Definició d'energia
Des d'un punt de vista físic, l'energia és una propietat de la matèria que provoca canvis en els cossos i que es transfereix en forma de treball o calor.
De fet, la paraula energia prové del terme grec enérgeia que significa "capacitat per produir canvis".
La majoria d'accions que esdevenen en els organismes vius i a la resta de la natura són energia o estan generades per ella.
L'energia és una propietat de la matèria que es pot mesurar. En el Sistema Internacional la unitat bàsica és el joule (J). També es poden utilitzar altres unitats com ara la caloria (cal) i el quilowatt hora (kWh).
La relació entre les unitats és la següent:
La majoria d'accions que esdevenen en els organismes vius i a la resta de la natura són energia o estan generades per ella.
 |
| Els aliments tenen energia, ja que contenen substàncies que mantenen vives les cèl·lules. |
 |
| El gas té energia, ja que, en cremar-se, pot escalfar l'aigua d'un recipient. |
 |
| El vent té energia, ja que pot fer moure les aspes d'un molí. |
 |
| La major part de l'energia que acumula la Terra i la que consumeixen els éssers vius que l'habiten prové directament o indirectament del Sol. |
L'energia és una propietat de la matèria que es pot mesurar. En el Sistema Internacional la unitat bàsica és el joule (J). També es poden utilitzar altres unitats com ara la caloria (cal) i el quilowatt hora (kWh).
La relació entre les unitats és la següent:
1 cal = 4,18J
1 J = 0,24 cal
1 kWh = 1 000 W · 3 600 s = 3 600 000 J
1 kW = 1 000 W
1 kW = 1 000 W
Hi ha altres unitats de potència com el cavall de vapor (CV):
1 CV = 735 W
Propietats de l'energia
L'energia té les propietats següents:
L'energia té les propietats següents:
 |
| L'energia es degrada: en cada una de les transformacions de l'energia es produeix calor, que no es pot aprofitar. La degradació de l'energia és el pas de formes útils d'energia a altres formes de no aprofitables. |
 |
| L'energia es transforma: les lampades transformen l'energia elèctrica en energia lumínica. |
 |
| L'energia es pot transportar: l'energia elèctrica es transporta per mitjà de cables. |
 |
| L'energia es pot emmagatzemar: l'energia química es pot acumular en piles i bateries. |
 |
| L'energia es transfereix: pot passar d'un cos a un altre, com és el casa d'un glaçó que es fon. |
- L'energia es conserva: l'energia no es gasta malgrat passar d'uns cossos a uns altres o transformar-se. Aquest fet suposa el principi de conservació de l'energia que s'enuncia de la següent manera: l'energia no es crea ni es destrueix, només es transforma.
Formes d'energia
L'energia es pot presentar en diferents formes que es presenten a continuació:
L'energia es pot presentar en diferents formes que es presenten a continuació:
- Energia mecànica: és una de les principals formes en què es manifesta l'energia. Es pot descriure com la combinació de l'energia cinètica i l'energia potencial.
- Energia interna: és l'energia que generen el moviment de les partícules que formen la matèria. L'energia interna d'un cos augmenta amb la temperatura: per tant, creix quan el cos passa de sòlid a líquid i de líquid a gas.
- Energia química: és l'energia continguda en els compostos químics i que es manifesta en el moment que tenen lloc les reaccions químiques.
- Energia tèrmica: és l'energia que s'allibera en forma de calor i que es transfereix d'un cos a l'altre pel fet d'estar a diferent temperatura. L'energia tèrmica pot obtenir-se d'una reacció química, d'una reacció nuclear, per fregament o a conseqüència del corrent elèctric.
- Energia nuclear: és l'energia continguda en el nucli dels àtoms. Les reaccions nuclears modifiquen l'estructura atòmica de la matèria i alliberen molta energia. Les reaccions poden ser de fissió (desintegració d'àtoms molt pesants) i de fusió (unió d'àtoms lleugers).
- Energia elèctrica: és l'energia que es genera quan les partícules amb càrrega es mouen en una direcció determinada. L'ésser humà ha sabut fer moure partícules carregades negativament (electrons) per obtenir un corrent elèctric, que és el responsable de fer funcionar molts aparells.
