukucanima i iziðite brzo iz kuce. Ne palite svjetla niti druge elektricne ureðaje. Iskra iz sklopke može veoma lako zapaliti plin. Nazovite vatrogasce na 93 ili 112.
Štedite fosilna goriva!
Milijunima godina stvarala su se fosilna goriva. Mi se danas koristimo gorivima koja su se stvarala više od 300 milijuna godina, prije doba dinosaurusa. Jednom kada ih nestane, više ih nikada ne ce ponovno biti. Zato štedite fosilna goriva. Ona nisu obnovljiva, nemoguce ih je ponovno napraviti. Možemo uštediti fosilna goriva štedeci energij

[MIKI]

09 - Razdjelni sustav prirodnog plina

U Poglavlju 8 spomenuto je da je prirodni plin vrsta fosilnog goriva. Sastoji se, najvecim dijelom (90%), od metana, plina cija molekula sadrži jedan atom ugljika i cetiri atoma vodika. Kemijska formula metana je CH4.
Slicno nafti, prirodni se plin nalazi, uglavnom, duboko ispod površine kopna Zemlje, ali takoðer i ispod dna mora, oceana i jezera. Slicno kao kod nafte, potrebno je bušotinama doprijeti do tih nalazišta. Nakon toga plin se kroz cijevi, postavljene u bušotine, transportira na površinu i nakon toga do korisnika (potrošaca). Da bi se i taj zadatak obavio, izmeðu nalazišta (izvora) i potrošaca postavlja se puno velikih (i golemih) cijevi razlicitih profila koje su meðusobno povezane, crpkama i ventilima, tako da formiraju mrežu plinovoda ili plinsku mrežu. Prirodni se plin može transportirati i velikim brodovima. U tom slucaju ukapljuje se, pri vrlo niskim temperaturama (nižim od -160 C), i u tom slucaju povecava se udio metana u prirodnom plinu – gotovo do 99%.
Velike cijevi, cijevi s velikim promjerom, odvode plin do gradova i naselja, do termolektrana, onih u kojima se elektricna energija dobiva iz kemijske energije pohranjene u prirodnom plinu, i do velikih industrijskih i tehnoloških postrojenja (tvornice gnojiva, šecera, papira, cementa, najrazlicitijih kemijskih proizvoda itd.), dakle, do onih korisnika prirodnog plina koji potražuju taj plin u velikim kolicinama.
Za ostale male, odnosno manje, potrošace, plin se iz velikih cijevi odvaja u gustu mrežu manjih i malih cijevi i njima dovodi do, danas vec prakticki, svakog kucanstva u gradovima i vecim naseljima, razlicitih manjih proizvodnih postrojenja, zanatskih radnji, restaurana, športskih dvorana, itd, itd, kao i do nekih benzinskih stanica. Tamo plin služi za grijanje i hlaðenje prostorija, za pripremu tople vode i za kuhanje hrane, a benzinske ga stanice prodaju vlasnicima automobilima u kojima plin zamijenjuje benzin i dizel gorivo.
Prije negoli se plin dovede do korisnika (potrošaca plina), prolazi kroz mjerni ureðaj (plinsko brojilo) koji mjeri kolicinu upotrebljenog potrošenog plina. Na temelju ocitavanja brojila naplacuje se potrošnja plina kako kucanstvima tako i industriji.
U rjeðe naseljenim podrucjima države, gdje se ne bi isplatila izgradnja plinske mreže, propan zamijenjuje prirodni plin. Propan, i još nekoliko slicnih plinova (etan, butan, pentan,...), jedan je od sastojaka prirodnog plina odnosno plinova koji prate dobivanje nafte. U tekucem stanju, cesto zajedno s butanom, puni se u "plinske boce" i u njima dostavlja za potrebe kuhanja, grijanja i za pogon motornih vozila. Takav se tekuci (ukapljeni) plin cesto kratko naziva "el-pi-ði" prema kratici na engleskom jeziku: LPG (liquefied petroleum gas). Za razliku od prirodnog plina, s velikim postotkom metana, kojeg se mora ohladiti na vrlo nisku temperaturu kako bi ga se ukapljilo, za ukapljivanje propana, odnosno smjese propana i butana, dostatno je, na temperaturi okolice, tek malo povisiti tlak kojem je izložen.
Prirodni plin i "el-pi- ði" kada izgaraju (u procesu transformacije njihove kemijske energije u korisne oblike energije) vrlo malo onecišcuju okoliš: glavni su produkti izgaranja, naime, ugljicni dioksid (CO2) i vodena para. 1 litar tekuceg plina kada izgori "stvara" 250 litara vodene pare. Vrlo malo, buduci da i oni sadrže sastojke koji onecišcuju zrak (poput sumpora i još nekih kemijskih elemenata), ali mnogo manje negoli, primjerice, benzin. Automoboli pogonjeni prirodnim plinom 90% su posto "cišci" negoli automobili pogonjeni benzinom. I to je jedan od razloga zašto se sve više popularizira prirodni plin kao gorivo za automobile.

