Powering Planet Earth:
Energy Solutions for the Future

by Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Nick Serpone

Chapter 1: What Is Energy? – Chương 1: Năng lượng là gì? (Phần 3)

Phương trình của Einstein: E = mc²

Phương trình này rất nổi tiếng. Đó là biểu tượng của thế kỷ 20. Biểu tượng này đôi khi được nhìn thấy trên áo phông cũng giống như là tên của một nhóm nhạc pop hay một bức ảnh của Che Guevara. Phương trình này xác định năng lượng theo một cách mà ai cũng có thể hiểu được, ngay cả khi (trong thực tế) có lẽ là một chút khó khăn để chấp nhận.

E = mc² có nghĩa là khối lượng và năng lượng là cùng một thứ, mặc dù tồn tại dưới vỏ bọc khác nhau. Giống như khi băng tan thì biến thành nước, hoàn toàn thay đổi diện mạo của mình, cũng như vậy, khối lượng là một dạng năng lượng “đông lạnh” có thể được chuyển đổi thành nhiều hình thức quen thuộc: động năng, năng lượng nhiệt, và những dạng khác.

Trong công thức này, chữ cái c đại diện cho tốc độ ánh sáng trong chân không. Được nâng lên bình phương, c² thậm chí còn có giá trị số lớn hơn nhiều lần. Như vậy, khi mà vế bên phải và bên trái của phương trình Einstein có giá trị số bằng nhau (tất nhiên rồi, nếu không, sao lại được gọi là phương trình chứ?), và biết rằng c² nằm ở vế cùng với m, thì để có được một năng lượng lớn chúng ta chỉ cần chuyển đổi một lượng nhỏ của khối lượng.

Mỗi khi bạn tạo ra năng lượng thuộc bất cứ loại nào, một khối lượng vật chất – lớn hoặc nhỏ – sẽ biến mất. Sự phi vật chất hóa này gợi nhớ lại một số phim khoa học viễn tưởng và không khỏi khiến cho chúng ta một chút hoài nghi. Nhưng điều đó là chính là như thế đấy, các bạn. Năng lượng tiêu thụ trong một tháng của một đô thị lớn, ví dụ, London hiện đại, có thể so sánh với năng lượng được “đóng băng” trong khối lượng của cuốn sách này. Sự tiêu hủy không may của hai thành phố Hiroshima và Nagasaki trong Thế chiến 2 đã được thực hiện bởi sự chuyển đổi chỉ có một vài gram chất thành năng lượng; một khối lượng rất nhỏ, nhưng chắc chắn là có thể đo lường được.

Phản ứng phân hạch hạt nhân cho phép chuyển đổi các vật chất thành năng lượng rất hiệu quả, nhưng, như chúng ta sẽ thấy sau này, sản xuất năng lượng hạt nhân để lại những chất thải cực kỳ nguy hiểm. Một kilogram uranium ở nhà máy điện hạt nhân có thể tạo ra 50 000 kilowatt-giờ (kWh) năng lượng, trong khi 1 kg than trong nhà máy nhiệt điện chỉ sản xuất có 3 kWh. Phương trình của Einstein có giá trị trong cả hai trường hợp. Lượng chất bốc hơi để trở thành năng lượng trong uranium cao hơn một cách đáng kể so với than đá.

Trong gần 5 tỷ năm, mặt trời đã chuyển 4.4 tỷ tấn hydro mỗi giây thành năng lượng điện từ thông qua quá trình tổng hợp hạt nhân ở nhiệt độ cao hơn 10 triệu độ. Một phần nhỏ xíu của dòng năng lượng vô tận này làm sáng ban ngày của chúng ta. Tất nhiên, phương trình của Einstein cũng gợi ý rằng có thể chuyển đổi năng lượng thành khối lượng. Điều này đã được xác minh bằng những máy móc trong một số thí nghiệm phức tạp. Trong các thí nghiệm này có thể tạo ra các hạt vật chất mới bằng cách tập trung một năng lượng rất lớn vào một thể tích không gian rất nhỏ. 

Từ kilowatt-giờ (kWh) đến những thùng dầu thô 

Đơn vị đo lường là nỗi tuyệt vọng của sinh viên nhiều trường trung học, Cao đẳng, và Đại học. Có một số đơn vị phổ biến và được tất cả mọi người hiểu dễ dàng. Những đơn vị khác thì khó khăn hơn để tiêu hóa. Cái gọi là hệ thống đơn vị quốc tế (international system of units – SI) định nghĩa các đơn vị đo lường theo bảy đại lượng vật lý chính: chiều dài được đo bằng mét (m), thời gian tính bằng giây (s), khối lượng tính bằng kilogram (kg), nhiệt độ theo thang độ kelvin (K), lượng chất biểu thị theo mole (mol), dòng điện theo ampe (A), và cường độ ánh sáng theo candelas (cd).

