Putere

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea altor semnificații, consultați Energie (dezambiguizare) .

Energia este cantitatea fizică care măsoară capacitatea unui corp sau a unui sistem fizic de a lucra , indiferent dacă acea muncă este sau poate fi efectiv realizată. [1]

Termenul energie derivă din latina târzie energīa , preluată la rândul său din greaca ἐνέργεια ( enérgeia ), derivat din ἐνεργής (sau echivalentul ἐνεργός), „activ”, compus din particula intensivă en și ἔργον ( ergon , „muncă”, „Opera”). [1] [2] Termenul a fost introdus de Aristotel în scop filosofic pentru a distinge δύναμις (DYNAMIS), posibilitatea, „ puterea ” proprie materialului neformat, capacitatea reală (ἐνέργεια) pe care au folosit-o în realitatea formală a actului la ceea ce este aceasta . [3]

Cuvântul italian „energie” nu este derivat direct din latină , ci este reînviat în secolul al XV-lea de energia franceză . [4] «În Franța, énergie a fost folosită încă din secolul al XV-lea în sensul de" forță în acțiune ", cu un cuvânt derivat direct din latină, niciodată cu sens fizic. În Anglia, în 1599, energia este sinonimă cu „forța sau vigoarea expresiei”. Thomas Young a fost primul care a folosit termenul de energie în sens modern în 1807 " [5]

Conceptul de energie poate ieși intuitiv din observația experimentală că capacitatea unui sistem fizic de a lucra scade pe măsură ce este produsă. În acest sens, energia poate fi definită ca o proprietate posedată de sistem care poate fi schimbată între corpuri prin muncă (vezi Transferul de energie ).

Istoria termenului și a noțiunii

Termenul „energie” a fost folosit pentru prima dată pentru a indica o cantitate fizică de către Kepler în Harmonices Mundi din 1619, cu toate acestea termenul „energie” a fost introdus sistematic în literatura științifică în termeni moderni abia de la sfârșitul secolului al XIX-lea . Înainte, termenii vis viva , „forță” sau „muncă” alternau, în funcție de context și de autor. Primul este păstrat ca tradiție istorică și astăzi în numele unor teoreme, în timp ce ultimii doi termeni au căpătat o semnificație complet diferită în fizica modernă de cea a energiei.

Controversa asupra vis viva

Din punct de vedere istoric, prima magnitudine similară cu cea denumită acum energie cinetică a apărut în studiile lui Gottfried Leibniz în 1686, numite vis viva („forța vie”) spre deosebire de vis mortua („forța moartă”) folosită pentru a desemna inerția . [6] Principala dezbatere din fizica secolelor al XVII-lea și al XVIII-lea a fost concepută conceptual nu pe un principiu de conservare, ci mai degrabă pe căutarea unei cantități fizice capabile să măsoare efectele acțiunii unei forțe asupra corpurilor, sau în termeni de o interacțiune între acestea. [7] O forță care acționează asupra unui corp va avea ca efect modificarea vitezei sale, schimbând astfel atât energia cinetică, cât și impulsul. definit ca:

Pornind de la aceste două posibilități diferite, s-a născut ciocnirea dintre Leibniz, care a considerat „vis viva” mai adecvată ca măsură a unei forțe, și susținătorii teoriei carteziene , care au folosit în schimb impulsul. [8] În formularea de astăzi a mecanicii clasice, ambele cantități au aceeași importanță: pe măsură ce a devenit clar începând de la d'Alembert , problema a fost legată exclusiv de utilizarea a două puncte de vedere diferite. [9] [10] De fapt, este posibil să se ia în considerare efectele unei forțe adăugate în raport cu intervalele de timp , din care variația impulsului este derivată direct pe baza primului principiu al dinamicii :

Sau este posibil să se ia în considerare efectele unei forțe adăugate în spațiu, având în vedere ca exemplu comprimarea unui arc care frânează un corp în mișcare. Rezultatul este că face treaba a unei forțe efectuate asupra unui corp este egală cu schimbarea energiei cinetice a corpului însuși:

În acest sens, diferența de energie cinetică sau impulsul final și inițial sunt doar două măsuri diferite ale efectelor acțiunii unei forțe.

