Historie energie

Obsah:
Úvod
I. Co je to energie a kde vzniká
Původ energie
Co bylo na začátku
Měření energie

II. V hloubi času
Větrná energie
Vodní energie
Vynálezy průmyslové revoluce
Fosilní paliva

III. Moderní energie
Jaderná energie

Závěr

Úvod:
V dnešním moderním světě jsou téměř všechny věci, které nám ulehčují život poháněny energii. Když přijdete domů, rozsvítíte si, zapnete rádio, televizi nebo si uvaříte kávu. Do těchto různých spotřebičů přichází energie.
My si už neuvědomujeme, jak těžké bylo přijít na zdroje energie pro nás již samozřejmé, a kolik let to trvalo. Dnes víme, že rozvod energie je nám zajištěn až domů, my se už nemusíme o nic starat, jen zasednout a odpočívat. Ale kdo nám umožnil užívat si tohoto pohodlí, kterého se nám denně dostává. A kde se všechna ta energie bere?


I. Co je to energie a kde vzniká?
Bez energie by nic neexistovalo. Nebylo by Slunce, vítr, řeky, a ani žádný život. Energie je všude. Za vším co se děje stojí přeměny energie z jedné podoby do druhé. Energie je to, co nutí věci, aby se staly. Je to míra různých forem pohybu hmoty ve všech jejích vzájemných přeměnách. Nemůže být vytvořena, ani zničena. Může být pouze přeměněna na jiný druh energie.
Rozlišuje se na energie mechanickou, tepelnou, elektrickou, elektromagnetickou, chemickou a jadernou.
Původ energie
Zdrojem téměř veškeré energie, kterou přijímá Země je Slunce. Nebýt energie přicházející na Zemi z vesmíru, nebylo by zde rostlin ani živočichů. Energie z většiny alternativních zdrojů např. větrná energie, má také svůj původ na Slunci. Spalování fosilních paliv rovněž uvolňuje sluneční energii nahromaděnou v rostlinách před miliony let. Na Zemi přitom přichází jen pouhý zlomek z obrovského množství energie uvolňované Sluncem. Tato energie pochází z jaderné syntézy probíhající hluboko v jeho středu. Slunce vyzařuje tak obrovské množství energie, že je každou sekundu lehčí o miliony tun své hmoty. Energie se k Zemi dostává ve formě elektromagnetické energie, což je jediná energie, která se může šířit vesmírem. Přichází ve formě infračerveného a ultrafialového záření a viditelného světla.
Co bylo na začátku?
Slunce je středem Sluneční soustavy, jejíž součástí je i Země. Je drobnou hvězdou v galaxii obsahující 100 000 milionů hvězd a nazývané Mléčná dráha. Ve vesmíru jsou miliony milionů jiných galaxií oddělených vesmírnými vzdálenostmi v jinak skoro prázdném prostoru. Vesmír není pravděpodobně nekonečně velký. Veškeré záření a veškerá hmota ve vesmíru jsou podobami energie. Ve středu hvězd hmoty ubývá, zatímco odpovídající množství energie se vždy v důsledku toho uvolní.
Vývoj vesmíru začal „Velkým třeskem“, kdy určité množství energie vzniklo z ničeho. Podle teorie velkého třesku vznikl veškerý prostor a čas v jediném bodě, mnohem menším než jede atom. Tento bod musel obsahovat veškerou energii celého vesmíru. Vhledem k tomu, že celý prosto byl tak malý, musel být neuvěřitelně horký. Za tak vysokých teplot byly zřejmě dnes známé síly, jakou je například gravitace, velmi odlišné. Nejspíš vůbec neexistovala hmota, ale pouze tepelná energie.
Z pozorování hvězd a galaxií tvořících vesmír vyplývá, že se od sebe vzdalují. To znamená, že velký prostor tvořící vesmír se rozpíná podobně, jako se roztahuje pružný obal nějakého obrovského balónu. Pokud by to byla pravda a vesmír se bude nadále rozpínat, pak toto pevně dané množství energie bude existovat jen po určitou dobu a tedy jednoho dne vesmír ukončí svou existenci „Velkým krachem“. Avšak my už nyní víme, že Slunce vyhasne již za 5 miliard let.

Měření energie
Ve většině vědeckých pokusů se nějak energie měří. měřidlo je přístroj měřící energii. Základní jednotkou energie je 1 joul (J).
Joul - odvozená jednotka soustavy SI pro práci. Práci 1 joulu vykonává těleso, které působí silou o velikosti 1 newtonu na jiné těleso, po dráze 1 metru ve směru jeho pohybu.
Ek = W = F. s
Avšak energie může být měřena v mnoha různých jednotkách. Jednotka 1 kilokalorie je zavedena jako množství tepelné energie potřebné k ohřátí 1 kg vody o 1 °C. Výkon je rychlost, jakou se energie mění. Jednotkou výkonu je 1 watt (W).
Watt - odvozená jednotka soustavy SI pro výkon, 1 W je výkon, při němž se rovnoměrně vykoná práce 1 J za 1 s. P = W . t-1

