Năng
lượng hóa học, năng lượng điện,
và năng lượng hạt nhân là ǵ?
Hà Dương Cự
Năng lượng sạch.
Hầu như
tất cả các hoạt động của người,
sinh vật hay máy móc đều cần có năng lượng.
Có nhiều loại năng lượng và năng lượng
biến từ loại này sang loại khác, nhưng không
bao giờ mất đi. Thế th́ năng lượng
là ǵ và sự biến đổi từ trạng thái
này qua trạng thái khác diễn ra như thế nào?
Năng lượng
hiện hữu trong nhiều thể loại khác nhau mà
bạn có thể nhận thấy trong cuộc sống
hằng ngày, thí dụ năng lượng mặt
trời, năng lượng điện hay năng lượng
hóa học. Các loại năng lượng được
chia làm hai dạng chính: năng lượng động
(kinetic energy) và năng lượng tiềm năng
(potential energy).
Năng lượng
động được định nghĩa là năng
lượng của sự chuyển động của
một vật thể, thí dụ một xe hơi đang
đi trên đường có năng lượng động.
Năng lượng
tiềm năng được định nghĩa là năng
lượng được tồn trữ trong vật
thể hay hệ thống các vật thể. Năng lượng
tồn trữ này có được là do sự
sắp xếp nội bộ của vật thể hay
hệ thống vật thể. Khi sự sắp xếp
này thay đổi th́ vật thể có thể thu thêm
năng lượng hay nhả năng lượng ra.
Hệ thống vật thể có thể nhỏ như
các nguyên tử hay to lớn như các hành tinh và có vô
số cách sắp xếp nên có nhiều loại năng
lượng tiềm năng. Thí dụ năng lượng
hóa học là năng lượng tiềm năng.
Năng lượng
thường biến đổi từ loại này sang
loại khác. Chính sự biến đổi này là
nền tảng của mọi hoạt động
của mọi loài. Động cơ máy nổ
biến năng lượng hóa học của nguyên
liệu thành năng lượng động, năng lượng
này đẩy xe đi. Năng lượng hóa học
trong thực phẩm mà chúng ta ăn vào được
biến thành năng lượng giúp chúng ta cử
động những bắp thịt và làm những
hoạt động khác.
Định
luật bảo toàn năng lượng:
Trong một hệ thống kín năng lượng không
sinh thêm và cũng không mất đi. Năng lượng
chỉ biến từ thể loại này sang thể
loại khác và chuyển đổi từ một
vật thể này qua một vật thể khác trong cùng
hệ thống. Đó là định luật thứ
nhất của nhiệt động lực học
(thermodynamics), c̣n gọi là định luật bảo
toàn năng lượng.
Một thí
dụ của định luật bảo toàn năng lượng
là khi bạn đá trái banh th́ động năng
từ chân của bạn chuyển sang trái banh làm trái
banh bay ra xa. Trái banh bay trong không khí th́ bị sức
cản làm chậm lại và từ từ rơi
xuống. Sức cản không khí biến động năng
của trái banh thành nhiệt năng.
Đập nước chuyển động năng
thành điện năng.
Đơn
vị của năng lượng:
Calo (calorie) là năng lượng dùng để nâng
nhiệt độ của một gam nước lên
một độ C. Đơn vị chính thức đo
năng lượng trong hệ thống đo lường
quốc tế SI là Joule, viết tắt là “J.”
Một calo th́ bằng 4.184 joule. Một đơn
vị nhiệt Anh (British Thermal Unit viết tắt là
BTU) là lượng nhiệt cần thiết để
nâng nhiệt độ của một pound nước
lên một độ F. Một BTU th́ bằng 1055 joule.
Năng
lượng hóa học
Năng lượng
hóa học, c̣n được gọi tắt là hóa năng,
là năng lượng chứa trong những liên
kết giữa các nguyên tử hay các phân tử. V́ năng
lượng hóa học được tồn trữ nên
hóa năng là thuộc dạng năng lượng
tiềm năng. Phản ứng hóa học là một
hiện tượng trong đó một vài chất hóa
học tác động với nhau và biến đổi
thành các chất hóa học khác. Trong quá tŕnh đó th́
năng lượng hoặc được tỏa ra,
thường dưới dạng nhiệt hoặc
được thu vào.
Phản
ứng phát ra nhiệt được gọi là
phản ứng tỏa nhiệt (exothermic reaction). Đây
là một trong những nguồn năng lượng
được dùng nhiều nhất. Năng lượng
hóa học chứa trong thực phẩm được
cơ thể con người biến thành nhiệt
và năng lượng cơ khí giúp bạn cử
động tay chân. Động cơ nổ trong xe hơi
biến năng lượng hóa học trong dầu xăng
thành năng lượng động và làm xe chạy
được.