Tất cả các đại lượng vật lý khác, nghe có vẻ kỳ lạ, nhưng đều là một sự kết hợp của bảy đơn vị đo lường cơ bản này. Một số giáo viên khoa học tàn ác muốn thấy sinh viên co rúm người lại khi được nói cho nghe rằng điện trở có liên quan đến kg, hoặc công suất nhiệt sẽ liên hệ tới mét. Nhiều sinh viên không bao giờ hiểu được điều này và mãi mãi từ bỏ sự nghiệp nghiên cứu khoa học của họ.

Như chúng ta đã dự đoán, năng lượng không phải là một khái niệm vật lý cơ bản. Điều này có vẻ kỳ quái, bởi vì, nhìn từ quan điểm rằng điện và cường độ ánh sáng, cả hai đại lượng cơ bản này đều có vẻ như là bậc cao hơn của năng lượng, nhưng sự thực là như thế đó, các bạn.

Chúng ta đã tuyên bố rằng công (work) có thể được thực hiện như là sản phẩm của lực (force) nhân với khoảng cách (chiều dài – length). Độ lớn của các thông số vật lý được chỉ ra trong dấu ngoặc vuông ta có:

[công] = [lực] × [chiều dài]

Đến lượt mình, lực tác động là một tham số có nguồn gốc từ phương trình tiếp theo; đó là, lực có thể được thể hiện như là khối lượng (mass) nhân với chiều dài chia cho bình phương thời gian (time):*

[lực] = [khối lượng] × [chiều dài] / [thời gian]²

Theo đó, công thực hiện – hay là, năng lượng, đại diện cho định lượng của nó – có các kích thước vật lý sau đây:

[công] = [năng lượng] = [khối lượng] × [chiều dài]² / [thời gian]²

Tuy vậy, không ai có thể vui mừng sử dụng một đơn vị đo lường xoắn xuýt như là kg-m²/s² để thể hiện một số định lượng năng lượng. May mắn thay, các đơn vị mới đã được áp dụng cho các kích thước vật lý đa chiều từ các thông số cơ bản, thường được đặt theo tên của các nhà khoa học nổi tiếng trong quá khứ. Ví dụ, trong trường hợp của năng lượng đã được quyết định rằng đơn vị kg-m²/s² có thể được gọi đơn giản là một jun (joule), và sẽ được đại diện bởi chữ cái in hoa J.

Ngược lại, watt (ký hiệu là W) là đơn vị của công suất (power) : 1 watt bằng 1 jun trong 1 giây (W = J/s). Sự lựa chọn để tôn vinh Joule và Watt chắc chắn là rất thích hợp, khi xem xét đến sự đóng góp của hai nhà khoa học Anh cho sự tiến bộ của kiến thức trong lĩnh vực năng lượng.

Thật không may, jun là một đơn vị rất nhỏ của phép đo năng lượng. Một trường hợp nhỏ – như là một con chuột tiêu thụ khoảng 50 000 J mỗi ngày để sống sót. Bình xăng của một xe hơi loại nhỡ chứa tới hơn một tỷ jun năng lượng. Do đó, để thuận tiện chúng ta sử dụng các đơn vị năng lượng với bội số lớn hơn nhiều. Trong số các đơn vị bội phổ biến nhất là kilocalo sử dụng để đo nhiệt và kilowatt-giờ (kWh) để đo năng lượng điện.

Sự biên soạn cân đối năng lượng trên thế giới thường sử dụng các đơn vị đo lường khác mà chúng không liên quan nghiêm ngặt đến các đại lượng vật lý của năng lượng, được tổng hợp trong Bảng 2.

Bảng 2: Một số đơn vị năng lượng thường dùng thực tế.

Các đơn vị khác cũng thường được sử dụng là khối lượng hoặc thể tích của nhiên liệu hóa thạch, bởi chúng có liên quan nhất định đến hàm lượng năng lượng. Đơn vị thông dụng nhất là toe (tonne of oil equivalent – tương đương với một tấn dầu), đại diện cho năng lượng nhiệt được tạo thành bằng cách đốt cháy hoàn toàn một tấn dầu; tiểu bội của đơn vị này cũng được sử dụng tương đương với 1 kg dầu (kilogram of oil equivalent – kgoe). Đơn vị các thùng dầu tương đương (barrel of oil equivalent – boe) cũng được sử dụng rất phổ biến, tương ứng với năng lượng phát ra từ quá trình đốt cháy 159 lít dầu thô (khoảng 130 kg).

Lượng năng lượng liên quan trong các quá trình tự nhiên và nhân tạo có thể khác nhau vô cùng. Ví dụ, đối với một con bọ chét khi nhảy đòi hỏi một phần trăm triệu của một jun; một cơn bão nhiệt đới phát triển một năng lượng tương đương với hàng chục tỷ tỷ jun.

