Recursos energètics/Concepte

Concepte

---

Contraportada         Transformacions

---

del llibre Recursos energètics

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.

Planta electrica de Kyrgyz

Concepte

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. Un dels principis de la física clàssica és el de la conservació de l'energia, postulat a principis del segle XIX. Segons el Teorema de Noether, el principi de la conservació de l'energia és una conseqüència del fet que les lleis físiques no canvien al llarg del temps. Però tot i que l'energia total d'un sistema no canvia amb el temps, el seu valor depèn del sistema de referència, per exemple, un passatger assegut a un avió en moviment té un valor zero d'energia cinètica en relació a l'avió, però no serà zero respecte al terra. 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 = mc2. Així, el principi de conservació s'aplica conjuntament a la massa i a l'energia. L'energia d'un sistema determina la quantitat de treball físic que pot fer. En el cas més senzill, l'aplicació d'una força a través d'una distància uni-dimensional, l'energia necessària és $E=\int f(x)\,dx$ , essent f(x) la quantitat de força que cal aplicar en cada punt. A la pràctica, normalment no es pot utilitzar fàcilment tota l'energia emmagatzemada en un sistema per produir treball

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 nuclear o fissió nuclear 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 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

Centre elèctric Riverside

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 camp de la física de força com el camp gravitatori, el Potencial elèctric o el camp magnètic. El terme energia potencial fa referència a la capacitat d'un cos per realitzar treball físic en raó de la seva posició en un camp de forces.La energía potencial la considerem com la suma de les energies potencial gravitatoria y potencial elástica, per tant:

$Ep=Epg+Epe$

El terme energia potencia volia indicar la idea de què 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.

Energia elàstica potencial

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

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.

Energia d'ionització

L'energia d'ionització o potencial d'ionització és l'energia necessària que s'ha de comunicar a un àtom neutre, en estat fonamental i gasos per extreure'n un electró de la seva última capa. Aquesta energia es mesura en joules. La facilitat amb què es pot separar un electró d'un àtom es mesura per la seva energia d'ionització. L'energia que es necessita per arrencar l'electró més dèbil unit a l'àtom neutre en estat gasós és la primera energia d'ionització, és a dir, E1.

Energia tèrmica

L'energia tèrmica dels materials (els gasos, el Plasma, els sòlids, etc) és l'energia associada amb el moviment microscòpic i aleatori de les partícules que els constitueixen. Per exemple, en el cas d'un gas monoatòmic es tracta només d'energia cinètica deguda al moviment dels àtoms del gas, mesurada en el marc de referència del centre de masses del gas. En el cas de gasos multi-atòmics també hi ha implicades l'energia de rotació i l'energia de vibració de gas. En el cas dels líquids i dels sòlids també hi ha energia potencial procedent de la interacció entre els àtoms.

La calor es defineix com una transferència (un flux) d'energia tèrmica a través d'un línia limítrof, per exemple, d'un cos calent a un de fred a través de la seva superfície de contacte. Una definició pràctica per a les petites transferències de calor és

$\Delta q=\int C_{\rm {v}}{\rm {d}}T$

on C_v és la calor específica del sistema. Aquesta definició no serà vàlida si el sistema es troba en una situació de canvi d'estat, com per exemple en el cas del gel que s'està fonent en aigua, atès que en aquests casos el sistema pot absorbir calor sense augmentar la seva temperatura. En sistemes més complexos, és preferible utilitzar el concepte d'energia interna en comptes del d'energia tèrmica.

Malgrat els problemes teòrics, la definició anterior és útil per al mesurament experimental dels canvis d'energia. En un gran nombre de situacions és possible utilitzar l'energia alliberada per un sistema per elevar la temperatura d'un altre objecte, per exemple, l'aigua que escalfa un escalfador. També és possible mesurar la quantitat d'energia elèctrica necessària per elevar la temperatura de l'objecte. La caloria va ser definida com la quantitat d'energia necessària per elevar la temperatura d'un gram d'aigua 1 º C (aproximadament 4,1855 joules).

