Kultural • Energia

Perioada pe care o traversăm, plină de mari descoperiri ale ştiinţei, este determină de două mari concepte care, practic, ne influenţează viaţa: energia şi informaţia. Dar ce anume este acel ceva pe care noi îl numim energia? Iată o întrebare care a suscitat interesul al multor oameni de ştiinţă pentru a se ajunge la concluziile de azi. Termenul derivă din limba greacă, care înseamnă „în acţiune”. Prima folosire ştiinţifică a termenului poate fi atestată în anul 1807, atunci când Thomas Young (1773-1829) , profesor de filozofia naturii, l-a utilizat în cadrul unei prelegeri la Royal Institute of Great Britain.

Cele două concepte fundamentale ale ştiinţei sunt cauzalitatea, adică influenţa unui fenomen asupra a ceea ce rezultă şi energia. Pentru a putea explica natura energiei, trebuie să înţelegem două trăsături foarte importante ale fenomenelor şi proceselor. Prima trăsătură este legată de mişcarea corpurilor în spaţiu, iar cea de-a doua este legată de natura căldurii. Esenţa mişcării, raportată la scara noastră planetară, a fost foarte bine surprinsă de Isaac Newton (1642-1727) în monumentala sa lucrare „Principia mathematica”, unde a formulat cele trei legi ale mişcării. Într-o formă simplificată, aceste legi sunt următoarele: „Un corp îşi continuă starea de mişcare uniformă în linie dreaptă, dacă asupra sa nu acţionează nici o forţă; Acceleraţia unui corp este proporţională cu forţa aplicată;  Fiecărei acţiuni i se va opune întotdeauna o reacţiune egală. Cea de-a doua lege este considerată cea mai completă dintre legi deoarece ne permite să calculăm drumul parcurs de un corp într-o regiune unde asupra lui acţionează o forţă. Pentru înţelegerea noţiunii de energie a fost necesară introducerea conceptului de „lucru mecanic”. Ori de câte ori un obiect este deplasat împotriva unei forţe spunem că se efectuează un lucru mecanic. Young , cel care a folosit prima dată termenul ştiinţific de energie, a identificat ca aceasta fiind egală cu „masa x viteza²”. El a ajuns să sugereze această formulare, luând în considerare forţa pe care o exercită un obiect în mişcare atunci când se ciocneşte cu ceva. Formula nu era riguros corectă. Eroarea a fost recunoscută în 1820, când s-a înţeles că se poate combina conceptul de lucru mecanic cu cea de-a doua lege a lui Newton şi astfel se poate determina energia care se produce prin mişcare. Ea a fost denumită energie cinetică şi are următoarea formulare: Energia cinetică = ½ x masa x viteza². Astfel spus, un corp care se deplasează cu viteză mare are energia cinetică mare, în timp ce unul care se deplasează cu viteză mică are energie cinetică mică. Să ne imaginăm un experiment prin care împingem un corp pe o suprafaţă lunecoasă. Corpul va avea o mişcare accelerată atât timp cât continuăm să-l împingem. Drept rezultat , energia lui cinetică va creşte de la valoarea iniţială zero la o valoare oarecare. Dar pe perioada mişcării noi am efectuat un lucru mecanic care a fost convertit în energie cinetică. Pornind de la această observaţie putem formula următoarea definiţie: „Energia este capacitatea de a efectua lucru mecanic”. De fapt, aceasta este esenţa conceptului de energie. Chiar dacă un obiect este în repaus el poate totuşi să posede energie, datorită poziţiei sale: această formă de energie se numeşte energie potenţială. Dacă avem de o parte a unui scripete o greutate mai mare şi în cealaltă o greutate mai mică aceasta va cădea pe pământ iar cea de-a doua va urca. Prin urmare, greutatea mare a efectuat un lucru mecanic. Aceasta înseamnă că iniţial a posedat energie. Această energie a fost energia sa potenţială iniţială. Termenul de energie potenţială a fost introdus în ştiinţă în anul 1853 de inginerul scoţian William Rankine (1820-1872) . Constatăm că există două forme de energie: energia cinetică (capacitatea de a efectua lucru mecanic prin mişcare) şi energie potenţială (capacitatea de a efectua lucru mecanic datorită poziţiei). Să presupunem că lăsăm să cadă un corp de la o înălţime oarecare pe o pârghie care are la celălalt capăt o bilă. În momentul impactului bila se va ridica până la o înălţime oarecare. Iniţial corpul are energie potenţială care prin cădere se transformă în energie cinetică. În momentul impactului energia sa cinetică este maximă şi se converteşte în lucru mecanic care ridică bila şi astfel ea capătă energie potenţială. Concluzia pe care o desprindem de aici este faptul că energia cinetică şi potenţială se transformă una în alta. Din experiment se mai desprinde şi ideea că energia totală, adică suma energiilor cinetică şi potenţială a corpului, este constantă. Ajungem astfel la concluzia că energia se conservă, adică ea nu poate fi nici creată şi nici distrusă, energia totală fiind constantă. Căldura fusese considerată dintotdeauna un fenomen misterios. La începutul secolului al XIX-lea căldura era considerată ca fiind un fluid numit caloric, care nu avea greutate şi era „subtil”, adică pătrundea peste tot. În anul 1875, James Joule (1818-1889) în urma unui experiment celebru a demonstrat că lucru mecanic poate fi transformat în căldură.

