sistema fisiko batek lana sortzeko duen gaitasunaren neurria From Wikipedia, the free encyclopedia
Energia magnitude fisikoa da; lan egiteko materiaren ahalmena da; beroa sortu; argia egin, eta mugimendua eragiten ahalbidetzen du.
| Energia | |
|---|---|
 | |
| Ohiko ikurra | eta |
| Neurtzeko unitatea | joule, elektronvolt eta kilogram square metre per square second (en)  |
| Dimentsioa | |
Nazioarteko Sisteman, joulea da energia-unitatea, zeinaren sinboloa den; baina beste unitate batzuen bidez ere adieraz daiteke.
Kontzeptu zientifiko bat da, aldakuntzak eragiteko ahalmenari lotuta dagoena. Hala ere, hitz bera zientziaren testuingurutik at ere maiz erabilia da. Zientziaren arloan, erabilpen zehatza, eta esanahi doia ditu, baina, esparru ez-zientifikoetan, ez da esanahi zehatzez erabiltzen, eta, sarritan, indar, kemen edo antzekoen sinonimotzat hartzen da.
Zientziari dagokionez, magnitude abstraktua da, sistema itxi baten egoera dinamikoarekin lotuta dagoena eta denboran zehar aldaezin agertzen dena. Esate baterako, energia zinetikorik gabeko sistemak geldi daude. Sistema bat hasierako egoera batetik geroko egoera batera eramateko behar den lan izeneko magnitudea sistemak izan duen energiaren aldakuntzaren parekoa da.
Fisikan (mekanikan bereziki), energia lan bat egiteko gaitasun gisa definitzen da[1]. Teknologian eta ekonomian, «energia» baliabide natural bati dagokio (horri lotutako teknologia barne, atera, eraldatu eta erabilera industrial edo ekonomikoa eman ahal izateko).
Termodinamika ere barne har dadin, esan dezakegu energia gorputzek, beren baitan edo beste gorputz batzuetan, eraldaketak (lanaren edo beroaren bidez) egiteko duten gaitasuna dela. Hau da, energia kontzeptua gauzak funtzionarazteko gaitasun gisa definitzen da.
Masa eta energia estuki lotuta daude. Masa-energia baliokidetasuna dela eta geldirik dagoenean, masa duen edozein objektuk ere (geldirik dagoen masa deitua) energia kantitate baliokidea du, zeinaren forma atsedenean dagoen energia deitzen baita, eta objektuak atsedenean dagoen energia horren gainetik eskuratutako edozein energia gehigarrik (edozein modutan) objektuaren guztizko masa handituko du bere energia osoa handitzen duen bezala. Adibidez, objektu bat berotu ondoren, bere energia gehikuntza masaren gehikuntza txiki bat bezala neur liteke, nahikoa sentikorra den balantza batekin.
Organismo bizidunek energia behar dute bizirik irauteko, hala nola gizakiek elikagaietatik lortzen duten energia. Giza zibilizazioak energia behar du funtzionatzeko, eta energia baliabide energetikoetatik lortzen du, esaterako, erregai fosiletatik, erregai nuklearretik edo energia berriztagarrietatik. Lurraren klimaren eta ekosistemaren prozesuak Lurrak Eguzkitik jasotzen duen energia erradiatzaileak eta Lurraren barruan dagoen energia geotermikoak bultzatzen dituzte.
Energia kuantifikatzeko erabiltzen dugun neurketa-unitatea julio edo joulea (J) da, James Prescott Joule fisikari ingelesaren omenez.
Antzinako grezierazko energeia (ενέργεια) hitzetik sortu zen (en + ergon); gero, latinez, energia forma hartu zuen, eta hortik iritsi da gure egunotara (euskaraz: energia; ingelesez: energy; gaztelaniaz: energía; frantsesez: énergie).
Gaur egungo hizkeran, energia hitzak hainbat adiera (kemena, adorea, bizitasuna, boterea, ahalmen psikikoa...) ditu bizimodu arrunteko arloetan[2].