[MIKI]

10 - Energija biomase

Biomasa je tvar koja se obicno smatra smecem. Biomase su stvari što leže naokolo - granje, vrtni otpad, ostaci od usjeva, komadici drveta, kora i piljevina iz pilana. Biomasa, meðutim, može cak obuhvacati i stare gume i stajsko gnojivo.
Vaš otpad, papirnati proizvodi koji se ne mogu reciklirati u druge proizvode od papira kao i drugi kucanski otpad, uobicajeno se šalje na deponij. Vaš otpad sadrži pritom i neke vrste biomase koje se mogu opet iskoristiti. Recikliranje biomase za gorivo i druge svrhe smanjuje potrebu za odlagalištima smeca.
Stvari za koje izgleda da nikome ne trebaju mogu se upotrijebiti za proizvodnju elektricne energije, topline, komposta ili goriva. Materijali za kompost su istrunute biljke ili prehrambeni proizvodi pomiješani u kompostnu hrpu i razasuti po tlu da pomognu rast biljaka.
Biomasa funkcionira vrlo jednostavno. Šumski otpad, granje drveca i drugi otpaci sakupljaju se zajedno u velike kamione. Kamioni prevoze otpad iz tvornica i farmi do elektrane na biomasu. Tu se biomasa ubacuje u velike lijevke i zatim u pec gdje biomasa izgara. Toplinom koja se oslobaða zagrijava se voda u kotlu, koja se pretvara u vodenu paru, da bi se energija pohranjena u pari iskoristila za okretanje rotora turbine i generatora, odnosno pretvorila u elektricnu energiju (vidi poglavlje 8).
Biomasa se takoðer može dobiti s odlagališta otpada. Kada se otpad razgraðuje oslobaða se plin metan. Sjeti se, poglavlja 8 i 9, da je prirodni plin nacinjen od metana. U odlagalište se postave cijevi te se metan može sakupljati. Zatim se plin spaljuje u termoelektrani kako bi se proizvela elektricna energija. Ova se vrsta biomase naziva deponijski plin.
Slicna stvar može se napraviti u stajama. Na mjestima gdje se uzgaja mnogo životinja – stoke, pa cak i pilica - proizvodi se gnojivo. Kad se gnojivo razgraðuje ono takoðer ispušta plin metan slicno kao i otpad. Taj se plin može spaljivati na samoj farmi te tako proizvoditi energiju potrebnu za rad farme.
Uporaba biomase ne doprinosi globalnom zatopljenju. Biljke rabe i pohranjuju ugljicni dioksid (CO2) tijekom svog rasta. On se ispusti u atmosferu kada se biljke spale. Druge biljke koje rastu iskorištavaju taj otpušteni CO2 u svom rastu. Dakle, uporabom biomase, zatvara se krug ocuvanja ugljicnog dioksida. Ugljicni dioksid je plin koji, kad ga ima previše, može doprinijeti "ucinku staklenika" i globalnom zatopljenju.
Stoga je uporaba biomase u energetici prihvatljiva za okoliš jer se biomasa smanjuje, reciklira i ponovno upotrebljava. Biomasa je i obnovljivi izvor energije jer biljke koje stvaraju biomasu mogu rasti uvijek iznova.
Danas se još uvijek otkrivaju novi nacini uporabe biomase. Jedan je nacin proizvodnja etanola, tekuceg alkoholnog goriva. Etanol se može koristiti u specijalnim vrstama automobila koji rabe alkohol umjesto benzina i dizela. Alkohol se može i kombinirati s benzinima. To takoðer smanjuje ovisnost o nafti - neobnovljivom izvoru energije.

