Az exergia és az energia az oktatásban és a hétköznapokban

Joós Andrea

hallgató, ELTE TTK biológia és környezettan tanárszak

Az energia szónak kettős jelentése van. Sőt, nem is csak kettős, de nyelvészeti szempontból kettőt kell kiemelni. A szó eredetileg a görög nyelvben jelent meg, Aristoteles nevezte így a változásra, valamint az arra való képességet, és az akcióban lévő képességet. Az ő általa bevezetett szó az energeia volt. Ha a hétköznapi jelentést nézzük, egy energikus ember, vagy egy gyerek energiája mind ezt a jelentést tükrözi.

Ám a fizikában az energia mást jelent.

A newtoni mechanikában kinetikus energiáról, valamint potenciális energiáról beszélhetünk, melyek ugyan nem csak nevükben hasonlítanak az eredeti fogalomra, de már tudományosan is értelmezhetők (mv2/2 és mgh).

A mechanika energiája már összetettebb fogalom. Ideális esetben a mechanika rendszerén belül az energia megmaradó. A helyzeti energia és a mozgási energia összege a valódi folyamatokban azonban csökken, hiszen fellép a súrlódás. Természetesen kaphat más testektől energiát, ebben az esetben a folyamat folytatódik.

Az elméleti tudományok XIX-századi ugrásszerű fejlődése során az energia fogalma további eredményekkel és jelentésekkel bővült, így több fogalom is bevezetésre került. A kémia, fizika, hőtan, és az elektromossági ismeretek eredményeként megjelent a mechanikai munka után az elektromos munka és a kémiai munka fogalma is. A mechanikai és hőtani kölcsönhatások teljeskörű elméletbe illesztésével és figyelembe vételével megjelent az energiamegmaradás törvénye és egy olyan energia, ami tehát megmarad.

A fizika oktatásban ezzel az energiával dolgozunk, egy szépen kidolgozott elméleti rendszer mentén tanítjuk a diákoknak az energia fogalmát. Én azonban biológia-környezettan szakos tanárként sokszor beleütközöm abba a problémába, hogy az élő rendszerekben az energia nem egy olyan mennyiség, ami megmarad…

A XX. században az energia témakörében mégtöbb fogalom jelent meg, melyeknek a magyarázatába nem megyek bele, hiszen dolgozatomnak nem ez a fő témája. Mindenesetre a szaknyelv kiegészült egy exergiának nevezhető tényleges munkavégzőképességet leíró érték. Az entrópia és extrópia a rendezetlenség fokával van viszonyban. De minden egyes esetben lényegi kritérium, hogy a hőmérséklet álandó legyen, hiszen bizonyos összefüggések csak izotherm körülmények között igazak.

De még így sem kerülünk közelebb a problémánkhoz, mely szerint a tudomáyos és a hétköznapi felfogásban az energia két teljesen más dolgot jelent. Hiszen a fizika egyszerű, absztrakt, megmaradó energiája a hétköznapokban egy minden mennyiségében emberi, egyáltalán nem megmaradó, és sokkal könnyebben megérthető fogalom. Az emberek szempontjából az energia a munkavégző képesség, amely teljesen visszafordíthatatlan folyamatokban vesz részt, míg a fizikában ez egy reverzibilis változás.

Az exergia a rendszerből adott K környezet mellett maximálisan kinyerhető munka. Tehát az exergia az a felhasználható energia, ami rendelkezésre áll. Ha a rendszer és környezete egyensúlyba érnek, az exergia nulla lesz.

„Az exergia a rendszerből reverzibilis folyamatban kikerülő maximális munkát méri, míg az extrópia a teljesen irreverzibilis folyamatban fellép maximális entrópiatermelést”. (Martinás és Nánási 1999). Az exergia csökkenése mindig az entrópia növekedésével jár együtt, mértékegysége az energiához hasonlóan Joule.

Az energia, mint tudományos kategória, nem más, mint az anyag különböző mozgásformáinak egyik kvantitatív értékelési eszköze. A fizikában az energia legfontosabb tulajdonsága az, hogy elpusztíthatatlan, azaz az energia a termodinamika I. főtételnek, az energia megmaradási törvénynek van alárendelve. Ha a gyakorlatból indulunk ki, az energia legfontosabb tulajdonsága a munkavégző képessége. Az energia fizikai és gyakorlati értelmezése közötti különbség azon a tulajdonságán alapszik, hogy képes egyik megjelenési formájából egy másikba átalakulni. A termodinamika I. főtétele szerint minden energiafajta mennyiségi, kvantitatív szempontból egyenértékű. A különböző energiafajták viszont különböző átalakulási tulajdonságokkal rendelkeznek. Nem minden energiafajta tud átalakulni egy másik fajta energiává, azaz egymással ebből a szempontból nem azonos értékűek. Például a villamos energia egy villamos ellenálláson teljes egészében át tud alakulni hőenergiává, P = Q, fordítva viszont már nem, a hőenergiát nem lehet teljes egészében villamos energiává átalakítani. Az egyes energiafajták különböző átalakulási képessége a kvalitatív, minőségi különbözőségükről tanúskodik. Ezért kell minden energiafajtát külön meghatározni mind mennyiségi, mind minőségi szempontból. (Dr. Halász Györgyné, 2007)

Összefoglalva:

Ø Entrópia (rendezetlenség mértéke): elszigetelt nem-egyensúlyi rendszerben nem csökkenhet.

