Mọi Thứ Bạn Cần Biết Về Năng Lượng

Phải rõ ràng rằng thế giới của chúng ta chạy bằng năng lượng. Lái xe, giặt quần áo, sưởi ấm ngôi nhà của bạn, và thậm chí là chạy máy tính (để bạn có thể đọc bài viết này)—những điều này đều đòi hỏi năng lượng. Nhưng năng lượng này đến từ đâu? Có quan trọng không? Có, thật sự quan trọng. Một số hình thức năng lượng đóng góp vào biến đổi khí hậu và nguồn khác là tái tạo. Và vì chúng ta đang sống trên cùng một hành tinh, những lựa chọn về năng lượng này có thể rất quan trọng. Điều này có nghĩa là mọi người nên có một hiểu biết cơ bản về năng lượng. Đừng lo lắng, tôi sẽ giải thích ở mức mà mọi người nên hiểu.

Thực tế, năng lượng không thực sự tồn tại—đó chỉ là một cách để chúng ta theo dõi các tương tác. (Con người đối mặt với những thứ không "thực sự," như từ—từ không "thực sự," chúng chỉ là cách một con người có thể chia sẻ một ý tưởng với những người khác.) Nếu chúng ta theo dõi tất cả các biến đổi năng lượng trong các tương tác khác nhau, chúng ta sẽ thấy rằng năng lượng được bảo toàn. Điều này có nghĩa là nếu bạn có thể đo lường tất cả năng lượng trước một tương tác, bạn sẽ thấy tổng năng lượng sau tương tác vẫn giữ nguyên. Chỉ là nó ở những nơi khác nhau.

Đơn vị đo năng lượng là gì? Đơn vị năng lượng phổ biến nhất trong khoa học là joule. Một joule là lượng năng lượng cần để đẩy với một lực là 1 newton qua một khoảng cách là 1 mét. Nhưng điều đó thực sự không giúp bạn có cảm giác tốt về đơn vị này. Như thế này thì sao? Nếu bạn nhặt một quyển sách từ sàn và đặt nó lên một cái bàn, đó là khoảng 10 joule năng lượng.

Chúng ta cũng thấy rất hữu ích khi mô tả năng lượng dưới dạng các loại khác nhau. Dưới đây là những dạng năng lượng phổ biến mà bạn có thể nói về:

• Năng lượng chuyển động. Đây là năng lượng liên quan đến các vật thể trong chuyển động. Năng lượng chuyển động phụ thuộc vào cả khối lượng của vật thể và tốc độ của nó.

• Năng lượng điện tiềm năng. Nếu bạn lấy hai điện tích điện, chúng tất nhiên sẽ tương tác. Năng lượng điện tiềm năng là một đo lường của tương tác này. Năng lượng này thực sự rất quan trọng. Vì hầu hết mọi thứ đều được tạo ra từ các điện tích điện (proton và electron), nhiều năng lượng khác dựa vào điều này.

• Năng lượng tiềm năng hấp dẫn. Đây là năng lượng liên quan đến tương tác hấp dẫn giữa các vật thể có khối lượng (vì vậy hầu hết mọi thứ).

• Năng lượng nhiệt. Việc tăng nhiệt độ của vật thể đòi hỏi năng lượng—vì vậy chúng ta nói rằng vật thể có năng lượng nhiệt. Vì chất được tạo ra từ các hạt, điều này thực sự là sự kết hợp giữa năng lượng chuyển động (do chuyển động của các hạt) và năng lượng điện tiềm năng (trong tương tác giữa các nguyên tử).

• Năng lượng hóa học tiềm năng. Khi bạn có một loại phản ứng hóa học chuyển giao năng lượng, chúng ta gọi đó là năng lượng hóa học tiềm năng. Điều này bao gồm việc con người ăn thức ăn, ô tô sử dụng xăng, và pin hóa học. Nhưng thực sự, đây chỉ là một thuật ngữ phức tạp cho năng lượng điện tiềm năng—làm lại vì tương tác giữa các nguyên tử gần như toàn bộ là tương tác điện tích.