II. V hloubi času
Člověk využíval energii odjakživa, ještě dřív, než si to byl vůbec schopen uvědomit. V době kamenné lidé používali energii svých vlastních svalů k takové práci, jako bylo získávání potravy nebo stavba příbytků. Jiný zdroj svalové síly byl nalezen u zvířat – jediné velké zvíře může být až sedmkrát silnější než jeden člověk. Energie z ohně byla používána pro tepelnou úpravu jídla už před 500 000 roky. Ačkoliv okamžik objevení ohně není přesně znám, lidské bytosti jej používají po tisíce let. Obyvatelé jeskyň z pozdní doby kamenné udržovali v nich teplo pomocí ohně nepřetržitě po měsíce a roky. Od té doby se lidé naučili ještě účinněji využívat služeb ohně, ať při vytápění a osvětlování příbytků, tak i pro odlévání zlata, výrobu keramiky a skla.
Největší část energie v ohni je teplo uvolňované při hoření paliva. Prvním palivem bylo dřevo, avšak dřevěné uhlí vyrobené zahříváním dřeva bez přítomnosti vzduchu hoří plamenem o vyšší teplotě. Kromě tepla má oheň i svou energii v podobě světla a zvuku, takže může být viděn, cítěn a slyšen. Energie uvolňována hořením paliva byla mimořádně důležitým zdrojem prvních lidí.
Tito naši předkové na rozdíl od nás dokázali žít v trvalé harmonii s přírodou, používali pouze obnovitelné zdroje energie a užívali v podstatě bezodpadové technologie. Předali nám až do 19. století nezdevastovanou přírodu.
První vodní a větrná energie
Již staré národy mohli pozorovat, jaká obrovská síla se skrývá v pohybující se vodě a větru. Ačkoli neměli vůbec vědecké cítění, uvědomili si, že je možné tyto živly přinutit dělat nějakou užitečnou práci. Dávné civilizace užívaly „mechanické energie“ k práci, jakou bylo zvedání , mletí zrní, stavitelství, doprava lidí a nákladů. Tato mechanická energie mohla být získána z větru a pohybující se vody. Vítr a tekoucí voda jsou nejpatrnějšími projevy přírodní energie na Zemi, avšak tato energie má svůj původ na Slunci.

Větrná energie
Vítr byl jednou z prvních přírodních sil, kterou se lidé učili využívat k tomu, aby už 3500 let př. n. l. uvedli do pohybu lodě s plátěnými plachtami. Na pevnině se začal vítr využívat, když se v Persii kolem roku 700 n. l. objevily první větrné mlýny. Lopatky se otáčely vodorovně a byly spojeny přímo s mlýnskými kameny, které drtily zrno. Síla větru byla také využívána k zavlažování suché půdy a k odvodňování mokřin. Vítr slouží i dnes k výrobě elektřiny jako jeden z alternativních zdrojů energie.
Větrná energie představuje energii proudění vzduchu vůči zemskému povrchu - větru, který vzniká díky teplotním rozdílům různých oblastí atmosféry. Větrné elektrárny využívají tento druh energie k její přeměně na elektrickou energii.

Energie větru je na rozdíl od vody snadno dostupná všude a bude proto využívána mnohem více. Ale opak je pravdou. I když je také využívána odpradávna, až na výjimky sloužila především v lodní dopravě.
Výhodnost plachet poznal člověk rovněž ještě v době kamenné. Vítr nejen nefouká stále, ale často i mění směr. Proto se ve velkých námořních bitvách starověku plachty zásadně skasávaly, aby rozmar počasí nemohl ovlivnit výsledek boje. I ve středověku znala Evropa dlouho jen tzv. latinskou plachtu tj. v podstatě obdélník vytažený na stěžeň, který dovoloval využít především zadní vítr ve směru plavby a jen částečně i boční.
A tak teprve pod vlivem Arabů (a ti zase pod vlivem Číny) se přechází i k dalšímu druhu plachtoví a otočnému ráhnu, které dovoluje naplno využít nejen silu bočního větru, ale při manévrování i proti větru. I tak znamenalo při dlouhých plavbách oceánem bezvětří těžko odstranitelnou hrozbu. Ano, v lodní dopravě vítr sehrál důležitou roli, ale později byl vystřídán parním strojem a poté ještě dalšími druhy pohonů.
Velkým průkopníkem ve využívání energie větru byla Čína. Svými vynálezy ovlivnila nejen vodní dopravu, ale také stála u zrodu větrných mlýnů. Snad vůbec první větrný mlýn se objevil v Seistanu, bezřeké části dnešního západního Afghanistánu, patrně počátkem 7. stol. př. K. Mlýny stávaly na účelově budovaných pahorcích, hradních věžích či vrcholcích kopců. V jejich horní komoře spočíval mlýnský kámen, zatímco v dolní se otáčel rotor se šesti či dvanácti lopatkami pokrytými dvojitou vrstvou tkaniny. Otvory ve tvaru dovnitř se zužujícího trychtýře v dolní komoře urychlovaly proudění vzduchu opírajícího se do plachet. Uspořádání se svislým rotorem se rozšířilo takřka po celé Asii. Ve středověkém Egyptě sloužily tyto mlýny k drcení cukrové třtiny, ale jinak vesměs ke mletí obilí.

Němec. Holanďan.
Celá staletí bývaly větrné mlýny víceméně hříčkami větru, který je nechával na holičkách, když často měnil směr. Pak přišel Angličan Edmund Lee a v roce 1745 vymyslel stabilizační "ocasní plochy" a podružné větrné kolo, tedy soustavu, jež rotor samočinně nastavovala proti větru.

U nás jsou první větrné mlýny doloženy ve 12. století. Jejich domovem se staly především jihomoravské roviny. V minulém století jejich charakteristická křídla zmizela i když ne beze zbytku, někde ještě dominuje krajině kamenná věž. V zásadě se jednalo o dva druhy staveb. U tzv. sloupového mlýna se za větrem otáčela celá budova (musela ovšem být dřevěná a spočívala na silném centrálním nosném sloupu). Vyspělejší typ představovala pevná budova s
s otočnou hlavicí střechy. Také původní plátěná křídla, kopírující v podstatě plachty, nahradily dřevěné lištové lopatky.
Ve 20. století se i energie větru začala využívat k výrobě elektřiny. Podle výpočtů je možná účinnost u energie větru až 59 %, ale zatím se podařilo dosáhnout jen 45 % (což je ovšem v porovnání například s parním strojem, ale i parní turbínou stále velmi mnoho). Bohužel však opravdu vhodných míst pro postavení větrných elektráren není mnoho, navíc se ani u menších větrných elektráren (s výkonem do 100 W) nepodařilo zatím odstranit hluk, který je po delší době nesnesitelný.
Zatím se nám nedaří větrnou energii zapřáhnout do „gigantických“ elektráren a maximálně využívat její sílu. Avšak zatím ji, ti odvážnější, využívají ke sportu na kluzácích, rogalech, v balónech, ale také v sáních s oplachtěním. Že nejde o nic nového ukazuje oplachtěný vůz z Nizozemí z roku 1600.