- Energia radiant: és l'energia que els cossos emeten en forma de radiació electromagnètica, com ara la llum, les ones de ràdio, les microones, la radiació ultraviolada, etc. Són ones que es transmeten per l'espai sense necessitat que hi hagi cap medi material per transportar-les.
L'energia mecànica
Hem vist que l'energia d'un cos es pot definir com la capacitat de realitzar un treball i la unitat d'energia en el Sistema Internacional és el joule (J).
També hem vist que l'energia es pot classificar de moltes maneres, però en aquest curs únicament es tracten les dues formes de l'energia mecànica, l'energia cinètica i l'energia potencial gravitatòria.
Energia cinètica
L'energia cinètica (Ec) és l'energia que té un cos a causa del seu moviment. Sempre que un cos tingui velocitat tindrà energia cinètica. Matemàticament, l'energia cinètica es calcula a partir de l'equació següent:
On m (kg) és la massa del cos en moviment i v (m/s) la velocitat en què es mou.
Energia potencial gravitatòria
També hem vist que l'energia es pot classificar de moltes maneres, però en aquest curs únicament es tracten les dues formes de l'energia mecànica, l'energia cinètica i l'energia potencial gravitatòria.
Energia cinètica
L'energia cinètica (Ec) és l'energia que té un cos a causa del seu moviment. Sempre que un cos tingui velocitat tindrà energia cinètica. Matemàticament, l'energia cinètica es calcula a partir de l'equació següent:
Ec = 1/2 m · v 2
Energia potencial gravitatòria
L'energia potencial gravitatòria (Ep) d'un cos és l'energia que té a causa de la seva posició en el camp gravitatori de la Terra. L'energia potencial d'un cos de massa m situat a una alçada h, es pot calcular mitjançant la fórmula:
Ep = m · g · h
On g és el valor de l'acceleració de la gravetat a la superfície de la Terra i val 9,8 m/s².
Energia mecànica
Finalment, l'energia mecànica (Em) d'un cos és la suma d'aquestes dues energies que té un cos. És a dir:
Energia mecànica
Finalment, l'energia mecànica (Em) d'un cos és la suma d'aquestes dues energies que té un cos. És a dir:
Em = Ec + Ep
Principi de conservació de l'energia mecànica
D'aquesta equació anterior, si no es tenen en compte les forces de fricció, deduïm que l'energia mecànica d'un cos es manté constant:
- Si creix l'energia cinètica, disminueix l'energia potencial.
- Si disminueix l'energia cinètica, augmenta l'energia potencial.
Per tant, l'energia mecànica es conserva; això vol dir que sempre val el mateix, és a dir, el seu valor es manté constant.
Exemple: Imagina un skater situat a una certa altura, que està aturat i té una energia mecànica que val 100 Joules.
Aquests 100 J són en forma d'energia potencial, ja que la cinètica, al no tenir velocitat, és nul.la. Si ara es deixa caure, va perdent alçada i, per tant, perd energia potencial; al mateix temps, durant la caiguda, l'skater va guanyant velocitat, la qual cosa vol dir que guanya energia cinètica, de manera que la suma d'aquestes dues energies continua valent 100 J.
En el moment què l'skater arriba al punt més baix del skatepark, l'alçada és zero i, en conseqüència, l'energia potencial és nul·la i tota l'energia que té el cos és cinètica què en aquesta posició val 100 J.
Si es té en compte la força de fricció amb l'aire, hi haurà una pèrdua d'energia.
Imagina que en el cas de l'exemple anterior, durant la baixada, a causa de la fricció amb l'aire es perden 20 J d'energia. En arribar a terra, el cos tindrà únicament 80 J (100J - 20 J) en forma d'energia mecànica.
Si voleu realitzar aquesta experiència de manera virtual, podeu visitar l'enllaç Energy Skate Park: Basics. Veureu que l'aplicació us dóna la possibilitat de variar la massa i la velocitat del skater, la forma del skatepark (entre d'atres variables que intervenen en aquest problema). Els resultats es poden visualitzar mitjançant un diagrama de barres dinàmiques que relaciona les tres energies: Em , Ec , Ep.
