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 1)

Có điều quan trọng này hãy nhớ rằng chúng ta là năng lượng.
Einstein đã dạy chúng ta điều đó. Năng lượng không tạo ra cũng không mất đi, nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.

It is important to remember that we are energy.
Einstein taught us that. Energy can neither be created nor destroyed; it justchanges form.
–Rhonda Byrne–

Bạn đang đọc một cuốn sách. Hãy nhắm mắt lại một lúc và hoàn toàn ngồi yên. Trong điều kiện này, bạn có thể nghĩ rằng bạn đang không tiêu thụ năng lượng. Nhưng, không phải vậy đâu. Bởi vì bạn còn đang thở, não của bạn đang hoạt động, trái tim của bạn đang đập và cơ thể của bạn có một nhiệt độ khác (có lẽ cao hơn) so với môi trường xung quanh. Tất cả những điều này đều tiêu tốn năng lượng – năng lượng lấy từ những gì bạn đã ăn vào bữa sáng nay hoặc bữa tối qua, nếu không thì là năng lượng rút ra chất béo dự trữ đã tích lũy trong bụng, hông của bạn, hoặc một số bộ phận khác của cơ thể.

Trong tuần bạn có thể sẽ tham gia vào một số hình thức hoạt động thể thao (chạy bộ, bơi lội…), và có thể bạn sẽ trải nghiệm một cảm giác tuyệt vời về sự khỏe mạnh thân thể. Nỗ lực thực hiện các hoạt động đó kích thích việc tạo ra các chất endorphins và thông qua các đường truyền nơ-ron thần kinh mà tạo ra niềm vui. Tuy nhiên, sau một buổi bơi lội thú vị mức năng lượng của bạn sẽ thấp đi đáng kể so với trước khi bơi. Đừng tin một phút nào vào cái gọi là “sữa tắm bọt cung cấp năng lượng” sẽ sạc pin cho bạn. Trong thực tế, tốt hơn là bạn sẽ có một bữa ăn nhẹ ở đâu đó. Nếu bạn lái xe và phải dừng lại để bơm đầy bình xăng tại các trạm, bạn có thể sẽ phàn nàn về sự tăng giá mới nhất của nhiên liệu. Và nếu bạn khát nước, bạn có khả năng sẽ mua một chai nước khoáng hoặc nước ngọt tại cửa hàng 7/11 – bạn có nhận thấy rằng một lít nước đóng chai có giá cao hơn hơn một lít xăng? Và thử nghĩ xem hơn 60% giá của nhiên liệu là cho các loại thuế gián tiếp (thuế tiêu thụ đặc biệt, thuế bán hàng, v.v… – ít nhất là ở châu Âu) và tất cả đi vào Kho bạc (trong trường hợp của nước đóng chai, Chính phủ chỉ lấy khoảng 4 – 5% …). Thật không may, chúng ta ít khi chú ý đến các khoản thuế ẩn, và vì vậy chúng ta có xu hướng không phàn nàn – mà dù sao thì có thay đổi được gì không nếu chúng ta làm thế?

Khi trở về nhà sau một ngày làm việc vất vả, có thể sẽ là thời gian cho một bữa ăn nhẹ rất xứng đáng: có lẽ một quả chuối hoặc một quả kiwi. Nếu bạn cầm lên túi hoa quả, nhìn vào nhãn để xem nơi các loại trái cây đến từ đâu. Bạn phát hiện ra rằng chuối đến từ Costa Rica, kiwi từ New Zealand. Như vậy, để đến được trên bàn ăn của bạn, những loại trái cây đó đã phải chu du hàng ngàn dặm. Bạn ăn chúng với sự thích thú và bạn cảm thấy tốt hơn nhiều. Tiếp theo bạn sẽ bật máy tính cá nhân của bạn lên để kiểm tra e-mail hoặc truy cập vào các mạng xã hội, hoặc là lướt web.

Bạn không thể phàn nàn được. Đó đã không phải là một ngày tồi tệ, vì trong một thời gian ngắn bạn đã đạt được nhiều thứ: có thể bạn đã đọc một cuốn sách, bạn đã đi bơi, bạn đã lái xe đi vòng quanh, bạn đã có một bữa ăn nhẹ, hoặc có thể bạn chỉ nằm dài không làm gì nhà. Có thể bạn đã không để ý đến nó, nhưng tất cả điều này đã được thực hiện nhờ vào sự sẵn sàng của một năng lượng khổng lồ: ví dụ, năng lượng của các tế bào trong cơ thể, năng lượng từ lò hơi, năng lượng từ bình xăng của chiếc xe, năng lượng các tàu thuyền đã băng qua các đại dương để mang đến cho bạn chuối và kiwi, và không kém phần là năng lượng điện từ các mạng lưới điện công cộng.