 

Vodní energie
Energie proudící vody patří spolu s energií větru mezi nejstarší využívané druhy energie. Používání vodních kol různých typů a velikostí se datuje již od nejstarších civilizací. Vodní kola byla poprvé využívána pro zavlažování před rokem 600 př. n. l., ale pro mletí zrní byla vodní energie použita v různých částech světa někdy kolem roku 100 př. n. l. Vynálezem vodního kola se zrodil první motor, který spolehlivě sloužil lidem po tisíce let. Moderní vědecké výzkumy a výpočty přivedly pak na svět vodní turbínu, mnohem účinnější než klasické kolo. Vodní turbíny se staly výhradním zdrojem energie pro generátory na výrobu elektrického proudu v hydroelektrárnách. Druh vodního kola závisel na tom, jaká byla rychlost vodního proudu. Jejich konstrukce se s časem zdokonalovala a v 19. století předznamenala nástup průmyslové éry. Teprve s příchodem elektřiny se však mohly uplatnit velké hydroelektrárny s různými typy vodních turbín.
VODNÍ KOLO
Kolo je úžasným technickým vynálezem, dílem neznámého tvůrčího génia, který zmizel v propasti času. Vodní kolo jako zdroj energie, kolo jako motor.
Tekoucí proud vody, ale i poklidně se čeřící jezero v sobě skrývají obrovskou a nevyčerpatelnou zásobu energie. Vodní "síla" je tím větší, čím větší je množství vody a u proudící vody také čím větší je spád vodního toku. Velkou výhodou energie skryté ve vodních tocích je její velmi snadná přeměna na energii mechanickou, kterou už přímo můžeme využít při nejrůznějších lidských činnostech. A právě k tomu nám již tisíciletí slouží vodní kolo.
Vodní kola se využívala pro pohon nejrůznějších mechanismů. Poháněla pily, valchy, hamry, využívala se pro čerpání vody, nejčastěji se s nimi však setkáváme u mlýnů na obilí. A tak se tomuto ve skutečnosti univerzálnímu vodnímu motoru začalo říkat obecně mlýnské kolo.

Z hlediska působení vodního proudu rozlišujeme tři typy vodních kol:
Kola na spodní vodu mají rovné lopatky a jsou do vodního toku ponořena svou spodní částí. Pokud voda v potoku nebo řece poklesla, často se kola dostala celým obvodem nad vodní hladinu a zastavila se. Směr otáčení těchto kol byl opačný než směr proudu vody.
Kola na svrchní vodu mají místo lopatek jakési dřevěné "truhlíčky" (říká se jim korečky). Voda se na kolo přivádí svrchu, pomocí dřevěného náhonu. Kola se otáčejí stejným směrem jako plyne proud. Mají až dvakrát vyšší účinnost, nejsou tak závislá na stavu vody v toku, stavba náhonu však vyžaduje poměrně náročná technická řešení.
Jakýmsi kompromisem mezi oběma typy je kolo na střední vodu (nazývalo se "na půl kříže"). Volba typu kola závisela na přírodních podmínkách, na množství vody, jejím spádu a také na zkušenosti stavitele mlýna - mlynáře.

VODNÍ TURBÍNY
Jen zdánlivě se vývoj vodního kola zastavil až do 19. století, kdy se objevují přehrady a s nimi i dokonalejší a účinnější vodní motory - turbíny. Princip turbíny byl totiž znám mnohem dříve a aplikován, především k čerpání vody, nejpozději v 16. století. Rozmach však nastal až na přelomu 19. a 20. století spolu s využitím tří základních typů turbín - Peltonovy, Francisovy a Kaplanovy. Ta poslední se zrodila za Kaplanova působení na technice v Brně, a její autor dlouho bojoval o uznání svých patentů.

Základní typy turbín (zleva: Francisova, Kaplanova, Peltonova).
VODNÍ ELEKTRÁRNY
Výroba elektrické energie se uskutečňuje v elektrárnách. Ve vodní elektrárně dochází k přeměně polohové (potenciální) energie vody na mechanickou práci rotoru turbogenerátoru a posléze na elektrickou energii. Voda z přehrady se vede tlakovým přiváděčem k turbínám a roztáčí rotor turbíny. Rotor je na společné hřídeli s elektrickým generátorem. Turbosoustrojí METAZ MT 3 je uváděno do provozu pomocí vlastního elektromotoru. Po zapnutí sítě pracuje turbína jako čerpadlo a po zaplnění násosky vodou soustrojí přechází automaticky na turbínový provoz, v němž motor pracuje jako generátor. Rekonstrukce malé vodní elektrárny může být velmi jednoduchá.
Např. turbosoustrojí METAZ MT 3 může nahradit původní vodní kolo na svrchní vodu tak, že se vybuduje opěrná zeď, na níž je turbosoustrojí instalováno. Výkon P (kW) lze přibližně určit jako součin konstanty k (zpravidla 6), spádu h (m) a objemového průtoku Q (m3/s): P = 6.h.Q (kW). Při spádu 3 m a průtoku 300 l/s, tj. 0,3 m3/s, lze získat výkon 6x3x0,3 = 5,4 kW. Celková roční výroba energie E (kWh) je dána součinem výkonu a počtu provozních hodin za rok: E = P.t (kWh). Uvažujeme-li 5 000 hodin provozu za rok, získáme při výkonu 5,4 kW celkově 27 000 kWh elektrické energie.
Vodní elektrárna se podle spádu se dělí na:

· nízkotlaké – do výše spádu 25 m bez přívodního potrubí,
· středotlaké – výše spádu 25 m až 100 m s přívodním potrubím,
· vysokotlaké – výše spádu nad 100 m.


