Enerxía

En física, a enerxía (do grego antigo ἐνέργεια enérgeia, ‘actividade’ ‘operación’; de ἐνεργóς energós, ‘forza de acción’ o ‘forza de traballo’) é todo aquilo que pode transformarse en calor, traballo mecánico (movemento) ou radiación electromagnética como a luz mediante procesos físicos. Isto pode ocorrer de xeito natural e espontáneo ou grazas a unha máquina (por exemplo motor, caldeira, refrixerador, altofalante, lámpada) ou tamén a un organismo vivo (por exemplo os músculos) etc. En rigor é un concepto fundamental, aceptado pola física sen definición.
A enerxía é unha cantidade conservada: a lei de conservación da enerxía establece que a enerxía pode converterse de forma, pero non crearse nin destruírse. A unidade de medida da enerxía no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o joule (J).
As formas de enerxía inclúen a enerxía cinética dun obxecto en movemento, a enerxía potencial almacenada por un obxecto (por exemplo, debido á súa posición nun campo), a enerxía elástica almacenada nun obxecto sólido, a enerxía química asociada ás reaccións químicas, a enerxía radiante transportada pola radiación electromagnética, a enerxía interna contida nun sistema termodinámico e a enerxía de repouso asociada á masa en repouso dun obxecto. Estas non son mutuamente excluíntes.
Todos os organismos vivos absorben e liberan enerxía constantemente. Os procesos do clima e os ecosistemas da Terra están impulsados principalmente pola enerxía radiante do sol. A industria enerxética proporciona a enerxía necesaria para o funcionamento da civilización humana, que obtén de recursos enerxéticos tales como combustibles fósiles, combustibles nucleares e enerxías renovables.
Así pois, o concepto de enerxía é un dos conceptos esenciais da física. Nado no século XIX, pódese atopar en todas as disciplinas da Física (mecánica, termodinámica, electromagnetismo, mecánica cuántica etc. ), así como noutras disciplinas, particularmente na química. Historia
A palabra enerxía deriva do grego ἐνέργεια enérgeia, romanizado energeia lit 'actividade, operación', que posiblemente aparece por primeira vez na obra de Aristóteles no século IV a. C. A diferenza da definición moderna, energeia era un concepto filosófico cualitativo, o suficientemente amplo como para incluír ideas como a felicidade e o pracer.
A finais do século XVII, Leibniz propuxo a idea da vis viva, ou forza viva, que definiu como o produto da masa dun obxecto pola súa velocidade ao cadrado; cría que a vis viva total conservábase. Para explicar a retardación debida á fricción, Leibniz teorizó que a enerxía térmica consistía no movemento aleatorio das partes constituíntes da materia, aínda que pasaría máis dun século ata que isto se aceptase de forma xeneralizada. O análogo moderno desta propiedade, a enerxía cinética, difire da vis viva só por un factor de dous.
A principios do século XVIII, Émilie du Châtelet propuxo o concepto de conservación da enerxía nas notas marxinais da súa tradución ao francés da obra de Newton “”Principia Mathematica“”, que representou a primeira formulación dunha cantidade medible conservada que era distinta do momentum e que máis tarde se denominaría "enerxía".
En 1807, Thomas Young foi posiblemente o primeiro en utilizar o termo "enerxía" en lugar de vis viva, no seu sentido moderno. Gustave-Gaspard Coriolis describiu en 1829 a enerxía cinética no seu sentido moderno, e en 1853, William Rankine acuñou o termo enerxía potencial. A lei de conservación da enerxía tamén se postulou por primeira vez a principios do século XIX, e aplícase a calquera sistema illado. Durante algúns anos discutiuse se a calor era unha substancia física, o que se denominou calórico, ou simplemente unha cantidade física, como o momento. En 1845 James Prescott Joule descubriu a relación entre o traballo mecánico e a xeración de calor.
