Ciències de la Naturalesa (nivell ESO)/L'energia

En física, l'energia, (del grec ἐνέργεια, energeia) és una magnitud física que és un atribut present a qualsevol sistema físic i que es conserva a la natura. L'energia d'un sistema físic també és la seva capacitat per realitzar un treball. En el sistema internacional, es mesura en joules. S'acostuma a representar amb la lletra E.

Hi ha diferents formes d'energia que expliquen tots els fenòmens naturals, entre les quals s'inclou la cinètica, la potencial, la tèrmica, la dels sons o l'electromagnètica. Qualsevol forma d'energia pot ser transformada en una altra, però la quantitat total roman idèntica. Aquest principi, el principi de conservació de l'energia va ser postulat a inicis del segle XIX i s'aplica a un sistema aïllat. Segons el teorema de Noether la conservació de l'energia és una conseqüència del fet que les lleis de la física no canvien al llarg del temps.

Malgrat que la quantitat d'energia total no canvia al llarg del temps, el seu valor depèn del sistema de referència. Per exemple, per a un passatger assegut a un avió en moviment la seva energia cinètica serà zero en relació a l'avió, però serà diferent de zero en relació a terra.

L'energia, en general, és una quantitat abstracta que no es pot visualitzar fàcilment. En física, existeixen moltes equacions que permeten calcular quanta energia i de quin tipus conté un sistema determinat.

Actualment, gràcies a la teoria de la relativitat, sabem que l'energia es pot transformar en massa, i a l'inrevés, d'acord a la famosa equació d'Einstein: $E=mc^{2}$. Així, el principi de conservació s'aplica conjuntament a la massa i a l'energia.

Tipus d'energia

La mecànica clàssica diferencia entre energia potencial, que és una funció de la posició d'un objecte, i energia cinètica, que és una funció del moviment de l'objecte. Però aquests dos conceptes de posició i moviment són relatius a un sistema de referència. I, a més, la diferenciació entre diferents tipus d'energia no són més que un artifici que facilita fer correspondre l'energia al fenomen que es mesura (en tant que l'energia serveix per mesurar la intensitat del fenomen). Caldrà, doncs, aplicar el principi de relativitat a l'energia, i per tant, un mateix fenomen podrà ser analitzat en termes d'energia cinètica, electromagnètica, potencial, etc.

• Energia cinètica: És la que posseeix un cos per raó del seu moviment.
• Energia potencial:És la capacitat d'un cos per realitzar treball en raó de la seva posició en un camp de forces
  • Energia química: L'energia química és un tipus d'energia potencial, que es pot alliberar mitjançant el trencament o formació d'enllaços químics.
    • Energia d'ionització: La mínima necessària per ionitzar un àtom o molècula.
  • Energia elèctrica: És un tipus d'energia potencial relacionat amb la posició d'una càrrega elèctrica en un camp elèctric.
• Massa: D'acord amb la Teoria de la Relativitat, la massa i l'energia es poden intercanviar. Se sol anomenar energia atòmica o energia nuclear l'obtinguda per la fusió o la fissió dels nuclis atòmics.
• Energia electromagnètica o radiant: És l'existent en un mitjà físic, causada per ones electromagnètiques, mitjançant les quals es propaga directament sense desplaçament de la matèria.
• Energia calorífica o tèrmica: És un tipus d'energia que es transmet en forma de calor d'un cos a un altre que es troba a menys temperatura.

Energia mecànica

L'energia mecànica es manifesta de moltes formes, a grans trets es podria diferenciar entre energia elàstica potencial i energia cinètica. Tanmateix el terme energia potencia és molt genèric atès que l'energia potencial existeix en tots els camps de [força]] com el camp gravitatori, el camp electrostàtic o el camp magnètic. El terme energia potencial fa referència a la capacitat d'un cos per realitzar treball en raó de la seva posició en un camp de forces. Plantilla:AP L'energia potencial, que es pot simbolitzar com E_p, V o Φ en funció del tipus, es defineix com el treball fet per un objecte contra una força donada en canviar de posició. Si F és la força i s és el desplaçament,

$E_{\rm {p}}=-\int \mathbf {F} \cdot {\rm {d}}\mathbf {s}$

on el punt representa el producte escalar dels dos vectors.

El terme energia potencia volia indicar la idea que l'energia estava disponible per ser transferida en forma de treball, si més no, en un sistema ideal. Però això no és totalment cert per a un sistema real, però sovint és una aproximació raonable en mecànica clàssica.

L'equació general indicada més amunt pot ser simplificada en certs casos, especialment quan tractem amb la gravetat o amb les forces elàstiques.

Energia elàstica potencial

Quan una pilota cau sota la influència de la gravetat, s'accelera en la seva caiguda, la seva energia potencial inicial (deguda a la seva posició elevada) es converteix en energia cinètica. Quan la pilota impacta sobre una superfície dura es deforma, convertint l'energia cinètica en energia elàstica potencial. Quan la pilota bota i s'eleva de nou, l'energia es converteix primer en energia cinètica i després en energia potencial. La part d'energia convertida en calor a causa les deformacions inelàstiques i de la resistència de l'aire és la causa que els bots siguin cada vegada més baixos que la posició inicial.