[MIKI]

11 - Geotermicka energija




Geotermalna energija postoji otkad je stvorena Zemlja i predstavlja unutrašnju kaloricku energiju Zemlje. Zemlja se sastoji od jezgre, plašta i kore. Plašt, sloj izmeðu jezgre i kore, sastoji se od užarenog tekuceg stijenja koje se naziva magma. Zemljina kora pluta na tom tekucem plaštu. Kad se magma probije kroz površinu zemlje, kroz vulkan, naziva se lava.
Na svakih 100 m dubine temperatura stijenja raste za 3 stupnja Celzijusa. Ako bi se spustili na 3000 m, došli bismo do temperature kljucanja vode.
Duboko ispod površine voda ponekad dospije do vruce stijene i pretvori se u kipucu vodu ili paru. Kipuca voda može dosegnuti temperaturu od preko 150 stupnjeva Celzijusa, a da se ne pretvori u paru jer je pod visokim tlakom. Kad ta vruca voda dospije do površine kroz pukotinu u zemljinoj kori, zovemo je vruci izvor, ili ako eksplodira u zrak, gejzir.
Vruci izvori se širom svijeta koriste kao toplice, u zdravstvene i rekreacijske svrhe. Vrucom vodom iz dubine Zemlje mogu se grijati staklenici i zgrade. Na Islandu, koji je poznat po gejzirima i aktivnim vulkanima, mnoge zgrade i bazeni griju se geotermalnom vrucom vodom.
Proizvodnja elektricne energije pomocu geotermalne energije
Vruca voda i para iz dubine zemlje mogu se rabiti za proizvodnju elektricne energije. Buše se rupe u zemlji i cijevi spuštaju u vrucu vodu. Vruca voda ili para (pod nižim tlakom vruca voda pretvara se u paru) uspinje se tim cijevima na površinu. Geotermalna elektrana je kao svaka druga elektrana, osim što se para ne proizvodi izgaranjem goriva vec se crpi iz zemlje. Daljnji je postupak s parom isti kao kod konvencionalne elektrane: para se dovodi do turbine koja pokrece rotor elektricogi generatora. Nakon turbine para odlazi u kondenzator, kondenzira se (ukapljuje) da bi se tako dobivena voda injektirala natrag u geotermalni izvor.
Geotermalne pumpe
Iako je temperatura u dubini zemlje visoka, površinski sloj zemlje nije toliko vruc. Na prva 3 m ispod površine, primjerice, temperatura je stalna i iznosi izmeðu 10 i 16 stupnjeva Celzijusa. Geotermalna ili "površinska" toplinska pumpa može iskoristiti razliku u temperaturi površine i unutrašnjosti Zemlje za grijanje ili hlaðenje zgrada. U tlo u blizini zgrade polože se cijevikroz koje struji tekucina i služi za izmjenjivanje topline izmeðu vode i tla, te se stoga naziva izmjenjivac topline. Zimi toplina iz zemlje preko izmjenjivaca topline zagrijava zrak koji struji u zgradu. Ljeti je proces obrnut: vruci zrak iz unutrašnjosti zgrade preko izmjenjivaca topline prelazi na relativno hladnije tlo. Toplina uklonjena ljeti iz zraka može se iskoristiti za grijanje vode.

[MIKI]