Estes avances conduciron á teoría da conservación da enerxía, formalizada en gran medida por William Thomson (Lord Kelvin) como o campo da termodinámica. A termodinámica axudou ao rápido desenvolvemento das explicacións dos procesos químicos por parte de Rudolf Clausius, Josiah Willard Gibbs e Walther Nernst. Tamén conduciu á formulación matemática do concepto de entropía por Clausius e á introdución das leis da enerxía radiante por Josef Stefan. Segundo o teorema de Noether, a conservación da enerxía é unha consecuencia do feito de que as leis da física non cambian co tempo. Así, desde 1918, os teóricos comprenderon que a lei de conservación da enerxía é a consecuencia matemática directa da simetría traslacional da magnitude conxugada á enerxía, é dicir, o tempo. Definición científica
O concepto científico de enerxía só pode entenderse mediante a análise de dúas entidades ou sistemas físicos en interacción. Cando dous sistemas físicos interactúan entre si, prodúcense cambios en ambos os sistemas. A interacción entre sistemas físicos naturais prodúcese, segundo os resultados empíricos, sempre de forma moi regular, de modo que un cambio específico nun deles sempre vai acompañado dun cambio moi específico no outro, aínda que estes cambios poden ser de natureza moi diferente ou mesmo completamente distinta. As regularidades observadas na natureza exprésanse na ciencia mediante o establecemento das denominadas leis científicas. No que se refire á forma en que dúas entidades físicas interactúan entre si, na procura da correcta correlación entre os cambios observados nos sistemas, viuse a necesidade de establecer, para o correcto cumprimento da tarefa, non só unha, senón dúas magnitudes físicas primarias independentes, cada unha asociada a unha lei de conservación propia, leis estas inherentes a “'todos”' os sistemas físicos e que, combinadas, permiten a correcta descrición dos mesmos. Estas magnitudes físicas denomínanse enerxía e momento lineal, e as leis científicas que as rexen denomínanse, respectivamente, lei de conservación da enerxía e lei de conservación do momento lineal. Mentres que o momento é unha magnitude vectorial, a súa contraparte aquí descrita é unha magnitude escalar.
A relación existente entre a enerxía e o momento dun ente físico determinado denomínase relación de dispersión, e é vital no contexto de calquera teoría sobre a dinámica da materia e a enerxía (mecánica clásica, relatibidade, mecánica cuántica, etc. ). Na mecánica clásica, para partículas masivas, a enerxía depende do cadrado do momento E α P → 2 {\displaystyle E\alpha {\vec {P}}^{2}}; para os fotóns, a enerxía é directamente proporcional ao momento transportado por estes E α P → {\displaystyle E\alpha {\vec {P}}}. As magnitudes físicas importantes defínense a partir da relación de dispersión presentada por un ente dado, por exemplo a masa. Como as transformacións observadas nun sistema teñen naturezas moi diversas, que van desde un simple cambio nas velocidades das partículas do sistema ata un rearranxo completo das posicións espaciais das partículas que interactúan unhas con respecto ás outras e mesmo dun sistema enteiro en relación con outro, para cada transformación defínese a forma de determinar o valor da magnitude de enerxía asociada a ela, facendo esta definición sempre de maneira que os cambios observados neste caso descríbanse por unha variación de enerxía igual en módulo á determinada para as variacións de enerxía asociadas a todos os demais cambios relacionados, e de maneira que se garanta que a enerxía total dos sistemas en interacción consérvense sempre.
