i energia | enciclopèdia.cat
Gran enciclopèdia catalana

energia

substantiu femeníf
Física    Química    Indústria i tecnologia
Flux mundial d’energia en milions de barrils de petroli per dia
© Fototeca.cat
física fís, química quím i tecnologia tecnol
Capacitat d’un sistema físic per a produir un treball .

Aquesta definició, bé que és la més estesa, pot induir a error a causa de la vaguetat del terme “capacitat”, i, per tant, és millor de definir l’energia com allò que, en produir-se un treball, disminueix en una quantitat igual al treball produït. L’energia, doncs, és mesurada en les mateixes unitats que el treball. La noció d’energia, latent ja en la mecànica clàssica, apareix definida com a conseqüència de les investigacions de J.P. Joule i N.L.S. Carnot sobre la interconversió calor

treball mecànic i gràcies a la teoria de H.L.F. Helmholtz que relaciona el treball fet per un sistema isotèrmic amb l’energia interna i l’entropia d’aquest sistema. Segons aquest concepte, l’energia no va lligada solament a la idea de treball mecànic, sinó també al treball elèctric, químic o calorífic, i hom pot parlar, doncs, d’energia elèctrica, química i calorífica. Al mateix temps hom pot afirmar que si en un sistema físic aïllat desapareix una certa quantitat de treball, o un equivalent d’aquest treball, pertanyent a diverses formes de l’energia, la mateixa quantitat de treball ha d’aparèixer sota unes altres formes ( llei de conservació de l’energia). Els treballs de William Thomson i de R.J.E. Clausius fets a mitjan s. XIX posaren en evidència el procés de degradació de l’energia, és a dir, la progressiva disminució del treball útil que hom pot obtenir d’un sistema aïllat, modificant l’anterior principi, de manera que hom el pot enunciar dient que l’energia es conserva, però també es degrada ( entropia , segon principi de la termodinàmica ). Posteriorment, i arran de la teoria d’A. Einstein sobre l’equivalència entre massa i energia (1905), hom amplià el principi de conservació, i actualment no hi ha distinció entre la conservació de la massa i la conservació de l’energia ( teoria de la relativitat , llei de conservació). Uns quants anys abans, el 1900, Max Planck havia formulat la teoria dels quanta d’energia (mecànica quàntica), que aportava un concepte fonamental per al coneixement de l’energia —la seva natura discontínua— i feia possible la interpretació de molts fenòmens fins aleshores inexplicats.

La manifestació de l’energia, malgrat ésser un fenomen únic, es pot presentar sota diverses formes, que, pel principi de conservació de l’energia, es poden transformar les unes en les altres. Per tant, hom pot parlar de diferents tipus d’energia més en funció dels seus efectes que de la seva natura. En un intent de sistematització, l’energia pot ésser classificada en mecànica, termodinàmica, electromagnètica i nuclear. L' energia mecànica és la deguda a les variables geomètriques i dinàmiques del sistema, des d’un punt de vista macroscòpic, i és la que respon a l’esquema matemàtic més senzill. Si hom considera un punt material de massa constant (m ) sotmès a un camp de forces F ( x ) produït per un potencial V ( x ), x = x ( t ) essent el vector de moviment del punt, hom defineix l’energia mecànica del sistema amb l’expressió E = 1/2m ( d x / dt ) 2 + V ( x ). El primer sumand és funció únicament de la velocitat v = d x / dt , i hom l’anomena energia cinètica ; aquesta expressió, però, solament és aplicable per a valors de la velocitat molt inferiors a la velocitat de la llum ( c ). En certes condicions (com, p ex, el moviment de partícules fonamentals en els acceleradors) hom assoleix valors de v pròxims a c , i aleshores, per al càlcul de l’energia associada al sistema, cal aplicar l’equació d’Einstein, que té en compte la variació de la massa en funció de la velocitat. La funció V ( x ) és anomenada energia potencial , i depèn només de la posició del sistema en el camp de forces. La seva expressió dependrà de la natura del camp. Així, en el cas de caiguda lliure, V ( x ) = mgh, h essent l’altura del sistema respecte al nivell de referència, i g , l’acceleració de la gravetat. Si el moviment és de rotació, l’energia cinètica és T = 1/2 I ϖ 2 , I essent el moment d’inèrcia, i ϖ, la velocitat angular. Hom expressa l' energia potencial de deformació , deguda a les propietats elàstiques d’un cos deformat, per la relació

essent les constants elàstiques característiques del cos, i S m i S n , les components de la deformació.

