ELSŐ FEJEZET.
Bevezetés.
1. Munka és energia. Hogy megérthessük az elektromosságnak kiváló szerepét az újkor műszaki és tudományos alkotásaiban és azt a gyökeres átalakulást, amely az elektromosság révén az egész emberi társadalom életében bekövetkezett, meg kell ismerkednünk ama fogalmakkal, amelyek mai természettudományi fölfogásunk alapját alkotják és amelyek fontosságának fölismerése az emberiség és a tudomány történetében új korszak kezdetét jelenti.
E fogalmak a munka és az energia.
Megkíséreljük először is a munka fogalmát megvilágítani. A fizika szempontjából csak az oly meghatározás fogadható el, amelynek alapján a kérdéses mennyiség (a munka) minden kétség kizárásával meg is mérhető és nagysága számokkal, mennyiségileg megadható.
Azonban a munka mint fizikai fogalom nem egyéb, mint a köznapi beszédben is munkának nevezett fogalom határozatlan jelentésének szabatos, mennyiségi kifejlesztése, félreértéseket kizáró körvonalazása. Távolról sem vétkezünk a tudományos szigorúság ellen, ha a szabatos, tudományos magyarázat alkalmával a munka köznapi fogalmától indulunk ki.
A közéletben a munka az erők működésének az az eredménye, amelynek pénzértéke van, amelyet megfizetünk.
Mikor a munkás arra vállalkozik, hogy 1000 darab téglát az épülő ház harmadik emeletére bizonyos összegért fölhord vagy fölszállít, akkor a munkáját, erőkifejtésének eredményét fizetteti meg. Nem kérdezzük tőle, milyen úton, milyen eszközökkel szándékozik az elvállalt feladatot teljesíteni, fáradozásának eredményét egyértelműen meghatározza az 1000 darab tégla súlya és az a magasság, amelyre a súlyt szállítania kell. Minél több téglát (minél nagyobb súlyt) kell a munkásnak szállítania, annál több bért fog követelni, de akkor is többet fog kérni, ha nem a harmadik, hanem a negyedik emeletre kell fölhordania a téglát. De az már közömbös a fizetésre nézve, vajjon párosával vagy hármasával viszi-e föl a téglát, vajjon az állványok lejtőin viszi-e föl, vagy pedig valami gépet használ, melynek segítségével kisebb erőkifejtéssel végzi el ugyanazt a munkát. Mi tehát a munka mértéke? Talán a szállítandó tárgy súlya, azaz a reá-
ható erő és a tárgy befutotta útnak a szorzata? Ez a meghatározás sem egészen pontos, mert hiszen csak az erőkifejtés végeredménye számít, a lejtőkön való ide-odajárkálás közömbös, csak az emelkedés, a nehézségi erő irányában megtett út számít. Végleges, kifogástalan meghatározás lesz tehát a következő:
Ha valamely tárgyra erő hat és a tárgy helyéből elmozdul, az erő munkája alatt az erő nagyságának és az erő irányában megtett útnak szorzatát értjük.
|
1. rajz. Az erő munkája. |
A mellékelt 1. rajzon látható, miképen lehet a tárgy egész útjából kiválasztani azt a részt, amely az erő irányába esik és amely a munka kiszámításánál egyedül jön számításba: A-ban van a tárgy, melyre a D-ből A felé mutató P erő hat; a tárgy különböző okok közreműködése folytán eljut eredeti A helyzetéből a B helyzetbe. Kérdés, mekkora munkát végzett eközben a P erő? Az egész AB görbe útból a P erőre nézve csak az számít, ami az ő irányába esik, ami tehát kizárólag az ő "érdeme". Ezt a részt úgy határozzuk meg, hogy P irányára B-ből merőlegeset bocsátunk, DC-t; az AC útdarab a tárgy egész elmozdulásának az az "összetevője", amely a P erő irányában történt, úgyhogy a P erő munkája = P erő nagysága szorozva az AC útdarabbal. Ez a meghatározás természetesen csak akkor alkalmazható, ha a mozgó test méretei kicsinyek a tekintetbe jövő úthoz képest, különben a munkát külön-külön kell kiszámítani a test apró részeire nézve és az így nyert munkarészleteket össze kell adni. |
Nem akarom azonban az olvasót további részletekkel fárasztani, annál kevésbbé, mert az eddig elmondottak már elegendők lesznek az alábbiak megértésére, de még csak arra akarok figyelmeztetm, hogy kétféle munkát különböztetünk meg, aszerint, amint a tárgy elmozdulása végeredményben az erő irányában történt vagy pedig vele ellenkező irányú volt. Az 1. rajzon pl. a P erő a D-ből A felé mutató irányban hat, ugyanily irányú az AC elmozdulás is; ez esetben azt mondjak, hogy a P erő pozitív (aktív) munkát végzett. Képzeljük azonban azt az esetet, hogy a P iránya A-ból D felé mutatna (l. a rajzon a pontozott nyilat); az AC elmozdulás tehát ellenkezik a P erő irá-
a tárgy elmozdulása a P erő ellenére történt más, hatalmasabb erők hatása alatt; ez esetben azt mondjuk, hogy a P erő (passzív) munkát végzett, melynek nagysága az előbbi munkáéval egyenlő.