Vodní kolo bylo dlouho hlavním motorem evropské civilizace. Vystřídal je až na sklonku 18. století parní stroj a v 19. století nahradil plachty.
VYNÁLEZY PRŮMYSLOVÉ REVOLUCE
Pára vlastně není nic jiného než voda v jiném skupenství. Ale v užívání energie hrála a hraje přece jen podstatnější roli. Také proto, že k výrobě páry z vody je třeba další zdroj energie - palivo. Páry se také jako zdroje energie začalo užívat mnohem později než samotné vody, i když jistě už starověkou hospodyňku napadlo nad hrncem s vařící polévkou, že pokličku zvedá nějaká síla. Dlouho se však pára používala jen k očistě těla v lázních, po vynálezu římského jezdce Gaia Sergia Orata v 1. století př. Kr. i k vytápění lázní římským "ústředním topením" - hypocaustem.
Avšak to nebyly první zmínky o využití páry. Už o dvě století dříve v tehdejším středisku věd a umění Alexandrii se mechanik Ktesibios a proslulý Archimedes (287-212 př. Kr.) zabývali využitím tlaku vody i páry pro pohon různých strojů, mechanismů i hříček.
Pozoruhodných úspěchů na tomto poli dosáhl na přelomu 2. a 1. století př. Kr. Heron Alexandrijský. Jeho mechanismus na otevírání chrámových dveří sice sloužil k ohromení věřících nadpřirozeným úkazem, ale v podstatě šlo o obyčejný teplovzdušný motor.
Myšlenka ovšem na dlouho zapadla. Teprve od 17. století došlo k znovuoživení pokusů využít silu páry:
Ital - Giovanni Branca
Ř princip parní turbíny (1629)
Francouz - Denis Pepin
Ř autor tlakového hrnce (dnes „papiňák“)
Ř atmosférický parní stroj
Angličan - Thomas Savery
Ř autor „ohňového stroje“
Skot - James Watt
Ř dvoučinný parní stroj
Jamesův jednoduchý, ale geniální stroj se stal motorem průmyslové revoluce, která ovlivnila dění celé budoucnosti. Předcházel mu už Wattův jednočinný stroj s kondenzátorem ochlazujícím páru, ale rozhodující zlom přineslo teprve využití obou pohybů pístu pro práci.
VYUŽITÍ PÁRY V DOPRAVĚ
Francouz - Nicolas Joseph Cugnot vyzkoušel svůj parovůz už v roce 1769, štafetu si Angličané nenechali vzít. Zdokonalený Wattův parní stroj aplikoval Richard Trevithick ( 1771-1833), průkopník využití vysokotlaké páry, na lokomotivu. Rozmach železniční dopravy poháněné parou pak zásadně ovlivnil úspěch Georga Stephensona (1781-1848),jehož lokomotiva Rocket dosáhla na svou dobu fantastické rychlosti (až 60 km/h). Věk páry na železnicích a vůbec v dopravě, ale především při pohonu strojů v továrnách charakterizuje 19. století. Už ve 20. letech 19. století spočítal francouzský fyzik Nicolas Carnot ( 1796-1832), že maximální účinnost parního stroje může teoreticky tvořit necelých 20 % (v praxi však byla mnohem nižší).
Ale ani nástup elektrické energie a spalovacích motorů neznamenal konec páry, jak by se mohlo na první pohled zdát. I když v automobilové dopravě parní automobily nakonec prohrály (na počátku 20. století ovšem dosahovaly rychlosti 100 km/h a rychlostní rekord 200 km/h překonal jako první parní vůz, nikoliv auto se spalovacím motorem), díky vynálezu parní turbíny Charlese Parsona z roku 1884 i jeho méně známého švédského kolegy Carla Gustava de Lavala má dodnes pára základní podíl na výrobě elektřiny. Jak elektrárny na fosilní paliva, tak i atomové vyrábějí elektřinu prostřednictvím parogenerátorů. Účinnost stoupla z 5 % na počátku století až na téměř 35-40 % dnes.
Parní turbína – tepelný lopatkový rotační motor, ve kterém se energie vodní páry přeměňuje na kinetickou energii oběžného kola, opatřeného lopatkami.
Parogenerátor – první generátor – tlakový systém na výrobu syté, popřípadě přehřáté vodní páry pro energetické nebo průmyslové účely. Do parogenerátoru se přivádí teplo, které je potřebné k výrobě vodní páry při konstantním tlaku prostřednictvím vhodné teplonosné látky, např. spalinami nebo chladivem jadrného reaktoru.


Vynalezení páry v 19.století znamenalo rozvoj průmyslové revoluce a nový nádech budoucnosti. Abychom z vody získali páru, bylo potřeba další zdroj energie, kterým bylo palivo. Lidé začali využívat fosilních paliv a čistá, obnovitelná energie začala ustupovat do pozadí.
FOSILNÍ PALIVA
Uhlí, ropa a zemní plyn vznikly působením činnosti bakterií a tlaku v zemské kůře na zbytky drobných organismů žijících před miliony let. Energie pochází původně ze Slunce a byla uložena pomocí fotosyntézy v podobě chemické potenciální energie.
Uhlí bylo prvním fosilním palivem používaným ve velkém měřítku. Spalováním surového uhlí se získá teplo. Je –li uhlí zahříváno v uzavřené nádobě bez hoření, vzniká plyn (svítiplyn) použitelný jako palivo. Stal se hlavním zdrojem energie pro domácnost v průběhu 19. a části 20. století.
Zemní plyn se často nachází poblíž ropných polí, je podobný svítiplynu.
Ropa je hlavním fosilním palivem 20. století. Vyrábí se z ní benzín a ostatní paliva.
Jakmile se jednou fosilní palivo spálí, není možné je znovu použít. Plyny vzniklé jeho spalováním mohou znečišťovat Zemi. Když si to lidé uvědomily, začaly hledat nový zdroj energie, který by byl velice účinný a vzhledem na životní prostředí ekologičtější. Tedy dalším zdrojem energie, dnes v hojné míře užívaným, se stala jaderná energie.

