Energia

Trăsnete în Oradea

La nivelul actual de cunoştinţe şi dezvoltare tehnologică, se consideră că universul care ne înconjoară există sub două forme: de substanţă (materie) şi câmp de forţe. Materia este caracterizată prin două mărimi fundamentale: masa şi energia. Masa este măsura inerţiei şi a gravitaţiei, iar energia este măsura scalară a mişcării materiei. Cuvântul energie are o răspândire foarte largă, dar, cu toate acestea, conţinutul concret al noţiunii nu este la fel de răspândit sau riguros analizat, datorită îndeosebi unor particularităţi mai subtile, caracteristice anumitor forme de transfer energetic. Cea mai generală definiţie, prezintă energia ca măsură a mişcării materiei. Această formulare, deşi corectă, prezintă inconvenientul unei exprimări mai puţin explicite, având în vedere diversitatea mare a formelor de mişcare a materiei.
Energia defineşte calitatea schimbărilor şi proceselor care au loc în univers, începând cu deplasarea în spaţiu şi terminând cu gândirea. Unitatea şi legătura formelor de mişcare a materiei, capacitatea lor de transformare reciprocă a permis măsurarea diferitelor forme ale materiei printr-o măsură comună: energia.
Energia este unul dintre cele mai importante concepte fizice descoperite de om. Înţelegerea corectă a noţiunii de energie constituie a condiţie necesară pentru analiza sistemelor energetice şi a proceselor energetice.

 Definiţii

Din punct de vedere ştiinţific, energia este o mărime care indică capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic când trece printr-o transformare din starea sa într-o altă stare aleasă ca stare de referinţă.^[1] Energia este o funcţie de stare.
Când un sistem fizic trece printr-o transformare, din starea sa în starea de referinţă, rămân în natură schimbări cu privire la poziţia sa relativă şi la proprietăţile sistemelor fizice din exteriorul lui, adică:

• schimbarea poziţiei, vitezei,
• schimbarea stării termice,
• schimbarea stării electrice, magnetice,

atât ale lui cât şi ale sistemelor din exteriorul său. Efectele asupra sistemelor externe se numesc acţiunile externe ale sistemului în cursul transformării.
Dacă acţiunile sunt exclusiv sub forma efectuării de lucru mecanic, acesta este echivalentul în lucru mecanic al acţiunilor externe. Suma echivalenţilor în lucru mecanic al tuturor acţiunilor externe care se produc când un sistem fizic trece, prin transformare, dintr-o stare dată într-o stare de referinţă este energia totală a sistemului fizic în starea dată faţă de cea de referinţă şi reflectă capacitatea sistemului de a produce lucru mecanic.
Conform legii conservării energiei, diferenţa de energie a unui sistem fizic la o transformare între două stări este independentă de calea de transformare dintre cele două stări, ea depinzând numai de cele două stări. Alegând arbitrar valoarea energiei de referinţă, energia din orice altă stare are o valoare bine determinată. Ca urmare, energia este o funcţie de starea sistemului fizic pe care o caracterizează, adică este o funcţie de potenţial. În funcţie de starea de referinţă, energia poate fi pozitivă, negativă sau nulă.
Se numeşte formă de energie fiecare termen aditiv din cea mai generală expresie a energiei totale a sistemelor fizice, care depinde exclusiv de o anumită clasă de mărimi de stare (de exemplu: mărimi mecanice, electrice, magnetice etc.).
Lucrul mecanic nu este o formă de energie, deoarece nu caracterizează sistemele fizice, ci transformările lor, respectiv interacţiunea dintre sistemele fizice în cursul transformării lor.
Căldura schimbată de un corp cu exteriorul de asemenea. nu este o formă de energie. Căldura nefiind o energie, nu se poate defini o căldură conţinută de un corp, ci doar una schimbată cu exteriorul.
Conform relaţiei dintre masă şi energie, oricărei forme de energie a unui sistem fizic îi corespunde o masă inertă a sistemului, conform relaţiei lui Einstein:

unde m este masa sistemului, iar c este viteza luminii în vid. De subliniat că masa nu este o energie, ci o mărime asociată acesteia.
Partea din energia totală a unui sistem fizic în a cărei expresie intervin dintre mărimile din cinematică doar cele care caracterizează configuraţia geometrică a corpurilor din sistem se numeşte energie potenţială. Energia potenţială depinde numai de poziţia relativă a corpurilor din sistem şi faţă de sistemele din exterior. Energia potenţială poate fi sub diferite forme: de deformare, elastică, gravitaţională, electrică etc.
Partea din energia totală a unui sistem fizic care depinde exclusiv de mărimile de stare interne se numeşte energie internă. În fizica clasică se presupune că energia internă a sistemelor fizice este susceptibilă de variaţie continuă.

 Definiţia formală din mecanică şi termodinamică

Formal, energia definită în fizica clasică, în mecanică, respectiv în termodinamică, este starea unui sistem fizic oarecare de a efectua lucru mecanic între două poziţii diferite ale respectivului sistem fizic în spaţiu. Folosind notaţiile comune în fizică, se poate scrie:

Adică lucrul mecanic (L) efectuat de un sistem oarecare este dat de integrala produsului dintre forţa (F) cu care sistemul fizic acţionează pe elementul de distanţă, care aici este reprezentat infinitezimal ca o diferenţială (ds).
La nivel integral, deoarece forţa şi deplasarea sunt mărimi vectoriale, expresia energiei ca lucrul mecanic efectuat de un sistem fizic ce acţionează cu o anumită forţă, pe o anumită distanţă, este un produs scalar a doi vectori, vectorul forţă şi vectorul deplasare.

unde prin notaţiile: |F| şi |s| se înţeleg scalarii respectivi, adică valorile numerice ale respectivelor mărimi fizice.

