Energia: formele ei și legea conservării pe înțeles

Energia este capacitatea unui sistem de a efectua lucru mecanic, adică de a mișca, încălzi, lumina sau transforma ceva. Se măsoară în jouli și apare sub mai multe forme: energia mișcării, energia poziției, căldura, energia legăturilor chimice, electricitatea, lumina și energia din nucleul atomilor. Cea mai importantă regulă despre ea este legea conservării: energia nu se creează din nimic și nu se pierde, ci doar trece dintr-o formă în alta.

Când mănânci, când pornești mașina sau când aprinzi lumina, faci de fapt o serie de transformări de energie. În ghidul de mai jos afli ce înseamnă fiecare formă, de ce nu există mașini care să meargă la nesfârșit, ce este randamentul, cum citești kilowații de pe factură și caloriile de pe ambalaje și de unde vine energia folosită în România.

Ce este energia

Energia este o mărime fizică ce măsoară capacitatea de a produce schimbări, iar unitatea ei în Sistemul Internațional este joule-ul (J), numit după fizicianul englez James Prescott Joule. Un joule este energia necesară pentru a ridica un măr mic, de aproximativ 100 g, la o înălțime de un metru.

Fizicienii leagă energia de lucrul mecanic: atunci când o forță deplasează un corp, ea efectuează lucru mecanic, iar energia corpului se schimbă cu exact atât. Când ridici o valiză pe dulap, lucrul făcut de mușchii tăi devine energie de poziție a valizei; când valiza cade, energia de poziție devine energie de mișcare.

O comparație utilă

Energia seamănă cu banii dintr-un sistem de conturi: se pot muta dintr-un cont în altul, se pot schimba în altă monedă, dar totalul rămâne același, dacă ții socoteala corect. Formele energiei sunt „conturile”, iar transformările sunt „transferurile”. Comparația are o limită importantă: spre deosebire de bani, energia transformată în căldură dispersată nu mai poate fi recuperată complet, așa cum vei vedea la randament.

Formele energiei

Energia apare sub mai multe forme, dar în fond toate se reduc la două mari categorii: energia mișcării și energia stocată într-o poziție sau într-o configurație. Tabelul de mai jos le adună pe cele întâlnite cel mai des.

Energia cinetică

Energia cinetică depinde de masă și, mai ales, de viteză: este egală cu jumătate din masă înmulțită cu pătratul vitezei. Dacă dublezi viteza unei mașini, energia ei de mișcare crește de patru ori; dacă o triplezi, crește de nouă ori. De aceea o coliziune la 100 km/h este mult mai gravă decât una la 50 km/h, iar distanța de frânare crește atât de repede cu viteza, cum se arată și în Legile lui Newton: mișcarea explicată cu exemple simple.

Energia potențială

Energia potențială gravitațională este energia „pusă deoparte” când ridici un corp. Depinde de masă, de înălțime și de accelerația gravitațională. O piatră pe marginea unei stânci are energie potențială; când cade, aceasta se transformă treptat în energie cinetică. Mecanismul atracției care stă la baza ei este explicat în Gravitația: de ce cad obiectele și cum se mișcă planetele.

Energia chimică și nucleară

Energia chimică este stocată în legăturile dintre atomi și se eliberează în reacții precum arderea sau digestia. Energia nucleară este stocată în legăturile mult mai puternice din nucleul atomilor și se eliberează la fisiunea nucleelor grele sau la fuziunea celor ușoare, cum se întâmplă în Soare. La aceeași masă de combustibil, reacțiile nucleare eliberează de milioane de ori mai multă energie decât cele chimice. Structura nucleului este prezentată în Atomul: din ce e făcută materia, de la protoni la quarci.

Legea conservării energiei

Legea conservării energiei spune că, într-un sistem izolat, cantitatea totală de energie rămâne constantă: energia se transformă dintr-o formă în alta, dar nu apare și nu dispare. Este una dintre cele mai bine verificate legi din toată știința, fără nicio excepție observată.

