VII.
ENERGIAÁTALAKULÁSOK

Mindennapi életünkben gyakran használjuk az energia szót. Beszélünk a természet energiáiról, energiaiforrásokrál, sok szó esik energiagazdálkodásról, gyakran emlegetjük a szellemi energiákat is, egyes tettrekész embereket energikus jelzővel illetünk, stb. Az energia szónak a mindennapi életben elég sokféle jelentése van, nem fed meghatározott fogalmat. Általában a munkakészség, munkaképesség jellemzésére használják. A fizikában az energia fogalmának igen fontos szerepe van: az energia fogalma tette lehetővé a különböző fizikai jelenségcsoportok összekapcsolását. A fizikus azonban nem éri be többé-kevésbbé határozatlan jelentésű fogalmakkal, a fizikus a maga céljaira meghatározott fogalmakat alkot, és pedig úgy alkotja meg azokat, hogy a fizikai fogalom nagyjában azt is magában foglalja, aminek megjelölésére az illető szót a mindennapi életben használják.

Munka. A fizikus is beszél munkáról, munkavégzésről. A fizikus szerint erők végeznek munkát. Ember, állat, gép a fizikus szempontjából azért végez munkát, mert erőkifejtésre képes. Ha felemelünk egy követ a földről, izomerőnk a kő súlya, a nehézségi erő ellenében végez munkát. Amikor a ló rossz úton húzza a szekeret, izomereje a surlódási erő ellenében végez munkát. A gőz feszítőereje az egész vonat tömegének tehetetlensége ellenében végez munkát a vonat


149

megindulásakor. Minden fizikai munkavégzés alkalmával elmozdulás van, a munkát végző erő bizonyos úton valamilyen más erő legyőzésével mozgatja a testet. A fizikai munka tehát az erőtől és a megtett úttól függ, mindkettővel arányos. A végzett munkát a fizikus számértékben is ki tudja fejezni, és pedig úgy számítja ki, hogy a munkát végző erőt megszorozza a megtett úttal. Ha pl. 5 kg súlynyi terhet 8 méter magasra felcipelünk, akkor a nehézségi erő ellenében 5×8 = 40 kgsúlyméter munkát végzünk, nem számítva a saját testünk súlya ellenében végzett munkát. Műszaki számításokban a munka mértékegységéül inkább az angol Joule-ról elnevezett joule-t használják. 1 kgsúlyméter 9.8 joule. A munka kiszámításakor csak azt az elmozdulást szabad figyelembe venni, amely a munkát végző erő irányába esik. Ha például 70 kg súlyú ember lejtős úton halad fölfelé, megtesz 1600 méter utat, és ha eközben 80 métert emelkedik, akkor a nehézségi erő ellenében 70×80 = 5600 kgsúlyméter = 54880 joule munkát végez. Ha 3000 kgsúllyal megterhelt tehergépkocsi olyan vízszintes úton halad, amelyen a surlódási erő az egész megterhelésnek 1/50 része, akkor a kocsi motorjának egyenletes mozgás közben 3000/50 = 60 kgsúly nagyságú surlódási erőt kell állandóan legyőznie, tehát a 4 kmnyi megtett úton végzett munka 60×4000 = 240000 kgsúlyméter = 2352000 joule. Valamilyen test megmozdításakor a test tehetetlensége ellen kell munkát végezni, s ez a munka természetesen annál nagyobb, minél nagyobb a megmozgatott test tömege és minél nagyobb sebességet ért el a test a mozgató erő hatása alatt. A fizikusok számításokkal ahhoz az erédményhez jutottak, hogy a test megmozdításakor végzett munka a test féltömegének és az elért sebesség négyzetének szorzatával egyenlő. Ha pl. 160 tonna tömegű vonat megindul és bizonyos idő alatt 10 méter másodpercenkénti sebességet ér el, akkor a gőz feszítőerejének a vonat tehetet-


150

lensége ellen végzett munkája 80000×10×10 = 8000000 joule = 816000 kgsúlyméter. Ugyanekkora munkával 160 tonna súlyú testet, vagyis az egész vonatot, 51 méter magasra lehetne felemelni.