• Năng lượng hạt. Được rồi, có lẽ đó không phải là thuật ngữ tốt nhất—nhưng tôi thích nó. Theo cách nào đó, tất cả các hạt đều có năng lượng do cả chuyển động (năng lượng chuyển động kỹ thuật số thuộc phần này) và khối lượng của họ. Nhưng điều này có nghĩa là ngay cả một hạt ở trạng thái nghỉ cũng có năng lượng. Khối lượng là một hình thức của năng lượng.

Một điều nữa cần nói: công suất. Nếu bạn nhặt quyển sách từ sàn và đặt nó lên bàn—chúng ta nói đó là 10 joule năng lượng. Nhưng rõ ràng có sự khác biệt nếu cử chỉ đó mất 1 giây hay mất 1 giờ. Mặc dù năng lượng cần thiết là giống nhau ở cả hai trường hợp, nhưng công suất không phải là như vậy. Ở đây, chúng ta định nghĩa công suất là tỷ lệ thay đổi năng lượng.

Vì công suất thực sự là một tỷ lệ sử dụng năng lượng, chúng ta nói về sự thay đổi năng lượng trên sự thay đổi thời gian. Nếu sự thay đổi năng lượng này được đo bằng đơn vị joule và sự thay đổi thời gian được đo bằng giây, công suất sẽ được đo bằng đơn vị watt. Trong ví dụ với quyển sách ở trên, sự nâng đầu tiên sẽ đòi hỏi công suất là 10 watt, còn sự nâng thứ hai chỉ đòi hỏi 0.0028 watt. Một bóng đèn (LED) tiêu biểu sử dụng khoảng 20 watt công suất, và nếu chiếc ô tô của bạn sử dụng điện, nó sử dụng khoảng 20 kilowatt.

Nhưng bạn phải cẩn thận. Một đơn vị mà bạn thường xuyên thấy là kilowatt-giờ. Mặc dù có vẻ như là một đơn vị công suất, nhưng không phải vậy. Nó thực sự là một đơn vị năng lượng. Bắt đầu với định nghĩa công suất ở trên, nhưng giải phương trình cho ΔE, và bạn có thể thấy rằng sự thay đổi năng lượng bằng công suất nhân thời gian. Điều đó có nghĩa là chúng ta có thể mô tả một sự thay đổi năng lượng trong đơn vị công suất và thời gian. Đó là kilowatt-giờ, nơi một kilowatt-giờ là lượng năng lượng bạn nhận được từ một công suất 1 kilowatt trong khoảng thời gian 1 giờ (3,600 giây). Vì vậy, 1 kilowatt-giờ bằng 3.6 triệu joule.

Hãy chuyển sang khía cạnh thực tế của cách chúng ta sử dụng năng lượng. Nhiên liệu hóa thạch có lẽ là nguồn năng lượng phổ biến nhất và là một nguồn mà con người đã sử dụng từ lâu. Ý tưởng cơ bản của năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch là lấy một số carbon và kết hợp nó với oxy, tạo thành carbon dioxide cùng một số năng lượng (đó là phần chúng ta muốn). Đúng, đó là sự thật—bạn nhận được năng lượng từ việc hình thành liên kết hóa học, không phải từ việc phá vỡ chúng. Tất nhiên, oxy thường đến từ khí quyển (chiếm khoảng 21 phần trăm O₂), nhưng carbon đến từ đâu? Thì có thể bạn chặt cây và đốt cháy nó. Hoặc bạn có thể đào lên một số cây cổ thụ đã biến thành than, dầu hoặc khí tự nhiên qua thời gian. Vì chúng là cây cổ thụ cực kỳ cổ, chúng là hóa thạch—vụ nổ, nhiên liệu hóa thạch.