Principiul s-a conturat la mijlocul secolului al XIX-lea, prin lucrările mai multor cercetători, printre care Julius Robert Mayer, James Prescott Joule și Hermann von Helmholtz. Joule a arătat experimental că lucrul mecanic se poate transforma în căldură într-o proporție fixă: o greutate care cobora rotea niște palete într-un vas cu apă, iar apa se încălzea măsurabil.

Exemple de conservare

1. Pendulul: în punctul cel mai înalt, greutatea are doar energie potențială; în punctul cel mai jos, doar cinetică. Pendulul se oprește în timp pentru că frecarea transformă treptat energia în căldură.
2. Montagne russe: primul deal este cel mai înalt, pentru că toată energia pentru restul traseului este „încărcată” atunci. Niciun deal următor nu poate fi mai înalt fără un nou impuls.
3. Mingea care sare: fiecare săritură e mai joasă decât cea anterioară, pentru că la fiecare impact o parte din energie devine căldură și sunet.
4. Bicicleta coborând o pantă: energia potențială devine viteză, iar la frânare viteza devine căldură în plăcuțele de frână.

De ce nu există perpetuum mobile

Un perpetuum mobile ar fi o mașină care funcționează la nesfârșit fără să primească energie din exterior sau care produce mai multă energie decât primește. Legea conservării arată că primul tip este imposibil, iar faptul că orice mișcare reală produce și căldură face imposibil și al doilea tip. De aceea, orice „invenție” care promite energie gratuită fără sursă trebuie privită cu neîncredere.

Sfat: Când auzi despre un aparat „miraculos” care produce mai multă energie decât consumă, întreabă de unde vine energia. Dacă răspunsul nu indică o sursă reală, Soare, vânt, combustibil, rețea, baterie, afirmația încalcă legea conservării.

Einstein a adăugat o completare importantă: masa este și ea o formă de energie, după relația E = mc². Explicația este în Teoria relativității a lui Einstein, explicată simplu.

Transformările energiei în jurul tău

Aproape orice activitate implică un lanț de transformări de energie, iar multe dintre aceste lanțuri pornesc de la Soare. Iată câteva exemple urmărite de la sursă la folosire.

Plantele sunt primul pas al multor lanțuri: ele captează energia luminii și o stochează în zaharuri, prin procesul explicat în Fotosinteza: cum transformă plantele lumina în hrană. Cărbunele, petrolul și gazele naturale sunt, la rândul lor, energie solară stocată de plante și microorganisme acum milioane de ani.

Istoric, una dintre cele mai importante transformări controlate de om a fost cea din căldură în mișcare, realizată de mașina cu abur, care a pornit Revoluția Industrială, așa cum descrie Mașina cu abur: cum a pornit Revoluția Industrială.

Randamentul: unde „se pierde” energia

Randamentul arată ce parte din energia primită de un aparat devine energie utilă; restul nu dispare, ci se transformă în forme pe care nu le dorim, de obicei căldură. Un randament de 100% este imposibil în practică pentru orice mașină care transformă căldura în lucru mecanic.

Câteva exemple, ca ordin de mărime:

• becul cu incandescență transformă în lumină doar câteva procente din energia electrică, restul devenind căldură, motiv pentru care a fost înlocuit treptat de becurile LED, mult mai eficiente; istoria lui e povestită în Becul electric: cine l-a inventat și cum a evoluat;
• motorul pe benzină al unui autoturism transformă în mișcare, în condiții obișnuite, aproximativ o pătrime până la o treime din energia combustibilului;
• motorul electric are adesea randamente de peste 85%;
• corpul omenesc transformă în lucru mecanic doar o parte mică din energia hranei, de aceea ne încălzim când facem efort.

A doua lege a termodinamicii, pe scurt

Căldura trece de la sine doar de la corpurile mai calde la cele mai reci, niciodată invers. Pentru a răci interiorul unui frigider, trebuie consumată energie electrică. În plus, energia tinde să se împrăștie: căldura degajată de un motor se disipă în aer și nu mai poate fi adunată ușor înapoi. Fizicienii măsoară această „împrăștiere” cu o mărime numită entropie. Energia totală rămâne aceeași, dar partea ei utilizabilă scade.

