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 thì năng lượng là gì 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 thì 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), còn gọi là định luật bảo toàn năng lượng.
Một thí dụ của định luật bảo toàn năng lượng là khi bạn đá trái banh thì động năng từ chân của bạn chuyển sang trái banh làm trái banh bay ra xa. Trái banh bay trong không khí thì bị sức cản làm chậm lại và từ từ rơi xuống. Sức cản không khí biến động năng của trái banh thành nhiệt 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 thì 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 thì bằng 1055 joule.
Năng lượng hóa học
Năng lượng hóa học, còn được gọi tắt là hóa năng, là năng lượng chứa trong những liên kết giữa các nguyên tử hay các phân tử. Vì 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 trình đó thì 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 bình điện hay pin điện qua quá trình điện phân biến thành điện năng.
Cây cối biến năng lượng mặt trời qua quá trình quang hợp thành năng lượng hóa học chứa trong cây trái.
Năng lượng điện
Năng lượng điện còn 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, lò vi sóng, tới máy tính và điện thoại di động. Hôm nào mà bị cúp điện thì 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 lõi và electron quay quanh cỗi lõi 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 thì sinh ra một dòng điện.
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 thì 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 thì 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 vì 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 vì không thải ra những khí độc hại và nguồn nhiên liệu là ánh sáng mặt trời thì luôn luôn còn.
Theo như biểu đồ sau đây thế giới vẫn còn 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 thì ngược lại với máy phát điện, khi cho một dòng điện vào thì 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 trình 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 vì phóng xạ bị thoát ra ngoài không khí.
Hà Dương Cự
—-
Nguồn tài liệu: www.britannica.com, https://chem.libretexts.org, www.uwsp.edu