A enerxía asociada ao movemento dos corpos ou partículas denomínase enerxía cinética, e demóstrase que, nos casos contemplados pola física clásica, debe determinarse mediante a expresión: E c
12 m v 2 {\displaystyle E_{c}
{\frac {1}{2}}mv^{2}}. A enerxía asociada a entidades físicas que interactúan entre si debido exclusivamente ás posicións espaciais que ocupan unhas respecto doutras denominase enerxía potencial. A forma de calculala determínase de acordo coa natureza da interacción entre eles. Cando a interacción é de natureza gravitacional, por exemplo a interacción entre o satélite e a Terra, a enerxía potencial asociada recibe o nome de enerxía potencial gravitacional, e neste caso calcúlase adecuadamente mediante a expresión: E p g
− G m M T ( R T + h ) {\displaystyle E_{pg}
-G{\frac {mM_{T}}{(R_{T}+h)}}}, onde G é a constante da gravitación universal, h a altura do satélite, RT o radio da Terra, m a masa do satélite e MT a masa da Terra. Obsérvese a dependencia explícita da enerxía con respecto á posición do satélite en relación coa Terra, representada adecuadamente pola distancia (RT+h) do satélite ao centro do planeta, e coas masas da Terra e do satélite, o que reflicte o feito de que se trata dunha interacción de natureza gravitacional (onde a masa atrae á masa). Se a natureza é eléctrica, tense enerxía potencial eléctrica; se é elástica (lei de Hooke), tense enerxía potencial elástica, e así sucesivamente, definindo sempre unha forma axeitada de calcular a enerxía asociada para que sempre se cumpra a lei de conservación da enerxía, independentemente da natureza dos cambios relacionados ou dos sistemas en interacción.
No contexto da interacción entre sistemas, é fundamental falar dunha entidade física moi presente ao abordar este tema, sobre todo cando se trata de enerxía potencial: o campo. Introducido inicialmente por Michael Faraday na física, xorde como unha mera simplificación matemática xunto coa solución de problemas prácticos, pero co avance da tecnoloxía, comprobouse que o campo é en realidade máis que iso, chegando nos paradigmas modernos a gañar o posto de entidade física real. O feito empírico que leva á necesidade do concepto de campo que media a interacción entre sistemas é que, para un observador externo aos sistemas que interactúan, un cambio nun sistema non sempre vai acompañado inmediatamente polo cambio correspondente no outro sistema. Existe un lapso de tempo experimentalmente verificable e medible entre os dous cambios que obriga a revisar o concepto de acción a distancia que prevalecía nas primeiras teorías sobre as interaccións entre os entes físicos, como na gravitación universal de Newton. Se a enerxía se vincula directamente aos cambios observados no sistema, é evidente que a enerxía do primeiro sistema diminúe antes de que aumente a enerxía do segundo sistema, o que en principio violaría durante este lapso de tempo a lei de conservación da enerxía. Con todo, os resultados dos experimentos modernos demostran que esta enerxía propagase literalmente polo espazo entre os dous sistemas, estando asociada ao campo físico responsable da interacción entre eles. A velocidade á que se propaga esta enerxía no baleiro é, en realidade, calquera que sexa o referencial (inercial) adoptado, a maior velocidade admisible pola natureza para calquera entidade física, coñecida en física pola letra c. Hoxe en día, o valor desta velocidade está definido con exactitude, sendo c 299792458 metros por segundo, e as definicións de metro derívanse del.
De acordo coa paradigma moderno, a enerxía pura pode propagarse polo espazo en forma de campo, existindo como un ente físico real. Entre estes campos, sen dúbida destaca o campo electromagnético, que expresa a interacción electromagnética entre partículas con carga eléctrica. A esta enerxía pura que se propaga dáselle o nome de radiación electromagnética. A luz é unha onda electromagnética e, como tal, pode entenderse como enerxía pura en movemento. Aínda que a existencia das ondas electromagnéticas está ben establecida, os científicos aínda buscan observar ondas de campos asociados a interaccións doutra natureza; a saber, a finais de 2015, investigadores do proxecto LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) observaron "distorsións no espazo e o tempo" causadas por un par de buratos negros con 30 masas solares en proceso de fusión. Formularios
A enerxía total dun sistema pódese subdividir e clasificar en enerxía potencial, enerxía cinética ou combinacións de ambas as diversas maneiras. A enerxía cinética vén determinada polo movemento dun obxecto, ou polo movemento composto dos compoñentes do obxecto, mentres que a enerxía potencial reflicte o potencial dun obxecto para ter movemento, baseándose xeralmente na posición do obxecto dentro dun campo ou no que se almacena dentro do propio campo.