A téglahordó munkás előbb említett példájában a Föld nehézségi ereje a téglákat lefelé húzza, míg a munkás ereje a tégla felemelésére törekszik. A téglák fölhordása alkalmával a munkás pozitív munkát végzett, míg ugyanakkor a földnehézség ereje negatív munkát. Ezt a földnehézségre nézve negatív munkát, a nehézségi erő legyőzését fizetjük meg a munkásnak. Egészen hasonlóak a viszonyok bármely más, bonyolódottabb esetben is: ha több erő hat egy tárgyra, minden egyes erő munkáját megkapjuk, ha az erő nagyságát az illető erő irányába eső úttal megszorozzuk. Az összes erők munkája az egyes erők munkájának összege lesz, természetesen tekintettel arra is, melyik erő pozitív és melyik negatív.
A gyakorlatban az erőket rendszerint kilogrammokban mérjük; * vagyis egységül a kilogrammtömeg súlyát használjuk. Az utakat méterekben mérjük, a munkát tehát kilogrammban és méterekben, tehát kilogramm-méterekben kapjuk. Ha egy-egy tégla súlya 4 kg és a három emelet magassága 15 m, akkor az ezer darab tégla fölhordásakor a nehézségi erő negatív munkája:
4000 kg × 15 m = 60.000 kilogramm-méter (kg-m).
Adott körülmények közt a kilogramm-méter munkának bizonyos egységára, értéke van, aki tehát sok munkát bír elvégezni, az sok pénzt kereshet, az gazdag ember. A munkavégzésre való képességet, tehát a fizikai értelemben vett gazdagságot nevezzük mesterszóval "energiá"-nak. Energiája van valamely tárgynak, anyagi rendszernek, ha bármely oknál fogva munkát bír végezni; az energia tehát nem munka, hanem oly tartalék, amely a jövőben a munka elvégzését biztosítja, egészen olyan, mint a készpénz, mely egymaga nem élvezhető, csak biztosít arról, hogyha tulajdonosa akarja, különféle célok elérésében rendelkezésre áll.
A tárgyak munkavégző képessége különböző forrásokból eredhet: vegyünk kezünkbe egy kődarabot és eresszük el: a kő leesik és esése közben alkalmat ad arra, hogy a nehézségi erő munkát végezzen. A kezünkben tartott kődarab tehát "helyzeténél" fogva bír munkaképességgel, helyzeténél fogva bizonyos energiával rendelkezik, amelyet éppen ezért helyzeti, vagy nemzetközi mesterszóval potenciális energiának nevezünk. De ugyanaz a kődarab, ha sebességgel felruházva fölhajítjuk, fölemelkedik és eközben ismét munkavégzésre ad alkalmat, mégpedig legyőzi
* 1 kg itt az az erő, amellyel a Föld 1 liter 4 C° hőfokú lepárolt vizet magához vonz; a gyakorlat szempontjából a nehézség csekély változása a Föld felszínén elhanyagolható. [Ez az erőmértékegység már a könyv írásának idején sem volt a legszakszerűbb; lásd a 97. oldalt, ahol a ma már visszaszorult CGS-rendszer alapján alaposabb definíció található. – NF]
a nehézségi erőt, úgyhogy eközben a nehézségi erő negatív munkát végez. A tárgyak eszerint sebességüknél fogva is alkalmat adhatnak munkavégzésre, sebességüknél fogva is lehet energiájuk. Az energiának eme második fajtáját mozgásenergia vagy kinetikus energiának nevezik, de használatos a kevéssé találó és félreértésekre vezető "eleven erő" kifejezés is, mely azért tökéletlen, mert az energia nem erő. Van azonkívül még egyébfajta energia is: a gőzkazánban hevített vízgőz hatalmas erővel taszítja előre a gőzmozdony hengerének dugóját, előreragadva a több ezer métermázsányi vonatot, legyőzve az útjába eső óriási súrlódást és egyéb ellenálló erőket, de ugyancsak a forró gőz a bányák emelőgépeivel száz meg száz tonna kőszenet szállít a föld gyomrából a fölszínre, megküzdve a nehézségi erő makacs ellenállásával: a tárgyak eszerint hőtartalmuknál fogva is munkaképesek, van tehát hőenergia is. (*) De honnan meríti a gőzgép e hőenergiát? amint a gőz a dugót előreszorítva kitágul, elveszti hatalmát, energiáját, mert lehűl, újabb munkavégzés csak újabb fölmelegítés által lehetséges. Ezt a meleget pedig a tüzelőanyag (szén) ú. n. égéshője szolgáltatja. Égés közben a szén a levegő oxigénjével vegyül és széndioxidot alkot, ezalatt tehát megváltoztatja chemiai szerkezetét és eme chemiai változás ellenértéke az a hőmennyiség, amelyet a szén kibocsát. Eszerint a szén chemiai tulajdonságai árán is alkalmat szolgáltat munka végzésére, a szénnek tehát chemiai szerkezete folytán bizonyos energiaja van, ez az ú. n. chemiai energia.