O greutate în cădere antrenează un ax pe care erau montate palete, într-un cilindru izolat termic plin cu apă. Măsurând temperatura apei de la începutul şi sfârşitul experimentului a constatat că lucru mecanic efectuat s-a transformat în căldură. Cu alte cuvinte lucru mecanic şi căldura sunt forme de energie. În semn de preţuire pentru contribuţia adusă ştiinţei de către Joule, unitatea de măsură a energiei , lucrului mecanic şi căldurii îi poartă numele.

Deşi căldura şi lucrul mecanic sunt două faţete ale energiei există o diferenţă între ele. În primul rând amândouă sunt modalităţi diferite de transfer a energiei de la un punct la altul.

Să luăm cazul unui motor care efectuează un lucru mecanic prin deplasarea sau ridicarea unui corp. Înainte de transfer în motor exista depozitată această entitate abstractă numită energie.

Corpul deplasat are o energie cinetică mai mare după deplasare sau energie potenţială mai mare după ridicare. Energia a fost transferată de la motor la corp prin intermediul lucrului mecanic, deci lucrul mecanic este agentul de transfer si nu entitatea transferată. Dacă am putea vedea atomii pistonului din motor am constata că ei se mişcă în aceiaşi direcţie cu pistonul. În acest caz lucrul mecanic este asociat cu mişcarea uniformă a atomilor. Chiar aceasta înseamnă lucrul la nivel microscopic, transferul de energie care produce mişcarea uniformă a atomilor. Căldura este energia transferată ca rezultat al existenţei unei diferenţe de temperatură. Energia a fost transferată sub formă de căldură , mişcarea atomilor nu se mai face în mod organizat. Pe măsură ce energia părăseşte obiectul şi trec către regiunea din împrejur, atomii de aici încep să aibă şi ei o mişcare din ce în ce mai dezordonată, care la rândul lor o transmit mai departe. Pe scurt, transferul de energie sub formă de căldură este acel transfer care stimulează mişcarea dezordonată, la întâmplare a atomilor în regiunea învecinată. Mişcarea la întâmplare, de agitaţie a atomilor este numită mişcare termică sau agitaţie termică. Aceasta nu este căldură. Căldura nu este altceva decât un mod de transfer de energie. Acum ştim că energia poate fi transferată fie sub formă de căldură, fie sub formă de lucru mecanic, putem trage concluzia că legea de conservare a energiei este valabilă atât în domeniul dinamicii (care se ocupă cu studiul mişcării corpurilor şi cu transformarea energiei cinetice în energie potenţială şi invers), cât şi în cel al termodinamicii (care se ocupă cu transformarea căldurii în lucru mecanic şi invers). Energia este cu adevărat o mărime de schimb utilizată în Univers, deoarece nu există nici un caz în care energia să fie creată sau distrusă. Astfel, putem considera că energia reprezintă un fel de constrângere asupra diferitelor fenomene posibile din Univers, deoarece nu se poate produce nici un fenomen care să modifice cantitatea totală de energie din Univers. Atunci, câtă energie există acum în Univers? Răspunsul cinstit este că nu ştim. Avem totuşi un indiciu, dat de către Albert Einstein, şi anume că masa este echivalentă cu energia, astfel că toată materia este o formă de energie (conform relaţiei E =mc² ).  Mai există însă o contribuţie la energie – atracţia gravitaţională între corpuri. Gravitaţia micşorează energia corpurilor care interacţionează, astfel încât cu cât atracţia este mai mare cu atât energia este mai scăzută. O modalitate de a gândi la aceasta este de a atribui energiei de atracţie gravitaţională o valoare negativă şi astfel, cu cât atracţia este mai mare, cu atât este mai mare şi reducerea energiei totale. Din cauza contribuţiei sale negative, pe măsură ce adăugăm, toate interacţiile gravitaţionale dintre stelele din galaxii, şi dintre galaxii, energia totală a Universului se micşorează drastic. Se pare ca ea tinde către zero. Dacă interacţia gravitaţională negativă depăşeşte valoarea contribuţiei pozitive a masei, atunci, dacă luăm în considerare viitorul pe termen lung al Universului, acesta îşi va încetini expansiunea pentru ca în cele din urmă să colapseze în el însuşi.

Tot mai  mulţi oameni de ştiinţă consideră că acest scenariu (Big Crunch) este puţin probabil.

Pe de altă parte, dacă atracţia gravitaţională este slabă, atunci expansiunea Universului va continua indefinit. Dacă atât contribuţia pozitivă a energiei, cât şi cea negativă sunt egale, atunci Universul se va extinde veşnic, dar expansiunea lui se va încetini, pe măsură ce devine din ce în ce mai mare, iar într-un viitor foarte îndepărtat, ne putem gândi la un Univers ca oscilând între expasiune continuă şi colaps. Impresia greşită că există o cantitate mare de energie în Univers, îşi are originea în faptul că noi observăm doar o singură formă de energie (cea pozitivă sub formă de materie), dar ignorăm alte forme ale ei (gravitaţia, materia neagră).

Tocmai existenţa acestor forme diferite de energie din Univers îi conferă frumuseţe şi spectaculozitate.

Komenteaza articolul

Nume
Email
Subiect
Continut
Cod de siguranta