Aínda que estas dúas categorías son suficientes para describir todas as formas de enerxía, a miúdo resulta conveniente referirse a combinacións particulares de enerxía potencial e cinética como unha forma propia. Por exemplo, a suma da enerxía cinética translacional e rotacional e a enerxía potencial dentro dun sistema denominase enerxía mecánica, mentres que a enerxía nuclear refírese aos potenciais combinados dentro dun núcleo atómico, xa sexa da forza nuclear ou da forza débil, entre outros exemplos. Propiedades da enerxía
A enerxía ten algunhas propiedades que nos resultan moi útiles algunhas delas son:
A enerxía transfírese, é dicir, pode pasar duns obxectos a outros, por exemplo, unha raqueta en movemento pouse enerxía mecánica, que transfire a pelota. A transferencia de enerxía térmica ocorre entre corpos que están a distinta temperatura
A enerxía almacenase, e dicir, pódese gardar para usala mais adiante, por exemplo; as pilas e as baterías recargables almacenan enerxía. Cando suxeitamos unha randeeira estamos a almacenar enerxía. Ao soltala, esta enerxía da lugar ao movemento da randeeira
A enerxía transpórtase, e dicir, pódese trasladar duns lugares a outros, por exemplo, o combustible, e polo tanto, a súa enerxía química, transpórtase mediante camións. As vantaxes da electricidade e que se pode transportar facilmente a través de cables a lugares afastados de onde se produce.
A enerxía transfórmase, e dicir, pode cambiar dun tipo a outro, por exemplo; a enerxía química do combustible transformase en enerxía mecánica nun coche. Nos ventiladores e secadores a enerxía eléctrica transfórmase en enerxía mecánica e térmica. Formas de enerxía
Aínda que non se limita a iso, a enerxía pode entenderse como a capacidade de realizar traballo, a capacidade de pór cousas en movemento, e o movemento é algo fundamental na nosa vida cotiá. As sociedades humanas dependen cada vez máis dun elevado consumo enerxético para a súa subsistencia. Para iso, ao longo da historia desenvolvéronse diversos procesos de transformación, transporte e almacenamento de enerxía. En realidade, de acordo co expresado na primeira lei da termodinámica e os conceptos de enerxía interna e enerxía térmica, só existen, ademais da enerxía radiante pura, dúas formas de enerxía almacenadas nun sistema: a potencial e a cinética. Con todo, na vida cotiá, estas acaban recibindo nomes específicos que adoitan facer referencia explícita á natureza do sistema implicado no almacenamento ou ás plantas industriais onde se transforman. Así, tense a enerxía hidráulica como sinónimo de enerxía potencial gravitacional ou mesmo cinética almacenada nas augas dunha presa hidroeléctrica, que, como o seu nome indica, encárgase da conversión da enerxía "hidráulica" en enerxía potencial eléctrica; a enerxía nuclear para a enerxía potencial asociada á interacción nuclear forte, ou mesmo, en sentido común, á enerxía eléctrica producida en centrais termoeléctricas cuxas fontes de enerxía térmica son reactores nucleares; a enerxía eólica asociada á enerxía cinética do movemento das masas de aire (ventos); a enerxía solar asociada á radiación electromagnética procedente do Sol e a enerxía xeotérmica asociada á enerxía térmica do interior da Terra.
As civilizacións humanas dependen cada vez máis dun elevado consumo enerxético para a súa subsistencia. Para iso foron sendo desenvolvidos ao longo da historia diversos procesos de produción, transporte e almacenamentos de enerxía. As principais formas de produción de enerxía son:
Enerxía potencial
É a enerxía que un obxecto posúe debido á súa posición. Un martelo levantado, unha moa enroscada e un arco esticado dun tirador, todos posúen enerxía potencial. Esta enerxía está pronta a modificarse noutras formas de enerxía e, consecuentemente, a producir traballo: cando o martelo caer, pregará un prego; a moa, cando solta, fará andar os punteiros dun reloxo; o arco disparará unha seta. Así que ocorrer algún movemento, a enerxía potencial da fonte diminúe, en canto se modifica en enerxía do movemento (enerxía cinética). Levantar o martelo, enrolar a mola e estricar o arco fai, pola súa vez, uso da enerxía cinética e produce un gaño de enerxía potencial. Xeneralizando, canto máis alto e máis pesado un obxecto está, máis enerxía potencial terá.