Energia hitza antzinako grezieratik dator: ἐνέργεια, erromanizatua: energeia, lit. jarduera, eragiketa[3], ziurrenik Aristotelesen lanean agertzen dena lehen aldiz, K. a. IV. mendean. Definizio modernoan ez bezala, energeia kontzeptu filosofiko kualitatiboa zen, zoriontasuna eta plazera bezalako ideiak barne hartzeko bezain zabala.
XVII. mendearen amaieran, Gottfried Leibnizek vis viva edo indar biziaren ideia proposatu zuen: objektu baten masa bider bere abiadura karratuaren produktua, eta vis viva totala gorde egiten zela uste zuen. Marruskaduraren ondoriozko moteltzea azaltzeko, energia termikoa materiaren osagaien ausazko higiduran ematen zela teorizatu zuen Leibnizek, nahiz eta mende bat baino gehiago beharko zen hori osoki onartzeko. Propietate horren analogia modernoa, energia zinetikoa, vis vivaren aldean, bi faktorek bakarrik bereizten dute.
1807an, beharbada Thomas Young izan zen vis vivaren ordez energia terminoa, bere zentzu modernoan, erabiltzen lehena[4]. Gustave-Gaspard Coriolisek energia zinetikoa deskribatu zuen bere zentzu modernoan, 1829an, eta, 1853an, William Rankine-k energia potentzial terminoa asmatu zuen. XIX. mendearen hasieran, energiaren kontserbazioaren printzipioa ere aldarrikatu zen, eta edozein sistema isolaturi aplikatzen zaio. Urte batzuetan zehar, kaloria deitzen zitzaion beroa substantzia fisiko bat ote zen eztabaidatu zen, edo besterik gabe kantitate fisiko bat, hala nola momentua. 1845ean, James Prescott Joulek lan mekanikoaren eta beroaren sorreraren arteko erlazioa aurkitu zuen.
Aurrerapen horiek energiaren kontserbazioaren teoria ekarri zuten, hein handi batean William Thomsonek (Lord Kelvin) termodinamikaren alor gisa formalizatua. Termodinamikak prozesu kimikoen azalpenak azkar garatzen Rudolf Clausiusek, Josiah Willard Gibbsek eta Walther Nernstek lagundu zuten. Era berean, Clausiusek entropia kontzeptuaren formulazio matematikoa ekarri zuen, eta Jožef Stefanek energia erradiatzailearen legea. Noetherren teoremaren arabera, energiaren kontserbazioa fisikaren legeak denborarekin aldatzen ez diren ondorio da[5]. Horrela, 1918az geroztik, teorialariek ulertu dute energiaren kontserbazio legea energia kantitate bateratuaren (hau da, denbora) translazio-simetriaren ondorio matematiko zuzena dela.
Sistema itxi batean, “Energia ez da sortzen, ezta deuseztatzen ere, transformatu baizik”. Beraz, esaldi honek esan nahi du unibertsoan momentu honetan, energia kopuru jakin bat dagoela eta kopuru hori inoiz ez dela aldatuko; izan ere, energia transformatzen joaten da, eta mota bateko energiatik beste mota bateko energiara pasa daiteke, baina inoiz ez desagertu.
Esperientzian oinarriturik egiaztatu denez, naturako fenomeno eta prozesu guztietan, energiaren kontserbazioa gertatzen da. Energiaren kontserbazioaren legea XIX. mendearen erdialdean onartu zen zientzialarien artean, eta, lege hori tarteko, garai hartan finkatu zen energia hitzaren esanahi zehatza[2].
Energiaren kontserbazioaren legeak dioenez, edozein sistema fisiko isolaturen (alegia, beste ezein sistemarekin inolako elkarrekintzarik ez duena) energia-kantitate totalak konstante irauten du denboran zehar, nahiz eta energia hori mota batetik bestera transforma daitekeen. Bestela esanda, “energia ez da sortzen ezta deuseztatzen ere, transformatzen baizik”[6].