Energia elèctrica

Es denomina energia elèctrica a la forma d'energia que resulta de l'existència d'una diferència de potencial entre dos punts, el que permet establir un corrent elèctric entre ambdós-quan se'ls posa en contacte per mitjà d'un conductor elèctric-per obtenir treball. L'energia elèctrica es pot transformar en moltes altres formes d'energia, com ara l'energia lluminosa o llum, l'energia mecànica i l'energia tèrmica. El seu ús és una de les bases de la tecnologia utilitzada per l'ésser humà en l'actualitat. L'energia elèctrica es manifesta com corrent elèctric, és a dir, com el moviment de càrregues elèctriques negatives, o electrons, a través d'un cable conductor metàl.lic com a conseqüència de la diferència de potencial que un generador estigui aplicant en els seus extrems.

Energia nuclear

Torres de refrigeració de la central nuclear de Cofrents, Espanya, expulsant vapor d'aigua.

L'energia nuclear és aquella sorgida de l'aprofitament de la capacitat d'alguns isòtops de certs elements químics per emetre energia al experimentar determinades reaccions nuclears. Una reacció nuclear és aquella en que el nucli atòmic d'un element resulta modificat, sigui alterant-se els seus nivells d'energia, passant a esdevenir un isòtop diferent, dividint-se en dos o més fragments (fissió), o bé unint-se a un segon nucli (fusió). Alguns d'aquests processos es donen espontàniament en alguns isòtops, i en ocasions poden provocar-se mitjançant tècniques com ara el bombardeig neutrònic, i en d'altres controlar-se en reactors nuclears (en el cas de la fissió i la fusió).

Energia electrostàtica

L'energia potencial electrostàtica d'una determinada configuració de càrregues es defineix com el treball termodinàmic que s'ha de fer contra la Llei de Coulomb per tal de reorganitzar les càrregues des d'una separació infinita fins a la configuració considerada (o el treball fet contra la força electrostàtica per separar les càrregues d'una configuració donada fins a l'infinit). Per a dues càrregues puntuals Q₁ i Q₂ separades per una distància r aquest treball, i l'energia potencial elèctrica, és igual a:

$E_{\rm {p,e}}={1 \over {4\pi \epsilon _{0}}}{{Q_{1}Q_{2}} \over {r}}$

On ε₀ és la permitivitat del buit 10⁷/4πc₀² o 8.854188…×10⁻¹² F/m.Si la càrrega s'acumula a un condensador de capacitància C, no es prem com a configuració de referència aquella on hi ha una separaició infinita entre les càrregues sinó aquella on són extremadament properes, de manera que hi ha una càrrega neta nul·la a cada placa del condensador. La justificació per a aquesta preferència és purament pràctica, és més fàcil mesurar la diferència de voltatge i la magnitud de la càrrega a les plaques d'un condensador a una situació de condensador descarregat, on les càrregues són molt properes de manera que els electrons i els ions es recombinen neutralitzant-se. En aquest cas el treball i l'energia potencial elèctrica vindrà determinada per:

$E_{\rm {p,e}}={{Q^{2}} \over {2C}}$

Energia del corrent elèctric

Tren amb energia electrica

Si un corrent elèctric passa a través d'una Resistència elèctrica l'energia del corrent elèctric es converteix en calor. Si el corrent passa a través d'un aparell elèctric una part de l'energia del corrent es convertirà en altres formes d'energia (una part sempre es dissiparà en forma de calor). La quantitat d'energia d'un corrent elèctric es pot expressar de diferents maneres, per exemple:

$E=UQ=UIt=Pt={{U^{2}}{t} \over {R}}={I^{2}}Rt$

on U és la Potencial elèctric|diferència de potencial elèctric (en volts), Q és la càrrega (en coulombs), I és la quantitat de corrent (en amperes), t és el temps durant el que flueix el corrent (en segons), P és la potència (en watts) i R és la resistència elèctrica (en ohms). La darrera de les expressions anteriors és especialment important per a la mesura pràctica de l'energia atès que la diferència de potencial, la resistència i el temps poden ser mesurats amb una precisió considerable.