Descriere

Importanța fizică

Energia este o cantitate fizică extinsă (energia a două corpuri este pur și simplu suma energiilor corpurilor luate individual), care are o importanță centrală în formularea multor teorii, de la mecanica clasică la termodinamică , de la teoria relativității până la cuantică mecanică .

O definiție precisă a energiei nu este ușor de furnizat, energia nu are realitate materială, ci este mai degrabă un concept matematic abstract care exprimă o constrângere în ceea ce privește procesele posibile și o simetrie temporală a legilor fizice. Prin urmare, nu există substanță sau fluid corespunzător energiei pure. După cum a scris Feynman:

( EN )

„Este important să ne dăm seama că, în fizica de astăzi, nu știm ce este energia.”

( IT )

„Este important să ținem cont de faptul că în fizica actuală nu avem cunoștință despre ceea ce este energia”.

( Richard Feynman , Feynman 's Physics , Vol I, p 4-1 )

Un corp își poate crește sau micșora energia ca urmare a unei interacțiuni cu alte corpuri: schimbarea energiei reflectă deci schimbările care au avut loc în proprietățile sale microscopice. Există numeroase interacțiuni posibile; din punct de vedere calitativ, mecanica poate fi distinsă, de exemplu coliziuni între corpuri rigide sau forțe între particule asemănătoare punctelor, de termodinamică, unde, de exemplu, sunt luate în considerare reacțiile dintre gaze la diferite temperaturi. Din punct de vedere al tipului de interacțiune, există diferite tipuri de forțe în natură, precum gravitațională, nucleară sau electrică. Cu toate acestea, toate aceste procese posibile lasă cantitatea totală de energie neschimbată, ceea ce devine astfel cantitatea fizică constantă pentru sistemele închise sau izolate.

Importanța tehnologică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Resurse și consum de energie în lume .

În domeniul tehnologic, energia permite, prin exploatarea sa la nivel industrial, transformarea materiilor prime în produse sau bunuri finale sau direct furnizarea de servicii utile omului și societății.

Societatea modernă este extrem de dependentă de energie (în special în formele sale de energie mecanică, energie electrică, energie chimică și energie termică) în toate procesele sale de producție și gestionare (de exemplu, transportul auto , maritim și aerian , încălzirea , iluminatul , funcționarea echipamentelor electrice și procese industriale). Prin urmare, problema energetică globală prezintă un mare interes și îngrijorare în ceea ce privește epuizarea în timp a surselor fosile , principala sursă de energie primară, a cărei utilizare intensivă a permis o dezvoltare economică considerabilă de la prima revoluție industrială până în prezent.

Unitate de măsură

Unitatea de măsură derivată din sistemul internațional pentru energie este joul (simbol: J ); [1] în termeni de unități fundamentale SI, 1 J este egal cu 1 kg · m 2 · s −2 . În CGS , unitatea de măsură a energiei este erg , [1] echivalent cu 1 centimetru dyne și în termeni de unitate de bază CGS la 1 g cm 2 s −2 (corespunde cu 10 −7 J).

În funcție de domeniu, se adoptă alte unități de măsură pentru a măsura energia:

Energie mecanică

Energia mecanică este suma energiei cinetice și a energiei potențiale aferente aceluiași sistem, care trebuie distinsă de energia totală a sistemului, care include și energia internă.

Energie kinetică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: energia cinetică și teorema forțelor vii .

Energia cinetică este energia care depinde numai de starea de mișcare a sistemului în cauză și de cea a componentelor sale relative. Pentru un corp punct, energia cinetică este egal cu jumătate din produsul masei corpului după pătratul vitezei sale:

Energia cinetică este o cantitate care poate presupune doar valori pozitive. Având în vedere corpurile rigide extinse non-punct, energia cinetică va depinde și de viteza unghiulară printr-un termen suplimentar numit energie de rotație .