Izatez, lege hau ez da naturako fenomenoen deskripzioa, fenomenoen bilakaerari buruzko baieztapena baizik. Hots, naturako fenomenoetan gertatzen den edozein transformaziotan, energia deritzon kantitatea aldatu gabe geratzen da; aldatzen den gauza bakarra energiaren forma da. Alderantziz ere irakur daiteke legea: sistema baten energiaren ebaluazioa egitean, ondoz ondoko bi neurketatan balio desberdinak lortzen badira, horrek esan nahi du bi balio horien arteko aldea sistemari eman edo kendu zaion energia dela, sistema horrek kanpoko beste sistema batekin izandako elkarrekintzaren ondorioz.
Energiaren transformazioak gertatzean edo higidurarekin batera marruskadura agertzean, kontuan izan behar da bero kontzeptua, prozesuen itzulezintasunarekin eta energiaren degradazioarekin zerikusia duena. Joulek beroaren eta energia mekanikoaren arteko baliokidetza definitu zuen 1845ean. Hitz batez, berak frogatu zuenez, energiaren kontserbazioaren legea aplikatzean, beroa kontuan hartu beharreko energia-mota bat da[2].
Baina beroak ezaugarri berezi bat du bestelako energia-mota bihurtzeko prozesuetan. Hain zuzen ere, energia mekanikoa erabat bero bihur daitekeen arren, beroa ezin transforma daiteke osorik energia mekaniko, muga bat baitago makina termodinamikoen bidezko transformazioetan. Hasteko, berotik energia mekanikoa lortzeko tenperatura desberdinetan dauden bi iturri izan behar ditu makinak, eta, edonola ere, berotik atera daitekeen energia mekanikoaren kantitateak maximo bat du, Carnoten ziklo teorikoak adierazten duena. Horregatik, beroa loturik dago energiaren kalitatearen degradazioarekin, zeren energia zinetikotik berorako transformazioak ez baitu energia zinetikotik energia potentzialerako transformazioak duen itzulgarritasunik.
Edozein transformazio energetikotan, marruskaduraren kausaz, hasierako energiaren parte bat iraungi egiten da energia termiko gisa, eta energia termikoa da energiaren transformazio guztien azken helmuga. Hortik dator naturan gertatzen den energiaren etengabeko degradazioa eta entropiaren printzipioan adierazita dagoen itzulezintasunaren arrazoia.
Fisika klasiko modernoan, energiaren kontserbazioaren lege unibertsalak —termodinamikaren lehen legearen oinarria dena— adierazten du sistema isolatu bati lotutako energia denboran konstante mantentzen dela[7]. Horrek esan nahi du sistema fisiko klasiko ugarirentzat, nola hala energia mekanikoa, bero-energia, energia elektromagnetikoa eta beste energia potentzial mota batzuen batura zenbaki konstantea dela. Esaterako, energia zinetikoa materiaren mugimenduaren arabera kuantifikatzen da; energia potentziala deformazio-egoeraren edo materiaren posizioaren gainean eragiten duten indarrekiko propietateen arabera; energia termikoa bere bero-ahalmenaren arabera, eta energia kimikoa konposizio kimikoaren arabera.
Erlatibitatearen teorian, energiaren kontserbazioaren printzipioa betetzen da, nahiz eta energiaren neurria berriro definitu behar den masarekin lotutako energia barneratzeko; izan ere, mekanika erlatibistan, definitutako energia mekanika klasiko moduan jotzen bada, orduan, konstante geratzen ez den kantitatea izango litzateke ondorioa. Horrela, erlatibitate bereziaren teoriak masa eta energiaren arteko baliokidetasuna ezartzen du, zeinaren bidez gorputz guztiek (materiaz osatuta egoteagatik) formularen baliokide den energia gehigarri bat duten, eta, energiaren kontserbazioaren printzipioa kontuan hartzen bada, energia hori kontuan hartu behar da kontserbazio-lege bat lortzeko (bestalde, masa ez da erlatibitatean kontserbatzen, baizik eta kontserbazio-lege baten aukera bakarra da masarekin lotutako energia eta gainerako energia formak elkarrekin zenbatzea).