Még egy energiafélét említek föl, mely a mindent éltető Napból pazar bőségben áramlik Földünkre, ez a fényenergia. Hát lehet fénnyel is munkát végezni? A felelet igen egyszerű: minden tárgy, mely a fényt magába veszi, – elnyeli, – fölmelegszik, tehát a fény melegedést okoz, hőenergiát termel és ennek közvetítésével a munkavégzésnek forrása; az élelmes amerikaiak már motorokat is hajtanak a napfény energiájának felhasználásával. De van a fényenergiának egy más, Földünkön rendkívül elterjedt módja, mely talán a legcsodálatosabb mindazok között, amelyeket eddig említettünk. Első pillanatra meglepő, de való igaz, hogy minden gőzgépünket ugyancsak a Nap fénye hajtja.
A Földünket borító pompás zöld palást, a növények milliói ugyanis mind a Nap fényéből merítik az energiát életükhöz, növekedésükhöz. A növényi test főalkotórésze a szén, melyet a zöld növények legnagyobb része a levegő széndioxidjáhól vesz föl; ez a jelenség a szénasszimilálás. Említettük, hogy a szén oxidálása alkalmával jelentékeny mennyiségű hőenergia szabadul föl, megfordítva tehát bizonyos energia felhasználása szükséges ahhoz, hogy a széndioxid széthasadjon szénné és oxigénné. A növény tehát bizonyos energiát igényel, hogy a levegő széndioxidjából a szenet magához ragadhassa és testét növelje. Hosszú esztendők pontos kísérleti kutatásai kétséget kizáróan bebizonyították, hogy a növényeknek e főtáplálékuk fölvéte-
(*) A hő közvetlenül és teljességében nem alakítható munkává, ezért újabban nem nevezik "hőenergiának." [NF]
léhez szükséges energiát a napfény szolgáltatja.* Millió és milliárd esztendőkön át áramlott bőségesen a napfény a Földünkre, ahol nem veszett kárba, mert az előrelátó természet gondoskodott oly raktárakról, amelyek ezt az energiát magukba fogadják és gondosan megőrzik a Föld egyéb lakói számára. Valóban az ősrégi korszakok buja növényzete ma kőszén alakjában óriási mennyiségben áll az emberiség rendelkezésére, amely a benne "sűrített" fényenergiát a kőszén elégetésével újra felhasználhatja és visszaadja a füstokádó kéményeken keresztül a levegőtengernek azt, ami az övé volt, a széndioxidot; a ma élő növények pedig újból gondosan beraktározzák belőle a szenet késő utódaink számára.