Variația energiei cinetice în urma acțiunii unei forțe este legată de muncă , adică de produsul scalar al forței de ori distanța de deplasare efectuată. Munca o forță efectuată asupra unui corp este de fapt egală cu schimbarea energiei cinetice a corpului însuși:

bazat pe teorema energiei-muncă sau teorema forțelor vii .

Energie potențială

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Energia potențială .
Pendulul este un exemplu al modului în care energia cinetică este convertită în potențial și invers. În cel mai înalt punct, viteza pendulului (vectorul albastru) este zero și energia potențială gravitațională este maximă, în punctul cel mai jos energia potențială este zero și viteza maximă. Diferența de energie potențială a fost apoi transformată în energie cinetică.

Energia potențială este un tip de energie care depinde numai de configurația sau poziția corpurilor și particulelor care interacționează.

În funcție de tipul de interacțiune și forță luate în considerare, există numeroase tipuri de energie potențială. Cel mai simplu exemplu de energie potențială este cel posedat de un corp de masă așezat la înălțime în câmpul gravitațional al Pământului, egal cu:

,

unde este este accelerarea gravitației . Acest tip de energie depinde doar de poziția unui corp și atunci când acesta este scăzut, energia potențială își schimbă forma în timp, devenind cinetică. Energia potențială este definită până la o constantă aditivă, în acest exemplu până la posibila alegere a punctului cu privire la care să se măsoare înălțimea .

Energie termală

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Termodinamica .

Căldura și munca ca forme de schimb de energie

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Căldură și muncă (fizică) .

Căldura și munca nu pot fi definite ca „forme de energie”, deși au aceleași unități de măsură, deoarece nu sunt proprietăți ale unui singur corp, ci mai degrabă proprietăți ale transformării termodinamice avute în vedere. [11] Cu alte cuvinte, căldura și munca nu sunt posedate de un sistem și, prin urmare, nu sunt o variabilă de stare, ci sunt în schimb „energie în tranzit”, manifestarea experimentală a schimbului de energie care are loc prin două sisteme. Cu toate acestea, căldura și munca pot fi măsurate și utilizate în practică pentru a prezice diferența de energie pe care o posedă un corp între sfârșitul și începutul procesului sau transformării.

În termodinamică, principiul conservării energiei este cuprins în prima lege a termodinamicii , conform căreia variația energiei unui sistem este egal cu suma căldurii si munca respectiv transferat și realizat de mediul extern sistemului: [12]

Nu toată energia unui sistem este capabilă să producă muncă într-o transformare termodinamică, datorită celei de- a doua legi a termodinamicii . Cantitatea de energie a unui sistem disponibilă pentru a produce muncă poate fi de fapt mult mai mică decât cantitatea totală a sistemului. Relația dintre energia utilizabilă și energia furnizată de o mașină se numește eficiență . [13]

Principiul conservării energiei

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Principiul conservării energiei .
Eveniment de împrăștiere creat de un neutrin observat într-o cameră cu bule . Linia punctată galbenă corespunde neutrino-ului care intră, nu este vizibil deoarece este neutru, lovind un proton. Neutrinul și interacțiunile sale au fost teoretizate de Pauli și Fermi , pe baza principiului conservării energiei.

Invarianța cantității totale de energie este exprimată de principiul conservării energiei , conform căruia variația energiei într-o regiune a spațiului este egală cu fluxul net de energie care curge în spațiul cosmic. Deși expresia exactă a energiei poate varia în funcție de cazurile luate în considerare, până în prezent nu a fost descoperit nici un proces capabil să crească sau să scadă energia la nivel global, ea poate schimba forma doar transformându-se.