12 - Energija vode




Kad pada kiša u planinama, voda se slijeva u potoke i rijeke koji teku prema morima. Voda koja se krece ili pada može se iskoristiti za razlicite svrhe, pa tako i za rad. Energija je, kao što znate, sposobnost obavljanja rada, a voda u pokretu ima kineticku energiju koja se može preobraziti i u mehanicki rad, a time i u elektricnu energiju.
Vec stotinama godina voda u pokretu okrece drvene kotace (vodenicka kola) u mlinovima. To se okretanje prenosi na žrvanj u kojem se zrna kukuruza i pšenice drobe u brašno. Godine 1086. napisana je velika knjiga "Domesday Book" u Engleskoj. U toj knjizi, napisanoj po zahtjevu Williama Osvajaca, bila su popisana vlasništva nad zemljištima i nekretninama u svrhu ubiranja poreza. Prema toj knjizi na jugu Engleske postojalo je 5 624 mlinica (vodenica). Oko 400 ljudi koristilo se jednom mlinicom.
Voda može teci preko drvenog kotaca ili ispod kotaca. Ukoliko voda tece preko drvenog kotaca, tada do izražaja dolazi potencijalna energija vode. Drugim rijecima, iskorištava se mogucnost (potencijal) da voda tece s vece visine naniže. Ukoliko voda trece ispod kotaca tada voda na kolo prenosi svoju kineticku energiju.
Danas se voda u pokretu iskorištava i za proizvodnju elektricne energije u hidroelektranama. Hidro znaci voda, prema grckoj rijeci hydor što znaci voda. Dakle, hidroelektrane su elektrane koje energiju vode, njezinu potencijalnu i kineticku energiju, pretvaraju u elektricnu energiju. Brana u hidroelektrani omogucuje kontrolu tijeka rijeke. Brana stvara jezero, akumulacijsko jezero, koje služi kao pricuva vode. Akumulirati znaci skupljati. Brana ne mora nužno stvarati akumulacijsko jezero, vec može samo preprijeciti tijek rijeke kako bi usmjerila vodu. U svakom slucaju voda koja dotice rijekom usmjerava se kroz postrojenje hidroelektrane.
Voda iza brane tece kroz cjevovod i kroz sapnice (cijevi posebnog oblika) meðu lopatice rotora turbine koji se zbog toga okrece. Turbina je slicna propeleru, iako malo drugacije izgleda jer se pokrece vodom koja je znatno gušca od zraka.
Rotor turbine okrece rotor generatora kako bi se proizvela elektricna energija.
Proizvedena elektricna energija prenosi se na velike daljine kroz prijenosnu elektroenergetsku mrežu do domova, tvornica, ureda, škola i drugih mjesta gdje je potrebna.
Hidroelektrane se obicno nalaze na rijekama u brdovitim predjelima, iako se hidroelektrane nekad grade na velikim rijekama koje teku kroz ravnije predjele.

[MIKI]