Exemple: Una pedra de 6 kg es deixa caure sobre el mar des d'una altura de 5 m. Si no hi ha fricció amb l'aire, a la taula següent, s'indiquen els valors de l'energia i de l'energia cinètica en joule (J) que corresponen en cada posició:
En aquest exemple, veiem que si no es tenen en compte les forces de fricció, l'energia mecànica es conserva. Això vol dir que sempre val el mateix, és a dir, el seu valor es manté constant.
Transferència d'energia:
El Treball Mecànic
El Treball Mecànic
Per què un cos canviï de velocitat, pugi una certa altura o es deformi, cal que un altre cos faci una força sobre ell. En tots aquests casos l’energia dels cossos canvia.
Per mesurar aquests canvis d’energia utilitzem el concepte de treball mecànic.
El treball mecànic és la mesura de l’energia que donem a un cos fent canvis en aquest cos amb una força.
El treball mecànic (Wm) s’expressa matemàticament com la força realitzada (F) multiplicada per la distància recorreguda pel cos (d), en la direcció de la força. És a dir:
Wm = F · d
La unitat de treball en el sistema internacional és el joule (J) i es defineix com el treball realitzat amb una força d’1 newton (N) al llarg d’una distància d’1 metre.
No sempre en qualsevol situació en què intervé una força, estem fent un treball mecànic. Per exemple:
- Un llançador de beisbol fa un treball positiu sobre la pilota quan li aplica una força al llarg de la distància qu el bat hi està en contacte.
- Aquesta atleta, mentre estigui mantenint un pes aixecat, fa un esforç, però no pas un treball. Durant tota l'estona en què està aixecant el pes, aquest no es desplaça (es manté en la mateixa posició).
- Quan empenyem un cotxe i el fem avançar, estem realitzant un treball. En canvi, si no aconseguíssim que aquest canviés la seva posició, llavors només estaríem fent un esforç.
- Quan estirem la corda que fa rodar una politja.
- Quan una escaladora ascendeix per una paret fa un treball mecànic que és igual al pes de l'escaladora per la distància d'ascensió.
Exemple: En el cas de l'escaladora, imaginem que volem calcular el treball mecànic que realitza per ascendir 10 metres per la paret si la seva massa és de 55 kg.
Per calcular el treball necessitem conèixer el valor de la força aplicada, que en aquest cas equival al pes de l'escaladora:
P = m · g = 55 kg · 9,8 m/s² = 539 N
Per tant: W = F · d
W = 539 N · 10 m = 5 390 J
Les màquines i el treball
Les màquines són aquelles eines o dispositius que ens permeten realitzar un treball aplicant una força més petita que la que hauríem de fer si no la utilitzéssim, o bé, efectuar el mateix treball però més còmodament.
Són exemples de màquines senzilles: la palanca, la politja, el torn i el pla inclinat. Totes elles faciliten la realització d'un treball.
Són exemples de màquines senzilles: la palanca, la politja, el torn i el pla inclinat. Totes elles faciliten la realització d'un treball.
Temperatura i calor
La sensació de fred o calor és el resultat d'un impuls originat pels sentits i elaborat pel sistema nerviós.
En el llenguatge científic, calor i temperatura tenen un significat diferent.
La temperatura expressa el nivell d'agitació tèrmica de les partícules que constitueixen un cos, és a dir, la quantitat d'energia que posseeix.
Ja sabem de la teoria cinètica, que les partícules (àtoms i molècules) que formen els cossos es mouen a més o menys velocitat i interaccionen entre elles. Aquest moviment continu que tenen les partícules s'anomena agitació tèrmica i el grau d'agitació tèrmica de les partícules d'un cos constitueix la seva energia interna.
Què passa quan dos cossos de temperatures diferents entren en contacte?
Quan dos cossos de temperatures diferents es posen en contacte, hi ha una transferència d'energia del cos que està més calent al que n'està menys. I quan la temperatura dels dos cossos s'iguala, la transferència d'energia s'atura; en aquest moment, els dos cossos es troben en una situació d'equilibri tèrmic.
La calor és l'energia tèrmica que es transfereix entre cossos que es troben a temperatura diferent i estan en contacte. La quantitat de calor és la quantitat d'energia tèrmica que es transmet durant el procés.
Com que la calor és una forma d'energia, es mesura amb les mateixes unitats: joules (J).
Com mesurem la temperatura?
