Fysiikka 1 – luku 6: Energian vapautuminen ja sitoutuminen

6.1 Energia fysiikan käsitteenä                                                       

Energia ei lisäänny eikä vähene, eikä sitä voi luoda eikä hävittää. Kaikissa laitteissa energian muuntaminen muodosta toiseen perustuu jonkin voiman tekemään työhön. Voimat voivat olla esim kosketus-, gravitaatio- tai sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen liittyviä voimia.

Energia voidaan luokitella vapaisiin ja sidottuihin energialajeihin. Vapaata energiaa ovat esim maalämpö, tuulienergia ja Auringon säteilyenergia ja sidottua energiaa kemiallinen energia. Luonnossa oleva sidottu energia pitää ensin vapauttaa käytettäväksi. Kemiallinen energia vapautetaan polttoaineista, esim kivihiilestä tai maakaasusta.

Kaikki erilaiset potentiaalienergian muodot ovat sidottua energiaa. Esim vesivoimalaitoksessa vapautetaan veden potentiaalienergia päästämällä padottu vesi virtaamaan, jolloin veden vapaa liike-energia voidaan käyttää pyörittämään sähköä tuottavia generaattoreita. Uraanimalmissa on potentiaalienergiaa uraaniatomien ytimien sidosenergiana.

Pariston ja ladatun akun kemiallinen energia on molekyylien sidosten potentiaalienergiaa. Akkua ladattaessa sidotaan energiaa ja käytettäessä sitä vapautetaan. Sidotun energian vapauttaminen tuottaa vapaata energiaa, esim kappaleiden liike-energiaa, sähkömagneettista säteilyenergiaa, äänienergiaa tai lämpöä. Äänienergia on aineen rakennehiukkasten liike-energiaa kuten lämpökin.  

6.2 Aurinko energianlähteenä

Lämmöntuotannossa Auringon säteilylämpö otetaan talteen lämmönkerääjillä, joissa kiertävä vesi on Auringon säteilyn lämmittämää. Lämpö siirretään lämmitettäviin kohteisiin tai lämmönvaraajaan. Aurinkopaneelien kennot muuntavat säteilyenergiaa suoraan sähköksi.

Epäsuoraa aurinkoenergiaa ovat esim liikkuvan veden ja tuulen energia, fossiilisten polttoaineiden energia, maalämpö, energiakasvit, aaltoenergia, lämpöpumppujen ilmasta tai vedestä ottama energia ja aurinkotornien käyttämä energia. Vain ydinvoimalaitosten tuottama energia ja geoterminen energia eivät ole peräisin Auringosta.

Auringon energian alkuperä

Auringon sisuksen valtavassa paineessa ja kuumuudessa vedyn ytimet yhdistyvät heliumiksi. Tätä yhdistymistä kutsutaan fuusioksi, jossa syntyneen ytimen massa on pienempi kuin alkuperäisten ytimien yhteenlaskettu massa. Fuusiossa massa ei katoa vaan vapautuu säteilyn energiana. Massa on yksi sidotun energian muoto. Fuusioreaktioiden takia Auringon massa pienenee joka sekunti yli 4 miljoonaa tonnia.

Maapallo kasvihuoneena

Kun Auringon säteily osuu ilmakehään, osa säteilystä heijastuu, osa sitoutuu ilmakehään ja osa menee läpi. Ilmakehän läpäissyt säteily kohtaa maanpinnan, joka sitoo suurimman osan Auringon säteilystä. Vain pieni osa heijastuu maanpinnasta takaisin ilmakehään, ja maaperä lämpenee. Maanpinta lähettää puolestaan ilmakehään pitkäaaltoista infrapunasäteilyä, joka ei läpäise ilmakehän kasvihuonekaasuja yhtä hyvin kuin Auringosta tuleva säteily. Siksi ilmakehä lämpenee, ja osa ilmaan sitoutuneesta lämmöstä palautuu säteilynä takaisin maanpinnalle.

Maan ilmakehän merkittävimpiä kasvihuonekaasuja ovat vesihöyry, hiilidioksidi, metaani, otsoni ja typpioksiduuli. Ne luovat luonnollisen kasvihuoneilmiön, jonka ansiota Maan keskilämpötila on 20-30 C lämpimämpi kuin se olisi ilman kasvihuonekaasujen vaikutusta.

Ihminen vapauttaa kasvihuonekaasuja ilmakehään mm. polttaessaan fossiilisia polttoaineita. Lisäksi nautojen aineenvaihdunta tuottaa suuria määriä metaania, jonka lisääntyminen ilmakehässä voimistaa kasvihuoneilmiötä. Kasvihuoneilmiötä voimistaa myös metsien hakkaaminen ja kulottaminen, koska silloin puihin ja muihin kasveihin ja maaperään sitoutunut hiili vapautuu ilmakehään.

Lisäksi lentokoneet tuottavat otsonikerrosta heikentäviä kaasuja, minkä vuoksi ultraviolettisäteilyn määrä maanpinnalla kasvaa.