13 - Nuklearna energija

Još jedan oblik energije je nuklearna energija, energija pohranjena unutar atoma. Zakon o ocuvanju energije govori da tvar i energija ne mogu nastati iz nicega niti nestati, vec se samo mogu pretvarati iz jednog oblika u drugi; tvar i energija tvore materiju.
Tvar se može preobraziti u energiju, a energija u tvar. Poznati svjetski znanstvenik Albert Einstein definirao je matematicki izraz koji objašnjava ovaj fenomen: E = mc2. Energija E jednaka je produktu mase tvari m i kvadrata brzine svjetlosti, c. Shvativši takav odnos izmeðu tvari i energije, znanstvenici su omogucili izradu atomske bombe ali i pretvorbu nuklearne u mehanicku, pogon brodova i podmornica, i elektricnu energiju.
Stari Grci smatrali su da je najmanja struktura u prirodi atom. No, za još manje, subatomske cestice nisu znali prije 2000 godina.
Kako je vec opisano u drugom poglavlju, atomi su graðeni od manjih cestica – jezgre, s protonima i neutronima, i elektrona koji kruže oko jezgre poput Zemlje oko Sunca.
Nuklearna fisija
Atomsku jezgru moguce je raspoloviti što za posljedicu ima veliku kolicinu osloboðene toplinske i svjetlosne energije. Vrlo mala kolicina tvari sadrži vrlo veliku kolicinu energije. Ova se energija, nadzirano oslobaðana, može upotrijebiti za proizvodnju elektricne energije. S druge strane, energija fisije osloboðena odjednom (nenadzirano), izaziva veliku eksploziju u atomskoj (nuklearnoj) bombi.
Nuklearna elektrana rabi uran (uranij) kao nuklearno gorivo. Uran je kemijski element koji se vadi u obliku rudace u rudnicima diljem svijeta. Potom se preraðuje u posebnim postrojenjima u konacan proizvod – gorivnu tabletu. Dugacki metalni šuplji valjci pune se gorivnim tabletama tvoreci gorivne šipke, nuklearno gorivo, koje se postavljaju u reaktor nuklearne elektrane.
Pojam nuklearna fisija podrazumijeva dijeljenje izvornog atoma na dva fisijska produkta. Atomi urana cijepaju se tijekom kontrolirane lancane reakcije fisije.
U lancanoj reakciji cestice osloboðene cijepanjem atoma (neutroni) pogaðaju druge atome urana koji se dalje cijepaju. U nuklearnim elektranama koriste se posebne regulacijske šipke za kontrolu broja tako nastalih neutrona i time kontrolu brzine odvijanja lancane reakcije.
U slucaju nekontrolirane lancane reakcije, valja naglasiti, nemoguca je eksplozija nuklearne elektrane poput nuklearne bombe. Nuklearna se bomba, naime, mora sastojati od gotovo 100% cistog urana-235, ili plutonija-239, težak je i zahtjevan energetski, tehnicki i tehnološki zadatak to ostvariti, precizno odreðenih masa i oblika, koje se moraju spojiti pod velikim tlakom kako bi nastala nekontrolirana lancana reakcija - eksplozija. Ovakvi uvjeti ne postoje u nuklearnom reaktoru nuklearne elektrane. Drugim rijecima, ni u kojem slucaju, bez obzira na težinu kvara, nuklearna elektrana (nuklearni reaktor) ne može eksplodirati poput nuklearne bombe.
Kontrolirana lancana reakcija u nuklearnim elektranama meðutim stvara radioaktivni materijal koji potencijalno može štetiti ljudima u slucaju njegova ispuštanja (oslobaðanja) i širenja u okolišu te ga se stoga mora zadržati unutar nuklearne elektrane i kasnije pohraniti u nedostupna odlagališta. Nuklearne elektrane imaju zato jaku betonsko-celicnu zaštitnu kupolu cija je uloga zadržati radioaktivnost (radioaktivni materijal) unutar kupole u slucaju kvara u nuklearnoj elektrani zbog kojeg bi radioaktivno zracenje moglo prodrijeti u okolicu elektrane.
Posljedica je lancane reakcije osloboðena toplinska energija koja zagrijava vodu u što struji kroz jezgru (nuklearno gorivo) nuklearnog reaktora. Stoga, umjesto "klasicnog" izgaranja fosilnog goriva, nuklearne elektrane koriste lancanu reakciju fisije za pretvorbu energije unutar atoma u toplinsku energiju.
Ovako zagrijana voda u reaktorskoj jezgri prolazi zatim kroz izmjenjivac topline (parogenerator) gdje zagrijava skup cijevi kroz koje protjece sekundarna voda od koje nastaje vodena para. Tako nastala para pokrece turbinu vezanu na sinkroni generator. Donja slika shematski prikazuje izgled najraširenije vrste nuklearne elektrane.
Nuklearna fuzija
Drugi oblik nuklearne energija naziva se fuzija. Fuzija je proces spajanja manjih (lakih) jezgara atoma u težu jezgru uz oslobaðanje toplinske energije. Na Suncu se odvija proces nuklearne fuzije cetiri atoma vodika u atom helija što daje toplinu, svjetlost i druge vrste zracenja.
Znanstvenici vec dulje vremena rade na kontroli nuklearne fuzije, nastojeci napraviti fuzijski reaktor za proizvodnju elektricne energije. No, problemi su se pojavljivali kod kontrole fuzijske reakcije u ogranicenom prostoru.
Prednosti su fuzije u odnosu na fisiju što nastaje manje radioaktivnog materijala i što je "gorivo" za nuklearnu fuziju, vodik primjerice, prakticki neiscrpljivo.

[MIKI]