Teljesítmény. A gyakorlati élet szempontjából az is fontos kérdés, hogy az erő mennyi idő alatt végzi el a munkát. Ha pl. a 3000 kg súlyú tehergépkocsi a 60 kgsúly nagyságú surlódási erő ellenében a 4 kmnyi utat 10 perc = 600 másodperc alatt teszi meg, akkor a másodpercenként végzett munka 240000 : 600 400 kgsúlyméter. Ha viszont kétszer nagyobb sebességgel halad a gépkocsi, vagyis a 4 kmnyi utat 5 perc = 300 másodperc alatt teszi meg, akkor a másodpercenként végzett munka 240000 : 300 = 800 kgsúlyméter, vagyis az előbbinek kétszerese. Az út végén az összes elvégzett munka a két esetben egyenlő, a gyakorlati ember azonban a nagyobb sebességgel haladó gépkocsi motorjának munkavégzését többre értékeli. A fizikus is számot vet ezzel a gyakorlati felfogással, és az időegységre, egy másodpercre vonatkoztatott munkavégzés jellemzésére külön fogalmat, a teljesítmény (effektus) fogalmát alkotta meg. Bármely munkát végző erő teljesítménye az egy másodperc alatt elvégzett munka. A teljesítmény jól ismert gyakorlati mértékegysége a lóerő. Egy lóerő a teljesítmény akkor, ha a másodpercenként végzett munka 75 kgsúlyméter. Az előbbi példára visszatérve a gépkocsi motorjának teljesítménye az első esetben 400 : 75 = 5 1/3 lóerő, a második esetben kétszeres sebesség esetén 800 : 75 = 10 2/3 lóerő. A teljesítmény másik mértékegysége annak az erőnek a teljesítménye, amely másodpercenként egy joule munkát végez. Ez a teljesítmény a gőzgép feltalálójának, Wattnak nevéről a watt. A lóerő és a watt összefüggését könnyen megállapíthatjuk. Mivel 75 kgsúlyméter = 75×98 joule = 735 joule, ennélfogva egy másodpercre vonatkoztatva 1 lóerő 735 watt. Ha 75 kg súlyú ember a Dunapartról a Gellérthegy tetejére megy fel, vagyis


151

132 métert emelkedik, akkor a nehézségi erő ellenében 75×132 = 9900 kgsúlyméter munkát végez. Tegyük fel, hogy a gyalogló 30 perc 1800 másodperc alatt jut fel a hegy tetejére; ekkor teljesítménye 9900:1800 = 5.5 kgsúlyméter másodpercenként, vagyis lóerőre átszámítva: 5.5:75 = 0.073 lóerő.

Mozgási energia. Vizsgáljuk meg ezután azt, hogy mikor van valamilyen testnek fizikai értelemben munkakészsége, munkaképessége, vagyis energiája. A mozgásban levő testnek mindenesetre munkaképessége, energiája van, hiszen mozgása közben állandó munkavégzés van. Minden mozgó testnek energiát tulajdonítunk, s a mozgási energiát azzal a munkával mérjük, amellyel a testet tehetetlensége ellenében mindenkori mozgási állapotába hozhatjuk. A mozgási energia tehát a mozgó test féltömegének és sebessége négyzetének szorzatával egyenlő. Nagy mozgási energiája van a nagy tömegű és nagy sebességgel mozgó testnek. Különösen a sebességnek van lényeges befolyása a mozgási energiára, mert a mozgó test sebességének 2-szeresre növekedésével a mozgási energia 4-szeresre, a sebességnek 3-szorosra növekedésével a mozgási energia 9-szeresre növekedik.

Helyzeti energia. A magasba felemelt testnek is munkaképességet tulajdonítunk, mert, ha a testet elengedjük, alátámasztását vagy felfüggesztését megszüntetjük, a nehézségi erő hatására leesik és eközben a nehézségi erő munkát végez. A felemelt testnek nyugalmi állapotában is munkaképessége van, még mielőtt esése megkezdődött volna; munkaképességét, energiáját helyzete határozza meg, ezért az energiának ezt a faját helyzeti energiának nevezzük. A test helyzeti energiáját azzal a munkával mérjük, amelyet a nehézségi erő a test esésekor végez. A helyzeti energia kiszámításakor mindig meg kell adni azt a szintet, ahonnét a felemelt test magasságát számítjuk. A magasságnak ez az alsó végpontja lehet a Föld felszíne, lehet szobában a szoba pad-


152

lója, általában azt a szintet választjuk, ameddig a test eshetik. Például valamilyen megadott szint fölé 12 méter magasra felemelt 5 kg súlyú test helyzeti energiája 5×12 = 60 kgsúlyméter, mert ekkora munkát végezne a nehézségi erő, ha a test 12 méter magasságból leesnék. Esés közben is van a testnek helyzeti energiája, de, mivel ugyanattól az alsó szinttől számított magasság egyre csökken, a leeső test helyzeti energiája is pillanatról pillanatra kisebbé válik. Mihelyt a test leérkezett az alsó szintre, erre a szintre vonatkozó helyzeti energiája zérus.

Valamilyen magasságban levő testnek a nehézségi erővel szemben van helyzeti energiája. De nemcsak a nehézségi erővel szemben alakulhat ki helyzeti energia. Ha rúgót kinyujtunk vagy összenyomunk, a rúgónak helyzeti energiája van a rugalmassági erővel szemben. Ezt a helyzeti energiát azzal a munkával mérjük, amelyet a rugalmassági erő a megnyujtott, vagy összenyomott rúgó elengedésekor végez. Általában akkor van valamely testnek helyzeti energiája, ha helyzeténél fogva valamely erő munkát végezhet vele.