A Napból származó fényenergia a napsugarak útján tehát sugárzás révén kerül Földünkre. Ha a térben egy helyen energia eltűnik és a tér másik helyén ismét felbukkan, akkor azt mondjuk, hogy az energia sugárzás révén került az egyik helyről a másikra. Ott, ahol az energia eltűnt, van a sugárzó forrás, az a test, mely az energiát kisugározta, melynek energiájából a kisugárzott energia eltűnt; ott, ahol az energia ismét fölbukkan, van egy másik test, mely a sugárzó energiát ismét elnyelte, abszorbeálta. Sugárzás révén kerül pl. a hangforrások rezgőrészecskéinek mechanikai (potenciális és kinetikai) energiája is fülünkhöz, mint hangenergiát abszorbeáló, elnyelő szerkezethez. Az energia útja a forrástól az abszorpció helyéig a sugár. Az a sugárzás, mely a Nap energiáját közvetíti hozzánk, ellentétben pl. a hangsugárzással, nemcsak az anyagban, pl. gázokban, üvegben, vízben képes tovább terjedni, hanem az anyagtól mentes térben, a vákuumban is. A Nap energiájának terjedése a sugárzás révén éppúgy hullámszerűen történik, mint pl. a hang terjedése. A Nap energiáját továbbító hullámokat fizikai megismerésünk jelen stádiumában elektromágneses hullámoknak tekintjük. A különböző hosszúságú elektromágneses hullámok különböző természetűek. Ha e hullámok hosszúsága néhány millimétertől több kilométerig terjed, akkor e sugárzás jelenléte csak úgynevezett elektromágneses rezgési körök segítségével mutatható ki, mert csak ezek képesek az ily nagy hosszúságú hullámok közvetítésével sugárzott elektromágneses energiát elnyelni. Ide tartoznak azok a hullámok, melyeket a drótnélküli táviratozásban használnak. Ha a hullámhosszúság 0.0004 milliméter és 0.0008 milliméter között van, a sugárzást szemünkkel láthatjuk, az elektromágneses sugárzásnak ezt a részét fénynek nevezzük. A sugárzási skálának ehhez a látható részéhez csatlakozó rövidebb hullámhosszúságú sugarakat le egészen 0.0001 milliméterig ibolyántúli fénynek, a nagyobb hullámhosszúságú sugarakat egész 0.3 milliméterig (kb. eddig sikerült ezidőszerint
* L. az idevágó vizsgálatok részletes ismertetését: Mágocsy-Dietz Sándor, "A növények táplálkozása" 299-371. lap, Budapest, 1909, kiadja a K. M. Természettudományi Társulat.
eljutunk, vörösöntúli fénynek, vagy hősugaraknak hívjuk. Az elektromágneses sugárzás egy alakja a röntgenfény is, melynek hullámhosszúsága kb. 10-–9 cm, vagyis egyszázmilliomod milliméter. Az ultraibolya és röntgensugárzáe vizsgálatánál szemünk helyett a fényképezőlemezt használhatjuk a sugárzás kimutatására, az ultravörös sugárzás vizsgálatánál pedig a thermoelemeknek és bolometereknek nevezett készülékeket.
Még a röntgenfényénél is rövidebb hullámhosszúsága van a γ-sugárnak, melyet a radióaktiv bomlás alkalmával sugároznak ki a bomló radióaktiv anyagok.
Amint már az eddigiekből is látható, minden jelenség tulajdonképen a különböző energiafajtáknak kölcsönös átalakulása. Ugyanis a mai természettudomány egyik alapvető tapasztalati tétele az, hogy valahányszor egy bizonyos energiafajta kisebbedik, ugyanakkor egy vagy több más energia fajtának növekednie kell: a lefelé hulló kőnek helyzeti energiája az esés közben csökken, de kárpótlásul növekszik sebessége, tehát mozgásenergiája; megfordítva, a fölfelé hajított kőnek sebessége (mozgásenergiája) fokozatosan csökken, de kárpótlásul növekszik helyzeti energiája, mert minél magasabbra jut, annál több munkát fog végezhetni a nehézségi erő, majd ha a kő megint leesik. A kiterjedő gőz lehül, tehát veszít hőenergiájából, kárpótlásul azonban mozgás-energiával ruházódik föl a dugó és a hozzákapcsalt egyéb géprészek. A szén elégetése közben elfogy, átalakul széndioxiddá, mely többé el nem égethető, a szén tehát elveszíti chemiai energiáját, de ehelyett hőenergia keletkezik, melyet a széndioxid és a környezet anyagai vesznek magukba. Éppen így csak ama testek melegszenek fel a fénysugarak hatására, amelyek a fénysugarakat elnyelik, tehát a fényenergiát eltüntetik (a fekete testek), míg a fehér testek vagy a tükrök, melyek a fénysugarakat visszaverik, nem melegszenek föl, mert hiszen a fényenergiát eredeti fény alakjában meghagyták, tehát nincsen forrása a hőkeletkezésnek, hőenergiának.