III. Moderní energie
ENERGIE HMOTY
Koncem 19. stolení si vědci mysleli, že energii dobře pochopili. Avšak překvapující byly závěry na speciální teorie relativity Alberta Einsteina založené na předpokladu, že rychlost světla je konstantní. Jedním z nich je skutečnost, že energie má hmotnost, a proto hmota je vlastně podobou energie. Einsteinova slavná rovnice E = mc2 popisuje tento vztah matematicky. Zde E vyjadřuje změnu energie, c je rychlost světla a m představuje odpovídající hmotnost.
JAK VYPADÁ ATOM
Atom, nejmenší množství chemického prvku zachovávající jeho charakteristické vlastnosti a schopné stoupit do chemické reakce. Základní jednotka hmoty za obvyklých podmínek. Atom je složen z malého (rozměr řádově 10-14 m), kladně nabitého atomového jádra, kolem něhož je elektronový obal. Rozměr atomu je řádově 10-10 m, hmotnost (10-27 až 10-25 kg) je soustředěna převážně v jádře a bývá udávána v atomových hmotnostních jednotkách. Atom je navenek elektricky neutrální. Jádro atomu je tvořeno kladně nabitými protony a elektricky neutrálními neutrony, které jsou v jádře drženy jadernými silami. Základní charakteristikou atomu jsou:
Ř číslo protonové (Z)
Ř číslo nukleonové (A, udávající počet protonů a neutronů v jádře)
V jádru je soustředěna takřka veškerá hmotnost atomu. I ta je samozřejmě nepatrná. Jako hmotnost atomu vodíku se uvádí 1,67 kvadriliontin gramu, pro lepší představu se dá napsat i takto:
0,000 000 000 000 000 000 000 001 67 g.
Do chemických reakcí vstupují atomy pouze prostřednictvím elektronového obalu. Jádro atomu se účastní jaderných reakcí.

PRVNÍ KROK
První krok udělal Wilhelm Conrad Röntgen se svým objev nového typu záření - paprsků X - posunul možnosti lékařské vědy na mile kupředu. Paprsky pronikající měkkými tkáněmi lidského těla a vytvářející obraz vnitřních orgánů otevřely lékařům úplně nový svět.


JADERNÁ ENERGIE
Svět se v poslední době opírá převážně o jadrnou energii, která je pro země, které nemají vhodné podmínky pro alternativní zdroje energie nejpřijatelnější. V porovnání s palivy je jaderná energie milionkrát vydatnější. Jeden gram uranu velikosti obilného zrnka vydá tolik tepla jako 2,5 t černého uhlí nebo 1500 litrů benzínu.
Cesta k dnešnímu rozvoji jaderné energetiky byla dlouhá. Mohli bychom říci, že trvala déle než 2 000 let, avšak všechno podstatné se událo teprve v předvečer našeho století. Začalo to hlubším poznáním hmoty, pochopením stavby atomů a objevením přirozené radioaktivity. Rozbití atomového jádra a ovládnutí řetězové reakce pak znamenalo už skutečný počátek nového věku.
Základem pro využití jaderné energie je radioaktivní záření z radioaktivních prvků.
Hledání radioaktivních prvků podnítil Antoine Henri Becquerel, který šťastnou náhodou objevil radioaktivní záření. Původně se zabýval fluorescenčními jevy nerostů. Nerosty nejprve ozářil na slunci, a pak je pokládal na fotografické desky, které v temné komoře vyvolával. Jednoho pošmurného dne chtěl ozářit uranový nerost, avšak toho dne se slunce neobjevilo. Neozářený nerost schoval do zásuvky s fotografickými deskami, na nichž ležel klíč. Po vyvolání desek se objevil negativ klíče. Stalo se tak 14. února 1896. Jev byl nazván Becquerelovo záření. V krátké době poté objevili manželé Marie Curieová a Pierre Cure v uranové rudě z Jáchymova v Čechách první radioaktivní prvek. Roku 1898 našla nový prvek třistakrát radioaktivnější než uran, nazvala jej polonium (Po). Dalším radiaktivním prvkem, který objevili bylo radium (Ra). Po objevení tohoto prvku se Becquerelovu zážení začalo říkat radioaktivní záření. Roku 1903 dostali manželé Curieovi společně s Becquerelem Nobelovu cena za fyziku.
Radioaktivita – radioaktivní přeměna – proces rozpadu nestabilních atomových jader spojený s uvolněním energie ve formě radioaktivního záření. Radioaktivita je buď přirozená, v přírodě je kolem 40 prokazatelně radioaktivních prvků. Umělá, nestabilní jádra vznikají z jader stabilních působením jiných částic či záření. Rychlost radioaktivního rozpadu je přímo úměrná množství radioaktivních jader ve vzorku. Konstanta této úměrnosti je tzv. rozpadová konstanta.
Již roku 1901 se konají první pokusy s léčebnými účinky radioaktivního záření.
Usilovné zkoumání přináší první ovoce. Před výzkumníky se začínají rýsovat některé základní vlastnosti radioaktivního záření. Jsou objeveny a pojmenovány částice alfa, tvořené jádry hélia, nejméně pronikavé.Částice beta, tj. záporně nabité elektrony. Proud elektronů dosahuje téměř 3x108 m.s-1. Částice gama, elektromagnetické záření, nejpronikavější. Podobné záření rentgenovému.