Nếu bây giờ bạn tự hỏi: năng lượng là gì? Có thể bạn sẽ không có ý tưởng làm thế nào để định nghĩa được về thứ tồn tại có mặt ở khắp nơi trong cuộc sống của bạn một cách rõ ràng và súc tích. Thực tế, điều đó thậm chí còn gây bối rối, bởi vì chúng ta thường chỉ muốn biết những gì tồn tại thực thể xung quanh chúng ta và có xu hướng nghi ngờ về những thứ chúng ta không biết và không thể nhìn thấy. Đừng quá căng thẳng: sự thiếu hiểu biết về năng lượng là điều phổ biến, và dễ hiểu tại sao lại như vậy. Năng lượng là một khái niệm khó nắm bắt và dường như chỉ trực giác. Khái niệm này đã rất khó khăn để định nghĩa qua hàng thiên niên kỷ, ngay cả các học giả đã đưa ra những định nghĩa mơ hồ hoặc thậm chí có khi hoàn toàn sai. Ví dụ, cuốn Bách khoa toàn thư Anh tái bản lần thứ 7 năm 1842 đã định nghĩa năng lượng là “sức mạnh, tác dụng, và hiệu quả của một thứ” (the power, virtue, and efficacy of a thing). 

Nếu chúng ta đã đến khả năng có thể hiểu được khái niệm về năng lượng là gì và những định luật và các nguyên tắc chi phối năng lượng, là chủ yếu nhờ vào những sự tìm tòi đầy đam mê và sung mãn của một nhóm nhỏ những người tò mò, từ cuối thế kỷ thứ mười tám, đã dành nhiều thời gian cho vấn đề này: những người như James Watt, Sadie Carnot, Justus von Liebig, James Joule, Rudolf Clausius, William Thompson (hay thường gọi là Lord Kelvin), Ludwig Boltzmann, Walther Nernst, và Albert Einstein.

Năng lượng và những khái niệm liên quan

Khái niệm về năng lượng không được định nghĩa trực tiếp. Trước khi chúng ta cố gắng để hiểu được năng lượng là gì, chúng ta cần phải định nghĩa một khái niệm khác trước nó: công cơ học (work). Công có thể được mô tả như việc sử dụng một lực cơ học để di chuyển một cái gì đó.  Lượng của công thực hiện phụ thuộc vào bao nhiêu lực đã được sử dụng và khoảng cách đối tượng được dịch chuyển.

Nhìn từ quan điểm toán học, công được tính toán như là lực nhân với khoảng cách (force × distance). Chúng ta thực hiện được một công nào đó khi chúng ta nâng một trọng lượng chống lại lực hấp dẫn, chẳng hạn như, ví dụ, nâng một thùng táo. Độ lớn của công thực hiện phụ thuộc vào khối lượng được chuyển (bao nhiêu quả táo đang có trong thùng?), độ lớn của lực hấp dẫn (phụ thuộc chúng ta đang ở trên trái đất hay trên mặt trăng) và độ cao mà chúng ta muốn nâng thùng táo lên: để trên bàn? hay để lên kệ ở phía trên?

Thường thì khối lượng có thể chính là cơ thể của chúng ta, ví dụ, chúng ta thực hiện công khi chúng ta leo lên cầu thang hoặc một cái thang. Bởi vì lực hấp dẫn là giống như nhau trong hai khu vực của nước Ý ví dụ như là ở Valle d’Aosta và Abruzzo, và khối lượng được chuyển là không đổi qua các năm (coi như chúng ta duy trì cân nặng của mình), sẽ cần một công lớn hơn để leo lên đến đỉnh núi Mont Blanc, 4810 mét, cao hơn là công cần để leo lên đến đỉnh núi Gran Sasso cao 2912 mét trong dãy núi Apennine của Ý.

Nếu bạn cố gắng để dịch chuyển một đối tượng (ví dụ, một chiếc SUV 4 bánh bằng tay của bạn) và bạn đã không thành công, do đó bạn đã không thực hiện được công nào cả. Trong cách nói thông thường, tuy nhiên, công có thể có những nghĩa khác. Ví dụ, cả người đưa thư và người công chứng đều thực hiện công việc. Tuy nhiên, từ quan điểm khoa học, người vận chuyển thư thực hiện nhiều công hơn công chứng viên, mặc dù bạn sẽ không trực giác nghĩ vậy từ mức sống của họ. Nhưng điều này không được quan tâm trong khoa học.

