ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1
Ανάλυση της γενικής τεχνολογικής ενότητας στην οποία ανήκει το έργο.
Ενέργεια
Κάθε φυσικό σύστημα περιέχει (ή εναλλακτικά αποθηκεύει) μία ποσότητα που ονομάζεται ενέργεια. Οποιαδήποτε μορφή δράσης από τα παιδικά παιχνίδια μέχρι τη λειτουργία των μηχανών και από το μαγείρεμα τροφών μέχρι τη γραμμή παραγωγής στο εργοστάσιο προϋποθέτει κατανάλωση ενέργειας. Οι πράγματι πολυποίκιλες μορφές ενέργειας βρίσκονται πίσω από την ασύλληπτη ποικιλία των φυσικών φαινομένων. Η ενέργεια με την οποία τροφοδοτείται ο πλανήτης μας προέρχεται εξ ολοκλήρου από τον Ήλιο.
Η Ενέργεια χαρακτηρίζεται, τόσο στη θεωρία όσο και στη πράξη, περισσότερο ως μια λογιστική έννοια, που μας δίνει τη δυνατότητα να προβλέψουμε την εξέλιξη ή την κίνηση ενός συστήματος. Ορίζεται σαν το ποσό του έργου που απαιτείται προκειμένου το σύστημα να πάει από μια αρχική κατάσταση σε μια τελική. Ακριβώς πόση ενέργεια περιέχεται σε ένα σύστημα μπορεί να υπολογιστεί παίρνοντας το άθροισμα ή το ολοκλήρωμα ενός αριθμού ειδικών εξισώσεων (όπως οι
εξισώσεις Λαγκράνζ ή οι
εξισώσεις Χάμιλτον), καθεμιά από τις οποίες δίνει την ενέργεια που έχει αποθηκευτεί κατά έναν ιδιαίτερο τρόπο. Ανάλογα με τον τρόπο που έχει αποκτηθεί, ανταλλαχθεί ή αποθηκευτεί, μπορούμε να μιλήσουμε για πολλές μορφές ενέργειας:
Γενικά, η παρουσία της ενέργειας ανιχνεύεται από έναν παρατηρητή κάθε φορά που υπάρχει αλλαγή στις ιδιότητες ενός αντικειμένου ή ενός συστήματος.
Η κυριότερη ιδιότητά της είναι ότι
η συνολική ενέργεια ενός απομονωμένου (κλειστού) συστήματος είναι σταθερή, πρόταση που έχει αποδειχθεί από πλήθος πειραμάτων και χαρακτηρίζεται ως μία από τις πλέον θεμελιώδεις
αρχές διατήρησης της φυσικής.
Μέτρηση της Ενέργειας
- Κύρια μονάδα μέτρησης της Ενέργειας, Θερμότητας, Έργου στο SI είναι το τζάουλ (J),
Ισχύει J = Ν * m δηλ 1 Joule = 1 Newton * 1 Meter.
Κινητική ενέργεια
Κινητική ενέργεια, είναι η ενέργεια που έχει ένα σώμα όταν κινείται και αναφέρεται στην ικανότητά του να παράγει έργο και εξαρτάται από τους παρακάτω παράγοντες: τη μάζα και την ταχύτητα ενός κινούμενου σώματος.
Δυναμική ενέργεια
Ως
δυναμική ενέργεια ορίζεται η
ενέργεια που κατέχει ένα σώμα λόγω της θέσεως ή της κατάστασής του, είναι δηλαδή η δυνατότητα του σώματος να παράγει
έργο επειδή βρίσκεται μέσα σε κάποιο
πεδίο δυνάμεων. Συγκεκριμένα, η δυναμική ενέργεια διακρίνεται σε ενέργεια θέσεως (π.χ. ένα σώμα σε πεδίο
βαρύτητας που έχει τη δυνατότητα να κινηθεί σε χαμηλότερη θέση παράγοντας έργο) και ενέργεια μορφής η αλλιώς παραμόρφωσης, που εμφανίζεται όταν συστρέφουμε, συμπιέζουμε, τεντώνουμε ή λυγίζουμε ένα υλικό αλλάζοντας τη φυσική του μορφή (π.χ. το παραμορφωμένο ελατήριο ή λάστιχο). Στην περίπτωση αυτή, το σώμα μπορεί να παράγει έργο επανερχόμενο στη "φυσική" του μορφή..