Energiaátalakulás. A függőleges irányban feldobott testnek a felhajítás pillanatában mozgási energiája van. A felfelé tartó mozgás egyenletesen lassuló, a sebesség s ezzel együtt a mozgási energia is egyre kisehbedik. Mivel pedig a feldobott test a Föld felszíne fölött egyre magasabbra kerül, a nehézségi erővel szemben a magassággal növekvő belyzeti energiát kap. A fizikus számításai szerint a feldobott testnek bármely helyzetében annyi a helyzeti energiája, amennyivel a felhajítás pillanatától kezdve a test mozgási energiája csökkent. A mozgási és a helyzeti energia összege változatlan marad. Amidőn a felhajított test eléri pályájának legmagasabb pontját, sebessége, és így mozgási energiája is, egy pillanatra zérussá válik, helyzeti energiája a legnagyobb, és pedig éppen akkora, amekkora mozgási energiával a test elindult. A felhajított test legmagasabb helyzetéből egyenle-


153

tesen gyorsuló mozgással lefelé esik, helyzeti energiája csökken, ezzel szemben mozgási energiája egyre növekedik, és pedig esése közben bármely pillanatban ugyanannyi a mozgása energiája, amennyivel helyzeti energiája a legmagasabb helyhez viszonyítva csökkent. A felhajítás szintjének elérésekor a testnek a fizikusok számításai alapján ugyanakkora mozgási energiája van, mint amennyi elindulásakor volt, helyzeti energiája pedig zérus. Ez az egyszerű példa azt mutatja, hogy a mozgási energia átalakulhat helyzeti energiává – a feldobott test felfelé történő mozgásakor –, viszont a helyzeti energia mozgási energiává alakulhat át – az eséskor. Az energia átalakulása mindig úgy következik be, hogy a mozgási és a helyzeti energia összege változatlan marad. Nevezzük e két energia összegét a test energiakészletének. A test mozgása közben energiakészlete állandó marad.

Az energia megmaradásának elve. Ejtsünk el bizonyos magasságból elefántcsontgolyót márványlapra. A golyó a márványlapról visszapattan és majdnem ugyanolyan magasra emelkedik, amilyen magasságból elindítottuk. A golyó ismételten visszapattan és emelkedési magassága alig észrevehetően csökken. Ha azonban bőrlabdát ejtünk a padlóra, a labda már az első visszapattanáskor jóval alatta marad az elejtés szintjének. Ebben az esetben a labda energiakészlete nem lehet változatlan, mert, kisebb magasságra emelkedvén, helyzeti energiája kevesebb az elejtés pillanatához tartozó helyzeti energiánál. Az energiakészlet a jelenség folyamán valamikor megfogyatkozott. Talán hiba csúszott a fizikusok elméleti számításaiba? A fizikusok számításai helyesek, de csak arra az elméletileg elképzelt esetre érvényesek, amelyben csupán helyzeti és mozgási energia átalakulásáról van szó. Ilyen jelenség pedig a valóságban soha sincsen. A levegőben leeső test áthasítja a levegőt, eközben egy kevés hő fejlődik. A leeső test az alzatba [talajba] ütközésekor egy kevéssé be-


154

horpad, magán az alzaton is nyomot hagy az ütközés. A behorpadás, alakváltozás rugalmas testek esetében legnagyobb részben nyomban megszűnik, rugalmatlan test esetében azonban megmarad. Az ütközés pillanatában hangot, koppanást hallunk. A hőfejlődés, az alakváltozás, a koppanás csupa olyan jelenség, amely az elejtett test energiakészletét kisebbnagyobb mértékben fogyasztja. A fizikus ragaszkodik az energiakészlet megmaradásának elvéhez, és az eltéréseket úgy igazítja helyre, hogy a mozgási és helyzeti energián kívül más energiákat is felvesz, és kimondja, hogy, amennyiben a mozgási és helyzeti energiából álló készletben hiány van, ugyanakkora értékű másféle energia keletkezik. Van tehát hőenergia, hangenergia, alakváltozásra fordított energia. Ha a testeknek azt a csoportját, amelyen belül a jelenség végbemegy, más testektől gondolatban különválasztjuk és zárt rendszernek tekintjük, akkor az ilyen zárt rendszerben végbemenő bármilyen fizikai jelenség folyamán az összes energiakészlet változatlan marad. Ez az energia megmaradásának elve. Az egész világmindenségre vonatkoztatva ez azt jelenti, hogy a világmindenség összes energiakészlete változatlanul megmarad.

A természetben minduntalan energiaátalakulásokkal találkozunk. A helyzeti és a mozgási energia átalakulását többféle mozgásjelenségen megfigyelhetjük. Az ingának kitérített helyzetében csak helyzeti energiája van, lengése közben a helyzeti energia mozgási energiává alakul át, az ingának függőleges helyzetében csak mozgási energiája van, majd amikor átlendül a másik oldalra, mozgási energiája egyre csökken, helyzeti energiája növekedik, és ha ugyanannyira tér ki a túlsó oldalon, mint amennyire elindulásakor volt, akkor az ingának másik szélső helyzetében ugyanakkora a helyzeti energiája, amekkorával mozgását megkezdte. Az energiaátalakulásoknak ez a játéka az inga lengései közben folytonosan ismétlődik. A valóságban azonban az ingalengések tágassága


