Kolik práce dá nemlžit?
Fyzika je mocná věda a její část, zvaná termodynamika, dokázala divy už v druhé polovině devatenáctého století. Dokázala je díky tomu, že začala přesně rozlišovat stavy od procesů a pojmenovávat jejich vlastnosti.
Musela k tomu použít jedno starořecké slovo, znějící původně energeia. V moderních jazycích se z něj stalo různě vyslovované energie (či anglicky ještě kratčeji energy). Energie je veličina, která charakterizuje stav nějaké soustavy.
Další dvě potřebná slova byla ve všech jazycích běžná: práce a teplo. To ve skutečnosti nebylo tak moc výhodné, protože kromě nového (přesně vymezeného) fyzikálního významu si obě slova ponechávají různé významy původní a jen podle kontextu lze hádat, zda jde zrovna o fyzikální veličinu nebo ne. Pokud jde o použití fyzikální, pak je to charakteristika nějakého procesu.
Ale i pojem energie se postupně stal tak populární, že se začal používat i mimo rámec fyziky, zhruba v původním starořeckém významu: vůle či chuť k činům. Současně na něm ale i v běžném jazyce jakoby ulpívá punc vědeckosti, proto je asi tak populární a ,,moderní``, ač ve skutečnosti mimo fyziku zbytečný.
Popularita slova energie je tak velká, že i v populárně formulovaných fyzikálních textech se objevuje na místech, kde by ve skutečnosti měl být použit pojem práce nebo teplo, tj. v situacích, kdy nepopisujeme stav nějaké soustavy ale proces na jejím rozhraní.
Jeden z nejslavnějších fyzikálních objevů je určitě zákon zachování energie. Ve vší obecnosti, zahrnující i pojem hmotnost (díky úplně nejslavnějšímu fyzikálnímu vztahu E=mc2) se vžil už v první polovině dvacátého století. Snad díky přitažlivosti myšlenky perpetua mobile je to zákon, jehož název si pamatuje každý, kdo se s fyzikou někdy setkal. Přesto běžně slýcháme věty o výrobě nebo spotřebě energie. To asi půjde ve skutečnosti o něco jiného než o energii.
Klíč je v oněch adjektivech: ty přece jasně ukazují, že jde o proces. A fyzikálně případné bude tedy určitě použití buď pojmu práce nebo pojmu teplo. Oba pojmy se týkají toku energie.
Koná-li jedna soustava práci na druhé soustavě, energie první soustavy klesá a druhé roste (pokud je to jediný děj, který probíhá). Tok energie označujeme jako práci tehdy, když daný děj můžeme dokonce vidět nebo alespoň měřit pomocí jiných veličin a z nich pak předanou energii vypočítat. V prvním případě mluvíme o mechanické práci, ve druhém o elektrické práci, kterou vypočítáme jako součin napětí, proudu a doby děje, obecněji jako součet (aneb integrál) takových součinů pro jednotlivé krátké intervaly. U mechanické práce jde také o součin, ale jen dvou veličin, totiž síly působící na rozhraní soustavy a jeho posunutí.
Jestliže tok energie jako práci vyjádřit neumíme, pak jde o teplo. Nevýhoda tohoto pojmu je, že není tak zjevně spojen s dějem. Kdysi, před zavedením pojmu energie, se o teple hovořilo dokonce jako o jakési látce, dosud je nefyzikové berou jako synonymum pro energii. Ve skutečnosti je to obdoba práce, ale popisuje děj odehrávající se v mikrosvětě. Jde tok energie odehrávající se při srážkách částic nebo o vyzařování a pohlcování záření (to můžeme také považovat za částicový děj). Výsledkem je podobně jako u práce přenos energie mezi jednou a druhou soustavou, třeba mezi horkou plotnou a chladnějším hrncem na ní. Aby přitom plotna nevystydla, musí jít nějaké teplo také do ní, buď z ohně pod ní, nebo třeba z vodiče s velkým odporem, kterým teče elektrický proud. Ten vodič pak zůstává horký proto, že na něm vykonává nějaký vzdálený generátor elektrickou práci.
Poslední sousloví, elektrická práce, je zkratkou delšího, totiž práce elektrického proudu, nebo (protože jde asi o střídavý proud) přesného práce střídavého sinusového proudu (přívlastek ,,elektrického`` je pak zbytečný, žádný jiný střídavý sinusový proud nepřichází v úvahu). Nehrozí-li nedorozumění, je při opakování vhodné používat jen dvojslovného název veličiny. To je ale jen mé doporučení, nevím, zda takové uvádějí i nějaké jiné normotvorné texty.