Στην περίπτωση ενός ομογενούς δυναμικού πεδίου, δηλαδή ενός πεδίου όπου η δύναμη είναι σταθερή σε όλη την έκτασή του, η δυναμική ενέργεια ενός σώματος ορίζεται ως το γινόμενο της
δύναμης που ασκείται επάνω του επί την απόστασή του από την περιοχή του πεδίου, όπου θεωρούμε συμβατικά ότι η δυναμική ενέργεια έχει μηδενική τιμή:
Ε δυν = F . h
όπου F = δύναμη του πεδίου που ασκείται στο σώμα, h = απόσταση από το σημείο με μηδενική δυναμική ενέργεια. Εάν το πεδίο δεν είναι ομογενές, δηλαδή η δύναμη μεταβάλλεται κατά μέτρο και φορά από σημείο σε σημείο, ο παραπάνω ορισμός ισχύει μόνο τοπικά, δηλαδή μας δίνει τη μεταβολή της δυναμικής ενέργειας για μια απειροστή μετακίνηση μέσα στο πεδίο, κατά την οποία η δύναμη είναι περίπου σταθερή. Η συνολική μεταβολή της δυν. ενέργειας δίνεται από το άθροισμα τέτοιων απειροστών μετατοπίσεων (ολοκλήρωμα) μεταξύ δύο θέσεων (από τις οποίες η μία μπορεί να είναι το σημείο όπου ορίσαμε μηδενική τη δυναμική ενέργεια). Για να έχει νόημα η δυναμική ενέργεια, πρέπει ο παραπάνω υπολογισμός να μην εξαρτάται από τη διαδρομή που ακολουθήσαμε μεταξύ των δύο σημείων. Ένα δυναμικό πεδίο με την ιδιότητα αυτή ονομάζεται συντηρητικό ή διατηρητικό.
Η Κινητική και η Δυναμική ενέργεια θεωρούνται ως οι δύο μορφές της Μηχανικής ενέργειας. Κατά την κίνηση ενός σώματος ή φορτίου σε συντηρητικό πεδίο δυνάμεων, και εφόσον δεν υπάρχουν τριβές, η δυναμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια και το αντίστροφο, το άθροισμά τους όμως είναι πάντα σταθερό και ίσο με τη μηχανική ενέργεια που αρχικά είχε το σώμα.
Πυρηνική ενέργεια ή Ατομική ενέργεια
Ονομάζεται η
ενέργεια που απελευθερώνεται όταν μετασχηματίζονται ατομικοί πυρήνες. Είναι δηλαδή η
δυναμική ενέργεια που είναι εγκλεισμένη στους πυρήνες των
ατόμων λόγω της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων που τα συνιστούν. Η πυρηνική ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη
σχάση ή
σύντηξη των πυρήνων και εφόσον οι πυρηνικές αντιδράσεις είναι ελεγχόμενες (όπως συμβαίνει στην καρδιά ενός
πυρηνικού αντιδραστήρα) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καλύψει ενεργειακές ανάγκες.
Θερμική ενέργεια
Η
θερμική ενέργεια, το σύνολο δηλαδή της
κινητικής ενέργειας των σωματιδίων που συγκροτούν τα υλικά σώματα, καθώς αυτά κινούνται στο εσωτερικό τους. Με τον όρο θερμότητα εννοούμε ειδικά την
ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα υψηλής
θερμοκρασίας σε άλλο με χαμηλότερη θερμοκρασία, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η κινητική ενέργεια των σωματιδίων του. Η θερμική ενέργεια μπορεί να είναι αποτέλεσμα της ηλιακής ενέργειας.
Ηλεκτρική ενέργεια
Η ηλεκτρική ενέργεια, που αναφέρεται στην κινητική ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων (ηλεκτρικό ρεύμα), λόγω της ύπαρξης διαφοράς δυναμικού στα άκρα ενός αγωγού. Χημική ενέργεια
Η χημική ενέργεια, το σύνολο της δυναμικής ενέργειας που απαιτήθηκε για τη συγκρότηση μορίων χημικών ουσιών από διάφορα άτομα, κάτω από την αλληλεπίδραση ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων. Η χημική ενέργεια αποδίδεται συνήθως ως θερμική ή ηλεκτρική, όταν τα μόρια διασπώνται και πάλι σε άτομα ή μετασχηματίζεται στους οργανισμούς σε θερμική και κινητική, με βιολογικούς μηχανισμούς, και ονομάζεται ζωική ενέργεια.
Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας
Εκτός από τις παραπάνω μορφές υπάρχουν και οι ανανεώσιμες. Μερικές είναι:Ηλιακή ενέργεια, Αιολική ενέργεια, Γεωθερμική ενέργεια, Υδροηλεκτρική ενέργεια, Βιομάζα.
 |
| Εικ. 1 Ο Ήλιος |
|
| Ο ήλιος ήταν η πρώτη πηγή ενέργειας. Παρείχε
το φως και τη θερμότητα στους πρώτους ανθρώπους. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, οι άνθρωποι που αναζητούσαν τροφή. Δεν είχαν σπίτι. Όταν άρχισε να σκοτεινιάζει, έψαχναν για καταφύγιο. Μόλις ο ήλιος έδυε, ο κόσμος ήταν σκοτεινός κρύος και αφιλόξενος.
Το φεγγάρι και τα αστέρια έδιναν το μόνο φως. Οι άνθρωποι αγκαλιάζονταν για ζεστασιά. |
|
 |
| Εικ. 2 Ο θεός Ήλιος στο ηλιακό άρμα του, συνοδευόμενος από τον λαμπαδιφόρο Φώσφορο, τον Ερμή και άλλους. Έργο του Γιόχαν Μπαπτίστ Τσίμερμαν στο Παλάτι Νιμφεμπουρκ στην περιοχή του Μονάχου. |
|
Εικ 113 Η τιμωρία του Προμηθέα επειδή βοήθησε τους ανθρώπους δίνοντάς τους τη φωτιά που είχε κλέψει από τον Όλυμπο.
Ο άνθρωπος έβλεπε αστραπές να σχίζουν τονουρανό και να προκαλούν πυρκαγιές. Ήταν φοβισμένος και έτρεχε μαζί με τα ζώα να προφυλαχθεί απ’ αυτό το θεριό. Αλλά κάποια μέρα δεν έτρεξαν. Ίσως κάποια κρύα ημέρα αισθάνθηκαν τη θερμότητα. Ίσως παρατήρησαν ότι θα μπορούσαν να δουν τη νύχτα με την φωτιά.
Κανένας δεν ξέρει πώς συνέβη. Ένα γενναίο άτομο έφερε ένα ξύλο αναμμένο μέσα στη σπηλιά. |
|
Οι άνθρωποι άρχισαν να βάζουν ξύλα στη φωτιά για να την κρατήσουν αναμμένη. Η φωτιά τους κράτησε ζεστούς. Τους έδωσε φως και κράτησε τα επικίνδυνα ζώα μακριά τους. Για πρώτη φορά, είχαν ένα σπίτι. Δεν κοιμούνταν πλέον οπουδήποτε βρεθούν στο τέλος της ημέρας. Οι κυνηγοί επέστρεψαν «στο σπίτι τους» τη νύχτα στη φωτιά τους και την ασφάλειά τους. Τα παιδιά και οι γέροι σιγουρεύονταν ότι η φωτιά δεν θα έσβηνε μαζεύοντας και ενισχύοντάς την με ξύλα.
Αυτοί οι πρώτοι κάτοικοι των σπηλαίων δεν ήξεραν πώς να ανάψουν μια φωτιά. Εάν η φωτιά έσβηνε, έπρεπε να περιμένουν έως ότου χτυπήσει πάλι η αστραπή. Το να κρατήσουν τη φωτιά αναμμένη ήταν μια πολύ σημαντική εργασία. Είχαν την πρώτη πηγή ενέργειας που θα μπορούσαν να ελέγξουν.
Αργότερα, έμαθαν πώς ν’ ανάβουν τη φωτιά. Έτριψαν κομμάτια τσακμακόπετρας για να κάνουν σπινθήρες. Μια ημέρα, κάποιος έριξε ένα κομμάτι κρέατος στη φωτιά. Έμαθαν ότι η φωτιά θα μπορούσε να μαγειρέψει τα τρόφιμα. Το μαγειρευμένο κρέας ήταν νοστιμότερο και ευκολότερο στο μάσημα.
Χρησιμοποίησαν την φωτιά για να κάνουν ισχυρότερα εργαλεία αλλά και να συλλάβουν ζώα για τροφή. |
|
Είχαν μια πηγή ενέργειας που θα μπορούσε να κάνει πολλά πράγματα για αυτούς. |
|
Κατέστησε τη ζωή τους ευκολότερη. |
| Εικ. 113 Πρωτόγονο εργαλείο για το άναμμα της φωτιάς και την εκτέλεση τρυπανισμών (διάνοιξη οπών) |
| Όλες οι κοινωνίες χρησιμοποιούν εκείνες τις πηγές ενέργειας που ήταν διαθέσιμες στο περιβάλλον τους.