PRINCIP JADERNÉ ENERGIE
Základem využití jaderné energie v elektrárnách je řetězová štěpná reakce jaderného paliva.
Řetězová reakce probíhá tak, že se část rozštěpeného jádra atomu srazí s jiným jádrem, rozštěpí ho na části, které vyvolají štěpení dalších jader, a reakce se šíří tímto způsobem dál. Je to štěpení jader s velkými protonovými čísly v jádra s menšími protonovými čísly. Při této reakci se uvolňuje velké množství tepla.
DLOUHÝ VÝVOJ
Objev umělé radioaktivity odstartoval dlouhou pouť využívání jaderné energie.
Používání alfa částic jako "střel" s sebou nese četné problémy. Tím hlavním je jejich kladný náboj. Pokud jimi ostřelujeme jádro atomu, jsou přitahovány a tím zpomalovány záporně nabitými elektrony okolo jádra. Zároveň jsou stejně (kladně) nabitým jádrem odpuzovány. Pravděpodobnost srážky alfa částice s jádrem je tedy velmi malá. Ještě více klesá u prvků s vyšší atomovou hmotností, neboť ty mají větší počet elektronů v obalu a větší kladný náboj jádra. Proto se při prvních experimentech dařilo přeměňovat na radioaktivní látky jen lehké prvky, těžší zůstávaly beze změny.
Enrico Fermi se pokusil vyvolat umělou radioaktivitu pomocí elektricky neutrálních částic neutronů. Neutrony nejsou přitahovány ani odpuzovány elektrony ani jádrem. Mohou proto ve hmotě urazit mnohem delší dráhu než částice alfa a s mnohem větší energií.
Fermiho řešení má ale své nedostatky. Na rozdíl od částic alfa nejsou neutrony vyzařovány z přirozených radioaktivních látek, ale jen z látek uměle radioaktivních vzniklých bombardováním částicemi alfa. Zdrojem neutronů mohou být dokonce jen některé umělé radioaktivní prvky. Navíc se při bombardování uvolní na sto tisíc částic alfa pouhý jediný neutron, čímž se pochybuje o užitečnosti tohoto řešení.
Fermi se nevzdal a jako zdroj použil radon vznikající přirozeným rozpadem radia. Radon je radioaktivní a uvolňuje částice alfa. Plynný radon kontaktoval Fermi s práškovým beryliem. To se stalo radioaktivním a uvolňovalo neutrony. Neutrony z berylia bombardoval Fermi postupně všechny prvky Mendělejevovy tabulky. První výsledky se dostavily až u fluoru, ale skutečný úspěch přinesl teprve uran.
URAN
Při bombardování uranu se ukázalo, že vzniklý produkt je radioaktivní, obsahuje několik aktivních prvků a navíc jeden z nich neodpovídá žádnému z dosud známých prvků. Skupina německých fyziků a chemiků:
L. Meitnerová, O. Hahn, F. Strassman - dospěla k poznání, že po bombardování uranu neutrony zůstává mezi produkty rozpadu baryum.
Baryum je přibližně o polovinu lehčí než uran. Tedy nikoli nový prvek, ale rozpad jádra.
Bylo zřejmé, že se atom uranu rozštěpil. Lise Meitnerová tento rozpad jader atomu uranu nazvala jaderným štěpením. Zároveň zjistila, že součet atomových hmotností obou vzniklých zlomků je menší než atomová hmotnost mateřského uranu. Rozdíl hmotností představoval uvolnění obrovského množství energie. První krok k novému zdroji energie o netušené sile byl učiněn.

Aby mohla být "odstartována" řetězová reakce, potřebujeme účinné elektricky nabité částice, kterými bychom mohli ostřelovat látky a získávat tak neutrony. Jestliže však takovou letící částici urychlíme, bud' nám uletí z dosahu, nebo narazí na jádro dříve, než získá dostatečnou rychlost. Problém nakonec vyřešil O. Lawrence, když sestrojil důmyslný přístroj, urychlovač částic – cyklotron (kruhový vysokofrekvenční urychlovač těžkých elektricky nabitých části na vysoké, ale nerelativistické energie). V cyklotronu ohýbá silný magnet dráhu urychlovaných částic do spirály, takže nemohou uniknout a obíhají stále větší rychlostí. Tím se zvětšuje jejich energie.
Trvalo však další čtyři roky, než se Fermimu a jeho týmu podařilo zkonstruovat první jaderný reaktor s moderátorem (látkou, která zpomaluje neutrony na rychlost vhodnou pro další štěpení). Spoutali tak řetězovou reakci a přinutili ji poprvé v historii lidstva poslouchat pokyny člověka.
První jaderný reaktor byl postaven na bývalém sportovním stadionu chicagské univerzity. První umělá řetězová reakce byla spuštěna 2. prosince 1942. Uprostřed ničivé války nebyla doba příznivá vědeckému bádání. Ale výzkumy v jaderné fyzice pokračovaly nerušeně dál. Možná skrytě, proto také i v prostorách stadionu, ale bez finančních potíží. Cílem totiž nebyla levná a čistá elektrická energie, ale - atomová bomba.
V atomové bombě se veškerá tepelná energie této řetězové jaderné reakce uvolní během zlomku sekundy v podobě nesmírně ničivého výbuchu. V jaderných elektrárnách je řetězová reakce řízena tak, aby se tepelná energie uvolňovala postupně. Jaderným palivem potřebným k reakci je čistý uran 235 nebo plutonium 239. Oba izotopy jsou štěpné, to znamená, že se při srážce s neutrony rozpadají.
Zpomalení řetězové reakce s dosahuje v jaderných elektrárnách tím, že se jako jaderné palivo používá směs štěpného izotopu uranu 235 a mnohem hojnějšího, ale i o mnoho stabilnějšího izotopu uranu 238.Uran 235 je jedním z nejcennějších a nejhledanějších izotopu na zemi. V přírodním uranu není možné řetězovou reakci uskutečnit. Musí se v něm zvýšit procento atomů izotopu uranu 235 anebo k němu přidat plutonium 239 – teprve pak je možné zahájit reakci. Tomu se říká obohacování přírodního paliva.

Existují různé typy jaderných reaktorů:
Rychlý reaktor – říká se jim rychlé protože se štěpný proces vyvolává nezpomalenými, rychlými neutrony. Jaderné palivo však musí být vysoce obohaceno o uran 235 a příprava takového paliva není jednoduchá. Proto se mnohem častěji v současné době používají tepelné reaktory.
Tepelné reaktory – jaderné palivo je v nich obklopeno takzvaným moderátorem (je to například grafit nebo voda), který rychlost pohybu neutronů vznikajících v průběhu řetězové reakce zpomaluje.
Proč neutrony zpomalujeme?
Rychlé neutrony jsou při srážkách se stabilními izotopy uranu 238 pohlcovány, ale pomalé ne. Působením moderátoru se rychlé neutrony zpomalují, a tak se na štěpení uranu může podílet víc pomalých neboli tepelných neutronů. Při tomto procesu se uvolňuje obrovské množství tepla.
Teplo vznikající v aktivní zóně jaderného reaktoru (ta obsahuje uranové palivo a moderátor) zahřívá teplonosnou kapalinu zvanou chladivo, která ve výměníku tepla vytváří z vody páru. Chladivo se značně zahřeje a uvádí do varu vodu. Vzniklá pára se použije, stejně jako v parních elektrárnách, k otáčení turbíny, která pohání generátor na výrobu elektrické energie. Jaderné elektrárny dnes buduje řada zemí, aby uspokojily neustále rostoucí spotřebu elektrické energie. perspektivním zdrojem energie budoucnosti jsou rychlé množivé reaktory, v nichž se uvolňuje nejen jaderná energie, ale navíc se neštěpitelný uran 238 přeměňuje na štěpitelné jaderné palivo plutonium 239.