Jedno sousloví ale potkáte i v učebnicích fyziky, a přitom je úplně nefyzikální: ,,elektrická energie``. Ono totiž nic neoznačuje. Neexistuje žádná elektrická energie. Není žádná soustava, o které bychom mohli říci, že obsahuje tolik a tolik elektrické energie. Můžeme mluvit o energii elektrostatického pole a energii magnetického pole (či dohromady o jejich součtu, energii elektromagnetického pole), obě tyto veličiny mají význam u běžných součástek elektrických obvodů, totiž u kondenzátorů a u cívek. U obvodů s běžným střídavým proudem dosahují stokrát za sekundu maxima a stokrát jsou nulové. Energie magnetického pole, která je k dispozici v celé rozvodné soustavě České republiky, je věru nicotná a vystačila by na mnohem méně než onu setinu sekundy, než by vše zhaslo. Vytvořit si nějakou velkou zásobu energie elektromagnetického pole je věc dost výjimečná (i když existují i kondenzátory s obrovskou kapacitou a supravodivé cívky u tokamaků).
Namítnete možná, a co akumulátory? Ty ale neskladují ,,elektrickou energii``, nýbrž se pomocí elektrické práce na nich vykonané zvyšuje jejich energie chemická. Také se přitom ale zahřívají, trochu se zahřívají i při vybíjení. Tolik elektrické práce, jako bylo vykonáno při jejich nabíjení, zpátky už nevrátí (mnohem účinnější jsou kondenzátory).
Ve všech praktických situacích jde zkrátka jen a pouze o elektrickou práci, ne o ,,elektrickou energii``. Elektrárny ,,nedodávají elektrickou energii``, ale konají elektrickou práci na rozvodné soustavě. Ta pak zase koná elektrickou práci na bezpočtu motorů, transformátorků, žárovek, výbojek. Této skutečně využité práce je ale trochu méně než je práce dodaná do soustavy -- rozdíl padne na ohřívání okolí vodičů a také na elektromagnetické záření, které při používání střídavého proudu nutně vzniká. Pokud se o rozvodnou soustavu nezajímáme, můžeme k věci přistupovat také tak, že např. Jihomoravská energetika koná elektrickou práci u nás doma. Doopravdy nám pak účtuje vykonanou elektrickou práci, ne ,,spotřebovanou elektrickou energii``. Obdobně může jiná společnost účtovat teplo které za jeden rok dodala do bytu (smůla bývá v tom, že dosud se stává, že kolik tepla dodá, se rozhoduje ona sama).
Pokud se vám zdá sousloví elektrická práce zbytečně dlouhé, pak si všimněte, že je kratší než ,,elektrická energie``. A také toho, že adjektivum lze vypustit, když je z kontextu zřejmé, tj. občas stačí prostě práce. Ale je zde ještě jedna možnost, totiž místo sousloví zjevně fyzikálního použít prostého elektřina. To mi připadá pro většinu případů zcela uspokojivé. Řeknu-li, že za rok jsme doma spotřebovali dva tisíce kilowatthodin elektřiny, je už z použité jednotky zřejmé, že mám na mysli práci střídavého sinusového proudu. Jednoslovné označení se mi natolik líbí, že jsem pro, aby se i slovo elektřina dostalo do norem jakožto výhodné (stručné a obecně srozumitelné) označení pro práci elektrického proudu.
Jan Hollan, leden 2001
PS.
Ještě jednu ,,oblíbenou veličinu`` fyzika už nezná, totiž ,,tepelnou energii``. To je archaické označení pro veličinu zvanou správně vnitřní energie. Ve skutečnosti se ale častěji jedná o veličinu trochu jinou, totiž entalpii. To je pěkné krátké slovo, a když např. doma zatopíme, můžeme si klidně říci, že rostoucí teplota radiátorů znamená, že roste entalpie vody, která jimi obíhá. Jindy se nejedná o vůbec žádnou energii, ale buď o teplo nebo o práci.
Vyjadřovat se fyzikálně zcela precizně je možné v odborných i velmi populárních textech. Není to ale vůbec snadné, tak moc špatných tvrzení jsme totiž už všichni slyšeli i četli, že dá pěknou fušku se jim vyhnout a psát čistě, přesně a přitom stručně, srozumitelně a možno-li, i čtivě.