Vậy, điều tuyệt vời về năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch là gì? Điều tốt nhất là nó rất dễ. Bạn chỉ cần đào lên thứ này từ lòng đất và sau đó đốt cháy nó. Nó giống như năng lượng tức thì chỉ đợi đến khi con người sử dụng nó. Hầu hết các dạng của nhiên liệu hóa thạch cũng có mật độ năng lượng cao. Có khá nhiều năng lượng trong xăng, có mật độ năng lượng là 46,4 MJ/kg. Mặc dù ô tô chỉ có hiệu suất 25%, chỉ cần 1 kilogram xăng có thể cung cấp cho bạn 11,6 triệu joule năng lượng. Hãy nhớ, để nhấc lên một quyển sách từ sàn và đặt lên một bàn, chỉ cần 10 joule. Điều này làm thế nào bạn có thể cho ô tô chạy từ 20 đến 50 dặm chỉ với một galon xăng. Bạn phải thừa nhận điều đó thật ấn tượng.

OK, vậy cái gì không tốt về nhiên liệu hóa thạch? Hy vọng là bạn đã biết câu trả lời cho câu hỏi này. Khi bạn đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, bạn tạo ra carbon dioxide. Carbon dioxide là một loại khí nhà kính và góp phần vào biến đổi khí hậu. Nếu chúng ta tiếp tục đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, sự tăng carbon dioxide sẽ thay đổi khí hậu theo một cách làm cho nó khó khăn cho con người tiếp tục thực hiện những điều chúng ta luôn làm—như sống gần bờ biển hoặc trồng cây trong một số khu vực. Vậy, đó là điều không tốt về nhiên liệu hóa thạch.

Nhưng hãy để tôi làm rõ. Điều đó không chỉ là việc sử dụng xăng trong ô tô. Chúng ta cũng đốt cháy nhiên liệu hóa thạch để sản xuất năng lượng điện sử dụng trong nhà và các thiết bị khác. Ý tưởng cơ bản là đốt cháy nhiên liệu hóa thạch để làm nóng nước và chuyển nó thành hơi nước. Hơi nước sau đó đẩy vào lưỡi cánh của động cơ turbine điện để quay nó. Những turbine quay này tạo ra năng lượng điện thông qua tương tác điện từ (sử dụng các vòng dây và nam châm). Thực sự có nhiều nguồn năng lượng sử dụng turbine quay, thực sự đó.

Nếu bạn chỉ cần ra ngoài vào một ngày nắng, bạn có thể cảm nhận được. Bạn có thể cảm nhận cơ thể ấm lên do tác động của ánh sáng từ mặt trời. Trên thực tế, tại vị trí của chúng ta trong hệ mặt trời, mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1.000 watt trên mỗi mét vuông. Tất nhiên, mẹo ở đây là chuyển năng lượng này thành một cái gì đó hữu ích hơn như năng lượng điện. Một cách để làm điều này là sử dụng tấm pin mặt trời (cell quang điện). Điều này về cơ bản là một thiết bị thể rắn (không có bộ phận chuyển động) trong đó ánh sáng có thể gây ra một chuyển động năng lượng của electron để tạo ra dòng điện. Vâng, đó là một cách quá đơn giản—nhưng bạn hiểu ý tưởng. Nó chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.

Nhưng đợi chút! Còn một cách khác để sử dụng năng lượng mặt trời. Nó được gọi là nhà máy năng lượng mặt trời tập trung. Ý tưởng là sắp xếp một đám gương sao cho tất cả đều phản xạ ánh sáng về một điểm trung tâm. Đối tượng ở điểm tập trung mặt trời sẽ trở nên cực kỳ nóng, và bạn có thể sử dụng thứ nóng đó để làm nóng nước để tạo hơi nước và sau đó quay một động cơ turbine điện. Oh, thường thì thứ rất nóng sẽ là một chất lỏng—có thể giống như muối nóng chảy. Như vậy bạn có thể làm nóng một số thứ và sau đó chuyển động nó để tạo hơi nước trong khi vẫn làm nóng các phần khác của chất lỏng.