155

a surlódás és a levegő ellenállása következtében lassanként kisebbedik. A helyzeti és a mozgási energiának maradéktalan átalakulása egymásba elméletileg elgondolt jelenség, a valóságos ingalengések folyamán más energiaátalakulás is végbemegy. Az elinduláskor fennálló helyzeti energiakészlet nem csak mozgási energiává alakul át, hanem a surlódás és a levegő ellenállása következtében egy kevés hőenergiává is, hasonlóképen a mozgási energiából sem válik egyenlő értékű helyzeti energia, tehát végeredményben az inga energiakészlete minden egyes lengés közben csökken és bizonyos számú lengés után el is fogy. Az inga lengéseti lecsillapodnak, az inga megáll és eredeti energiakészlete teljesen hőenergiává alakult át. A mozgások csillapodásából származó hőenergiának persze semmi hasznát sem látjuk, szinte nyomtalanul eltűnik, azt szokták mondani, hogy ez a hőenergia szétszóródik. Ilyenféle energiaátalakulás megy végbe bármilyen közlekedési eszköz mozgásának mesterséges lefékezésekor. Jól ismeretes, hogy a kerekek féktuskói fékezéskor erősen felmelegszenek. Bármiféle szerszám használata alkalmával hő fejlődik, felmelegszik a fűrész, reszelő, fúró, kalapács. A kocsik tengelyét, a gépek forgástengelyét, mozgó alkotórészeit azért kenik, olajozzák, hogy kisebb legyen a surlódás és az azzal együttjáró felmelegedés. A nagy surlódással forgó tengely az erős felmelegedés következtében "begyullad", megszorul és nem forog tovább.

A hő mechanikai egyenértéke. RUMFORD a 18. század végén nevezetes kísérletet végzett. Ágyúcső fúrásakor akkora hőenergiát fejlesztett, hogy azzal az ágyúcsőbe öntött vizet felforralta. A 19. század első felében a kutató tudósokat az a kérdés foglalkoztatta, hogy van-e meghatározott összefüggés a mechanikai munkavégzés és az abból származó hőenergia között. Részben elméleti megfontolásokkal, részben gondosan elvégzett kísérletekkel arra a megállapításra jutottak, hogy 427 kilogrammsúlyméter munkából mindig 1 kilo-


156

grammkalória hőenergia fejlődik. Ezt a fontos számértéket a hő mechanikai egyenértékének nevezik. Ez azt jelenti, hogy, ha 1 kg víz 427 méter magasból esnék le, eközben mozgási energiája teljesen hővé alakulna át, és a keletkezett hőmennyiség csak a vizet melegítené fel, akkor az 1 kg tömegű víz hőmérséklete 1 C°-kal emelkednék.

Hőgépek. A mozgási energiának átalakulása hőenergiává igen közönséges, mindúntalan előforduló jelenség. Nincsen olyan mozgás, amellyel kapcsolatban ez az átalakulás be ne következnék. Minden mozgás közben a mozgási energiának egy része hőenergiává változik. Minden közlekedési eszköz, minden munkagép működésében ezzel számolnunk kell. Azt mondhatjuk, hogy a mozgási energiának átalakulása hőenergiává igen valószínű, természetes folyamat. Ezzel szemben egyáltalában nem magától végbemenő, természetes folyamat a hőenergiának átalakulása mozgási energiává. Különleges szerkezeteket kellett kigondolni abból a célból, hogy a hőből mozgási energiát kapjunk. Az ilyen szerkezeteket összefoglaló néven hőgépeknek nevezzük. Mivel már régóta sokféle fűtőanyag áll az ember rendelkezésére, évszázadokkal ezelőtt igyekeztek hő árán mechanikai munkát termelni.

Hengeres gőzgép. Már az ókorban is próbálkoztak hőgépekkel, de az első igazi hőgép szerkesztője PAPIN volt 1690-ben. Papin gépe lényegében könnyen mozgó dugóval ellátott henger volt. A hengerben felforralt víz gőzének feszítőereje a dugót felemelte, lehűtéskor a levegő nyomása a dugót visszanyomta. Papin gépe a hengeres gőzgép kezdetleges alakja. A mai hengeres gőzgép feltalálója WATT a 18. század második felében. Watt oldotta meg azt a feladatot, hogy a dugónak mindkét irányú mozgatását a gőz feszítőereje végezze. A Watt-féle gőzgép hengerébe a forró víz gőze a gőzelosztón keresztül jut be (101. kép A). A gőzelosztó két nyíláson át közlekedik [áll összeköttetésben] a gőzhengerrel (a, b). A dugóval ellenkező irányban mozgó B tolószelep csak az egyik, pl. az a nyí-


157

101. kép. Gőzhenger keresztmetszete.