L'instrument que s'utilitza per mesurar la temperatura és el termòmetre:
Generalment, els termòmetre contenen alcohol acolorit o altres líquids que es dilaten amb la temperatura. Quan el termòmetre es posa en contacte amb un altre cos, hi ha un intercanvi de calor entre tots dos, fins que s'assoleix l'equilibri tèrmic. El líquid que hi ha a l'interior del termòmetre es dilata o es contrau i l'altura a què arriba al tub graduat indica la temperatura.
Hi ha diferents escales termomètriques:
Les equivalències entre les escales de temperatura:
La sensació de fred o calor és el resultat d'un impuls originat pels sentits i elaborat pel sistema nerviós.
La temperatura expressa el nivell d'agitació tèrmica de les partícules que constitueixen un cos, és a dir, la quantitat d'energia que posseeix.
Ja sabem de la teoria cinètica, que les partícules (àtoms i molècules) que formen els cossos es mouen a més o menys velocitat i interaccionen entre elles. Aquest moviment continu que tenen les partícules s'anomena agitació tèrmica i el grau d'agitació tèrmica de les partícules d'un cos constitueix la seva energia interna.
Què passa quan dos cossos de temperatures diferents entren en contacte?
Quan dos cossos de temperatures diferents es posen en contacte, hi ha una transferència d'energia del cos que està més calent al que n'està menys. I quan la temperatura dels dos cossos s'iguala, la transferència d'energia s'atura; en aquest moment, els dos cossos es troben en una situació d'equilibri tèrmic.
La calor és l'energia tèrmica que es transfereix entre cossos que es troben a temperatura diferent i estan en contacte. La quantitat de calor és la quantitat d'energia tèrmica que es transmet durant el procés.
Com que la calor és una forma d'energia, es mesura amb les mateixes unitats: joules (J).
Com mesurem la temperatura?
L'instrument que s'utilitza per mesurar la temperatura és el termòmetre:
Generalment, els termòmetre contenen alcohol acolorit o altres líquids que es dilaten amb la temperatura. Quan el termòmetre es posa en contacte amb un altre cos, hi ha un intercanvi de calor entre tots dos, fins que s'assoleix l'equilibri tèrmic. El líquid que hi ha a l'interior del termòmetre es dilata o es contrau i l'altura a què arriba al tub graduat indica la temperatura.
Hi ha diferents escales termomètriques:
Les equivalències entre les escales de temperatura:
 |
| Entre l'escala Celsius (ºC) i l'escala Fahrenheit (ºF) i entre l'escala Kelvin (ºK) i l'escala Celsius (ºC). |
La calor es transmet d'un cos a l'altre de tres maneres diferents: per conducció, convecció i radiació.
- En els sòlids, la calor es propaga principalment per conducció. Aquest mecanisme es produeix entre les partícules d'un sòlid quan unes es troben a diferent temperatura de les altres o entre dos cossos de diferent temperatura que estan en contacte. Les partícules del sòlid exposades a la font de calor adquireixen més energia cinètica i es mouen més; cedeixen part de l'energia adquirida a les partícules que tenen al voltant, de manera que les partícules veïnes tambe intensifiquen el moviment. Amb aquest procediment, l'energia cinètica es dispersa per tot el cos sense cap transport de matèria. L'energia cinètica de les partícules disminueix a mesura que es troben més lluny de la font de calor.
- En els fluids (líquids i gasos), la calor es propaga principalment per convecció. Quans els fluids s'escalfen, es dilaten i es tornen menys densos, de manera que tendeixen a ascendir i a surar sobre els fluids més freds que els envolten. Els moviments que s'originen per aquesta causa s'anomenen corrents de convecció.
- La radiació és la forma de transmissió de la calor entre dos cossos sense que estiguin en contacte i sense que hi hagi un medi material entre tots dos. Es tracta d'una transmissió de la calor que viatja en el buit a grans distàncies i a la velocitat de la llum.
Efectes de la calor sobre la matèria:
Quan un cos s'escalfa, les seves partícules que l'integren es mouen amb mes rapidesa i la temperatura augmenta (Teoria Cinètica Molecular). Aquest increment de temperatura pot provocar:
- Un canvi d'estat progressiu o regressiu.
- Un canvi del volum del cos.
 |
| El canvi d'estat implica una variació de l'energia interna del cos. |
