Energy for our civilization

Přečtěte si článek o zdrojích energie uvedený pod následujícími otázkami a poté na ně odpovězte.

U některých otázek budete muset provést jednoduchý výpočet.

1. Kde spotřebováváme největší množství energie?
2. Z jakých zdrojů získáváme největší množství energie?
3. Jaká byla celosvětová roční spotřeba primární energie?
4. Jaká byla průměrná roční spotřeba energie na jednoho obyvatele planety? V roce 2018 žilo na Zemi cca 7,5 miliardy lidí.
5. Jaký je průměrný příkon (rychlost spotřeby) energie na jednoho obyvatele planety? Výsledek vyjádřete ve wattech.
6. Jaké jsou dva hlavní důvody růstu světové spotřeby energie?
7. Proč není možné dlouhodobě pokračovat v současném trendu a způsobu získávání energie?

Bonusový úkol: Diskutujte se spolužáky o vašich návrzích, jak problém zajištění dostatku energie do budoucna vyřešit.

Energy for Our Civilization

The development of our civilization and the well-being of every single person would not be possible without a big amount of energy. In the past, people used the power of wind, water, wood or animals to support their energy consumption. Everything changed during the Industrial Revolution as the energy needs of humans grew dramatically. This trend has been topical till today.

World primary energy consumption is the total energy amount acquired by humans, typically measured per year. The most important sectors in which the energy is used are transportation, electricity generation, heating and industry. World primary energy differs from the world final energy consumption because much of the energy is lost as other forms of energy during the process of its refinement into usable forms of energy and its transport from its initial place of supply to consumers.

The total primary energy consumption in the world has been growing rapidly in the last 100 years. Today (2018), it is more than 150 000 TWh and still growing. More than 90 % of primary energy is gained by burning fossil fuels (oil, gas and coal), as you can see in the graph. According to IEA (International Energy Agency) data from 1990 to 2008, the average energy use per person increased 10 % while the world population increased 27 %. In total it represents the world overall growth by 39 % (the Middle East increased by 170 %, China by 146 %, India by 91 %, Africa by 70 %, Latin America by 66 %, the United States by 20 %, the European Union by 7 %).

Nowadays it seems clear that the change in the foreseen future is inevitable. First, the fossil fuels supplies are shrinking. The second problem is that the amount of carbon dioxide in the Earth atmosphere is growing with every ton of burned coal, gas or oil and this process affects the climate on the Earth. This is one of the most challenging problems of our civilization. How can we produce enough energy in the future?

Je možné pozorovat atomy?

V roce 1827 skotský botanik Robert Brown jako první pozoroval chaotický pohyb pylových zrnek ve vodě. Zdánlivě neměl tento pohyb, který dostal na počest svého objevitele jeho jméno, žádnou vnější příčinu a dlouhá desetiletí odolával snaze vědců jej objasnit. Se správnou analýzou přišli až v letech 1905 a 1906 nezávisle na sobě Albert Einstein a Marian Smoluchowski. Einsteinův článek z roku 1905 začíná těmito větami: „V této práci ukážeme, že podle molekulárně-kinetické teorie tepla musí tělíska mikroskopických, ale viditelných rozměrů suspendovaná v kapalině uskutečňovat v důsledku molekulárně-tepelných pohybů posuvy takové velikosti, že je možné je snadno pozorovat pod mikroskopem.“ Pohyb pylových zrnek (tzv. brownovských částic) je tedy možné vysvětlit jejich srážkami s mnohem menšími molekulami vody. Tyto chaoticky se pohybující molekuly narážejí do konkrétního pylového zrnka ze všech stran, a pokud krátkodobě působení z jedné strany převáží, udělí molekuly vody brownovské částici zrychlení jedním směrem; v nové poloze se vše znovu opakuje. Výsledný pohyb je proto chaotický a trhaný.

Analýza Brownova pohybu z počátku 20. století je považována za první experimentální důkaz atomové hypotézy. Experimentální provedení je tak jednoduché, že si ho můžete snadno vyzkoušet, stačí vám k tomu školní mikroskop.

Pomůcky: Mikroskop (zvětšení alespoň cca 800×), smetana do kávy, krycí a podložní sklíčko, voda.