 Unităţi de măsură

Energia se măsoară în SI în Jouli J. Se poate scrie:
< E > = < L > = < F > x < s > = 1 N x 1 m = 1 kg x 1m x s^-2 x 1 m = 1 kg x 1m² x 1s^-2 = 1 J
Deci, 1 J este în termeni de mărimi fizice fundamentale: 1 kg x 1 m² x 1 s^-2.
Dimensional, relaţia de mai sus devine:
[ E ] = M x L ⁺² x T ^-2
Conversii în alte sisteme de unităţi:

• MKfS: 1 J = 1 / 9,80665 kgfm
• CGS: 1 J = 10⁷ erg

 Conservarea energiei

Pentru detalii, vezi: Legea conservării energiei.

Una dintre proprietăţile energiei este conservarea sa, ca parte a materiei, cu cele două forme de existenţă ale sale, substanţa şi câmpul. Prima dată o lege de coservare a fost formulată în 1778 de către Antoine Lavoisier în lucrarea Considérations Générales sur la Nature des Acides (română Consideraţii generale asupra naturii acizilor) sub forma: „În natură, nimic nu se pierde, nimic nu se câştigă, totul se transformă.”
Exemple de conservare: conservarea energiei unui pendul, conservarea energiei în cazul unei maşini termice, conservarea energiei în cazul unei explozii chimice sau nucleare etc.
Această constatare, a conservării totale a materiei, a avut nevoie de un timp îndelungat şi de mulţi gânditori, filozofi şi oameni de ştiinţă pentru a ajunge în forma sintetică cunoscută azi ca Legea conservării materiei.

 Diferite folosiri ale termenului „energie”

 Aspecte lingvistice

În sensul comun de folosire, cuvântul „energie” este un substantiv feminin, având singular şi plural (o energie, două energii). Semnificaţia cuvântului poate fi:

• forţă, vigoare, putere, tărie, capacitate de a acţiona; sau
• fermitate, decizie, hotărâre în acţiunile întreprinse.

În sensul folosit în fizică (ştiinţă, tehnică şi tehnologie), termenul este un substantiv feminin, defectiv de plural, la singular fără articolul nehotărât o. Pentru plural, se recomandă expresia forme de transfer energetic şi nu forme de energie, folosită des, dar incorect.

 Forme

În funcţie de diferite criterii, se vorbeşte despre diverse forme de transfer energetic.
Din punct de vedere al sistemul fizic căruia îi aparţine, există (exemple):

• energie hidraulică, care, la rândul ei, poate proveni din energia potenţială a căderilor de apă şi mareelor, sau din energia cinetică a valurilor;
• energie nucleară, care provine din energia nucleelor şi din care o parte poate fi eliberată prin fisiunea sau fuziunea lor;
• energie de zăcământ, care este energia internă a gazelor sub presiune acumulate deasupra zăcămintelor de ţiţei;
• energie chimică, care este dat de potenţialul electric al legăturii dintre atomii moleculelor,
• energie de deformaţie elastică, care este energia potenţială datorită atracţiei dintre atomi;
• energie gravitaţională, care este energia potenţială în câmp gravitaţional.

După sursa de provenienţă, poate fi: energie stelară, solară, a combustibililor, hidraulică, eoliană, geotermală, nucleară.
După faptul că urmează sau nu un ciclu se clasifică în:

• energie neregenerabilă, care este energia obţinută resurse epuizabile, cum sunt considerate combustibilii fosili şi cei nucleari;
• energie regenerabilă, prin care se înţelege energia obţinută de la Soare, energie considerată inepuizabilă, sub formă de energie electrică (conversie directă), termică (încălzire directă), hidraulică, eoliană, sau cea provenită din biomasă.

După modul de manifestare a energiei se vorbeşte despre energie mecanică, energie electrică, energie luminoasă.
După purtătorul de energie se vorbeşte de energie termică.

 Conversii

Diferitele forme de energie se pot converti unele în altele.

Exemple de cum se pot converti diferitele forme de energie

Din -> în	Mecanică	Termică	Electrică	Radiaţie electromagnetică	Chimică	Nucleară
Mecanică	Pârghie	Frâna cu frecare	Generator electric	Sincrotron	Reacţie chimică endotermă	Accelerator de particule
Termică	Turbină cu abur	Schimbător de căldură	Termocuplu	Corp incandescent	Furnal	Supernovă
Electrică	Motor electric	Rezistenţă electrică	Transformator electric	Diodă luminiscentă	Electroliză	Sincrotron
Radiaţie electromagnetică	Velă solară	Panou solar termic	Panou solar	Optică neliniară	Fotosinteză	Spectroscopie Mössbauer
Chimică	Muşchi	Ardere	Pilă de combustie	Licurici	Reacţie chimică
Nucleară	Radiaţie alfa	Soare	Radiaţie beta	Radiaţie Gama		Izomerie nucleară