Principiul conservării a ghidat descoperirea de noi forme de energie și a făcut posibilă descoperirea unor noi tipuri de procese fizice și chiar a unor particule noi. La începutul secolului al XX-lea , au fost descoperite unele dezintegrări nucleare cu emisie de electroni care nu păreau să satisfacă principiul conservării energiei. Pentru a rezolva problema în 1924 Niels Bohr a prezentat ideea că la nivel atomic energia nu a fost strict conservată, propunând o teorie care s-a dovedit a fi greșită. Wolfgang Pauli în 1930 și Enrico Fermi în 1934, considerând fundamentală și menținând ferm conservarea energiei, au postulat în schimb existența unor noi interacțiuni și a unei noi particule niciodată observate până acum, care să poată transporta energia care lipsea în experimente. În acest fel, ghidați de principiul conservării energiei, au reușit să descopere neutrino , o particulă fără sarcină electrică, observată de fapt experimental în 1959. [14]

Principiul conservării energiei reflectă simetria temporală a legilor fizice în ceea ce privește traducerile în timp, faptul că acestea nu se schimbă odată cu trecerea timpului. Un experiment realizat în același timp va da același rezultat ca același experiment făcut în aceleași condiții, dar în acel moment . [15] În teoria relativității , conservarea energiei și conservarea impulsului sunt combinate într-o singură lege care corespunde global simetriei traducerilor în spațiu-timp cu patru dimensiuni.

Principiul, născut în domeniul energiei mecanice, poate fi extins și la toate celelalte forme de energie pornind de la căldură , deoarece aceasta se obține prin disiparea energiei mecanice la nivel macroscopic și este energie cinetică la nivel molecular. alte forme de energie se degradează inevitabil în căldură.

În fizica clasică și în fizica modernă

În fizica clasică , energia este o proprietate scalară continuă stocată de un sistem.

În mecanica cuantică, pe de altă parte, pentru sistemele legate (adică sistemele în care energia particulelor nu depășește barierele potențiale) este „ cuantizată ”, adică poate presupune un număr discret de valori (sau „energie” niveluri ").

Masa ca formă de energie

Faimoasa ecuație a lui Einstein E = mc² , o derivare directă a teoriei speciale a relativității , arată cum masa și energia sunt două „fețe ale aceleiași monede” ale unui sistem fizic. De fapt, din această ecuație simplă este clar că energia contribuie la inerția unui corp precum masa, adică energia contribuie și la rezistența organismului la accelerare.

Legile cuantice au arătat că masa poate fi transformată în energie și invers, în procesele nucleare de exemplu decăderea metalelor grele precum uraniul în elemente mai ușoare duce la un defect de masă corespunzător eliberării de energie sub formă de radiații.

Prin urmare, comparativ cu mecanica clasică, unde masa și energia sunt conservate separat, în relativitatea specială cele două principii fizice pot fi îmbinate într-un singur principiu sub denumirea de principiu de conservare a masei / energiei .

Forme de energie

Energia există sub diferite forme, fiecare dintre ele având propria expresie în ceea ce privește detaliile sistemului în cauză, cum ar fi viteza sau distanța relativă dintre particule. Principalele forme de energie sunt: [1] [16]

Energia potențială elastică este cea posedată de un material elastic supus deformării. Lumina sau energia radiantă este energia transportată a fotonilor care alcătuiesc lumina, deci energia radiației electromagnetice.

Surse de energie

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: centrale electrice și surse de energie .
Consumul de energie în lume defalcat pe țări (din 1989 până în 1998). Unitate de măsură: 10 15 Btu .
Consumul de surse de energie în lume cu referire la tipul de sursă de energie (date din 2004).

Principalele surse de energie prin care este posibil să se producă electricitate , energie termică sau energie mecanică direct sunt: [1]

Termenul „ energie din surse regenerabile ” înseamnă acele surse de energie care nu se epuizează sau se epuizează în perioade care depășesc scara de timp „umană” (de exemplu: solar, eolian, geotermic, mareic, fuziune nucleară), altfel vorbim de „ energie din surse neregenerabile ” (de exemplu, petrol și cărbune ), în timp ce termenul „ energie alternativă ” înseamnă sursele de energie care pot fi utilizate pentru a înlocui energia chimică produsă de combustibili clasici sau surse fosile . [16]

Conversia și transformarea energiei

Vorbim de „conversie” atunci când trecem de la o formă de energie la alta, în timp ce vorbim de „transformare” când forma de energie rămâne aceeași, dar unii parametri caracteristici sunt modificați.