Mekanika kuantikoan, magnitude baten neurketaren emaitzak, kasu orokorrean, ez du emaitza deterministarik ematen, eta, beraz, neurri baten energiaren balioaz soilik hitz egin daiteke; hala ere, hotza beroaren gabezia da, ez sistemaren energiarena. Energiaren balioa, oro har, ausazko aldagaia da, baina haren banaketa kalkula daiteke, baina ez neurri baten emaitza partikularra. Mekanika kuantikoan, energiaren egoera geldikor baten energiaren balio espero dena konstante mantentzen da. Hala ere, badira hamiltoniarrari ez dagozkion egoerak, zeinarentzat espero den energiaren egoera gorabeheratsua den, eta, beraz, ez da konstantea. Neurtutako energiaren bariantza, gainera, denbora-tartearen araberakoa izan daiteke, Heisenbergen ziurgabetasun-printzipioaren arabera.
Energia sistema fisikoen propietate bat da; ez da egoera fisiko erreala, ezta substantzia ukiezina ere. Hala ere, badira energia egiazkotzat jo dutenak, hala nola Wilhelm Ostwald, baliokidetasunaren ekuazioaren arabera materia kantitatearen neurria den masa energia bihur daitekeelako eta alderantziz. Beraz, ez da abstrakzio bat, errealitate aldaezina baizik, materia ez bezala. Mekanika klasikoan, magnitude eskalar gisa irudikatzen da. Energia sistema fisikoen propietate baten abstrakzio matematikoa da. Adibidez, energia zinetiko nulua duen sistema atsedenean dagoela esan daiteke. Problema erlatibistan, partikula baten energia ezin da eskalar aldaezin baten bidez irudikatu, lau-bektorialeko energia-momentu baten denbora-osagaiaren bidez baizik (lauko-momentu), behatzaile ezberdinek ez baitute energia bera neurtzen ez badira, partikularekiko, abiadura berean mugitzen. Materia-banaketa jarraitutzat hartzen bada, deskribapena are zailagoa da, eta, mugimendu-kantitatea eta energia behar bezala deskribatzeko, energia-momentu tentsorea erabili behar da.
Sistema fisikoen abstrakzio gisa erabiltzen da magnitude eskalarrekin lan egiteko erraztasunagatik, abiadura edo azelerazioa moduko magnitude bektorialekin alderatuta. Adibidez, mekanikan, energia mekanikoa osatzen duten energia zinetikoaren (potentzialaren) araberako sistema baten dinamika erabat deskriba daiteke, mekanika newtondarrean kontserbatzearen propietatea duena, hau da, denboran aldaezina izatea.
Matematikoki, Noetherren teoremaren arabera, sistema baterako energiaren kontserbazioa da sistema horren eboluzio-ekuazioak kontuan hartutako denbora-momentutik independenteak izatearen ondorio zuzena. Energia ere magnitude fisiko bat da, hainbat formatan aurkezten dena; egoera fisikoa aldatzeko prozesu guztietan inplikatuta dago; eraldatu eta transmititu egiten da; erreferentziazko sistemaren araberakoa da, eta sistema hori kontserbatu egiten da[8]. Beraz, gorputz orok izan dezake energia bere mugimenduaren, posizioaren, tenperaturaren, masaren, konposizio kimikoaren eta beste propietate batzuen arabera. Fisikaren eta zientziaren hainbat diziplinatan, energiaren hainbat definizio ematen dira, denak koherenteak eta elkarren artean osagarriak, eta guztiak lanaren kontzeptuarekin lotuak beti. Mekanikan honako hauek daude:
Elektromagnetismoan, dugu:
Erlatibitatean daude:
Masa kontzeptua birdefinitzean, energia zinetikoa ere aldatzen da. Partikula material bat dela eta, ezin da esan behatzaile guztientzat energia ondo definitu eta berdina denik; izan ere, energia eta momento lineala lau-bektorialeko baten zati dira. «Energia» da lauko-momentu horren denbora-osagaia, baina, erlatibitatearen izaera dela eta, denbora-tartea edo distantzia espaziala behatzaileari lotuta dagoen bezala, lauko-momentuaren osagai espazialak (momentu lineala) eta denborazkoak (energia) behatzaileari dagozkio. Medio jarraitu baterako edo eremu fisiko baterako, zailtasunak are handiagoak dira, eta, oro har, energia ez dago lauko-momentu bati lotuta, energia-momentu tentsoreari baizik.