L'energia potencial elàstica es definieix com el treball necessari per tal de comprimir (o expandir) una molla. La força F a una molla, o a qualsevol altre sistema que obeeixi la llei de Hooke, és proporcional a l'extensió o la compressió, x:

$F=-kx$

on k és la constant elàstica que depèn de cada molla ( osistema) i ens indica si la molla (o el sistema) presenta poca o molta resistència a deformar-se quan li apliquem una força. En aquest cas el treball calculat esdevé:

$E_{\rm {p,e}}={1 \over 2}kx^{2}$

només quan k és constant. La llei de Hooke és una bona aproximació per a explicar el comportament dels enllaços químics sota condicions normals, per exemple quan no són en formació o en ruptura.

Energia cinètica

Plantilla:AP L'energia cinètica, simbolitzada E_k, T o K, és el treball físic necessari per tal d'accelerar un objecte a una velocitat donada. En calcular aquest treball físic hom obtè fàcilment el següent:

$E_{\rm {k}}=\int \mathbf {F} \cdot d\mathbf {x} =\int \mathbf {v} \cdot d\mathbf {p} ={1 \over 2}mv^{2}$

A una velocitat propera a la velocitat de la llum, c, aquest treball ha de ser calculat utilitzant la transformació de Lorentz, el que porta a:

$E_{\rm {k}}=mv^{2}\left({\frac {1}{\sqrt {1-(v/c)^{2}}}}-1\right)$

Aquesta equació es redueix a la de sota a velocitats petites (comparades amb c). Un subproducte matemàtic d'aquest treball (que es veu de manera immediata a la darrera equació) és que la massa en repòs té una energia igual a:

$E_{\rm {rest}}=mc^{2}$

Aquesta energia és anomenada energia de repòs.

Energia gravitacional

La força gravitatòria prop de la superfície terrestre vara poc amb l'altitud. h, i és igual a la massa, m, multiplicada per l'acceleració de la gravetat g = 9.81 m/s². En aquest cas, l'energia potencial gravitatòria vindrà donada per:

$E_{\rm {p,g}}=mgh$

Una expressió més general per l'energia potencial deguda a la llei de la gravitació universal entre dos cossos o masses m₁ i m₂, útil en astronomia, és:

$E_{\rm {p,g}}=-G{{m_{1}m_{2}} \over {r}}$,

on r és la separació entre els dos cossos i G és la constant de la gravitació, 6,6742(10)×10⁻¹¹ m³kg⁻¹s⁻².

En aquest cas, el punt de referència és la infinita separació entre els dos cossos.

Mesura

La mesura absoluta de l'energia no és possible atès que es defineix com el treball que un sistema pot fer sobre un altre, per tant, només la transició d'un sistema d'un estat a un altre pot ser mesurada.

Els mètodes per a mesurar l'energia són sovint els utilitzats per la mesura de magnituds com la massa, la distància, la radiació, la temperatura, el temps, la càrrega elèctrica o el corrent elèctric. La tècnica més habitualment utilitzada és la calorimetria, una tècnica de la termodinàmica que relaciona la mesura de la temperatura amb un termòmetre amb la intensitat de la radiació mesurada amb un bolòmetre.

Al llarg de la història de la ciència, el valor de l'energia s'ha expressat en diferents unitats, con l'erg de l'antic sistema CGS o la caloria, però actualment la unitat acceptada del Sistema Internacional per a l'energia és el joule.

Llei de la conservació de l'energia

L'energia és subjecta a la llei de la conservació de l'energia que indica que l'energia no pot ser creada ni destruïda, només pot ser transformada.

Molts tipus d'energia, amb la gravitatòria com una excepció important, també són sotmesos a estrictes normes locals de conservació. De manera que l'energia només es pot intercanviar entre regions adjacents de l'espai, i qualsevol observador coincidirà sobre la densitat d'energia a un volum donat de l'espai. També hi ha una llei global de la conservació de l'energia que estableix que l'energia total de l'univers no canvia, el que és una conseqüència directa, un corol·lari, de la llei local de conservació. La conservació de l'energia és una conseqüència matemàtica de la simetria de translació del temps, és a dir la impossibilitat de diferenciar intervals temporals presos en diferents moments. . (Vegeu el teorema de Noether).

La llei de conservació és un principi fonamental de la física que es deriva de la simetria de translació del temps, una propietat de molts fenòmens a escala còsmica que els fan independents de la seva localització a les coordenades del temps. Ahir, avui o demà són físicament indiferenciables.

Això és així perquè l'energia és una magnitud que és una variable conjugada amb el temps. Aquesta imbricació de l'energia i el temps comporta un principi d'incertesa: és impossible de definir la quantitat exacta d'energia durant qualsevol interval definit de temps. Aquest principi d'incertesa no s'ha de confondre amb la conservació de l'energia, tot i que proporcioni uns límits matemàtics entre els que es pot definir i mesurar l'energia.

Em mecànica quàntica l'energia s'expressa a través de l'operador hamiltonià, a qualsevol escala temporal la incertesa de l'energia vindrà donada per:

$\Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}$

que té una froma similar al principi d'incertesa de Heisenberg, però no són matemàticament equivalents atès que H i t no són variables conjugades ni en mecànica clàssica ni en mecànica quàntica.

En física de partícules, aquesta desigualtat permet una comprensió qualitativa de les partícules virtuals que transporten un moment que intercanvien amb partícules reals, responsable de la creació de totes les forces fonamentals conegudes. El fotons virtuals (que són l'estat d'energia quàntica més baix dels fotons) també són els responsables de les interaccions electrostàtiques entre càrregues elèctriques (que comporten la llei de Coulomb), de la desintegració radioactiva per fissió espontània dels estats nuclears excitats, de l'efecte Casimir, de la força de van der Waals i d'altres fenòmens observables.