lást hagyja nyitva a gőzhenger felé, ezen a nyíláson át áramlik a nagy nyomású, magas hőmérsékletű gőz a gőzhengerbe és elmozdítja a dugót. Amidőn a dugó a hengerben szélső helyzetéhez közeledik, az a nyílást a tolószelep elzárja, majd a másikat nyitja. A nagy nyomású gőz ezután a b nyíláson át áramlik a gőzhengerbe s így a dugót visszafelé tolja. Az a gőz, amely a dugó megelőző mozgatását végezte, ugyancsak az a nyíláson át a tolószelep alá jut s az ott levő nyíláson át vagy a szabadba kerül, vagy pedig a hideg vízzel hűtött sűrítőbe, ahol lecsapódik, s így nyomása erősen lecsökken. Ez az elmés szerkezet lehetővé teszi, hogy váltakozva a dugó egyik oldalán nagy nyomású gőz van, a másik oldalán pedig a nyomás kicsi, s a nyomáskülönbség következtében a dugó hol egyik, hol másik irányban elmozdul. A dugónak egyenesben ide-oda mozgását csuklóan járó rudak segítségével forgó mozgássá alakítják át. A gyakorlati élet ugyanis a gépektől leginkább forgó mozgás létesítését kívánja. Erre van szükség minden közlekedési eszközben és a legtöbb munkagépben. A tolószelepet a dugó mozgatja saját mozgásával ellenkező irányban a forgástengelyre szerelt excenter segítségével. A gőzgéphez szükséges magas hőmérsékletű, nagy nyo-


158

mású vízgőzt a kazánban termelik. A kazánban forralnak vizet, és a kazán zárt terében fejlődő gőzöket átvezetik a gőzhengerbe. A kazán gőzterével a nyomás ellenőrzésére nyomásmérő van kapcsolatban. A fölös gőzmennyiség a biztosítószelepen át eltávozik. A gőzgépekben rendeltetésük szerint különböző nyomású gőzt használnak fel másfél légköri nyomástól 15–20 légköri nyomásig.

A hengeres gőzgépek között elvileg teljes nyomású és expanziós gőzgépeket különböztetünk meg. A tolószelep működésében van köztük különbség. A teljes nyomású gőzgépben a dugó magas nyomású oldala mindaddig összeköttetésben marad a gőzelosztón át a kazán gőzterével, amíg a dugó a hengerben szélső helyzetét el nem éri. Az expanziós gőzgépben a tolószelep már a dugó közbenső helyzetében elzárja azt a nyílást, amelyen át a nagy nyomású gőz a gőzhengerbe áramlik, és a dugót a kiterjedő, expandáló gőz feszítőereje mozgatja tovább. A teljes nyomású gőzgépben állandó nyomáskülönbség van a dugó két oldalán, az expanziós gőzgépben a nyomáskülönbség a dugó mozgása közben csökken. A gyakorlatban használatos gőzgépek ma mind expanziós gőzgépek, mert a teljes nyomású gőzgépben a gőz energiája jórészben kihasználatlanul maradna.

Gőzturbina. A hengeres gőzgépben a gőz feszítőereje a dugót egyenesben mozgatja ide-oda, s ezt a mozgást mechanikus szerkezetekkel alakítják át forgó mozgássá. A haladó mozgásnak átalakulása forgó mozgássá bizonyosfokú energiaveszteséggel jár, ezért sokkal gazdaságosabb az olyan gőzgép, amelyben a gőz feszítőereje közvetlenül forgó mozgást létesít. Az ilyen gőzgépet gőzturbinának nevezik. A gőzturbina hajtására igen nagy nyomású gőzt használnak. Keskeny nyíláson nagy sebességgel kiáramló gőz forgó kerék lapátjába ütközik és azt nagy sebességgel forgásba hozza. Különösen a hatalmas villamos áramfejlesztő gépek hajtására használják a gőzturbinákat.


159

Hőenergiaveszteség. Minden gőzgép működésének leglényegesebb feltétele a nyomáskülönbség a magas hőmérsékletű és a lehűtött gőz között. Ez a nyomáskülönbségnél nagyobb, minél nagyobb a hőmérsékletkülönbség a kazánból jövő friss gőz és a sűrítőben lecsapódott gőz között, vagyis minél nagyobb a kazán és a sűrítő hőmérsékletkülönbsége. Miközben a gőz munkáját elvégzi, magas hőmérsékletű helyről, a kazánból, a jóval alacsonyabb hőmérsékletű helyre, a sűrítőbe megy át és maga is lehűl, tehát a kazán és a sűrítő hőmérsékletkülönbségét csökkenteni, kiegyenlíteni igyekszik. A munkát végző gőz hőmennyiséget szállít át a kazánból a sűrítőbe, ez az átszállított hőenergia pedig gyakorlati szempontból elveszett. Ebből a meggondolásból világos, hogy amikor a gőzgép segítségével hőenergiát mechanikai energiává akarunk átalakítani, súlyos vámot kell érte fizetnünk, mert a kazánban termelt hőmennyiség nagy részét szabadjára kell bocsátanunk, és csak jóval kisebb részét kapjuk meg mozgási energia alakjában. A hengeres gőzgép a legjobb esetben a kazánban fejlesztett hőenergia hatodrészét alakítja át mozgási energiává, de még ezt sem tudjuk teljesen felhasználni; a többi gyakorlati szempontból kárbavész. A gőzturbina valamivel kedvezöbben dolgozik.

