6.1: Podstawy energetyki

Reakcje chemiczne, takie jak te, które zachodzą, gdy zapalasz zapałkę, obejmują zmiany zarówno energii, jak i materii.

Zmiany chemiczne i towarzyszące im zmiany energii są ważną częścią życia codziennego. Makroskładniki odżywcze w pożywieniu ulegają reakcjom metabolicznym, które dostarczają energii potrzebnej do funkcjonowania organizmu. Różne paliwa (benzyna, gaz ziemny, węgiel) są spalane w celu wytworzenia energii do transportu, ogrzewania i wytwarzania energii elektrycznej. Przemysłowe reakcje chemiczne zużywają ogromne ilości energii do produkcji surowców (takich jak żelazo i aluminium). Energia jest następnie wykorzystywana do przetwarzania tych surowców w użyteczne produkty, takie jak samochody, drapacze chmur i mosty.

Ponad 90% energii zużywanej przez człowieka pochodzi ze słońca. Każdego dnia Słońce dostarcza Ziemi prawie 10 000 razy więcej energii niż jest to konieczne do zaspokojenia wszystkich światowych potrzeb energetycznych w tym dniu. Wyzwaniem pozostaje znalezienie sposobów na przekształcanie i magazynowanie napływającej energii słonecznej, tak aby można ją było wykorzystać w reakcjach lub procesach chemicznych, które są zarówno wygodne, jak i nie zanieczyszczają środowiska. Rośliny i wiele bakterii wychwytuje energię słoneczną w procesie fotosyntezy. Ludzie uwalniają energię zmagazynowaną w roślinach podczas spalania drewna, węgla, ropy naftowej lub innych produktów roślinnych, takich jak etanol. Wykorzystują również tę energię do napędzania swoich ciał poprzez spożywanie pokarmów pochodzących bezpośrednio z roślin.

Termochemia

Podstawowe idee ważnej dziedziny nauki dotyczącej ilości ciepła pochłanianego lub uwalnianego podczas przemian chemicznych i fizycznych — nazywane są termochemią. Koncepcje te są szeroko stosowane w prawie wszystkich dziedzinach nauki i techniki. Naukowcy zajmujący się żywnością wykorzystują termochemię do określania zawartości energetycznej żywności. Biolodzy badają energetykę organizmów żywych, taką jak metaboliczne spalanie cukru w dwutlenek węgla i wodę. Przemysł naftowy, gazowy i transportowy, dostawcy energii odnawialnej i wiele innych starają się znaleźć lepsze metody produkcji energii na potrzeby komercyjne i osobiste. Inżynierowie dążą między innymi do poprawy efektywności energetycznej, znalezienia lepszych sposobów ogrzewania i chłodzenia domów, chłodzenia żywności i napojów oraz zaspokojenia potrzeb energetycznych i chłodniczych komputerów i elektroniki. Zrozumienie zasad termochemicznych jest niezbędne dla chemików, fizyków, biologów, geologów, każdego rodzaju inżyniera i prawie każdego, kto studiuje lub uprawia jakąkolwiek naukę.

Energia

Energię można zdefiniować jako zdolność do dostarczania ciepła lub wykonywania pracy. Jednym z rodzajów pracy (w) jest proces powodowania ruchu materii przeciwko przeciwstawnej sile. Na przykład podczas pompowania opony rowerowej — materia jest przemieszczana (powietrze w pompie) w kierunku przeciwnym do siły powietrza znajdującego się już w oponie.

Podobnie jak materia, energia występuje w różnych rodzajach. Jeden schemat klasyfikuje energię na dwa rodzaje: energię potencjalną, energię, którą obiekt posiada ze względu na swoje względne położenie, skład lub stan, oraz energię kinetyczną, energię, którą obiekt posiada ze względu na swój ruch.

Woda na szczycie wodospadu lub tamy ma energię potencjalną ze względu na swoje położenie; kiedy przepływa w dół przez generatory, ma energię kinetyczną, którą można wykorzystać do pracy i produkcji energii elektrycznej w elektrowni wodnej. Bateria ma energię potencjalną, ponieważ zawarte w niej chemikalia mogą wytwarzać energię elektryczną, która może działać.

Ten tekst został zaadaptowany z OpenStax Chemistry 2e, Rozdział 5.1: Podstawy energii.