Energie

De la Capisci

În fizică, energia este mărimea scalară care descrie cantitatea de lucru mecanic ce poate fi efectuat de o forţă, într-un context bine determinat. E o definiţie corectă, însă dacă aţi citit articolul despre lucru mecanic aţi observat probabil că definiţiile depind în mod circular una de cealaltă: lucrul mecanic este cantitatea de energie transferată, iar energia este cantitatea de lucru mecanic ce poate fi efectuat. Hai să explorăm conceptul de energie ca să punem lucrurile în context.

De la şuncă la Einstein

Din fericire lucrurile sunt destul de intuitive în privinţa conceptulu general de energie datorită cazului particular al corpului nostru. De câte ori nu aţi auzit expresia „mă opresc, nu mai am energie să continui!”^[1] Dacă ne uităm la corpul uman ca la o cutie neagră, observăm că introducem în el combustibil şi obţinem lucru mecanic – ce este mâncarea dacă nu combustibil? Dacă încetăm să introducem combustibil, corpul se transformă, folosindu-şi rezervele pentru a efectua lucru – acesta este motivul pentru care mâncăm mai puţin şi facem mai multă mişcare dacă dorim să slăbim. Dacă ducem lucrurile la extrem, în lipsa completă a combustibilului corpul încetează să mai efectueze lucru mecanic – chiar şi procesele fiziologice de bază încetează, iar organismul moare.

Putem astfel să observăm partea interesantă a unui sistem în raport cu energia: primim un combustibil, îl procesăm într-un fel sau altul, obţinem energie şi apoi o cheltuim – sau dacă nu avem pe ce să o cheltuim o stocăm, îngrăşându-ne. Chiar din aceste câteva consideraţii elementare putem constata câteva proprietăţi interesante ale energiei. În primul rând, se dovedeşte că scopul energiei este acela de a fi utilizată – nu foloseşte nimănui să ştim că un combustibil sau un sistem conţine o cantitate oarecare de energie dacă aceasta nu poate fi transferată într-un sistem care să o poată utiliza – de exemplu ştim că Soarele produce cantiăţi inimaginabile de energie^[2], dar nu putem exploata în mod direct decât o fracţiune nesemnificativă din aceasta.^[3]

În al doilea rând observăm că energia neutilizată de organism este stocată, ceea ce în contextul civilizaţiei moderne este un impediment – oare de ce este stocată şi nu distrusă? Distrusă nu poate fi, conform legii conservării energiei. Organismul o stochează din motive evoluţioniste (de-a lungul evoluţiei noastre hrana a fost abundentă numai de-a lungul unei perioade insignifiante), însă hai să ne gândim ce ar putea face din punct de vedere teoretic pentru a evita stocarea ei. Din punct de vedere teoretic ar putea exista câteva strategii distincte:

• Creierul ar putea înceta să ceară alimente atunci când nu sunt strict necesare;
• Chiar dacă ar fi introduse în organism, alimentele în exces ar putea străbate sistemul digestiv fără a fi procesate;
• Chiar dacă alimentele în exces ar fi procesate, energia rezultată ar putea fi folosită cu unicul scop de a o elimina din sistem, de exemplu prin transformări chimice şi producerea de lucru mecanic lipsit de sens practic sau prin radiaţie termică.^[4]

A treia concluzie interesantă din analiza noastră este că energia poate fi stocată, transformată, transferată şi utilizată în forme foarte diverse. Există energie în alimente, există energie stocată în corpul nostru, există energie şi în Soare şi în hidrogen şi în benzină şi aşa mai departe. O putem transforma şi transfera în cele mai diverse moduri – indiferent dacă ardem combustibil, ardem grăsimi, dăm la pedale, ne încălzim, transpirăm, facem muşchi sau ne întărim oasele, toate aceste procese sunt în ultimă instanţă transferuri şi transformări ale energiei dintr-un sistem în altul sau dintr-o formă în alta. Prin urmare ceea ce numim noi „utilizare” a energiei nu este decât un termen convenabil pentru a indica anumite transformări ale energiei pe care le găsim dezirabile, dar ele nu sunt de fapt cu nimic diferite de toate celelalte forme de transformare şi transferare a energiei.

În fine, a patra concluzie este faptul că energia este o chestie tare abstractă. Alimente, organisme^[5], hidrogen, benzină, grăsimi, ba chiar viteza şi poziţia pot fi privite ca forme stocare a energiei. Pe de altă parte energia poate fi cheltuită într-o mulţime de feluri – transformări chimice, transformări mecanice, căldură, lumină, producţia de energie electrică şi aşa mai departe. În plus toate sunt interschimbabile şi convertibile dintr-una în alta: energia eoliană poate fi transformată în energie electrică ce poate alimenta un ventilator; un organism se poate transforma într-un aliment care hrăneşte alt organism, care se poate transforma în combustibil fosil, care se poate transforma în energie electrică într-o centrală electrică ce se poate transforma în energie termică într-un calorifer electric şi aşa mai departe la nesfârşit.