Des d’un punt de vista molecular i tenint en compte les variables termodinàmiques, hom pot definir l' energia interna U d’un sistema com la suma de les energies cinètiques de les molècules i l’energia potencial de les forces intermoleculars. Cadascun dels àtoms o molècules d’un cos o d’una substància presenta uns moviments de rotació, translació i vibració, respecte a la posició d’equilibri, més o menys intensos segons la temperatura. Des d’aquest punt de vista hom pot assimilar l' energia tèrmica a l’energia cinètica de les molècules, tal com ho formulà L. Boltzmann en la seva teoria cinètica dels gasos ( cinètic). L’energia interna no és una magnitud mesurable d’una forma absoluta, sinó que hom mesura solament les variacions d’energia entre dos estats del sistema (primer principi de la termodinàmica). De la manifestació d’aquesta energia o de la natura del fenomen que la produeix depèn el nom que hom li dóna. Hom anomena energia d’enllaç o energia de formació la diferència entre l’energia d’una molècula i la dels àtoms que la formen ( enllaç), energia de dissociació l’energia alliberada en la dissociació d’un compost, energia d’activació l’augment d’energia necessari perquè es produeixi una reacció química (energia d’activació) i energia de ressonància la diferència entre l’energia de formació teòrica i l’energia de formació real d’un compost ressonant ( ressonància). L' energia lliure relaciona la variació d’energia interna ( U ) o d’entalpia ( H ) amb la variació de l’entropia ( S ) d’un sistema i serveix per a indicar en quina direcció evolucionarà espontàniament el sistema ( afinitat). En els processos a pressió constant hom empra l' energia lliure de Gibbs ( G ), definida per la relació G = H - TS, T essent la temperatura del sistema, mentre que hom empra l' energia lliure de Helmholtz ( A = E-TS ) per als processos a volum constant. A les energies mecànica i termodinàmica hom ha d’afegir l’energia derivada de la natura electromagnètica de la matèria ( energia electromagnètica ). Hom expressa l’energia associada a un camp elèctric ( E ) en un medi de permitivitat ε com la integral de volum W e =1/2 ∫ V E 2 dV , i l’energia associada a un camp magnètic H en un medi de permeabilitat magnètica μ com la integral de volum W m = 1/2∫ V μ H dV . L’energia electromagnètica es manifesta bàsicament de dues maneres: transformant-se en energia cinètica de les càrregues elèctriques que són a la seva zona d’influència —que pot esdevenir calor ( efecte Joule) o energia mecànica (motors elèctrics)— o propagant-se com a energia radiant fora del medi on ha estat produïda en forma d’ones electromagnètiques —que poden esdevenir després energia lluminosa, etc.— o també, a escala atòmica, emetent partícules portadores d’una certa quantitat d’energia determinada per l’equació de Planck ( efecte fotoelèctric). El darrer tipus d’energia és l' energia nuclear , que manté els components del nucli atòmic reunits en un espai molt reduït. La massa d’un nucli atòmic és inferior a la suma de les masses de les partícules elementals que el formen ( defecte de massa). Aquest defecte de massa correspon a l’aparició d’una energia de cohesió absorbida per l’estructura nuclear i que hom pot calcular per mitjà de la relació E = mc 2 ( teoria de la relativitat), essent el defecte de massa, i c , la velocitat de la llum. Aquesta energia pot ésser alliberada en forma d’energia radiant i d’energia cinètica de les partícules que són expulsades del nucli.