Nhiệt
từ hóa năng chứa trong than đá hay dầu
hỏa trong những nhà máy điện làm hơi nước
nóng và làm quay tua bin. Tua bin quay và làm ra điện năng.
Hóa năng trong b́nh điện hay pin điện qua quá
tŕnh điện phân biến thành điện năng.
Cây
cối biến năng lượng mặt trời qua
quá tŕnh quang hợp thành năng lượng hóa
học chứa trong cây trái.
Năng
lượng điện
Năng lượng
điện c̣n được gọi là điện năng.
Điện năng được dùng trong hầu
hết những máy móc và dụng cụ điện
tử thời nay, từ dụng cụ để
khởi động xe hơi, máy giặt, ḷ vi sóng,
tới máy tính và điện thoại di động. Hôm
nào mà bị cúp điện th́ thật là phiền
phức.
Điện
năng có được là do sự di chuyển
của các điện tử (electron). Mọi vật
chất đều là kết hợp của nhiều
nguyên tử. Mỗi nguyên tử gồm có proton (có
điện tích dương) và neutron trong cỗi lơi và
electron quay quanh cỗi lơi giống như mặt trăng
quay quanh trái đất. Có những vật chất,
đặc biệt là kim loại, trong đó electron có
thể dễ dàng di chuyển từ nguyên tử này
sang nguyên tử khác khi có một điện trường
hay từ trường áp đặt vào vật thể
đó. Khi electron di chuyển th́ sinh ra một ḍng điện.
Nguồn phát sinh năng lượng điện trên
thế giới.
Có
nhiều phương cách để biến các
dạng năng lượng khác ra năng lượng
điện. Cách thông thường nhất là áp
dụng hiện tượng cảm ứng điện
từ (electromagnetic induction) qua tua bin. Khi tua bin quay th́ phát
ra điện, như vậy tua bin biến năng lượng
động thành năng lượng điện. Có
nhiều cách để quay tua bin và sinh ra điện
Năng
lượng gió:
Động năng do không khí chuyển động
(tức là gió) làm quay cánh quạt và cánh quạt làm
tua bin quay và biến thành năng lượng điện
Năng
lượng thủy điện:
Động năng do nước chảy từ trên cao
xuống làm tua bin quay và biến thành năng lượng
điện.
Năng
lượng từ nhiên liệu hóa thạch:
Khi đốt nhiên liệu hóa thạch như dầu
hỏa, khí đốt hay than đá th́ năng lượng
hóa học trong nhiên liệu một phần biến thành
nhiệt. Hơi nóng này được dùng để
sinh ra điện. Phương cách này rất tiện
lợi, nhưng có hậu quả xấu v́ thải ra
ngoài môi trường những chất độc
hại, hơn nữa nguồn nhiên liệu hóa
thạch có hạn và không thể tái tạo được.
Một phương
cách để sinh ra năng lượng điện mà
không dùng tua bin là dùng tế bào quang điện
(photovoltaic cell) để biến năng lượng
mặt trời trực tiếp thành năng lượng
điện. Đây là phương pháp của pin
mặt trời (solar panel). Cách sản xuất điện
này tốt v́ không thải ra những khí độc
hại và nguồn nhiên liệu là ánh sáng mặt
trời th́ luôn luôn c̣n.
Theo như
biểu đồ sau đây thế giới vẫn c̣n
dùng rất nhiều nhiên liệu hóa thạch (66%)
để phát sinh ra năng lượng điện
(Twh là Terawatt hour tức là triệu triệu watt
giờ)
Động
cơ điện th́ ngược lại với máy phát
điện, khi cho một ḍng điện vào th́
trục ở giữa động cơ quay. Như
vậy động cơ điện biến điện
năng thành động năng.
Năng
lượng hạt nhân
Năng lượng
hạt nhân là năng lượng chứa trong
những nguyên tử. Năng lượng hạt nhân có
thể rút ra bằng hai cách: kết hợp nguyên
tử (fusion) và tách hạt nguyên tử (fission). Trong quá
tŕnh phản ứng dây truyền một lượng
lớn nhiệt thoát ra. Nhiệt này được dùng
để biến nước thành hơi. Hơi nước
dưới áp suất lớn làm quay tua bin và biến
thành năng lượng điện.
Phương
cách biến năng lượng hạt nhân thành năng
lượng điện không làm ô nhiễm môi trường,
tuy nhiên vấn đề là phải cất giữ
chất thải phóng xạ cho an toàn. Hơn nữa
nếu nhà máy nguyên tử bị biến cố thiên
nhiên như động đất ở Fukushima hay
biến cố nhân tạo như vụ Chernobyl đều
có thể làm nguy hiểm đến mọi sinh vật
trong vùng chung quanh v́ phóng xạ bị thoát ra ngoài không
khí.
Hà
Dương Cự
—-
Nguồn tài liệu: www.britannica.com,
https://chem.libretexts.org,
www.uwsp.edu