OK, nhưng năng lượng mặt trời có phải là nguồn năng lượng tái tạo không? Nếu bạn nói rằng đó là một nguồn năng lượng tái tạo, đó là hoàn toàn ổn, nhưng kỹ thuật đó không phải là nguồn năng lượng tái tạo. Năng lượng mặt trời đến từ mặt trời (điều này có lẽ là rõ ràng). Nhưng mặt trời tạo ra năng lượng chủ yếu là do các phản ứng hợp nhất hạch trong lõi. Đoán xem? Trong 5 tỷ năm, mặt trời sẽ hết năng lượng. Vì vậy, kỹ thuật lý thuyết không tái tạo, nhưng trong khoảng thời gian cuộc sống của mặt trời, nó là không giới hạn về thực tế.

Tôi muốn gọi điều này là "hydropower" thay vì hydroelectric, nhưng đó là cái tên phổ biến mà mọi người đều sử dụng. Điều là chúng ta đã sử dụng một dạng nào đó của hydropower từ lâu—bánh xe nước cổ điển đã tồn tại trước cả sự phát minh của điện. Về mặt năng lượng điện, nó không quá phức tạp. Trên thực tế, nó chủ yếu giống với năng lượng điện từ nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, thay vì sử dụng hơi nước để quay một động cơ turbine điện, bạn sử dụng nước đổ xuống, hoặc, kỹ thuật, là nước chuyển động do thay đổi độ cao.

Chìa khóa cho tất cả các dạng của hydropower là nước muốn di chuyển xuống gần trung tâm Trái Đất. Khi 1 kilogram nước di chuyển xuống 1 mét, sự thay đổi về năng lượng tiềm năng của trọng trường là khoảng 10 joules (đúng, nó ngược với việc nâng lên một cuốn sách giáo trình). Có vẻ như đó không phải là một lượng năng lượng lớn, nhưng bây giờ hãy tưởng tượng di chuyển một hồ nước toàn bộ xuống thấp hơn 1 mét. Đó là một lượng năng lượng đáng kể.

Nhưng liệu chúng ta có hết hydropower không? Và nếu chúng ta lấy tất cả nước ở trên mực nước biển và đưa xuống mực nước biển thì sao? Chà, đó sẽ là kết thúc của hydropower. Nhưng điều đó sẽ không xảy ra vì năng lượng mặt trời. Đúng, hydropower là một dạng của năng lượng mặt trời. Mặt trời làm nóng nước và gây ra quá trình bay hơi. Điều này có nghĩa là có hơi nước trong không khí cuối cùng sẽ quay lại bề mặt Trái Đất để điền vào tất cả những hồ nước và mọi thứ khác. Hydropower là nguồn năng lượng tái tạo giống như năng lượng mặt trời (miễn là Mặt Trời vẫn chiếu sáng).

Tôi tự hỏi chúng ta có thể sử dụng gì khác để quay một trong những động cơ turbine điện. Đặt một chiếc cánh lớn phía trước của turbine để gió có thể quay nó. Đúng rồi. Đó là năng lượng gió.

Vì năng lượng được bảo toàn, điều này phải có nghĩa là khi bạn có năng lượng điện từ động cơ turbine gió, thì điều gì đó khác phải giảm năng lượng. Ừ, điều này là đúng. Khi gió đi qua turbine, nó đẩy cánh quay. Trong quá trình tương tác này, không khí giảm tốc độ—thậm chí chỉ một chút ít. Điều đó có nghĩa là không khí giảm năng lượng động, và đó là nơi năng lượng điện đến từ.

Tại sao không khí lại di chuyển ban đầu? Chà, đó là điều chúng ta gọi là "thời tiết." Nhưng có lẽ bạn sẽ không quá bất ngờ khi biết rằng Mặt Trời ít nhất là một phần có trách nhiệm về gió. Khi Mặt Trời làm nóng khí quyển, không khí tăng áp suất và mở rộng. Bây giờ bạn có các khu vực không khí với áp suất cao và khu vực với áp suất thấp. Không khí chuyển động vào các khu vực áp suất thấp, và đó là gió. Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo giống như năng lượng mặt trời (miễn là Mặt Trời vẫn chiếu sáng).

Ồ, tôi ghét phải nói điều này—nhưng tôi đoán tôi nên thêm nó để hoàn chỉnh. Không, turbine gió không gây ra ung thư.