A kétféle "örökmozgó". A gőzgép működése arra tanít, hogy a természeti folyamatokban bizonyosfokú egyirányúság van. A mechanikai energia, a helyzet és a mozgási energia maradéktalanul átalakulhat hőenergiává, és ez a legtöbb esetben magától be is következik, a megfordított folyamat azonban csak részlegesen megy végbe. Sohasem kapjuk meg a befektetett hőenergiának teljes ellenértélkét mechanikai energiában.

Az energiamegmaradás elvének megismerése előtti időkben egyes feltalálók sokat törték fejüket olyan szerkezet kigondolásán, amely egyszer mozgásba hozva, állandóan tovább mozog és munkát végez. Az ilyen szerkezet, az


160

mozgó" (perpetuum mobile) külső energia felhasználása nélkül állandóan munkát végezne. Az örökmozgó elgondolása homlokegyenest ellenkezik az energia megmaradásának elvével, ennélfogva megvalósíthatatlan. A természet nem engedi meg, hogy magától munkát végző szerkezet álljon az emberiség rendelkezésére. A természet azonban még egy másik tiialmat is felállít. Az is nagy kényelmet jelentene, ha minden hőenergiát hiánytalanul mozgási energiává lehetne átalakítani, hiszen pl. a meleg tengerek vize mérhetetlen nagy hőenergiát tárol. Mint az előzőkből tudjuk, a természet törvényei ezt is tiltják. A hőenergia csak úgy alakítható át kis részében mozgási energiává, hogy a felhasznált hőmennyiségnek javarésze hidegebb helyre megy át, a hidegebb helyet felmelegíti, s így kárbavész. Másodosztályú "örökmozgó"-nak nevezhetnők az olyan szerkezetet, amely a neki átadott hőenergiát teljesen átalakítaná mozgási energiává. A természet örök törvényei értelmében a másodosztályú örökmozgó is megvalósíthatatlan. Az emberi alkotó géniusznak sokkal szerényebb feladatok megoldásával kell megelégednie, de hogy a természet törvényei szerint lehetséges feladatok megoldása milyen hatalmas lendületet ad a kultúra haladásának, azt éppen a gőzgép példája bizonyítja. A gőzmozdony, a gőzhajó és a gőzgép sok másféle alkalmazása egészen megváltoztatta az emberiség életét és a Föld arculatát.

Robbanómotor. Hosszú ideig a gőzgép volt a hőgép egyetlen megvalósítása. A gőzgépben az elvi szempontból elkerülhetetlen hőenergiaveszteségen kívül még azért is energiaveszteség származik, mert a hőenergia közvetve alakul át mechanikai energiává: előbb magas hőmérsékletű vízgőzöket kell fejleszteni és azok feszítőerejével munkát végeztetni. A mult század közepe táján merült fel az a gondolat, hogy az égő anyagokban felhalmozott hőenergia közvetlenül alakíttassék át mozgási energiává. Ezen az alapon először a francia LENOIR szerkesztett 1860-ben hőgépet, majd nem sokkal ké-


161

sőbb, 1878-ben a német OTTO. Az efféle hőgépekben olyan égő anyagot használnak, amely meggyujtva magas hőmérsékleten robbanásszerűen ég el, eközben nagy nyomást fejt ki. Ilyen anyag a világítógáz, továbbá a borszesz, kőolaj, vagy a benzin gőze. Mivel a felhasznált gyúlékony anyag robbanásszerűen ég el, az ilyen hőgépeket robbanó motoroknak nevezik.

Az Otto-féle robbanó motor leglényegesebb alkotórésze a henger. Ebben jól záró dugó mozog (102. kép). A henger egyik végén két nyílás van, mindkettőt szelep zárja el (102. kép A, B). A dugó ide-oda mozgó rúdja épúgy, mint


162

102. kép. Robbanó motor hengerének keresztmetszete.

a gőzgépben, hajtókar segítségével forgó mozgást létesít. A hengerbe vezető nyílások egyikén jut be az üzemanyag, a másikon pedig az égési termékek távoznak el. A forgástengellyel kapcsolatos vezérlőmű az egyes szelepeket a megfelelő pillanaiban nyitja, illetőleg zárja. Az elégetésre szánt gázt vagy gőzt levegővel keverve kell a hengerbe juttatni, hogy az égés, vagyis a levegő oxigénjével való egyesülés minél tökéletesebb legyen. Ha folyadék, pl. benzin gőzét használják elégetésre, a folyadékot előbb külön szerkezetben, a karburátorban fínoman elporlasztják, ezzel a gőzképződést elősegítik. A hengernek a szelepek felőli oldalán rendszerint elektromos gyujtókészülék van (102. kép G).