Erlatibitate orokorrean, grabitazio-eremua ez da, berez, eremu fisiko arrunta, eta horrek zailtasunak dakartza isolatu gabeko sistema bati emandako energia bat egozteko; izan ere, eremu grabitatorio ez-egonkorrak ez du energia potentzial ongi definiturik sortzen.
Mekanika klasikoan garaturiko energia kontzeptua zabaldu egin zen XX. mendearen hasieran erlatibitatearen teoria eta mekanika kuantikoa sortzean. Bi teoria horiekin batera, ordura arte masari eta energiari buruz fisikariek zituzten usteak aldatu behar izan ziren, eta alde batera utzi behar izan ziren zenbait suposizio, hala nola energia magnitude jarraitua zela eta masa eta energia bi kontzeptu independente zirela ziotenak, bereziki.
Max Planckek XIX. eta XX. mendeen arteko mugan adierazi zuenez, fenomeno atomikoekin erlazionaturiko transformazio energetikoak egokiro ulertu eta deskribatzeko, beharrezkoa da energia-kuantu deritzon kontzeptua erabiltzea. Ordura arte energia magnitude jarraitua zela uste bazen ere, energiaren transmisioan kantitate minimo batzuk (kuantuak, alegia) pasatzen dira batetik bestera. Esate baterako, elektroi bat energia-maila batetik beste batera pasatzean, erradiazioa gertatzen da, eta mailen arteko energiaren erradiazio hori fotoi modura igortzen da, alegia, energia jakineko kuantu modura. Fotoiaren energiaren eta erradiazioaren maiztasunaren artean erlazio hau dago: , non hori Plancken konstantea den, balio duena[2].
Ohar bat egin behar da kuantuen erabilerari dagokionez. Berez, kuantuak fisika mikroskopikoan baino ez dira erabiltzen zehazki. Fisika makroskopikoan ere kontsidera daitezke, noski, baina, hain txikiak izanik, ez dira hautemangarriak; horregatik, praktikan, fisika makroskopikoan kantitate jarraitutzat har dezakegu energia.
Mekanika klasiko newtondarrean, partikula puntualaren masak konstante dirauela suposatzen da, partikula higitu arren ere. Erlatibitatearen teorian, ordea, masa abiaduraren funtzioa da formula honen arabera:
non pausaguneko masa den, , partikularen abiadura eta , argiaren abiadura. Adierazpen hori kontuan harturik ikus daitekeenez, gorputzaren abiadura argiaren abiaduraren baliora hurbiltzean, masa gero eta handiagoa da, eta balioaren mugan balio infinitua izango luke. Hortik baieztatu zuen Einsteinek argiaren abiadura ezin daitekeela gainditu.
Masaren izaera erlatibista kontuan izanik, partikularen energia zinetikoa ezin daiteke jadanik formularen bidez adierazi (mekanika klasikoan ez dira bereizten pausaguneko masa eta higidurako masa, higiduran ere balio bera baitu masak); aitzitik, energia zinetikoa
eran adierazten da, non
delakoa energia osoa den, eta
delakoa, pausaguneko energia. Energia osoa seriez garatuz, balio hau lortzen da energia zinetikoari dagokionez:
Agerikoa denez, mekanika klasikoan kontsideratzen diren abiaduretan bigarren gaia beti da oso txikia lehenengoarekin alderaturik, eta, horregatik, balioa hurbilketa ona da.