Această a patra concluzie a fost dusă la extrem de Albert Einstein, în faimoasa ecuaţie E=mc², al cărei înţeles este că masa însăşi este o formă de energie. Într-adevăr, de fiecare dată când extragem energie dintr-un combustibil, masa produselor secundare rezultate este mai mică decât masa combustibilului însuşi – gândiţi-vă de exemplu la benzina care se transformă în gaze. Acest concept poate fi privit şi sub un alt unghi: un proces de extragere a energiei dintr-un combustibil eliberează cu atât mai multă energie cu cât produsele secundare au masă mai mică în raport cu masa combustibilului consumat.^[6] Prin urmare cea mai mare cantitate de energie care poate fi extrasă dintr-un combustibil ar fi cea obţinută prin transformarea întregii cantităţi de combustibil în energie – practic întreaga cantitate de combustibil ar dispărea complet! Oare ar putea exista un astfel de proces de anihilare totală a materiei, măcar din punct de vedere teoretic? La prima vedere poate părea surprinzător, dar există: anihilarea unei particule cu antiparticula corespunzătoare duce la dispariţia amândurora şi la eliberarea întregii cantităţi de energie a ambelor particule. Poate şi mai surprinzător, şi inversul este valabil: dacă este disponibilă o cantitate suficientă de energie se pot crea din nimic perechi particulă-antiparticulă, iar energia corespunzătoare este absorbită de simpla lor apariţie.

Scurt istoric şi unităţi de măsură

Cuvântul „energie” vine din grecescul ἐνέργεια (energeia), termen folosit pentru prima dată de Aristotel în Etica Nihomahică, o lucrare despre etică în care Aristotel argumentează printre altele că fericirea depinde, pe lângă alţi factori, şi de activitate autentică (energeia) şi nu numai de premisele pasive, potenţiale, ale fericirii.^[7] În fizică, ideea de energie a traversat mai multe faze, de la o intuiţie a faptului că există un ceva imutabil în diversele transformări fizice, intuiţie care a apărut încă din antichitate, şi până la înţelegerea modernă a conceptului. De-a lungul timpului au fost identificate din ce în ce mai multe cazuri particulare de conservare a diverselor tipuri de energie; încet-încet, toate au fost unificate sub umbrela conceptului unic de energie, în contextul legii conservării acesteia. De fapt legea conservării energiei a fost probabil firul roşu care a condus dezvoltarea conceptului de energie şi a obligat fizicienii să unifice diversele forme ale energiei într-un singur concept cuprinzător – în absenţa unui numitor comun, un sistem părea că obţine diverse tipuri de energie din nimic, sau pierde energie în neant.

Independent de curiozitatea teoreticienilor, conceptul de energie a fost dintotdeauna legat de aplicaţiile practice care necesitau aprecierea cantităţii de energie asociate unui proces oarecare. Este foarte important de înţeles că oricât de abstracte par în teorie termodinamica, legile mişcării sau echilibrul forţelor, în final totul ajunge la aplicaţii practice – iar toate aplicaţiile practice se reduc în ultimă instanţă la energie. Prin urmare de-a lungul timpului studiul al energiei s-a concentrat în principal pe următoarele două direcţii:

• cum transformăm energia dintr-o formă în alta?
• cum exploatăm cât mai eficient energia aflată într-o formă oarecare?

Însă pentru a analiza aceste probleme este nevoie de o măsură comună a energiei – în lipsa ei nu ar avea sens să ne întrebăm cum transformăm ceva necunoscut în altceva necunoscut şi cu atât mai puţin am putea analiza eficienţa exploatării unei mărimi necunoscute. Însă din cauza înţelegerii treptate a energiei şi a unificării diverselor forme de energie există o sumedenie de unităţi de măsură folosite în practică pentru diverse forme de energie. Dat fiind că energia a fost prima dată înţeleasă prin prisma lucrului mecanic efectuat la nivel măsurabil cu mijloace rudimentare, probabil cea mai veche încercare de echivalare a diverselor forme de energie a fost cea a inginerilor care lucrau la motoarele cu aburi. Aceştia aveau nevoie să compare puterea pe care o dezvoltau motoarele lor cu puterea pe care o dezvoltă un număr oarecare de cai, de exemplu atunci când încercau să vândă un motor unui fermier care ştia că foloseşte doi cai ca să acţioneze pompa de apă. În mod ironic, deşi conceptul de a compara motoarele cu caii exista ca idee, părintele termenului „cal putere” a fost James Watt, al cărui nume este folosit în Sistemul Internaţional chiar pentru unitatea de putere. Însă cum puterea nu este nimic altceva decât lucrul mecanic dezvoltat de un sistem oarecare în unitatea de timp, puterea dezvoltată de un cal într-o oră este o unitate de măsură pentru energie: calul putere oră.