A gép működésének négy üteme a következő:
1. A dugó a szelepes nyílásoktól távolodva az éghető gőzkeveréket beszívja a hengerbe; eközben A szelep nyitva, B szelep zárva van.
2. A dugó az előbbivel ellenkező irányú mozgáskor a gőzkeveréket összenyomja; ekkor mind a két szelep zárva van. A hirtelen összenyomott gőzkeverék erősen felmelegszik.
3. Közvetlenül az összenyomás után a gyujtószerkezet a gőzkeveréket meggyujtja; a gőz robbanásszerűen elég és az égésből származó gázok feszítőereje a dugót ellöki. A szelepek ekkor is zárva vannak s ez a gép munkaüteme.
4. A kipuffogószelep (B) kinyílik, a dugó visszafelé mozog és az égési gázok a nyíláson át eltávoznak.

A felsorolt négy ütem közül csupán a 3-dik a hasznos munkaütem, a többi három ütemben a forgástengelyre szerelt lendítőkerék tehetetlensége tartja a gépet működésben. Mivel a lendítőkeréknek kétszeri körülforgása alatt csak egyszer van munkaüteme, a gép járása lökésszerű. Ezen úgy segítenek, hogy több hengert alkalmaznak ugyanannak a tengelynek a hajtására, s az egyes hengerek munkaütemeit egymáshoz viszonyítva időben kissé eltolják. Ezzel elérik azt, hogy minden körülfordulásra több munkaütem jut.


163

A robbanó motorok az elmúlt évtizedekben nagy mértékben tökéletesedtek. Az ismertetett négyütemű robbanó motorokon kívül egyre inkább terjednek a kétütemű motorok. (×) A kétütemű motorokban a dugóra szerelt megfelelő szerkezet és a szelepes nyílások kellő elhelyezése három ütem összevonását teszi lehetővé: a gőzkeverék beszívása és az égési terek kilökése a munkaütemben megy végbe.

A robbanó motorok az igazi korszerű hőgépek. A gőzgépekkel szemben nagy előnyük az, hogy aránylag kevés helyet foglalnak el, könnyűek és nagy teljesítményre képesek. A gépkocsi és a repülőgép létét köszöni a robbanó motornak. Csakis a kissúlyú és nagyteljesítményű robbanó motor tette lehetővé a korszerű közlekedési eszközök szédületes fejlődését. Kisebb teljesítményű robbanó motorok súlya lóerőnként kb. 2 kg, nagyobb teljesítményűeké mindössze 1 kg. Ezzel szemben a gőzgép súlya lóerőnként átlag 100 kg.

A robbanó motor az energiaátalakítás szempontjából is előnyösebb a gőzgépeknél. A robbanó motor kedvező esetben a befektetett hőenergiának 30–40 %-át alakítja át mozgási energiává.

Az energiaátalakulások iránya. A hőgépek példája azt mutatja, hogy a különböző irányú energiaátalakulásoknak különböző valószínűsége van. A természetben úgy mennek végbe a folyamatok, hogy minden helyzeti és mozgási energia hőenergiává alakul át, és ha különleges szerkezettel, a hőgéppel, hőenergiából mozgási energiát akarunk kapni, akkor is a hőenergia legnagyobb részét fel kell áldoznunk hőkiegyenlítődésre. Ha a folyamatok irányának ezen a törvényszerűségén elgondolkozunk, arra a meggyőződésre jutunk, hogy a természet meghatározott, egyirányú folyamataival olyan végső állapot felé halad, amelyből visszatérés nincsen. A mechanikai energiák fokozatosan hővé alakulnak át s a fennálló hőmérsékletkülönbségek kiegyenlítődnek, végeredményben tehát mindezen folyamatok végén emberileg ki nem számítható


164

mérhetetlenül hosszú idő múltán az egész világmindenséget teljesen egyenlő hőmérsékletű anyag töltené be. Ezen az anyagon belül hőmérsékletkülönbség magától fel nem léphetne, vagyis semmiféle további folyamat nem indulhatna meg. Ez volna a világmindenség "hőhalála". De ez a természet élete szempontjából meglehetősen borúlátó következtetés nem állja meg a helyét, mert nem veszi figyelembe azokat az ismereteket, amelyeket az anyag legkisebb építőköveinek energiakészleteiről legújabban megállapítottak. Arról sem szabad megfeledkeznünk, hogy éppen az anyagrészecskék belső energiakészleteiről még aránylag keveset tudunk, s még sok meglepetés érheti a kutató tudósokat.

Energiaátalakulások különféle jelenségek körében. Eddig csak helyzeti és mozgási energiáról, vagyis mechanikai energiákról és hőenergiáról volt szó. Ezeken kívül a fizika még nagyon sokféle energiát ismer. Minden fizikai jelenséggel valamilyen energia van kapcsolatban. Bármilyen megszólaltatott hangforrásnak energiája van, a levegőben hallószervünk felé terjedő hang is energiát visz magával. Energiája van a fénysugárnak. A Naptól fény alakjában nagymennyiségű energia jut állandóan Földünkre. Energiája van a villamos áramnak és minden villamos állapotú testnek.