De exemplu, o baterie permite transformarea energiei chimice în energie electrică, în timp ce un transformator permite transformarea energiei electrice prin variația tensiunii și intensității curentului .

De fiecare dată când are loc o conversie, o parte din energie (mai mult sau mai puțin substanțială) este inevitabil convertită în energie termică ; [13] în acest caz vorbim de „ efecte disipative ”.

Energia alimentară

Exemplu de etichetă nutrițională europeană care indică valoarea energetică a alimentelor.

În contextul chimiei alimentelor , vorbim despre valoarea energetică pentru a ne referi la energia pe care corpul uman o poate primi prin consumul unui aliment.

Deoarece o parte din energia conținută într-un aliment poate fi pierdută în timpul proceselor digestive și metabolice, valoarea energetică poate fi mai mică decât valoarea experimentală obținută prin arderea alimentelor într-un calorimetru bombă . [18] Din acest motiv, au fost dezvoltate metode experimentale care iau în considerare această pierdere de energie. Una dintre aceste metode este utilizarea așa-numiților factori Atwater , datorită cărora valoarea energetică a unui aliment este calculată pornind de la valoarea energetică asociată cu unii dintre cei mai importanți macronutrienți din punct de vedere energetic, în special: grăsimile , proteine ​​și carbohidrați. [18]

În Europa, valoarea energetică este raportată prin lege în eticheta nutrițională a produselor alimentare, unde este indicată în kcal sau kJ per cantitate de produs.

Notă

  1. ^ a b c d e f g Energy , pe treccani.it , Treccani Vocabulary.
  2. ^ Douglas Harper, Energy , Dicționar online de etimologie . Adus la 6 mai 2011 .
  3. ^ Fabrizio Bigotti, Rolul principiilor dunamis-energheia în teoria aristotelică a intelectului .
  4. ^ Daniele Gambarara și Domenico La medica în Rai educational .
  5. ^ Ferdinando Abbri, Istoria științelor , volumul 5, 1995, p. 245.
  6. ^ Vis mortua , pe treccani.it . Adus la 10 noiembrie 2013 .
  7. ^ Fizica lui Leibniz , plato.stanford.edu .
  8. ^ Rețineți, totuși, că factorul 1/2 a fost absent în definiția lui Leibniz a forței vii
  9. ^ Carolyn Iltis, Leibniz și controversa vis viva ( PDF ).
  10. ^ Cu toate acestea, nici măcar d'Alembert nu a reușit să rezolve definitiv controversa, vezi Alembert, Jean Le Rond D ' , pe encyclopedia.com . Adus la 10 noiembrie 2013 .
  11. ^ Energia în termodinamică este deci o funcție de stare
  12. ^ Notare IUPAC, vezi (EN) Cantități, unități și simboluri în chimie fizică (IUPAC Green Book) (PDF), pe media.iupac.org. secțiunea 2.11 Termodinamică chimică
  13. ^ a b Turchetti , p. 158 .
  14. ^ (EN) Charlez P. Enz, acum cincizeci de ani Pauli a inventat neutrinul (PDF).
  15. ^ (EN) Richard Feynman, 52 de ani , în The Feynman Lectures of physics.
  16. ^ a b Turchetti , p. 154 .
  17. ^ Turchetti , p. 155 .
  18. ^ a b Briggs .

Bibliografie

  • Richard Feynman , Fizica lui Feynman , Bologna, Zanichelli, 2001 .:
    • Vol.I, cap. 4: Conservarea energiei
    • Vol. I, cap. 13: Munca și energia potențială (A)
    • Vol. I, alin. 15-9 Echivalența masei și energiei
    • Vol. I, alin. 16-5 Energie relativistă
  • Enrico Turchetti, Romana Pasi, Elements of Physics , ed. I, Zanichelli, 1998, ISBN 88-08-09755-2 .
  • (EN) David Briggs, Mark Wahlqvist, Visionary Voyager, Food Facts - Energy , Penguin Books, 1998.

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controllo di autorità Thesaurus BNCF 7201 · GND ( DE ) 4014692-3 · BNF ( FR ) cb119314344 (data) · NDL ( EN , JA ) 00561932