A különböző energiamennyiségek kölcsönös átalakulására vonatkozó tapasztalati tétel nemcsak az előbb említett minőségi alakjában érvényes, hanem számtalan kísérleti tapasztalattal megegyezik a következő fogalmazásban is:
Valahányszor különböző anyay rendszerek között kölcsönhatás megy végbe, a jelenségben résztvevő rendszerek összességének energiája változatlan marad, azaz: amennyivel az egyik fajta energia növekszik, ugyanannyival kisebbedik az egyébfajta energiák összesége.
Ez a tétel az energia megmaradásának híres tétele, melyet legelőször Mayer Róbert heilbronni orvos ismert fel 1842-ben és mely azután Helmholtz, Joule, Lord Kelvintől továbbfejlesztve és pontosabban körvonalazva, mai természettudományunk és egész világfelfogásunk egyik alapköve lett.
Minthogy az energia megmaradásáról szóló tétel az energia-
mennyiségek nagyságára vonatkozik, csak akkor van értelme, ha megállapodunk abban, miképen fogjuk a különböző energiamennyiségeket lemérni. Ezzel kell tehát elsősorban tisztába jönnünk.
Minthogy mindenféle energia tulajdonképen munkavégző képesség, minden energia mértéke az a munka lesz, amely ezen energia csökkenése közben elvégezhető; gondosan kell ügyeknünk persze arra, hogy a jelenségben, melynek folyamán a kérdéses energia munkává átalakul, az egész energia átalakuljon munkává és a jelenségben semmiféle egyéb energiák részt ne vegyenek. Ha P kg súlyú test a talaj fölötti h méter magasságból leesik, a nehézségi erő P·h kg-m munkát végez, tehát a test helyzeti energiája /P·h kg-m-rel csökkent. Eközben – ha semmi egyéb változás nem történt – a test mozgásenergiájának kellett ugyanannyival növekedni. A szabadon eső test tapasztalati törvényeiből megkapjuk ezen okoskodás alapján a mozgásenergia mértékét a következő alakban:
mozgásenergia = |
|
kg-m-ekben, |
ahol 9.81 a szabadon eső test gyorsulása méterekben, ha az időt másodpercekben fejezzük ki.
Hasonlóképen kísérleti úton határozható meg a hőenergiának munkamértéke is azáltal, hogy megmérjük, mekkora munka végzesére használható fel bizonyos hőmennyiség. A hőmennyiséget kilogrammkalóriában mérjük. Er az a hőmennyiség, mely egy kilogramm víz hőmérsékletének 1 C°-kal való emeléséhez szükséges. Egy bizonyos energiamennyiség tehát mérhető és kifejezhető kilogrammkalóriákban mint egységekben és kifejezhető, mint láttuk, méterkilogrammokban. A kérdés az, hogy milyen átszámítási kulcs alapján lehet az egyik egységről a másikra áttérni. A viszonyok egészen olyanok, mintha egy bizonyos összeget kifejezünk először pengőben és azután dollárban: akkor egy egészen határozott átszámítási kulcs, a dollár és pengő viszonya alapján áttérhetünk az egyik kifejezési módról a másikra. A feladat tehát a két energiaegység viszonyának a megállapítása. Joule (1840-től 1850-ig) e célra lehulló súllyal tartoita fenn higanyba merülő korong forgását és megmérte, mennyi hő fejlődött azalatt, hogy 1 kg súly 1 m magasságból leesett.
Azóta tökéletesebb eszközökkel ismételt mérések eredménye igazolta azt, hogy 1 kilogramkalória hő fejlesztéséhez 426.6 kg-m munkát kell fölhasználni, megfordítva tehát 1 kg-m munka egyenlő értékű 1/426.6 kilogrammkalóriával.
Minden egyéb oly energiafajta lemérése, amely hőenergiává alakítható át, most már igen könnyű dolog: 1 kg kőszén elégése
alkalmával 6600 kalória hő keletkezik, a kőszén chemiai energiája tehát 6600 · 426.6 kg-m. Ugyanígy lemérhető a fényenergia is munkaegységekben, kilogramm-méterekben.
Hasonló mérések és a legkülönbözőbb jelenségek mennyiségi vizsgálata az energia megrnaradásának elvét eddig a legszélesebb körben igazolták és meggyőzték az emberiséget az energiának örök, el nem pusztítható voltáról. Energia semmiből nem keletkezik és meg nem semmisülhet. Az ember nem tehet egyebet, mint alkalmas berendezésekkel a rendelkezésére állá energiákat mechanikai munkává alakítja át, vagy oly energiafajtákká, amilyenekre éppen szüksége van.