Ikusi dugunez, erlatibitatearen teorian agerian geratzen da masaren eta energiaren arteko baliokidetza, zeren formula (E=mc² ) erabili behar baita. Hortaz, erlatibitatearen teoriako masaren kontzeptu horrek ondorio garrantzitsua du; hots, kontserbazio-printzipio bakarrean biltzen dira aurretik independentetzat hartzen ziren masaren eta energiaren kontserbazio-printzipioak. Gainera, erlazio hori ez da soilik baliagarria energia zinetikoaren kasuan, zeren edozein energia-motaren kasuan ere aplika baitaiteke.
Erlatibitatearen teorian finkaturiko masaren eta energiaren arteko baliokidetza ulertzea funtsezkoa izan da materiaren barne-egitura ulertzeko, bereziki, oinarrizko partikulen arteko loturak eta atomoen egonkortasuna ulertu ahal izateko.
Kasurako, atomoen nukleoa nukleoiz (hots, protoiz eta neutroiz) osaturik dago, baina, nukleoa apurtu nahi badugu, energia eman behar zaio; zehazki, apurtzeko eman beharreko energia hori protoiak eta neutroiak bilduz nukleoa eratzeko askatu behar den energia-kantitate berbera da, lotura-energia, alegia. Eta, ikus daitekeenez, nukleoaren masa hasierako protoien eta neutroien masen batura baino txikiagoa da; hain zuzen ere, masaren eta energiaren arteko baliokidetzari dagokio zehazki lotura-energiaren eta masa-galeraren arteko baliokidetza, erlatibitatearen teoriarekin bat. Esandakoaren adibide garbia dugu Eguzkian edota izarretan gertatzen diren erreakzio termonuklearretan agertzen zaiguna. Bi hidrogeno-nukleo (deuterio) elkarrekin fusionatu, eta helio-nukleo bihurtzen dira, baina erreakzio horren emaitza den helio-nukleoaren masa txikiagoa da hasierako osagaien masen batura baino: masa-galera hori energia bihurtzen delako gertatzen da, eta horixe da, preseski, Eguzkiaren energiaren iturria.
Nukleoien arteko lotura-energia kontuan hartzea funtsezkoa da fusio edo fisio nuklearreko erreakzioetan aska daitekeen energia kalkulatu ahal izateko, betiere atomoen masa-galera energiaren iturria dela kontuan izanik.
Teknologian eta ekonomian, energia-iturria baliabide naturala da, baita hura ustiatzeko eta industria- eta ekonomia-erabilera egiteko teknologia ere. Energia, berez, ez da inoiz azken kontsumorako ondasun bat, ondasun eta zerbitzuen produkzioan beste behar batzuk asetzeko bitarteko ondasuna baizik. Ondasun urria denez, energia baliabide energetikoak kontrolatzeko gatazka-iturri izan da historikoki.
Ohikoa da energia-iturriak sailkatzea lehengai batzuen erabilera itzulezina edo ez kontuan hartuta, hala nola erregaiena edo mineral erradioaktiboena. Irizpide horren arabera, teknologikoki ustiatu daitezkeen bi energia-iturri multzo handi aipatzen dira:
Ingurumenaren degradazioa, garapen-bidean dauden herrialdeen eta herrialde garatuen arteko desoreka energetikoa eta baliabide erregaien ahitzea, energia berriztagarrien garapena bultzatu duten faktoreak dira.
Energia berriztagarriek komunean dituzte hainbat ezaugarri:
Energia tradizionalek ingurumenari egiten diotena baino kalte txikiagoa edo batere kalterik ez dute eragiten.
Erabili ahala inoiz agortuko ez diren energiak dira. Ingurumenarekin errespetutsuak dira, eta inguruan eskuratu daitezke.
Erabili ahala agortzen diren energia-iturrietako energiak dira.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