La utilització de l’energia com a font de treball ha estat sempre una necessitat essencial per a l’home i un dels factors fonamentals del desenvolupament econòmic i del progrés tècnic moderns. Fins a l’inici de la revolució industrial, si hom n'exceptua alguns assaigs aïllats sense gran repercussió pràctica, hom emprava, com a fonts d’energia, la força muscular de l’home i dels animals, l’energia hidràulica i l’energia eòlica per a la producció de treball mecànic, i combustibles vegetals per a l’obtenció de calor. Aquests foren, fins aleshores, els únics recursos humans per a l’obtenció d’energia, bé que, en el decurs del temps, hom anava perfeccionant els sistemes d’explotació a fi d’aconseguir rendiments més elevats (utilització més racional dels animals, perfeccionament de les tècniques de navegació a vela, invenció de la roda hidràulica, etc.). L’aparició de la màquina de vapor, ideada per D. Papin el 1690 i perfeccionada per James Watt el 1785, i la transformació de la roda hidràulica en turbina (1827) marcaren el principi del desenvolupament de les tècniques d’explotació de l’energia. Uns quants anys més tard, a l’inici del s. XX, la construcció dels primers motors de combustió donà l’impuls definitiu en l’obtenció d’energia mecànica a partir de la calor, i es desenvolupà alhora la tecnologia dels combustibles líquids derivats del petroli. La ulterior invenció del generador de corrent altern permeté un considerable augment de les potències obtenides. Avui, les fonts d’energia més emprades són els salts d’aigua, els combustibles i la fissió nuclear, i, amb més poca importància, l’energia solar, l’eòlica, la geotèrmica i la de les marees. L’explotació de l’energia hidràulica, gairebé sempre destinada a la producció d’energia elèctrica, exigeix unes condicions topogràfiques i hidrogràfiques adequades i la construcció d’obres d’embassament i de maquinària de grans dimensions a fi d’assolir rendiments acceptables (que poden arribar a un 80%, o més, de l’energia potencial de l’aigua). La font més important d’energia és constituïda pels combustibles (combustible), la utilització dels quals ha sofert una gran expansió els darrers vuitanta anys. La raó fonamental d’aquest desenvolupament està en llur elevada concentració d’energia, que permet d’assolir potències considerables, malgrat que el rendiment màxim és molt inferior a l’obtingut amb l’energia hidràulica (anant molt bé, del 40% al 50%). Hom utilitza els combustibles en l’obtenció de calor, que és aprofitada directament o bé convertida en energia mecànica (motors de combustió, màquines de vapor, turbines, etc.), i també en l’obtenció d’energia elèctrica per via electroquímica (pila de combustible). El tercer tipus d’energia més emprada és l' energia nuclear , obtinguda generalment per la fissió dels nuclis de substàncies com l’urani, el plutoni, el tori, etc., perquè la tecnologia de les reaccions de fusió nuclear no és encara prou desenvolupada per a permetre llur explotació industrial i és emprada únicament en laboratoris experimentals i aplicacions bèl·liques. L’energia que hom obté en la fissió nuclear es manifesta en forma de calor, i assoleix temperatures molt més elevades que les aconseguides amb combustibles convencionals; això no obstant, els rendiments que actualment hom pot obtenir són encara molt baixos (de l’ordre d’un 30%). L’energia nuclear té aplicació bàsicament en la producció d’energia elèctrica i en la propulsió de vaixells (en aquest darrer cas la raó fonamental de l’aplicació de l’energia nuclear és l’autonomia gairebé il·limitada, puix que l’aspecte econòmic és desfavorable respecte als altres sistemes de propulsió). L’energia elèctrica obtinguda amb aquest sistema (central nuclear) té un cost raonable solament en el cas de grans reactors, que forneixen potències molt elevades. Tanmateix, a causa de la disminució de les reserves de combustibles i de llur consegüent encariment, l’energia nuclear esdevindrà com més va més rendible. Econòmicament, el sector energètic és d’una gran importància, puix que condiciona el desenvolupament dels països. Els factors que determinen les necessitats d’energia, avaluades actualment entre 170 i 200 milions TEC (tona equivalent de carbó) l’any, són fonamentalment el creixement industrial i el demogràfic. Aquestes necessitats són repartides en forma desigual entre els diferents estats i els diferents sectors de l’economia. Així, els EUA, l’Europa occidental i el Japó, amb un 15% de la població mundial, consumeixen el 49,7% dels recursos energètics (1981) i el 53% del petroli disponible (1983). I mentre la siderúrgia té un consum de 90 TEC per treballador l’any, l’agricultura en consumeix una. Hi ha una estreta correlació entre el producte nacional brut o nivell econòmic general de la vida i el consum energètic, de manera que un país amb recursos energètics (petroli, carbó, etc.) pot ésser subdesenvolupat, però no hi pot haver desenvolupament econòmic sense disponibilitat de recursos. D’ençà de 1973, però, la crisi petroliera i, en general, energètica, ha afeblit aquesta correlació. Fins aleshores