Ø Exergia (maximális munka): izoterm környezetben nem nőhet.

Ø Extrópia (rendezettség mértéke): egyensúlyi környezetben nem nőhet.

Tehát, hogyha a fogalmakat rendesen tisztázzuk, akkor a biológia órán sem lehet már gondunk az energia oktatásával. Egyszerűbben ezt úgy lehet megfogalmazni, hogy a fizika órán az energiát tanítjuk, az élet tudományában, pedig az exergiát. Ha én egy tevékeny, szívesen, könnyen és sokat munkálkodó lény vagyok, akkor rám is inkább az exergikus jelző a találó. J

Nomármost, ha a fogalmunk így tisztázva van, az emberi és társadalmi folyamatok leírásában is alkalmazhatjuk a fenti fenomenológiát. Alant egy cikkből idézek.

Mivel a természeti és az emberi tőke egymást csak kiegészítheti, a korlátlan növekedés a kimerülés akadályába ütközik. A termodinamika törvényei értelmében tehát a gazdasági növekedésnek határa van: a felhasznált források egyre kevésbé felhasználható formákká alakulnak, és maga a gazdasági folyamat is entrópikussá válik, mivel a felhasznált források alacsony entrópiájúak, míg az emberiség által létrehozott tőke magas entrópiájú. Az emberiség, mint más hasonló hő gépezetek fő fizikai problémája az energia kérdése, elvégre az emberiség az energia végős és legalacsonyabb entrópiájú forrásából, a Napból él: mert a bioszféra (mely táplálékláncainak az emberiség is alkotója) effektív bemenete nem más, mint a napsugárzás. „Az energiamegmaradás törvénye a fizika legszigorúbb könyvelője. A kiadásnak és bevételnek pontosan egyeznie kell. Ha valahol nem teljesül, biztosak lehetünk benne, hogy valamit nem vettünk figyelembe (Martinás és Nánási 1999, 479). Az entrópia a fizikai világban megtapasztalható idő irreverzibilis iránya, ökológiai értelmezésben, pedig a hasznos források és a hasznavehetetlen hulladék közötti minőségi különbség. Martinás és Nánási (1999) szerint tudatosítani kéne, hogy a Föld az extrópiamérleg által mutatott véges extrópiából adott időpontban mennyit biztosít számunkra, mert ha kevesebbet használunk fel, akkor szegényebbekké válunk a lehetőségeinknél, míg ha többet, akkor a jövőnket emésztjük fel. Ennek a tükrében túlélési stratégiának egyedül csak az ember által növelt anyagáramok szigorú csökkentése felel meg. Természetesen nincsen hulladékmentes termelés, viszont a maximális entrópiájú, azaz minimális extrópiájú hulladék nem ártalmas a környezetre, mert nem különböztethet meg tőle, azaz nem mondható szemétnek. „A hulladék extrópiája a környezeti hatások termodinamikai mértékének tekinthet ” (uo, 484). (Burjánné Botos Barbara, 2002)

A biológia és környezettan oktatásában tanári munkám során tehát a fentiekben leírtak szerint fogom oktatni a diákokat, hogy a lehető legjobban közvetítsem a tudást az érthetőség és környezettudatosság szempontjából.

Felhasznált irodalom:

v Órai jegyzet

v Burjánné Botos barbara: A fenntartható fejlődés jövő alappillére a „jövő” tükrében, 2002, geogr.elte.hu/PHD_konferencia_ELTE_2002/doktori_konferencia_anyagai_2002/burjannebotosbarbara.pdf

v Halász Györgyné Dr.1 – Kalmár Tünde: Különbözõ hõtermelõvel ellátott fûtési rendszerek exergetikai összehasonlítása I. rész Magyar Épületgépészet, LVI. évfolyam, 2007/12. szám

v Nánási, I., Martinás K. 1999. A fenntartható társadalom. In: Nánási I. (szerk.) Humánökológia. Medicina Kiadó, Budapest

v Dr. Kontra Jenõ: A geotermális energia és az exergia-szemlélet. Magyar Épületgépészet, LIV. évfolyam, 2005/12. szám