Về mặt kỹ thuật, có hai loại năng lượng hạt nhân—năng lượng hợp năng và năng lượng phân hạt. Con người vẫn chưa thể tìm ra cách làm cho một bộ phận tổ hợp hiệu quả, vì vậy hãy tập trung vào phản ứng phân hạt. Reactor phân hạt bắt đầu bằng một nguyên tử nặng như uranium-235 và đập nó bằng một hạt neutron. Nguyên tử hấp thụ hạt neutron này để trở thành uranium-236. Tuy nhiên, U-236 không ổn định và phân thành các phần nhỏ hơn—có thể là palladium-117 và một palladium-118 cộng với một số hạt neutron. Nhưng đây là phần kỳ lạ: Nếu bạn xem khối lượng của uranium-236 ban đầu và khối lượng của tất cả các phần, chúng không giống nhau. Khối lượng của hai nguyên tử palladium cộng với hạt neutron ít hơn khối lượng của uranium. Vì vậy, khối lượng không được bảo toàn—nhưng năng lượng lại được. Đây là nơi quảng bá phương trình nổi tiếng E = mc², trong đó c là tốc độ ánh sáng (khoảng 3 x 10⁸ m/s).

Mất khối lượng trong hệ thống các hạt chỉ đơn giản là có sự gia tăng của một loại năng lượng khác. Trong trường hợp này, đó là sự gia tăng năng lượng động của các hạt kết quả. Vì giá trị của c rất lớn, một giảm khối lượng nhỏ dẫn đến một sự gia tăng năng lượng động lớn. Bây giờ bạn có thể sử dụng năng lượng đó để ... đợi một lát ... làm nóng nước và tạo hơi nước. Hơi nước này sau đó được sử dụng để quay một động cơ turbine điện (đừng giả vờ bất ngờ). Nhưng hãy nhớ, bạn đang nhận được năng lượng này chỉ bằng cách chuyển đổi khối lượng thành năng lượng—nó quá điên rồ, nó hầu như như bạn đang nhận được năng lượng miễn phí.

Mặc dù có vẻ như là một cách hoàn hảo để có được một số năng lượng điện, có một vấn đề nhỏ. Bạn hiện có những phần palladium dư thừa và những thứ vừa phóng xạ vừa hoạt động hóa chất. Không ai muốn ở gần các chất hóa học phóng xạ nguy hiểm, nhưng chất thải hạt nhân này phải được lưu trữ ở một nơi an toàn. Điều này không đơn giản như việc đặt nó trong một hộp và chôn rác, vì nó có thể giữ nguyên tình trạng phóng xạ trong hàng ngàn năm. Hãy tưởng tượng xây một chiếc hộp giữ đồ trong thời gian đó và bạn sẽ thấy vấn đề. Nhưng đó là giá bạn phải trả cho năng lượng "miễn phí" có vẻ như.

Vậy, nhà máy năng lượng nào là tốt nhất? Tính đến thời điểm này, không có câu trả lời rõ ràng—ngoại trừ việc năng lượng hóa thạch có lẽ là lựa chọn tồi nhất. Hy vọng chúng ta có thể tìm ra một giải pháp cho tương lai.

• 📩 Muốn biết tin mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa? Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi!
• Làm thế nào để thoát khỏi một con tàu đắm (như, ví dụ, con tàu Titanic)
• Nên mặc gì khi bạn đang chiến đấu với những con ong độc hại, kích thước khổng lồ
• Cuộc đua ghi kỷ lục đến 331 dặm mỗi giờ đầy kịch tính
• Làm mọi thứ nhanh hơn với những thủ thuật bàn phím này
• Khoa học bao trùm #MeToo, memes và Covid-19
• 🎮 MYTOUR Games: Nhận những mẹo mới nhất, đánh giá và nhiều hơn nữa
• 💻 Nâng cấp trò chơi làm việc của bạn với laptop, bàn phím, phương thức gõ và tai nghe chống ồn mà đội ngũ Gear yêu thích của chúng tôi đã chọn