2. Az ember rendelkezésére álló energiaforrások. Az embernek a földön szerencsére igen sokféle energiaforrás áll rendelkezésére és a művelődés, haladás egyik főtörekvése oda irányul, hogy az ember ezt a természetben felhalmozott óriási munkakészletet minél nagyobb mértékben tudja felhasználni saját céljaira.
Az ősember még más energiaforrást nem ismert, mint saját izmainak munkavégző képességét, melyet táplálkozás útján, a fölvett szerves anyagok chemiai energiájával kellett fönntartania. De mikor még csak ez volt az ember egyetlen energiaforrása, akkor még nagyon távol volt attól, hogy – amint ma büszkén nevezzük magunkat – a teremtés koronája legyen. És valóban ott hömpölyögtek el lábai előtt a bővizű folyamok, ott zúgtak feje fölött a szelek és mindezek energiáját kiaknázatlanul hagyta és nem tudta, hogy a kenyérfának nemcsak gyümölcse kincs reá nézve, hanem a törzse is visszaadhatja neki a Napnak melegét, fényét, melynek energiája révén keletkezett.
De hogyan történt, nem tudjuk: az ember lassankint megtanulta azt, miként lehet mindezt saját hasznára kiaknázni; megtanulta azt, hogy a szél és a patak, folyam mozgásenergiája fölhasználható malmok, gépek hajtására, megtanulta, hogy lehet a fát meggyujtása által visszaalakítani fénnyé, hővé, amiből keletkezett. Lassankint ilyen módon folyton gyarapodott az ember hatalma, minthogy mindig több és több energia, mindig nagyobb munkakészlet fölött rendelkezett.
Eközben óriási átalakuláson ment át maga az ember is: mások lettek örömei, fájdalmai, más az életmódja, életcélja, mások az igényei; fölismerte a természetben fölraktározott energia becsét, kifejlődött. a "tulajdon", a "birtok", a "hatalom", az "érték" és a "pénz" fogalma, és mivel az emberiség száma is jelentékenyen fölszaporodott, megkezdődött a tülekedés a különböző energiafajták birtokáért, a "létért való küzdelem"
Ma már azt a lázas izgatottsággal küzdő korszakot éljük, amelyben már pontosan osztályozzuk a rendelkezésünkre álló energiákat aszerint, hogy mit tudunk velük elérni, értékük, áruk, gazdaságos voltuk szerint és az emberek milliói hullanak el a
különböző energiaforrásokért, kőszénért, petróleumért, stb. folytatott háborúkban.
A különböző, a természetben még előforduló nyers energiaforrások versenyét az dönti el, melyiket lehet olymódon tulajdonképeni fogyasztásra fölhasználni, hogy a közbeeső átalakulások közben lehetőleg kevés vesszen el belőle. Hát hogyan veszhet el az energia, hiszen, amint előbb állítottuk, meg nem semmisülhet? Valóban az energia nem vész el a természetben, de elvész a mi céljainkra. Van ugyanis minden mozgásnak a természetben egy hatalmas ellensége, a súrlódás, mely mindig arra törekszik, hogy a mozgó testek sebességét tehát mozgásenergiájukat csökkentse: igaz, hogy eközben az elveszett mozgásenergiával egyenlő értékű hő fejlődik, mely ugyancsak energia, de mireánk nézve ez az energia rendszerint mégis elvész, mert nem ott fejlődik, ahol szükség volna reá. Avagy mi hasznunk van abból, hogy a tovaszáguldó vonat kerekei és csapágyai felmelegszenek? A súrlódó erők okozzák mindennemű energiaátalakítás alkalmával a legtöbb veszteséget, különösen akkor, ha az energiát súlyos anyaghoz kötve kell elszállítanunk az energiaforrásból a fogyasztás helyére. Már pedig manapság mindinkább rászorulunk arra, hogy az emberlakta vidékektől távol eső tájakból merítsük a céljainkat szolgáló energiákat.
A kőszenet vonatokon szállítjuk a városokba és szállítás közben annyi energiát kell fölhasználnunk a súrlódások legyőzésére, hogy levonva ezt abból az energiából, amelyet a kőszénből kivehetünk, már csak vajmi kevés tiszta energiahaszon marad hátra. Ugyanez mondható minden egyéb természetes hőenergiaforrásról, tüzelőfáról, kőolajról, benzinről egyaránt. A Baku környékbeli forrásokból a kőolajat csöveken vezetik a szállítás központjaiba és egyik, különösen hosszú vezetéken, bár véges-végig lejtősen haladt, akkora volt a súrlódás, hogy a kőolaj nem folyt saját súlyától keresztül, hanem külön szivattyúkat kellett berendezni, amelyek a kőolajat lefelé nyomják.