BEZPEČNOST JADERNÝCH ELEKTRÁREN
Při provozu jaderných elektráren je bezpečnost základním a prvořadým požadavkem. Vznikající radioaktivní materiál a radioaktivní záření se nikdy nesmí dostat do vnějšího prostředí a ohrozit personál elektrárny nebo dokonce obyvatelstvo v blízkém i dalekém okolí. Jaderná elektrárna musí odolat země třesení i jiným živelním pohromám, pádu letadla, teroristickým útokům, technickým závadám i selhání obsluhy. Ze základních opatření pro zajištění radiační bezpečnosti jaderných elektráren jsou nejvýznamnější bariéry jaderných elektráren a autoregulace reaktoru.

Bariéry reaktoru PWR.
Bariéry jaderných elektráren
První bariéra spočívá už v samé struktuře jaderného paliva. Krystalická struktura nejčastěji používaného oxidu uraničitého UO2 má sama schopnost udržet při normálním provozu reaktoru
99 % vznikajících radioaktivních štěpných produktů.
Druhou bariérou je hermetický obal palivové tyče. Jeho úkolem je zachytit zbylé asi 1 % plynných produktů štěpení. Dokonce ani při porušení hermetičnosti palivové tyče není ohrožena radiační bezpečnost v primárním okruhu elektrárny.
Třetí bariérou je vlastní reaktorová nádoba, která je dostatečně pevná, a hermeticky uzavřený primární okruh.
Čtvrtou bariéru tvoří tzv. ochranná obálka neboli kontejnment. Přestože selhání všech už zmíněných tří bariér je velmi nepravděpodobné, je pro další zvýšení bezpečnosti prostor primárního okruhu moderních jaderných elektráren uzavřen pod ochranný železobetonový obal - kontejnment.
Autoregulace reaktoru
Dalším významným prvkem zaručujícím bezpečnost jaderné elektrárny je princip autoregulace reaktoru. Autoregulace je schopnost reaktoru omezit náhlé změny výkonu automaticky i bez využití regulačních orgánů. Pokud dojde k neočekávanému zvýšení výkonu reaktoru, autoregulace vrátí výkon k původním provozním hodnotám. Vývoj reaktorů směřuje právě k těmto typům s tzv. inherentní (vnitřní) bezpečností.

ZÁVĚR
Ze začátku lidé využívali jen alternativní čistou a obnovující se energii. Postupem času však nalézaly novou energii. Energii fosilních paliv, páry, jadernou energii. Tuto energii začali bezmezně využívat a na nic se neptali. Neptali se zda to ublíží budoucí generaci, jestli i děti našich pra pra vnoučat budou mít kde brát energii pro svoje pohodlí, když my jsme jí tak bezhlavě likvidovali.
Dnes se na tyto otázky začínají ptát a zjišťují, že odpověď zřejmě nenaleznou ihned.
Na počátku energie bylo Slunce. Slunce je základem energie i u ostatních zdrojů energie. Avšak využit čistou energii Slunce lidé dříve neuměli. Všimli si vody a větru a naučili se je ovládat. Pak už jim ale tyto zdroje nestačily potřebovali efektivnější zdroje a proto hledali dále. Přišla průmyslová revoluce období páry první, motor civilizace. Zde už bylo potřeba k přeměně více aspektů. Začali se těžit fosilní paliva. Těžilo se a zpracovávalo po dlouhá léta. Mezitím však vědci nespali na vavřínech, ale stále bádali, až nalezli jadernou energii. Začali ji využívat, stavět mohutné elektrárny, ale pak se něco stalo, něco, co nahnalo strach. Jadrná havárie, která poznamenala danou oblast na mnoho let dopředu. A tak proč využívat zdroje, které nám ničí naši zemi, naši přírodu, proč se navrátit ke klasické čisté energii? Někdy se zdá, že cena pokroku je až příliš vysoká.
Britský vědec James Lovelock vyslovil myšlenku: „Země a veškerý život na ní je jeden velký živý organismus. Pojmenoval jej Gaia po řecké bohyni Země. Gaia je zodpovědná za udržování podmínek v mořích a na souši vhodných pro pokračování jejího života. Ovšem nyní, kdy lidstvo a jeho spotřeba energie tolik vzrostly, mohou lidé souši, moře a ovzduší ovlivnit natolik, že vyvedou Gaiu z rovnováhy.

Příloha: UNIKÁTNÍ OBJEV RUSKÝCH VĚDCŮ NELZE VYSVĚTLIT
Ruští vědci údajně učinili objev století
Zcela nové způsoby získávání energie, vytváření nových materiálů a technologií a dokonce i stavba bezkřídlých létajících přístrojů na způsob UFO by se mohly stát v brzké době skutečností díky sedmi objevům, které učinili vědci z Ruské akademie věd. Agentuře RIA-Novosti to řekl v dnes zveřejněném interview akademik Valerijan Sobolev.
MOSKVA 12. července 2000 -- Za touto na první pohled senzační zprávou se skrývá především objev zvláštního elektrochemického procesu, jenž vědci pracovně nazvali "ochuzovací proces". Jeho produktem jsou vysokoteplotní materiály v novém skupenství. V důsledku toho se podařilo objevit nové skupenství hmoty, nový druh materiálů, nový zdroj energie, novou metodu generování chladného plazmatu a na jejím základě nový supravodič a rovněž magnetický náboj.
Podle akademika Soboleva se na základě těchto objevů dá počítat s celou řadou vynálezů. Mezi nimi budou například přístroje pro průmyslové i domácí použití, které budou moci pracovat nepřetržitě, budou samy produkovat elektrickou energii bez použití jakýchkoli druhů paliva a bez zamořování ovzduší. To umožní přestat využívat tradiční a drahé nosiče energie, jako je jaderné palivo, plyn, ropa a kamenné uhlí.
Na základě "ochuzovacího procesu" se budou vyvíjet nové technologie pro získávání lehkých supravodivých materiálů, které najdou široké uplatnění v leteckém a automobilovém průmyslu, ve strojírenství, stavebnictví a v dalších oblastech. Budou moci nahradit kovy a další konstrukční materiály.
Skupina akademika Soboleva informovala o svém objevu už 19. června prezidenta Vladimíra Putina. Jeho reakce zatím nejsou známy.