Calul putere oră este bun dacă vrei să compari energia unei chestii cu energia unui cal, dar de-a lungul timpului comparaţia cu numărul de cai care ar putea face o treabă a devenit irelevantă. Prin urmare diverse industrii s-au orientat de-a lungul timpului către unităţi de energie care să fie cât mai intuitive şi comode pentru calcule. Astfel, în lumea inginerilor mecanici din Imperiul Britanic cea mai comodă unitate a fost lucrul mecanic efectuat de o forţă echivalentă cu o livră pe o distanţă de un picior. Pe de altă parte pentru energia termică au inventat o unitate de măsură care se foloseşte şi astăzi la aparatele de aer condiţionat: unitatea termică britanică, BTU, echivalentă aproximativ cu cantitatea de energie necesară încălzirii unei livre de apă cu un grad Fahrenheit. Energia degajată într-o explozie este deseori echivalată în tone de trinitrotoluen (TNT), în industria alimentară se folosesc caloriile, echivalente cu energia necesară încălzirii unui gram de apă cu un grad Celsius la o atmosferă, energia electrică se măsoară uzual în kWh, iar în industria petrolieră se foloseşte energia echivalentă a unui baril de petrol.

În Sistemul Internaţional a fost adoptat joule-ul ca unitate de măsură pentru energie, în cinstea lui James Prescott Joule, fizician şi producător de bere.^[8] Joule-ul este definit în raport cu lucrul mecanic în contextul SI: 1 joule (prescurtat J) este energia eliberată (sau consumată) de o forţă de 1 newton care acţionează pe o distanţă de 1 metru. De-a lungul timpului diversele unităţi de măsură alternative şi-au găsit echivalentul în jouli, dar multe sunt în continuare folosite în mod curent în diverse industrii din cauza factorilor arbitrari de conversie în jouli – din cauza numărului de 3.600 de secunde dintr-o oră până şi conversia din kWh în J este greoaie (1 kWh = 3.600 kJ).

Cum toate calculele despre conversia diverselor forme de energie s-au făcut pe baza legii conservării energiei, găsiţi continuarea poveştii în acel articol.

Note

1. ↑ Da, este corect şi eu continui, începând cu DOOM 2 dacă nu mă înşel.
2. ↑ Soarele produce aproximativ 3,83·10²⁶ W, de vreo 20.000.000.000.000 mai multă energie decât consumă în prezent toată omenirea.
3. ↑ Tot acesta este şi motivul pentru care fuziunea nucleară (procesul prin care obţine Soarele energia) este un concept interesant pe termen lung dar deocamdată inutil din punct de vedere energetic: oamenii de ştiinţă ştiu că prin fuziune s-ar putea obţine cantităţi uriaşe de energie din substanţe rezonabil de abundente precum izotopoii hidrogenului, dar încă nu există nicio modalitate practică de a o extrage. Există totuşi un nivel foarte ridicat de interes pentru acest domeniu şi există reactoare experimentale funcţionale – singurul necaz este că energia introdusă în aceste reactoare este mai mare decât cea obţinută. Până acum, singura aplicaţie a fuziunii cu eliberare netă de energie este bomba cu hidrogen.
4. ↑ Incidental, aceasta ar fi în ultimă instanţă o strategie identică cu exerciţiul fizic – transformările chimice sunt producţia de muşchi şi oase în detrimentul excesului de grăsimi stocate în organism, lucrul mecanic este efortul depus de-a lungul exerciţiului iar radiaţia termică în exces este un produs secundar al arderilor intensive din cursul exerciţiului, radiaţie termică excesivă care obligă organismul să transpire pentru a evita supraîncălzirea.
5. ↑ Dacă privim lucrurile de la distanţă suficient de mare, a enumera alimentele separat de organisme este greşit, fiindcă alimentele sunt organisme, deşi deseori transformate într-un fel sau altul de arta culinară.
6. ↑ Aici nu vorbim de randamentul efectiv al unui sistem oarecare, deoarece randamentul este influenţat de mulţi alţi factori practici. În plus nu este vorba nici de eficienţa cu care combustibilul este utilizat – faptul că se elimină combustibil neutilizat (şi de obicei inutilizabil) este tot o particularitate a sistemului şi nu una a transformării.
7. ↑ Termenul este mult mai nuanţat în context, am ilustrat aici doar sensul general.
8. ↑ De fapt din punct de vedere cronologic a fost mai întâi producător de bere şi apoi fizician – s-a apucat serios de fizică atunci când fabrica de bere pe care o conducea a fost vândută.