Energia electromagnètica

L'energia electromagnètica és la quantitat d'energia emmagatzemada en una regió de l'espai que podem atribuir a la presència d'un camp electromagnètic, i que s'expressarà en funció de les intensitats de camp magnètic i camp elèctric. En un punt de l'espai la densitat d'energia electromagnètica depèn d'una suma de dos termes proporcionals al quadrat de les intensitats de camp.

L'energia continguda en un camp electromagético utilitzant unitats cgs ve donada per una suma dels quadrats dels camps elèctric i magnètic:

$E_{em}={\frac {1}{8\pi }}\int _{\mathbb {R} ^{3}}\left(\mathbf {E} ^{2}+\mathbf {B} ^{2}\right)\ dV$

En unitats del sistema internacional ve donat per:

$E_{em}={\frac {1}{2}}\int _{\mathbb {R} ^{3}}\left(\varepsilon _{0}\mathbf {E} ^{2}+{\frac {\mathbf {B} ^{2}}{\mu _{0}}}\right)\ dV$

Energia química

Un exemple de energia quimica

És aquella producte d'una combustió (qualsevol substància que crema o es "crema") i reacció en la qual es combina l'oxigen de l'aire amb la matèria del cos que crema. Durant la combustió es produeixen llum i calor. Quan les molècules es trenquen s'allibera energia química.

L'energia química és una manifestació més de l'energia. En concret, és un dels aspectes de l'energia interna d'un cos i, encara que se'n troba sempre en la matèria, només se'ns mostra quan es produeix una alteració íntima d'aquesta. A la actualitat, l'energia química és la que mou els automòbils, els vaixells i els avions i, en general, milions de màquines. Tant la combustió del carbó, de la llenya o del petroli en les màquines de vapor com la dels derivats del petroli en l'estret i reduït espai dels cilindres d'un motor d'explosió, constitueixen reaccions químiques.

El carbó i la gasolina gasificada es combinen amb l'oxigen de l'aire, reaccionen amb ell i es transformen suaument i lenta, en el cas del carbó, o instantàniament i ràpida, en el cas de la gasolina dins dels cilindres dels motors. Les mescles gasoses inflamades es dilaten considerable i ràpidament i en un instant comuniquen als pistons del motor la seva energia de translació, la seva força viva o de moviment. Si rodejarem el carbó o la llenya, la gasolina i el petroli d'una atmosfera de gas inert, per exemple nitrogen gasós, ni els primers cremarien ni els últims explotarien en els cilindres. El nitrogen no reacciona amb aquells cossos i les mescles de gasolina i nitrogen ni cremen ni exploten.

Finalment, cal esmentar la més recent i espectacular aplicació de l'energia química per aconseguir el que durant molts segles va constituir el somni de moltes persones: el viatge d'anada i tornada a l'espai exterior i a la Lluna, així com la col·locació de diferents tipus de satèl·lits artificials en determinades òrbites.

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, com 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

Aquesta llei és una de les lleis fonamentals de la física i la seva teoria es tracta que l'energia no es crea ni es destrueix, només es transforma (això implica que la massa en certes condicions es pot considerar com una forma d'energia. En general , no es tractarà aquí el problema de conservació de massa en energia ja que s'inclou la teoria de la relativitat).

La llei de conservació de l'energia afirma que:

1.-No existeix ni pot existir res capaç de generar energia.

2.-No existeix ni pot existir res capaç de fer desaparèixer l'energia.

3.-Si s'observa que la quantitat d'energia varia sempre serà possible atribuir aquesta variació a un intercanvi d'energia amb algun altre cos o amb el medi circumdant.

Enllaços externs

• Enérgeia Experiències pràctiques i interactives sobre l'energia. Museu de la Ciència i de la Tècnica de Catalunya. Pàgina dedicada a la mostra permanent que el museu terrassenc dedica a l'energia. (català)(Pàgina no trobada)
• Conservation of energie (anglès)
• La main à la pâte Recursos pedagògics relacionats amb l'energia. (francès)
• Informació sobre el concepte i els tipus de energia elèctrica (català)
• Informació de totes les energies (castellà)
• Informació de la energia quimica (castellà)
• Informació d'energia potencial (castellà)
• Diferents articles amb informació de l'energia nuclear (castellà)