Postup:

1. Nejdříve si připravte roztok pro studium Brownova pohybu. Do přibližně 20 ml vody přidejte několika kapek smetany a vzniklý roztok promíchejte.
2. Naneste pár kapek roztoku na podložní sklíčko a přikryjte krycím sklíčkem.
3. Vložte vzorek pod mikroskop a obraz doostřete. Počkejte chvíli, než se ustálí proudění vody. Pak už můžete pozorovat vlastní chaotický pohyb drobných tukových částeček v roztoku.

Poznámky pro učitele

V ideálním případě byste měli v mikroskopu pozorovat zhruba toto.

Příprava čaje z pohledu fyziky

Každý druh čaje by se měl louhovat při odpovídající teplotě. Jaká je ale vlastně teplota vody v nádobě po zalití vařící vodou? Pojďme tento problém prozkoumat trochu podrobněji. Kromě toho, že zjistíme, při jaké teplotě se vlastně připravuje náš nápoj, odhalíme několik důležitých poznatků ohledně měření teploty.

Pomůcky: rychlovarná konvice, váš oblíbený hrníček, plastový kelímek, případně termohrnek, teplotní čidlo připojené k počítači.

Náš experiment bude velmi jednoduchý. Do hrníčku vložíme čidlo teploměru, spustíme měření (s frekvencí alespoň 20 Hz) a poté nalijeme horkou vodu z konvice. Po 1 až 2 minutách můžeme měření zastavit, získáme graf závislosti teploty na čase. Pokus poté zopakujeme s jiným druhem nádoby, případně také s jiným teplotním čidlem.

Porovnejte získané grafy a vysvětlete jejich detaily. Jaký je vliv teploměru a jaký je vliv nádoby na výsledek?

Energie v ořechu

Člověk, stejně jako všechny ostatní systémy ve vesmíru, musí dodržovat zákon zachování energie. To znamená, že nemůže dlouhodobě konat práci, aniž přijímá energii. Člověk přijímá energii ve formě potravy. Každý, kdo si někdy koupil oplatky nebo limonádu, narazil na jejím obalu na „nutriční hodnotu“ – na energii, kterou může získat, když sní uvedené množství potraviny (vypije uvedené množství nápoje).

Co se děje s potravou ve vašem těle? Z chemie víte, že v buňkách lidského těla probíhá oxidace základních složek potraviny (tuků, cukrů, bílkovin). V běžném životě se setkáme s oxidací většinou ve formě hoření. V buňkách sice probíhají složitější reakce, ale výsledné produkty jsou velmi podobné jako při hoření. „Spalování“ v buňkách probíhá díky katalyzátorům při teplotách přijatelných pro lidské tělo.

Množství energie ukryté v potravinách můžeme řádově ověřit jednoduchým experimentem. Pokusíme se změřit, kolik energie se uvolní spálením ořechu (může se jednat o vlašský, para, mandli, …). Budeme vycházet z toho, že 1 kilogram (1 litr) vody potřebuje ke svému ohřátí o 1 °C energii 4 180 J.

K experimentu potřebujete jádro vlašského ořechu, digitální váhy (s citlivostí minimálně 0,1 g), dřevěný kolíček na prádlo, špendlík, zápalky, hliníkovou nápojovou plechovku, odměrný válec, teploměr a vhodný závěs pro plechovku.

Zapište si hmotnost jádra ořechu, objem vody a její aktuální teplotu. Vodu nalijte do plechovky a vložte do ní teploměr. Celek umístěte na závěs. Napíchněte ořechové jádro na špendlík a ten uchyťte do kolíčku na prádlo.

Jádro ořechu zapalte. Umístěte ho pod plechovku a počkejte, dokud neshoří. Zapište si výslednou teplotu vody. Spočítejte energii, kterou voda přijala. Spočítejte, kolik tepla by voda mohla získat spálením 1 kilogramu jader vlašských ořechů.

Výsledek porovnejte s běžně udávanou nutriční hodnotou vlašských ořechů (29 MJ/kg). Uvažujte nad tím, co vše mohlo ovlivnit výsledek.

Poznámky pro učitele

Výsledky zkušebních měření

hmotnost jádra (g)	1,00	1,49
hmotnost vody (g)	220	150
počáteční teplota vody (°C)	19	19
koncová teplota vody (°C)	30	38
teplo přijaté vodou (kJ)	10,1	11,7
přepočet na kg ořechů (MJ/kg)	10,0	7,9