Az energiaszállításnak eme tökéletlensége, "drágasága" ki nem küszöbölhető, amíg az energia a súlyos anyaghoz kötve marad. Sokáig azonban nem ismertek egyéb energiákat.
A különböző energiaforrásokról szólva meg kell említenünk még egy energiaforrást, mely ugyan a gyakorlat szempontjából ma még nem jön tekintetbe, de amely a tudományos megismerést nagy lépéssel vitte előre. Ezek a radioaktiv anyagok bomlása alkalmával felszabaduló, a bomló anyagok tömegéhez viszonyítva hatalmas energiamennyiségek, melyek mint a γ-sugár elektromágneses energiája, az α- és β-sugár kinetikai energiája és hő, energia jelentkeznek. A radioaktiv anyagok spontán, minden külső beavatkozás nélkül és ilyen által meg nem másíthatóan termelik ezeket az energiákat, melyeknek eredete, vagyis az a kérdés, hogy milyen más energia rovására keletkeznek, sokáig
homályban maradt. Ezen a ponton a speciális relativitás elmélete vitte előbbre a tudományos megismerést. Ennek – Albert Einstein szerint – legfontosabb eredménye az, hogy a materiális tömeg is az energia egy fajtája és megfordítva minden energiának egyszersmind tömeget is kell tulajdonítanunk, még pedig úgy tehetetlen, mint gravitáló tömeget. A relativitáselmélet az átszámítási kulcsot is megadja, melynek alapján kiszámítható, hogy egy, pl. grammokban megadott tömeg, mennyi energiát képvisel. Ha m a grammokban mért tömeg, akkor mc2 az ergekben* mért energia, hol
c = 3 × 1010 cm/sec = 300.000 km/sec
a fény és általában az elektromágneses hullámok terjedési sebessége a vákuumban. Az egy gramm tömeg által képviselt, vele egyenértékű energia mennyisége tehát
9 × 1020 erg = 9.16 × 1012 =
A radióaktiv anyagok minimális tömege is tehát igen hatalmas energiamennyiségeket képvisel és ebből a rengeteg tartalékból kerül elő a bomlás alkalmával megnyilvánuló energia.
3. Az elektromos energia. Az elektromos energiában találjuk meg az energiának azt az eszményi alakját, amely fölszabadulva a földnehézség bilincseiből, a gondolat sebességével vágtat végig néhány szál dróton, száz meg száz kilométer távolságra, magával ragadja a távoli kőszénbányákban felhalmozott energiát és vele városokat világít, vonatokat hajt és gyártelepeket táplál.
Képzeljünk valahol, nehezen megközelíthető hegyek között egy óriási széntelepet; a mindent éber figyelemmel kísérő vállalkozók figyelmét nem kerüli el a temérdek kincs. Megbecsülik hozzávetőleg a várható szénkészletet, azután költségvetést készítenek arról, hogy miképen lehetne kisebbíteni a szállításnál föllépő súrlódást, tehát mennyibe kerülne egy vasúti vonal építése a legközelebbi nagy városig, melyben a szén értékesíthető volna; és íme a vasúti pálya megépítése, a hatalmas hidak, töltések, alagutak oly óriási tőkét emésztenek föl, hogy kamatainak törlesztésére az évenkint értékesíthető szén alig elegendő. A vállalkozás tehát – így mondták volna régente – nem fizeti ki magát, hagyjuk tehát parlagon heverni a fekete gyémántokat.
De ma már egy más szállítóeszköz ismeretes: igaz, hogy nem a szenet szállítja, hanem csak az energiáját, de hiszen az embernek a szénre is csakis az energiája kedvéért van szüksége. A szénbánya közelében hatalmas gőzgépeket állítanak föl, a gőzgépek dinamógépeket forgatnak, ezek a mozgásenergiát átalakítják
* 98,100.000 erg = 1 méterkilogramm.
anyaghoz nem kötött, titokzatos energiává, az elektromos energiává, mely a vezetésére szolgáló néhány milliméter átmérőjű fémdrótokon végigsiklik és a városba érkezve tetszés szerint újból átalakítható bármilyen energiává: használható fűtésre, világításra, gépek hajtására, de átalakítható chemiai energiává is, mert segítségével különböző anyagok állíthatók elő stb. Az elektromos energia szállítása sem történik veszteség nélkül, a vezetékben tovaáramló energiának is megvan a maga surlódása, mely a vezetéket fölmelegíti az elektromos energia rovására, de ez igen csekély a súlyos anyagok surlódásához képest, úgy hogy most már a szénbánya művelése jövedelmező vállalkozás lesz és az emberiség rendelkezésére álló energiamennyiség, az ember hatalma a természet fölött növekedni fog.