14 - Energija mora

Svjetska ce nas mora i oceani možda jednog dana moci opskrbljivati sa svom potrebnom energijom za život i rad. Danas postoji vrlo malo elektrana koje se koriste energijom mora, a i postojece elektrane su uglavnom male.
Postoje tri osnovna nacina za iskorištavanje energije mora: korištenje energije valova, korištenje energije plime i oseke te korištenje temperaturnih razlika u vodi.
Energija valova
Energija valova, mehanicka energija, transformirana je Sunceva energija. Valove, naime, uzrokuju vjetrovi, koji nastaju kao posljedica razlika u tlaku zraka, a te pak razlike razlike nastaju zbog razlicitog zagrijavanja pojedinih dijelova Zemljine površine. Stalni (planetarni) vjetrovi uzrokuju stalnu valovitost na odreðenim podrucjima i to su mjesta na kojima je moguce iskorištavanje njihove energije za pokretanje turbine povoljno. Jedan od nacina je da val ulazi u prostoriju te istiskuje zrak iz nje. Taj zrak pokrece turbinu koja onda može pokretati generator. Kada val izlazi iz prostorije, zrak ulazi u prostoriju kroz prolaz koji je inace zatvoren. Drugi nacin upotrijebiti vertikalno kretanje valova (gore - dolje) za pokretanje klipa unutar cilindra. Taj klip takoðer može pokretati generator.
Vecina sustava koji rabe energiju valova male su snage, ali se mogu koristiti za, na primjer, napajanje signalne plutace ili manjeg svjetionika.
Energija plime i oseke
Energija plime i oseke ne potjece od Sunceve energije, nego od gravitacijske sile (privlacne sile) Mjeseca i Sunca koja djeluje na vodu u oceanima. U osnovi, korištenje energije plime i oseke slicno je korištenju energije vodotoka rijeka: energija vode pokrece turbinu, koja pokrece generator, i tako se proizvodi elektricna energija. Za energijsko iskorištavanje plime i oseke potrebno je odabrati pogodno mjesto na obali, na kojem je visoka plima, uz mogucnost - izgradnjom pregrade (brane) - izolacije dijela morske površine radi stvaranja akumulacijskog bazena. Za vrijeme plime, naime, voda ulazi u akumulacijski bazen, koji se zatim zatvara branom. S nastupanjem oseke, zbog nastale visinske razlike izmeðu razina vode u bazenu i moru (voda u bazenu ostaje na maksimalnoj koti, a razina mora opada), potencijalna se energija vode u bazenu može iskoristiti kao i u obicnoj hidroelektrani: iz bazena voda se ispušta kroz turbinu u more na padu koji je jednak razlici izmeðu razine vode u bazenu i morske razine. Propuštanjem vode kroz turbine snizuje se razina vode u bazenu sve dok razlika razina ne postigne neki minimum uz koji turbina još može raditi. Kad je taj minimum postignut, obustavlja se pogon turbine - do iduce plime. Ako su turbine, meðutim, dvosmjerne (turbine kroz koje voda može strujati kako u jednom tako i u drugom, suprotnom smjeru), slican postupak ostvaruje se i prigodom nadolaženja (podizanja razine) mora za vrijeme plime: u tom slucaju brana sprijecava ulaz vode u bazen sve do trenutka nastajanja visinske razlike izmeðu razina vode mora i one u bazenu. Nakon toga dopušta se da voda iz mora kroz turbine struji u bazen. Dakako, ni uporabom dvosmjernih turbina, proizvodnja elektricne energije ne ce biti neprekidna (kontinuirana): ritmicki se prekida u razdobljima postizanja visinke razlike izmeðu razina vode u bazenu i moru.
Energija plime i oseke pocela se iskorištavati vec u 11. stoljecu kada su graðene male brane na estaurijima (ljevkasto prošireno rijecno ušce u koje ulazi more za vrijeme plime) i malim potocima. Voda sakupljena iza brana pokretala je kotace mlinova u razdobljima oseke.
Da bi se isplatilo iskorištavanje energije plime i oseke, potrebno je barem 5 metara visinske razlike izmeðu plime i oseke. U svijetu postoji mali broj mjesta gdje je razlika izmeðu plime i oseke toliko velika. Neke su elektrane koje koriste tu energiju vec u pogonu. Najveca je u Francuskoj, elektrana La Rance, snage 240 MW.
Elektrana je pocela raditi 1966. g. Njena snaga je otprilike 1/5 snage nuklearne elektrane ili elektrane na ugljen. To je jedina veca elektrana u svijetu koja se koristi energijom plime i oseke. Sljedeca po snazi je elektrana Annapolis u Kanadi, snage 17 MW.
Unutrašnja kaloricka energija mora
Ideja nije nova. Francuski inženjer Jacques D'Arsonval još je 1881. godine iznio ideju za pretvorbu unutrašnje kaloricke energije mora u korisni oblik energije iskorištavanjem razlike u temperaturama mora na površini i dubini. Površina mora naime topla je jer ju zagrijava sunce, dok je more ispod površine hladnije. Zato ronioci koriste ronilacka odjela, ona im cuvaju tjelesnu toplinu.
Moguce je izgraditi elektrane koje ce iskorištavati tu razliku u temperaturi za proizvodnju elektricne energije. Potrebno je, meðutim, najmanje 20°C razlike izmeðu tople površine i hladne dubine da bi se proizvodila elektricna energija. Prva i jedina (zasad) takva elektrana, snage 22 kW, izgraðena je 1919. godine uz obalu Kube. Pokazala je tehnicku mogucnost iskorištavanja unutrašnje kaloricke energije mora, ali se odustalo od daljnje gradnje takvih postrojenja zbog visokih troškova izgradnje.