Převratných sedm objevů ohlásili na dnešní tiskové konferenci ruští vědci vedení akademikem Valerianem Soboljovem. Uvedli, že jsou schopni vytvářet dosud neznámé struktury hmoty a získávat tak látky jedinečných vlastností.
MOSKVA 26. července 2000 -- Výsledky práce týmu odborníků z Volgogradu nelze pomocí dosavadních poznatků v oboru chemie zatím vysvětlit. "Objevy však mohou zcela změnit život současné společnosti a nesporně znamenají novou kapitolu ve vědě a technice," prohlásil Soboljov. Využitím dříve neznámých přírodních procesů se otevírají nové, laciné a prakticky nevyčerpatelné energetické možnosti.
"Tyto objevy umožní také vytvářet nové materiály, které zcela změní dosavadní tvář předmětů," zdůraznil akademik. "Horizonty praktického využití objevů jsou tak široké, že si to zatím ani neumíme v plné míře představit."

Třeba domácí elektrárny...
Tvrdým materiálům ruští vědci podle svých slov dokážou dát vlastnosti pevného kovu a udržet přitom jejich několikanásobně menší hmotnost. Mohou u nich vyvolat magnetické vlastnosti a učinit z nich generátory elektrické energie. Nové látky najdou uplatnění jako autonomní "domácí elektrárny", které budou zásobovat domácí spotřebiče, aniž by jejich majitel musel platit účet za elektřinu. Pokud se bude vše vyvíjet podle předpokladu vědců, mohou být první taková zařízení k dispozici za rok a půl. Akademik Soboljov se domnívá, že tyto "elektrárny" budou moci využívat také průmyslové podniky. Nová hmota nahradí při výrobě elektřiny dosud užívané ropné látky, plyn, uhlí i jaderné palivo.
Výsledky práce Solovjovovy skupiny mohou zásadně změnit dosavadní technologické procesy při výrobě kovů, stavebních hmot či mnohých materiálů nacházejících uplatnění v podmořských hlubinách i kosmu. Z obyčejného křemičitého písku, který je v podstatě v každé řece, lze podle ruských vědců vyrobit speciální látku na pokrytí vozovky. Při síle 15 až 20 mikronů snese zatížení 8 tun na čtvereční milimetr a z 300 kilogramů písku lze získat prakticky nezničitelný povrch pro desetikilometrový pás dálnice o šířce3,6 metru. Volgogradský tým rovněž objevil nový způsob vyrábění nízkoteplotní plazmy.

Chybí dva milióny dolarů
Na realizaci většiny projektů jsou podle slov Soboljova zapotřebí minimálně 2 milióny dolarů. Již nyní projevily zájem velké zahraniční firmy jako American Electronic Powers, Sony, Toshiba či Mitsubishi. Akademik Soboljov se domnívá, že Rusku se nyní naskýtá příležitost rychle pozvednout hospodářství a skoncovat přitom s technologiemi, které ničí přírodní bohatství země.

MOSKVA 29. července 2000 -- Soboljov řekl, že jeho skupina experimentálně odhalila jev, který nazval "ochuzení procesu". Vzniká přitom hmota dosud neznámé struktury. Díky objevu magnetového náboje tým vynalezl ekologicky čistý způsob získávání energie. Nová nechemická "baterie" se napájí energií z magnetických polí Země. Navíc je laciná a neznečišťuje životní prostředí.
Praktické využití objevů zůstává otázkou budoucnosti. Zatím ještě nebylo ani ověřeno, jak nové materiály působí na biologické organismy, tedy také zda nejsou škodlivé člověku.
Skepse vědeckého světa nijak nesnížila zápal Valeriana Soboljova. Je přesvědčen, že jeho skupina odhalila nové zákony teorie hmoty a lidstvu se otevírají dříve netušené energetické možnosti. Akademik slíbil, že materiály, které by jejich experimenty potvrdily, dá co nejdříve k dispozici.
Vyčkejme, vyzývá profesor Kapica
Profesor Ruské akademie věd Sergej Kapica poukázal na to, že skupina akademika Soboljova dosud žádné své poznatky nezveřejnila v nějakém vědeckém časopise, nepředstavila je odborné veřejnosti. Označil to za stín vržený na celý případ. Světově uznávaná kapacita proto vyzvala novináře, aby "senzační objevy" zatím nepovažovali za bernou minci. Doporučil počkat, dokud se odpovídající informace neobjeví v odborném tisku. Teprve na základě ověřených experimentů může být Soboljovovu týmu přiznán vědecký objev.
Sdělení, že na novém zdroji energie pracují ruští vědci společně s americkými, ve skutečnosti znamená, že ve skupině je 11 Rusů a jeden Američan. Praktické využití objevů zůstává otázkou budoucnosti. Zatím ještě nebylo ani ověřeno, jak nové materiály působí na biologické organismy, tedy také zda nejsou škodlivé člověku.
Skepse vědeckého světa nijak nesnížila zápal Valeriana Soboljova. Je přesvědčen, že jeho skupina odhalila nové zákony teorie hmoty a lidstvu se otevírají dříve netušené energetické možnosti. Akademik slíbil, že materiály, které by jejich experimenty potvrdily, dá co nejdříve k dispozici.

Zdroj informaí:
Zprávy Flashnews - On-line magazín deníku Právo

Seznam použité literatury:
Jack Challoner: Energie, vydavatelstvo Osveta, Martin 1997
Laurence Urdang Associates Ltd. Aylesbury: Encyklopedie vědy a techniky, Albatros Praha, 1986
Encyklopedie Diderot: Velký naučný slovník
Internet: www. energyweb.cz

Hodnocení referátu Historie energie

Líbila se ti práce?

Podrobnosti

  13. červen 2008
  5 589×
  6182 slov

Komentáře k referátu Historie energie

Amy
muže to být kratší a přehlednější...