Még szembetűnőbb az elektromosság kiváló fontossága a vízi energia fölhasználásánál. Hajdanában a víznek (folyóknak, vízeséseknek) energiáját csak közvetlenül a víz közelében lehetett fölhasználni. A vizek energiája pedig óriási, mert a vizek állandó, megszakítás nélküli és kiapadhatatlan energiaforrások. Ha egy pataknak 1 m magas vízesésén egy másodperc alatt 1 köbméter víz áramlik keresztül, a víz minden másodpercben 1000 kg-m energiát szállít magával, ami hosszabb időn át óriási mennyiségre szaporodik. Ma már ez a nagy energiatömeg a vizektől nagy távolságra is felhasználható: a vízeséssel lapátos kerekeket, vízturbinákat hajtanak, melyek ismét dinámógépekkel közlik forgásukat. A dinamók elektromos áramot termelnek, ami éppen úgy szállítható tova, mint az előbb említett példában.
De ugyanily becses szolgálatokra alkalmas az elektromos energia minden egyéb energia szállításánál, továbbításánál is; a magas bérceken dúló szélviharok ugyancsak szélmotorok és dinamógépek hajtására használhatók, és elektromos energiává váltható föl a kietlen sivatagokra hulló égető napsugarak energiája is: hiszen ezekkel is lehet vizet forralni, gőzgépet hajtani és dinamógépet forgatni.
Az embernek eszerint módjában van az elektromos energia közvetítésével gyümölcsözően fölhasználni oly természetes energiaforrásokat, amelyek különben termőhelyük kedvezőtlen fekvése folytán, az emberre nézve örökké elvesztek volna, még pedig azért, mert az elektromos energiának tovaszállításához nehány szál vékony fémdrót elegendő, míg az egyéb energiák, minthogy súlyos anyagokban raktározódnak föl, csak külön, körülményes és sok veszteséggel járó berendezésekkel szállíthatók.
De továbbítható az elektromos, illetőleg pontosabban szólva elektromágneses energia egyik helyről a másikra drót nélkül is sugárzás, illetőleg elektromágneses hullámok közvetítésével. Így kerül a drótnélküli telegráf- és telefón üzemben az energia az adóállomásról a vevőállomásra és így kerül a Nap energiája is Földünkre a napsugarak révén. Az energiaközlésnek ez a módja termőszetesen nem nagyon gazdaságos, mert ha pl. sugárzás útján aka-
2. rajz.
runk valamely A pontból B-be (2. rajz) elektromágneses energiát juttatni és evégből A-ban elektromágneses hullámokat keltünk, akkor az elektromágneses energia A-ból minden irányban, gömbhullámokban terjed. E hullámok sebessége c=300.000 km másodpercenként.
|
3. rajz. |
elektromágneses energia akkor is a drótot környező szigetelőn (pl. a levegőben) terjed A-tól B-ig és a drót szerepe csak abban áll, hogy az A-tól különben minden irányban kisugárzott energiát maga körül összegyüjti és elvezeti D-be. Az elektromágneses energia hordozója ekkor is a drótot a környező szigetelőben körülvevő és kísérő elektromágneses hullám.
Az energia elektromágneses úton való szállításának igen nagy előnye továbbá az az óriási sebesség, amellyel az elektromos energia tovaterjed: ez a tulajdonsága teszi alkalmassá jelek, üzenetek, szinte pillanatnyi közvetítésére (telegráf), rendkívül mozgékonysága alapján igen gyors változásokat híven tud követni, ami által a hangrezgések, a beszéd továbbítására képes (telefon). Minthogy az elektromágneses energiának drótokban való tovaterjedését gátló surlódó erők aránylag kicsinyek és igen pontosan lemérhetők, az elektromos berendezések nagy pontossággal számíthatók ki és mindennemű elektromos gép igen pontos üzemet biztosít. A legtöbb elektromos berendezésnél a tisztaság követelményeinek is sokkal könnyebb eleget tenni, mint egyéb berendezéseknél, ami szinten igen lényeges előny.
A felsoroltakban érintettük ama körülményeket, amelyek az elektromosság rohamos fejlődését érthetővé teszik és a következőkben részletesen áttekintjük ama segédeszközöket, amelyeket az elektromosság a technika és tudomány szolgálatába állított.