Thế còn, làm thế nào để mô tả khả năng của một hệ thống (ví dụ, một lít xăng, một sinh vật, một tảng đá rơi, một chiếc xe…) để thực hiện công? Cái gì sẽ là tham số để định lượng khả năng thực hiện công này? Chúng ta đang gần tới đích: khả năng để thực hiện công là năng lượng (energy), không nên nhầm lẫn với công suất (power), điều sẽ mô tả tốc độ mà năng lượng được truyền đi, sử dụng, hoặc chuyển đổi. Nói cách khác, công suất đề cập đến mối quan hệ toán học giữa năng lượng và thời gian: công suất = năng lượng / thời gian).

Xem xét ví dụ, hai vận động viên điền kinh với khối lượng cơ thể giống nhau cùng cạnh tranh trong trận chung kết 100 mét tại Thế vận hội Olympic. Cả hai sẽ đều thực hiện chính xác cùng một công trong sự kiện vinh quang này; nhưng một trong hai sẽ sử dụng, chỉ cần một mảy may của công suất cao hơn, sẽ đạt được đích đầu tiên. Nỗ lực lớn hơn cho cùng một công này sẽ đủ để làm nên sự khác biệt giữa một huy chương Olympic hay là hoàn toàn bị lãng quên.

Năng lượng chuyển từ dạng này sang dạng khác 

Tại thời điểm này chúng ta có thể đi xa hơn một chút và giải phóng mình khỏi những khái niệm về công thực hiện hoàn toàn cơ học, mặc dù đôi khi chúng chỉ là như vậy (ví dụ thùng táo). Tuy nhiên, bất kỳ quá trình nào tạo ra một sự thay đổi (có thể thay đổi nhiệt độ, thành phần hóa học, tốc độ, hoặc vị trí) trong một hệ thống nhất định (một sinh vật sống, một đối tượng vô tri vô giác, một chiếc xe hơi) đều được coi là công.

Nói chung, khả năng làm việc/thực hiện công thể hiện bằng nhiều cách; những gì chúng ta định nghĩa như là các dạng năng lượng vượt xa phạm vi năng lượng cơ học mô tả ở trên. Trong sự đa dạng đó, tất cả các dạng năng lượng có một đặc điểm chung: chúng luôn là đặc trưng của một hệ thống có khả năng tác dụng lực, có thể hành động chống lại lực khác.

Chúng ta có thể dễ dàng phân biệt 7 dạng năng lượng, gần như tất cả trong số đó chúng ta có kinh nghiệm hàng ngày:

1) Năng lượng nhiệt (Thermal energy): lò sưởi làm ấm nhà của chúng ta.

2) Năng lượng hoá học (Chemical energy): khí thiên nhiên cung cấp cho bếp gas.

3) Năng lượng điện (Electrical energy): năng lượng mà làm cho các thiết bị điện làm việc.

4) Năng lượng điện từ hoặc ánh sáng (Electromagnetic energy or light): ánh sáng mặt trời làm cho cây trồng sinh trưởng trong một chiếc bình, trên ban công, hoặc trên một trang trại.

5) Động năng (Kinetic energy): năng lượng của một bát thủy tinh rơi xuống đất (bị vỡ).

6) Năng lượng hấp dẫn (Gravitational energy): Nếu bình thủy tinh rơi từ độ cao 10 cm (khoảng 4 inch), có khả năng sẽ không bị vỡ, nhưng nếu bị rơi từ trên cao 2 mét (khoảng 6.5 feet) thì sẽ không có hy vọng giữ được nguyên vẹn.

7) Năng lượng hạt nhân (Nuclear energy): năng lượng từ hạt nhân các nguyên tử: rất khó nhìn thấy – chúng ta sẽ có nhiều điều để nói về dạng năng lượng này sau.

Bảng 1: Các dạng khác nhau của năng lượng và các phương pháp để một hình thức năng lượng có thể được chuyển đổi thành dạng năng lượng khác.

(Lưu ý: không dạng năng lượng nào trong cột đầu tiên có thể được chuyển đổi thành năng lượng hạt nhân.)

Các hình thức khác nhau của năng lượng có thể được chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác, nhưng không phải luôn luôn. Ví dụ, chúng ta có thể chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua một tấm pin năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, trái với những gì thường nghĩ, chúng ta không thể chuyển đổi năng lượng hạt nhân trực tiếp thành năng lượng điện. Nhà máy điện hạt nhân là không có gì khác hơn là một ấm nước tinh vi chuyển đổi năng lượng hạt nhân thành năng lượng nhiệt, sau đó được chuyển đổi thành năng lượng cơ học và cuối cùng thành năng lượng điện.

Nếu bạn muốn có ví dụ khác về chuyển đổi năng lượng, hãy nghĩ đến một ngày bình thường và thả trí tưởng tượng của mình; bạn có thể tìm thấy một vài cảm hứng từ Bảng 1.

Hết phần 1 – Chương 1 (còn tiếp)

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.