Ο ήλιος και τα δάση έδωσαν την ενέργεια τους στον άνθρωπο για πολλά χρόνια. Μόνο πριν 5.000 χρόνια οι άνθρωποι άρχισαν να χρησιμοποιούν άλλες πηγές ενέργειας. Με τη χρήση της |
Εικ. 101 Αττικό αγγείο, Βερολίνο, Staatliche Museen.
Στο εργαστήρι του χαλκοχύτη που εικονίζεται εδώ, οι τεχνίτες έχουν κρεμάσει στον τοίχο πλάι στο καμίνι του χυτηρίου τις εικόνες του Ήφαιστου κα της Αθηνάς, των προστατών τους. | μυϊκής ενέργειας, στην αρχή οι άνθρωποι άλεθαν το καλαμπόκι χρησιμοποιώντας πέτρες και ξύλινα μπαστούνια. Στη συνέχεια, έφτιαξαν τις |
μυλόπετρες, με τις οποίες μπορούσαν να αλέθουν πολύ μεγαλύτερες ποσότητες καλαμποκιού. Η τεχνική αυτή χρειάζονταν δύο πέτρες. Η επάνω πέτρα περιστρεφόταν ενώ η κάτω παρέμενε σταθερή.
Το καλαμπόκι έπεφτε μέσα από μια τρύπα στην επάνω πέτρα. Ο εξωτερικός φλοιός έφευγε και στη συνέχεια οι πέτρες άλεθαν το καλαμπόκι.
Στην αρχή, για την περιστροφή της επάνω πέτρας, χρησιμοποιήθηκε η μυϊκή δύναμη των ανθρώπων. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν τα ζώα.
Εικ. 102 Φτιαγμένη από κορμούς δέντρων
Κίνηση Μυϊκή δύναμη | 
Εικ. 103 Μελανόμορφο αγγείο στο οποίο παριστάνεται ένα από τα πρώτα ελληνικά |
| εμπορικά πλοία με χρήση πανιού. Εδώ ταξιδεύει ο θεός Διόνυσος με συνοδεία δελφινιών.540-535 π.Χ., Μουσείο Μονάχου |
Στις θάλασσες τα πλοία αποκτούν όγκο. Έτσι δεν είναι εύκολη η χρήση των κουπιών. Αρχίζει να χρησιμοποιείται η δύναμη του ανέμου. Τότε είναι που καθιερώνεται η εξαρτία με το μοναδικό τετράγωνο πανί που θα αποτελέσει το κυρίαρχο στοιχείο για τα εμπορικά καράβια του αρχαίου κόσμου. Τα κουπιά, που δεν μπορούν πια να κινήσουν τα ογκώδη και βαριά πλοία, θα χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις ανάγκης και για μανούβρες στα λιμάνια.
Πριν 2.500 χρόνια περίπου, οι άνθρωποι άρχισαν να χρησιμοποιούν τους ανεμόμυλους και τους νερόμυλους για να αλέσουν το σιτάρι. Αργότερα, αυτές οι απλές μηχανές χρησιμοποιήθηκαν για να κινήσουν πριονιστήρια και να αντλήσουν νερό από τη γη.
Κάτω Κίνηση | 
Πάνω Κίνηση |
Εικ. 104, 105 Υδροτροχοί παλαιού τύπου |
Σε περιοχές με ισχυρούς ανέμους, αναπτύχθηκαν παρόμοιες τεχνικές για την αξιοποίηση της ενέργειας του ανέμου.