A természetben örökös energiaátalakulás megy végbe. A felemelt kődarabnak helyzeti energiája elejtéskor mozgási energiává válik, s amikor a leeső kődarab földre ér, az összes mozgási energia hang- és hőenergiává alakul át. A Naptól jövő fényenergia, más néven sugárzó energia felmelegíti és felületén elpárologtatja a tengerek vizét, s az így keletkező vízgőzöket a légáramok, a szelek messze, a szárazföldek fölé is elviszik. Ha a vízgőzökhen gazdag levegő valamilyen okból fölszáll a magasba, akkor lehűlés következtében a vízgőzök apró vízcseppecskék alakjában lecsapódnak és felhő képződik. Íme a Nap sugárzó energiája a felhőkben lebegő vízcseppecskék helyzeti energiájává alakult át és eső alkalmával


165

a helyzeti energiából mozgási energia származik. A vízgőzöket a magasba szállító légáramok is a Nap sugárzó energiájának hatására, a Föld felszínének különböző felmelegedése következtében keletkeznek. A hegyvidéken lehulló esőmennyiség legnagyobb része a forrásokat, csermelyepatakokat, folyókat táplálja, vagyis nagymennyiségű víz kap mozgási energiát és útjában rombol vagy épít, megváltoztatja a Föld felszínét, tehát további energiaátalakulásokat hoz létre, míg vissza nem jut a tengerbe. A víz körforgása Földünk felszínén sorozatos energiaátalakulások hordozója, s mindezeknek az energiaátalakulásoknak tulajdonképpeni forrása a Nap sugárzó energiája. Amikor a meredek hegyoldalról lezúduló hegyi patak magával viszi a törmeléket, és azt a folyóvá dagadt víz a síkságon zátony alakjában lerakja, mind ez a Nap sugárzó energiájának köszönhető.

Az energiaátalakulások sok érdekes példáját tapasztalhatjuk az ember műszaki alkotásaiban is. A hőgépek példáját az előbbiekben láttuk. Vegyük most figyelembe a hegyvidéken létesített villamos áramfejlesztő központ példáját. A magas helyről lezúduló víz vízierőgépet, turbinát hajt, vagyis helyzeti energiája mozgási energiává alakul át. A turbinának rendszerint közös tengelye van a villamos áramfejlesztő géppel, tehát ez utóbbi is forog, és így a forgás energiájából villamos áram energiája keletkezik. A villamos áramot a távvezetéken gyakran jelentékeny távolságra vezetik, a fogyasztás helyén többnyire átalakítják és mint tudjuk, nagyon sokféle célra használják fel. Az izzólámpákban a villamos áram energiája hő- és fényenergiává alakul át; ha az áramot porszívó, szellőztető, varrógép vagy bármilyen munkagép motorjába vezetjük be, akkor a villamos áram energiája mozgási energiává változik.

A villamos vasút kocsijába vezetett áram hajtja a kocsi motorját, tehát az áram energiájából mozgási energia származik. A bánhidai erőműtelepen a kőszén elégéséből keletkező


166

hőenergiát villamos energiává változtatják; távolba, Dunántúl községeibe és a fővárosba vezetik, s ez a hatalmas áramenergia hajtja Budapest villamos kocsijait, a Budapest és Hegyeshalom között közlekedő villamos vonatokat, ezenkívül kiterjedt vidékek világítási és ipari áramszükségletét is ellátja.

A távbeszélés is energiaátalakulások sorozata. Amikor a mikrofonra beszélünk, a hangenergia villamos áramingadozás energiájává válik, ez az energia a vezetéken eljut a hallgatóhoz, s a hallgató kagylójában ismét hangenergiává változik. Ehhez hasonló az energiaátalakulás a rádióadásban és vételben, de az energia az adóállomástól a vevőállomásig elektromágneses hullámok alakjában terjed. Az adóállomás többnyire mindenféle irányban szétsugározza az elektromágneses hullámok energiáját, s az egyes rádióvevőkészülékekre az egész szétsugárzott energiának csak nagyon kis törtrésze jut. Ez az energia nem is volna elegendő arra, hogy hangenergiává átalakulva hallhatóvá váljék. A vevőkészülékbe áramot kell bevezetni, s tulajdonképpen ennek az áramnak az energiája válik hangenergiává. A nagy távolságból sugárzással érkező energia teszi lehetővé, hogy a hangszóróban vagy a fejhallgatóban több-kevesebb torzulással az adóállomás mikrofonjára beszélt hang szólaljon meg.

A múlt század közepe óta a fizikusok minden jelenségben energiaátalakulást látnak és meggyőződésük, hogy az energia fizikai szempontból el nem veszhet, s ha valamilyen folyamat közben látszólag nem találják meg az átalakuló energia ellenértékét, akkor vagy azt feltételezik, hogy az energia egy része hőenergia alakjában szétszóródott, vagy pedig valamilyen ismeretlen energiát sejtenek a folyamat mögött. Az energia megmaradásának elve a mai fizika hatalmas épületének olyan pillére, amelyhez hozzányúlni, amelynek érvényességében kételkedni nem lehet. Az energia megmaradásának tételét mind a nagy világmindenségben, mind pedig az anyag legkisebb építőköveinek világában egyaránt érvényesnek valljuk.