l’increment (o la minva) del PIB (producte interior brut) d’un país era tan paral·lel al del consum d’energia que es modificaven en el mateix percentatge; del 1973 ençà el consum d’energia es modifica en un percentatge que es va reduint (el 1983, en un 90%). Aquesta incidència menor s’explica per dos motius: que el progrés tecnològic minva el consum unitari d’energia i que minva gradualment el pes de les indústries que consumeixen molta energia (siderúrgia, química pesant, materials de construcció). La producció mundial, malgrat els canvis esdevinguts en l’estructura energètica, no ha parat de créixer fins el 1979 (9444,8 milions TEC), i va minvant d’aleshores ençà (9095,5 milions el 1981). Això pot ésser degut al desfasament econòmic entre els estats en via de desenvolupament (que haurien minvat el consum d’energia amb set anys de retard) i els estats desenvolupats industrialment. Sembla que es destrien tres etapes en la demanda energètica dels estats industrialitzats amb economia de mercat: minva absoluta del 1973 al 1975, augment del 1976 al 1978 i nova minva (segona crisi energètica) del 1979 al 1983 que es va prolongant. En canvi els estats industrialitzats d’economia planificada no semblen haver deturat, sinó només alentit del 1979 ençà, llur expansió energètica. Durant aquests deu o onze anys, doncs, el balanç només ha estat negatiu per als països occidentals. L’any 1981 l’Amèrica del Nord i Central obtingué el 28,6% de l’energia mundial (23% els EUA, primer productor; també hi pesen el Canadà i Mèxic); Àsia el 24,85% (l’Aràbia Saudita, la Xina, Indonèsia, l’Índia, etc.); l’URSS el 22% (segon lloc, per estats); Europa, el 13,9% (la Gran Bretanya, la RF d’Alemanya, Polònia, etc.) i Àfrica el 5,5% (Nigèria en primer lloc). També compten Veneçuela i Austràlia. El comerç internacional d’energia va afectar un 32,3% de la producció. Els exportadors són principalment asiàtics (l’Aràbia Saudita, primer exportador, els Emirats Àrabs Units i Indonèsia concentren el 30,4% de l’exportació mundial), seguits de l’URSS, Veneçuela, els EUA i la Gran Bretanya. Els importadors, que en part coincideixen amb els exportadors (hom pot exportar carbó i importar petroli, per exemple), són essencialment els EUA, el Japó i l’Europa Occidental (entre la RF d’Alemanya, França, Itàlia, els Països Baixos i Espanya, el 27,15%. Atesos els actuals ritmes de consum, hom pot considerar que més del 95% de les fonts d’energia no són renovables (combustibles fòssils); això, juntament amb les exigències de la tecnologia moderna i de competitivitat de la indústria, ha augmentat la importància de la qualitat i de la natura d’aquestes fonts i n'ha impulsat l’aprofitament òptim i més econòmic. Així, una tona de carbó lliura avui set vegades més d’energia que el 1900, i el rendiment de les màquines de vapor ha passat del 8% el 1900 al 35% en les centrals tèrmiques modernes. També, des del començament del s. XX es dóna una disminució del consum relatiu de carbó en benefici del petroli i del gas natural, tendència que ha continuat fins el 1980 (31,4% de l’energia consumida). L’any 1981 el consum fou d’uns 2 660 milions de tones d’hulla (incloent-hi les de lignit, computades com a mitges tones). Aquest consum és molt important a Europa (27,3% del mundial: Polònia, les dues Alemanyes, la Gran Bretanya, Txecoslovàquia, França), Àsia (26,4%, la Xina, l’Índia, el Japó, la Corea del Nord), als EUA i l’URSS (els dos primers consumidors, que absorbeixen els dos cinquens del consum mundial). Hom en preveu un manteniment del consum relatiu, que, per minva del consum de petroli, l’ha de situar en primer lloc l’any 2 000. Fins aleshores —si es realitzen les projeccions— el primer lloc continuarà ocupat pel petroli, que el 1980, havent començat ja la minva absoluta, cobrí el 43,1% del consum energètic i que l’any següent es reduí a uns 2 500 milions de tones. Són consumides sobretot a l’Amèrica del Nord i Central (34,3%, EUA, primer consumidor; el Canadà, Mèxic), seguida d’Europa (24,2% la RF d’Alemanya, Itàlia, França, la Gran Bretanya.), d’Àsia (19,15%, el Japó i la Xina en primer lloc) i de l’URSS (segon estat consumidor). El gas natural ve en tercer lloc, amb un 22% del consum el 198f0, que sembla que es mantindrà. El 1980 hom en consumí 1,423 bilions de m 3 , acaparats en un 44,4% per l’Amèrica del Nord i Central (EUA, primer consumidor; el Canadà i Mèxic); l’URSS en consumí més d’un quart del total, seguida d’Europa (la RF d’Alemanya, la Gran Bretanya, Romania, Itàlia, els Països Baixos, França) i del Japó. L’electricitat primària, essencialment hidràulica o nuclear, sembla destinada a ocupar els percentatges energètics que perdi el petroli. El 1980 només forní un 3,5% de l’energia consumida. El 1981 hom en consumí uns 2,6 milions de GWh. El 33,5% el consumí l’Amèrica del Nord i Central (els EUA i el Canadà en són els primers consumidors); el 31,3%, Europa (França, Suècia, Noruega, la RF d’Alemanya), el 14,9% Àsia (el Japó i la Xina), l’URSS i el Brasil. És, per tant, la font d’energia més dispersa geogràficament.

Col·laboració: 
JoAR / JRe
Llegir més...