Vì vậy, nếu chúng ta muốn duy trì cùng một đơn vị đo lường cho bất cứ hiện tượng năng lượng nào, tốt hơn hết là sử dụng các tiền tố thông thường cho bội và tiểu bội của đơn vị được biểu diễn trong Bảng 3, nhằm tránh gánh nặng của quá nhiều chữ số không.

Bảng 3: Kí hiệu và tiền tố của bội và tiểu bội.

Từ liên kết hóa học đến sóng thần Tsunami

Bây giờ chúng ta hãy có chuyến đi ngắn về quy mô năng lượng, bắt đầu từ hai thực thể vi mô có thể đã không xuất hiện một cách đáng chú ý lúc đầu, nhưng trong thực tế duy trì các kho tàng của năng lượng nhiên liệu hóa thạch. Chúng tôi đang đề cập đến các liên kết hóa học giữa hai nguyên tử carbon (C – C) và giữa một nguyên tử carbon và một nguyên tử hydro (C – H). Mỗi liên kết có chứa khoảng 0.7 phần tỷ của một phần tỷ của một jun, đó là, 0.7 attojun (hoặc có thể viết tắt là 0.7 aJ).

Đây là sự thay đổi nhỏ trong “đồng tiền” của các sự kiện mà các nền văn minh công nghiệp, thời đại kỹ thuật số, và nền kinh tế toàn cầu hóa, hay nói ngắn gọn là xã hội hiện đại, dựa vào. Thật không may, để có được “số tiền” này, mà quá thường xuyên chúng quyết định ý nghĩa giá của đồng tiền kinh tế, đã có khi con người không ngần ngại phải nhờ đến chiến tranh.

Nhấn một phím trên bàn phím của máy tính tiêu thụ 20 phần nghìn của một jun (20 mJ). Một người lớn ăn trung bình 10 triệu jun (10 MJ) mỗi ngày. Một kg than chất lượng tốt chứa khoảng 30 triệu jun năng lượng, đó là, 30 megajun (30 MJ).

Tiêu thụ trên thế giới hàng năm của năng lượng sơ cấp hiện nay là khoảng 510 tỷ tỷ jun, đó được gọi là 510 esajun (510 EJ). Bốn phần năm trong số này, hay là khoảng 410 EJ, được khai thác từ nhiên liệu hóa thạch. Quả bom hydro lớn nhất được thử nghiệm cho đến nay đã phát ra 240 triệu tỷ jun (240 PJ), một năng lượng lớn hơn quả bom đã thả xuống Hiroshima (84 tỉ jun, 84 TJ) 3000 lần.

Mỗi năm trái đất nhận từ mặt trời 5.5 triệu tỷ tỷ jun (5 500 000 EJ) năng lượng ánh sáng; khoảng 2000 EJ được chuyển đổi thành sinh khối mới thông qua quá trình quang hợp. Tại thời điểm này, cũng khá thú vị để liệt kê ngắn gọn công suất trong một số hiện tượng, đó là lượng năng lượng trên mỗi đơn vị thời gian. Ví dụ, một bóng đèn sợi đốt truyền thống hấp thụ 60 W. Một máy giặt hoạt động ở 60°C đòi hỏi khoảng 800 W. Động cơ của một chiếc xe Ferrari Công thức 1 có thể phát ra 550 000 watt (550 kW). Bốn động cơ của một chiếc Boeing 747 máy bay phản lực khổng lồ xuyên lục địa sản xuất 80 triệu watt (80 MW) khi cất cánh. Để so sánh, một cơn bão dữ dội phát ra khoảng 100 tỉ watt (100 GW).

Lượng năng lượng trung bình được tiêu thụ mỗi giây trên quy mô toàn cầu vào khoảng 16 nghìn tỷ watt (16 TW), con số này thu được bằng cách chia năng lượng toàn cầu hàng năm tiêu thụ (510 EJ) cho số giây trong một năm (khoảng 31.5 triệu giây). Một vụ phun trào núi lửa có thể giải ngân 100 nghìn tỷ watt (100 TW). Một trận động đất cường độ 8 độ Richter phát hành 1.6 triệu tỷ watt (1.6 PW) và có thể tạo ra sóng khổng lồ dâng lên từ đại dương, từ đó tạo thành sóng thần (tsunamis) có thể mang đến cái chết và phá hủy vào đất liền. Những con số này cung cấp cho bạn một ý tưởng thô về sức mạnh to lớn vĩ đại của thiên nhiên và sự tôn trọng thiên nhiên, do đó, xứng đáng được nhận từ nhân loại.

 

Chú thích của tác giả:

* Định luật nổi tiếng của Newton F = ma cho thấy rằng lực được tính bằng khối lượng nhân với gia tốc, đó là một sự thay đổi trong vận tốc (được định nghĩa là chiều dài chia cho thời gian) trong mỗi đơn vị thời gian.

Hết Chương 1.

Người dịch: Phạm Thu Hường

 

© copyright Zanichelli and Wiley-VCH

Permission granted for translating into Vietnamese and publishing solely on dotchuoinon.com for non-commercial purposes.