Co je to energie?
V každém případě to je dnes velice časté slovo. Nebývalo tomu tak vždycky, začalo se používat teprve od poloviny devatenáctého století. Ze slovníku fyziků pak proniklo i do běžného jazyka, takže dnes často není jasné, kdy jde o fyzikální veličinu a kdy o něco vzdáleně podobného, ale už ne opravdu měřitelného. Ostatně, z běžného jazyka starých Řeků fyzikové toto označení přejali, jen vynechali jedno písmenko: řecké slovo znělo energeia a znamenalo vůli, sílu či schopnost k činům.
Pojem energie není vůbec jednoduchý, a to ani ve svém nejužším, přísně fyzikálním smyslu. Aby s ním člověk mohl dobře zacházet, musí dokonale porozumět i pojmům příbuzným, především veličinám zvaným práce a teplo (zvlášť ta druhá je skutečně obtížná). V běžných technických textech, ba i ve fyzikálních učebnicích, pokud je nenapsali opravdu vynikající fyzici nebo zvláště pečliví učitelé, se tyto tři pojmy běžně pletou a zaměňují. Není divu, když všechny tři veličiny se měří ve stejných jednotkách, totiž joulech (nebo občas v kilowatthodinách, aby to nebylo takové jednotvárné, nemluvě o kaloriích aj.).
Když přidáme pojem výkon, je to ještě horší. Ten se sice u nás měří vždy ve wattech (nebo kilowattech, megawattech nebo miliwattech), ale často se setkáte s tím, že někdo říká, že spotřeboval tisíc kilowattů, a myslí tím ve skutečnosti ne výkon, ale energii nebo práci, tj. např. že elektřina u něj doma vykonala práci velkou tisíc kilowatthodin.
Vyznat se ve všech těch joulech a wattech není jednoduché, je to ale užitečné a důležité. Užitečné třeba proto, že se často jedná o hodně peněz, které za ,,energii`` platíme. Důležité proto, že změny přírodních toků energie, které způsobujeme, abychom udržovali naši společnost, znamenají současně stále rychlejší nežádoucí změny Země, které lidstvo ohrožují. Potřeba vyznat se v oněch energiích a výkonech dává dobrý důvod, proč se učit fyziku.
Toky energie
Na Zemi a z ní
Většina dění na Zemi je možná jen díky stálému toku energie na Zemi ze Slunce a současnému toku energie ze Země do vesmíru. Velikost toku energie označujeme jako výkon, případně příkon. Tok energie se pak uskutečňuje formou záření, a situaci, kdy jeden předmět září na druhý více než druhý na první můžeme vyjádřit slovy, že za jednu sekundu dodal jeden předmět druhému nějaké teplo.
Sluneční příkon, který Země pohlcuje, je průměrně 240 wattů na čtvereční metr jejího povrchu. To je celkem při obsahu Země (40000*12740=509600000) 5,1E8 km2 aneb 5,1E14 m2 celých 9,8E16 W aneb asi 0,1 EW (desetinu exawattu aneb sto petawattů). Za sekundu tedy přijme sluneční teplo 1017 joulů, za den 1021, za rok 3*1024. Příkon slunečního záření je velmi nerovnoměrný, což vede k dějům, jimž říkáme počasí. Jen malinkou část slunečního příkonu využijí rostliny.
Ze Země do vesmíru odcházelo v dřívějších dobách také oněch v průměru 240 wattů na metr čtvereční. Teploty na Zemi se neměnily -- během posledních tisíciletí se Země ani neohřívala ani nechladla, nebo jen velmi málo. Dnes ale uniká do vesmíru skoro o dvě procenta méně záření, jen asi 236 wattů na metr čtvereční. Je to vinou úplně změněného složení ovzduší. Země se proto postupně ohřívá, asi rychleji než kdykoliv v minulosti.
Záření vydávané Zemí do vesmíru se liší od záření slunečního tím, že má asi dvacetkrát větší vlnovou délku, je to dlouhovlnné infračervené záření. Z pólů Země odchází mnohem více záření, než tam dopadá ze Slunce, z tropických oblastí je to naopak
Do člověka a z něj
Abychom se udržovali naživu, musí námi protékat taky dost energie. Odchází z nás zčásti podobně jako ze Země do vesmíru, totiž infračerveným zářením. Ale i jinými způsoby: ohříváme vzduch, který se dotýká naší pokožky a hlavně vnitřního povrchu plic, a také vydáváme hodně vodní páry -- regulace tohoto posledního způsobu při dýchání a pocení nám umožňuje velmi účinně se přizpůsobovat různým okolním teplotám, takže odtok energie z nás zůstává téměř stejný v chladu i vedru. Vydávání páry je způsob toku energie, jehož úhrn za nějakou dobu nelze označit jako teplo, ale je dán tokem částic -- vodu přijímáme totiž jako kapalinu, kdežto uvolňujeme ji jako plyn.
Ve formě částic, přesněji potravin a plynného kyslíku také náš organismus energii zvenčí přijímá. Aby nevystydl a dění v něm se nezastavilo, musí stále snězené a vypité látky oxidovat -- když nejsou k dispozici, oxiduje látky uložené předtím v těle, hlavně tuky. Mluví-li se o energii přijaté v potravě, jde ve skutečnosti o energii, kterou lze z potravy získat její oxidací kyslíkem, což je (až na nestrávené zbytky) tolik, jako by se získalo jejím spálením v uzavřeném prostoru.