A enerxía potencial adoita atribuírse ao obxecto que ocupa unha posición determinada dentro do sistema ao que pertence, como se fixo anteriormente. Non obstante, obsérvase explicitamente que a enerxía non pertence exclusivamente ao obxecto, como parece a primeira vista. De feito, almacénase no sistema como un todo, composto polo obxecto e as súas outras partes. A miúdo, non se fai ningunha referencia explícita ao resto do sistema, pero sempre aparece, se non explicitamente, polo menos adecuadamente substituída por un campo ben definido, que explica a interacción do obxecto co sistema en cuestión, mesmo que o faga implicitamente. Así é como falamos da enerxía potencial gravitacional dun avión -no campo gravitacional terrestre-, da enerxía potencial dun electrón -no campo eléctrico xerado polos polos dunha batería-, e así sucesivamente.
Unha consideración importante sobre a enerxía potencial ten que ver coa súa medición. O valor absoluto da enerxía potencial dun sistema nunha configuración dada non se pode determinar fisicamente, mesmo porque isto non tería moito sentido. O que si se pode medir fisicamente é a variación da enerxía potencial observada cando o sistema cambia a súa configuración, pasando dun estado inicial a un estado final. Nestes termos, é habitual atribuír unha enerxía potencial nula (cero) ao sistema nunha configuración espacial dada especificada inicialmente e, a continuación, medir a enerxía potencial de calquera outra configuración do sistema en relación con este estado de referencia, sendo a enerxía potencial de calquera configuración igual á enerxía que tivo que ser transferida ao sistema para levalo do estado de referencia a esta configuración final, mantendo constantes as enerxías cinéticas asociadas ás partes integrantes do sistema para que toda a enerxía entregada ao sistema se almacene integramente en forma de enerxía potencial.
Polo tanto, a enerxía potencial depende dun punto de referencia escollido ao comezo do problema, e que debe manterse ao longo de todo o problema; se non, obterase unha solución incorrecta. A enerxía potencial dunha lámpada en relación co chan dun ático é certamente diferente da enerxía potencial da mesma lámpada se o punto de referencia adoptado é o chan, ao nivel da planta baixa.
Na vida cotiá, existen diferentes tipos de enerxía potencial, das cales as máis destacadas son: elástica, gravitacional e eléctrica.
Enerxía potencial gravitacional
A enerxía potencial gravitacional entre dúas masas que poden tratarse como masas puntuais vén dada pola Teoría da gravitación universal e exprésase mediante a relación: E p g
− G m 1 m 2 r {\displaystyle E_{pg}
-G{\frac {m_{1}m_{2}}{r}}} onde m1 e m2 son as masas respectivas das partículas, r é a distancia entre elas e G é a constante gravitacional universal (cuxa función é establecer as unidades que se usarán na expresión). Nesta expresión, o sistema de referencia para o que a enerxía potencial se define como cero é o composto por masas infinitamente distantes. Dado que a forza da gravidade é sempre atractiva, a enerxía potencial para dúas masas xuntas é sempre menor que para as mesmas masas separadas: a enerxía potencial é, polo tanto, negativa para calquera par de masas separadas por unha distancia medible (non infinita).
Isaac Newton demostrou moi elegantemente, mediante o desenvolvemento do cálculo diferencial e Integral, que para interaccións como as interaccións gravitacionais e eléctricas -que dependen do inverso do cadrado da distancia- as distribucións esfericamente simétricas e homóxenas da masa ou carga eléctrica poden ser, para todos os efectos externos a elas, consideradas como se fosen partículas puntuais situadas nos centros das esferas, sendo a masa ou carga destas partículas igual á masa ou carga total presente nestas esferas. De aí o uso do radio da Terra para calcular o campo gravitatorio na súa superficie. Pola mesma razón, a Terra pode considerarse unha excelente toma de terra eléctrica. Este comportamento tamén se demostra facilmente aplicando a Lei de Gauss aos sistemas en cuestión, sendo coñecido como "teorema da cuncha".