Puterea și kilowatt-ora de pe factură

Puterea arată cât de repede se consumă sau se produce energie și se măsoară în wați (W): un watt înseamnă un joule pe secundă. Energia electrică din casă se măsoară, în schimb, în kilowați-oră (kWh), unitatea care apare pe factura de curent.

Un kilowatt-oră este energia consumată de un aparat cu puterea de 1.000 W care funcționează o oră. În jouli, înseamnă 3,6 milioane de jouli. Calculul consumului este simplu:

1. citește puterea aparatului pe eticheta sau în manualul lui;
2. transformă wații în kilowați, împărțind la 1.000;
3. înmulțește cu numărul de ore de funcționare.

Valorile din tabel sunt doar exemple de calcul; puterea reală a aparatelor tale este scrisă pe ele. Aparatele noi vândute în Uniunea Europeană au și o etichetă energetică, cu clase de la A la G, care te ajută să compari consumul.

Atenție: Nu confunda puterea (kW) cu energia (kWh). Un aparat de 2 kW folosit o jumătate de oră consumă 1 kWh, la fel ca un aparat de 100 W folosit zece ore.

Energia din alimente: caloria și kilojoule-ul

Energia din hrană se măsoară tradițional în kilocalorii (kcal), numite popular „calorii”, dar și în kilojouli (kJ). O kilocalorie este aproximativ 4,18 kJ. Etichetele alimentelor din Uniunea Europeană afișează valoarea energetică în ambele unități, pentru 100 g sau 100 ml de produs.

Istoric, caloria a fost definită ca energia necesară pentru a încălzi un gram de apă cu un grad Celsius. Kilocaloria este de o mie de ori mai mare. Corpul tău folosește această energie pentru a menține temperatura, pentru funcționarea organelor și pentru mișcare; diferențele dintre energia primită și cea consumată se regăsesc, în timp, în rezervele corpului.

Sursele de energie folosite în România

Sursele de energie se împart în regenerabile, care se refac natural la scară umană (apă, vânt, Soare, biomasă, căldura Pământului), și neregenerabile, ale căror rezerve se consumă (cărbune, petrol, gaze naturale, uraniu).

România are un amestec diversificat de surse pentru producția de electricitate:

• hidroenergie, din numeroase baraje, între care cel de la Porțile de Fier, pe Dunăre, și Vidraru, pe Argeș;
• energie nucleară, produsă la centrala de la Cernavodă;
• gaze naturale și cărbune, în centrale termoelectrice;
• energie eoliană, concentrată mai ales în Dobrogea, unde vântul este constant;
• energie solară, din parcuri fotovoltaice și panouri montate pe case și firme.

Ponderea fiecărei surse se schimbă de la un an la altul, în funcție de vreme, de investiții și de cerere; datele oficiale actualizate sunt publicate de autoritățile din domeniul energiei și de operatorul rețelei de transport. Indiferent de sursă, energia ajunge la tine sub formă de curent electric, despre care afli mai multe în Electricitatea: curent, tensiune și rezistență explicate. Pentru imaginea de ansamblu asupra fizicii, vezi și ghidul Fizica pe înțeles: legile care explică lumea din jur.

Recapitulare

Energia este „moneda” tuturor schimbărilor din natură. Ea apare sub formă cinetică, potențială, termică, chimică, electrică, radiantă și nucleară și trece continuu dintr-o formă în alta, fără ca totalul să se modifice. În practică, însă, la fiecare transformare o parte devine căldură greu de folosit, de aceea randamentul aparatelor contează, iar perpetuum mobile este imposibil.

De reținut:

• energia se măsoară în jouli; 1 kWh înseamnă 3,6 milioane de jouli;
• energia cinetică crește cu pătratul vitezei;
• energia nu se creează și nu dispare, doar se transformă;
• randamentul arată partea utilă; restul devine, de obicei, căldură;
• puterea (W) arată ritmul consumului, energia (kWh) arată totalul.