Denně musí lidské tělo uvolnit do okolí asi deset megajoulů energie (celý den spící člověk i pouhou polovinu, horolezci až dvojnásobek), takže k životu je potřeba průměrný výkon těla asi sto wattů. Pokud příkon ve formě oxidovatelných potravin (nebo odpovídající přívod kyslíku) dlouhodobě klesne pod šedesát wattů, člověk zemře. Zemře také přehřátím, pokud nemůže dostatečný výkon uvolňovat do příliš horkého a vlhkého okolí.
Do města a z něj
Kromě potravin pro lidi a jejich domácí zvířata potřebuje město ještě mnohem víc dodávek energie, aby bylo obyvatelné. Obvykle nás přitom napadne elektřina, ale takovou formou se obvykle uskutečňuje jen malá část potřebného příkonu města. Větší část přináší sluneční záření procházející okny dovnitř budov: díky němu může být kromě nejchladnější části roku v budovách kolem dvaceti stupňů, i když je venku o pět nebo deset stupňů méně. A ještě větší (u dnešních budov bez důkladné tepelné izolace) je příkon používaný na zimní vytápění, který se uskutečňuje pomocí dodávání různých paliv a jejich slučování dle potřeby se vzdušným kyslíkem.
Pod palivy si dnes automaticky představujeme něco, co bylo vytěženo ze starých usazenin, tedy milióny let staré zbytky dávných organismů, fosílie. Ale ještě před sto padesáti lety to bylo jinak -- palivo na topení, to bylo samozřejmě dříví, uhlí bylo výjimečné, ropu a zemní plyn nikdo neznal. Dnes považujeme za nejběžnější zemní plyn, je ale nejvyšší čas vrátit se opět výhradně ke dřevu.
Oxidace ohromného množství paliv vede v chladném období roku k tomu, že města jsou teplými ostrovy v zimní krajině, o několik stupňů teplejšími než nezastavěná krajina. Konečným výsledkem loupení v dávných sedimentech jsou teplejší body patrné na infračervených snímcích z vesmíru.
Kromě topení potřebují dnešní města ještě velký příkon na pohon vozidel. Města ale vznikla právě proto, aby řemeslníci bydleli tam, kde pracují, a všechno bylo rychle dostupné pěšky. Základní potraviny se pěstovaly v těsném okolí města, a z dálky se vozilo na kárách, které lidé poháněli sami nebo s pomocí svých domácích zvířat, jen málo zboží. Dnešní situace, že se lidé přepravují ve městě za prací z jednoho konce na druhý, je absurdní. Podobně jako situace, kdy z nemocného města přecpaného auty odjíždějí každý týden odpočívat na venkov.
Velký tok energie formou spalování fosilních paliv má zhoubné vedlejší účinky. Spaliny totiž nevyhnutelně obsahují řadu jedovatých látek. Nejhorší ale je, že oxidace uhlíku vybraného ze starých sedimentů vede k obohacování ovzduší o oxid uhličitý. Sebelepší technika spalování to nenapraví. Máme tak dnes už atmosféru třetihorní a kvapem se blížíme do druhohor.
Na venkov a z něj
Ještě začátkem dvacátého století venkov dokonale vystačil s přírodními toky energie. Jde především o využívání rostlin, v nichž se ukládá asi jedno procento slunečního příkonu, který na ně dopadá. Dřeviny se využívaly jako palivo, byliny jako potrava pro lidi a hlavně pro dobytek. Práce domácích zvířat zajišťovala převážnou část potřebné dopravy. Zvířata poháněla i zemědělské stroje, větší stroje ale byly poháněny větrem a hlavně vodními toky. Malá část přírodních toků energie, kterou takto lidé odvětvili pro svou potřebu, stačila v devatenáctém století i pro zásobování měst.
Přírodní toky přestaly ale už v minulých staletích stačit pro některá odvětví průmyslu. Příliš velké podniky vedly nejprve k likvidaci lesů (dodnes je Středomoří zničeno vinou budování antických a středověkých loďstev) a pak k těžbě uhlí. Ve dvacátém století se začala na polích uplatňovat průmyslová hnojiva, vyrobená s využitím fosilní energie. Spolu s používáním spalovacích motorů pro stroje a dopravu to koncem tohoto století došlo tak daleko, že se pro potřeby ,,konvenčního`` zemědělství uvolní více energie spalováním fosilních paliv, než se nashromáždí ze slunečního záření ve vypěstovaných bylinách.
Na přelomu tisíciletí se naštěstí situace začíná napravovat. Stále větší plochy začínají být obdělávány způsobem, při němž se z polí získává mnohem víc energie, než se do nich uměle vkládá. A v prvních náznacích se vrací i využívání lesů, které mohou poskytnout většinu energie potřebné v zimě. Mimochodem, v sousedním Rakousku (nezničeném komunismem) dřevo nikdy nepřestalo být na venkově hlavním palivem.
Trvale udržitelné toky
V polovině 21. století by ve vyspělých zemích měly být opět téměř všechny toky energie potřebné k udržení zdejší civilizace jen odvětvením běžných přírodních toků. Jinými slovy, měla by se téměř přestat užívat fosilní paliva a nemělo by se moc rozvíjet ohřívání pomocí jaderných reakcí.
Předpokladem pro to je, aby se dnes potřebné příkony několikrát snížily. Nejsnazší je to u potřeby zimního vytápění (dobře opravené domy je téměř nepotřebují), možné je to i u dopravy a průmyslu. Koncem 21. století by Evropě opět mělo stačit sluneční záření, vodní toky a vítr, jako tomu bylo před průmyslovou revolucí. To je myslitelné dokonce už s dnešními technologiemi, jen je potřeba je začít cíleně využívat.
Abychom se to toho mohli pustit, musíme tokům energie rozumět, napřed alespoň trošku a pak stále více, po celý život.
Jan Hollan, květen 2000 (text pro projekt Energetické úspory na školách)