A enerxía potencial de interacción entre dous obxectos cotiáns calquera é, debido aos pequenos valores das dúas masas involucradas, moi pequena, sendo insignificante para calquera problema práctico. A enerxía potencial gravitacional é particularmente importante cando un obxecto é moi masivo: a Terra, por exemplo. A enerxía potencial gravitacional dun obxecto "preto da superficie da Terra" é proporcional á altura (h) deste corpo, medida, como xa se explicou, en relación cun nivel de referencia previamente elixido ao que se lle atribúe unha enerxía potencial cero, sendo este agora o nivel do solo no lugar en cuestión e non o infinito, como no caso anterior. Nestes termos, a enerxía potencial dun obxecto pode calcularse mediante a expresión: E p g
p h {\displaystyle E_{pg}
ph},
onde p é o peso do obxecto, P
m. g, de aí: E p g
m g h {\displaystyle E_{pg}
mgh} Obsérvese que, aínda que as magnitudes relativas á Terra non aparecen explicitamente nesta expresión, a enerxía potencial está necesariamente asociada ao sistema Terra-obxecto e non só ao obxecto; a Terra está representada neste caso polo valor do campo de gravidade "g" existente xunto á superficie do planeta e determinado segundo a gravitación universal por: g
G M T R T 2 {\displaystyle g G{\frac {M_{T}}{R_{T}^{2}}}} Segundo os cálculos realizados, obtense para o campo xunto á superficie terrestre un valor aproximado de 9, 8 metros por segundo cadrado.
A enerxía potencial así determinada será positiva para o obxecto en puntos por encima do nivel de referencia (altura positiva) e negativa para o obxecto situado en puntos por baixo deste nivel (altura negativa).
Enerxía cinética
É posuída por calquera cousa en movemento; canto máis axiña un obxecto se move, maior a súa enerxía cinética. Alén diso, canto máis pesado é un obxecto, maior é a súa enerxía cinética (apenas cando está en movemento). As máquinas mecánicas - automóbiles, tornos, báteestacas ou calquera outras máquinas motorizadas - producen enerxía cinética, e esta especie de enerxía é moitas veces chamada de enerxía mecánica - Fórmula: Ec 1/2mV².
Enerxía química
É a enerxía que está almacenada nun átomo ou nunha molécula; reorganizando os átomos, ocorren reaccións químicas e a enerxía pode ser producida ou aproveitada. As reaccións químicas xeralmente producen tamén calor; un lume a arder é un exemplo. A enerxía química tamén pode transformarse en electricidade nunha batería e en enerxía cinética nos músculos, por exemplo.
Enerxía eléctrica
É a enerxía asociada ás cargas eléctricas en movemento. É a enerxía que se dá a un obxecto facendo pasar unha corrente eléctrica a través del ou dándolle unha carga eléctrica. É convertida en enerxía mecánica nun motor eléctrico, en enerxía calorífica nun aquecedor eléctrico ou en enerxía luminosa nunha lámpada.
Enerxía radiante
É a enerxía que pode atravesar o espazo. Inclúe a luz, as ondas de radio e os raios de calor. A calor radiante non é o mesmo que a variante de enerxía cinética chamada de «enerxía térmica», mais cando os raios de calor atinxe un obxecto fan que as súas moléculas se movan máis axiña, gañando entón enerxía térmica. Os raios de luz e de calor prodúcense tornando os obxectos tan quentes que brillan, como no caso do filamento dunha lámpada eléctrica.
Enerxía nuclear
É a enerxía producida pola mutación de átomos dentro dunha substancia; aparece sobre todo como calor, quer baixo control nun reactor nuclear quer nunha explosión dunha arma nuclear. O Sol produce o seu calor e a súa luz por reacción nuclear. Curiosamente, toda a vida na Terra depende desta enerxía e, non en tanto, perante a existencia das armas nucleares, está tamén ameazada por esta forma de enerxía.