Άρχισαν να χρησιμοποιούν τη δύναμη του αέρα για να κινηθούν από το ένα μέρος στο άλλο. Κατασκεύασαν βάρκες, μικρές στην αρχή, με πανιά που αιχμαλώτιζαν τη δύναμη του αέρα. Μπορούσαν να ταξιδέψουν πλέον σε νέες περιοχές. Ο αέρας ήταν η πρώτη πηγή ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε για τις μετακινήσεις του ανθρώπου.
| |
Εικ. 106 Φοινικικό πλοίο | Εικ. 107 Το ατμόπλοιο Savanah (1819) είναι το |
| πρώτο που διαπλέει τον ατλαντικό. |
Πρώτοι οι Αιγύπτιοι συνέλεξαν πετρέλαιο που επέπλεε στην επιφάνεια των λιμνών. Έκαιγαν το πετρέλαιο για φωτισμό. Αμερικανοί ινδιάνοι χρησιμοποιούσαν τον άνθρακα για να ψήσουν δοχεία αργίλου.
| Οι αρχαίοι κινέζοι χρησιμοποίησαν το φυσικό αέριο για να θερμάνουν το νερό της θάλασσας και να παράγουν αλάτι. Διοχέτευαν το αέριο με σωλήνες από ρηχά φρεάτια.
Το ίδιο χρονικό διάστημα, οι άνθρωποι άρχισαν να χρησιμοποιούν τη γεωθερμική ενέργεια. Διοχέτευαν με σωλήνες το καυτό νερό από τις ζεστές πηγές στα σπίτια τους και το |
Εικ. 108 Αυτή η ιστορική ζωγραφιά απεικονίζει ιθαγενείς Αμερικάνους να χρησιμοποιούν ζεστές πηγές στην Καλιφόρνια.
Μερικές φυλές θεωρούσαν τις ζεστές πηγές ουδέτερο έδαφος όπου δεν επιτρεπόταν καμιά πολεμική αναμέτρηση. | χρησιμοποιούσαν για θέρμανση. Οι άνθρωποι μάθαιναν πώς να χρησιμοποιήσουν πολλές διαφορετικές πηγές ενέργειας. Αλλά μέχρι και 150 έτη πριν, ο ήλιος και το ξύλο παρείχαν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας. |
Σε πολλά μέρη του κόσμου, ακόμα σήμερα χρησιμοποιούν μόνο αυτές τις δυο πηγές ενέργειας.
Οι άνθρωποι πλέον χρησιμοποιούσαν ξύλινους υδραυλικούς τροχούς δαμάζοντας τη δύναμη του τρεχούμενου νερού. Έκαιγαν λάδι φάλαινας για φωτισμό. Τα ζώα χρησιμοποιήθηκαν στην καλλιέργεια και στη μεταφορά αγαθών.
Όσο όμως οι πόλεις μεγάλωναν οι άνθρωποι χρειάζονταν όλο και περισσότερη ενέργεια.
Το πρώτο φρεάτιο φυσικού αερίου σκάφτηκε σε 1821 στην Αμερική. Το χρησιμοποίησαν για φωτισμό στα σπίτια και στους δρόμους των πόλεων. |
Σιγά σιγά άρχισαν να σκάβουν και τα πρώτα ορυχεία άνθρακα. Άρχισε να κατασκευάζεται ο σιδηρόδρομος και χρησιμοποίησαν τον άνθρακα για να κινήσουν τα τρένα κα τα πλοία τους. Συγχρόνως, ανακαλύφθηκε το πετρέλαιο. Η πρώτη πετρελαιοπηγή σκάφτηκε το 1859. Το πετρέλαιο χρησιμοποιήθηκε για παραγωγή κηροζίνης την οποία χρησιμοποιούσαν για φωτισμό. Την παραγόμενη βενζίνη δεν μπορούσαν να τη χρησιμοποιήσουν κι έτσι την πετούσαν.
Το πρώτο αυτοκίνητο που χρησιμοποιούσε ως καύσιμο βενζίνη κατασκευάστηκε το 1892.
Στη Νέα Υόρκη, ο Thomas Edison το 1879 κατασκεύασε τις πρώτες εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για εμπορική χρήση.
| 
Εικ. 109 Η πρώτη πετρελαιοπηγή |
| |
Εικ. 110 Ο Thomas Edison στο εργαστήριό του | Εικ. 111 Η λάμπα που κατασκεύασε ο Thomas Edison |
|
|
|
Το 1882, ο σταθμός παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος του Edison έστελνε ηλεκτρική ενέργεια σε 85 κτήρια.
Στην αρχή, οι άνθρωποι φοβήθηκαν την ηλεκτρική ενέργεια. Δεν ήθελαν ν’ αφήσουν τα παιδιά τους κοντά σε αναμμένες λάμπες.
Σήμερα, η ηλεκτρική ενέργεια έχει μπει για τα καλά στη ζωή μας. Χρησιμοποιούμε όλο και πιο πολλή κάθε χρόνο.
