Surse de energie în procesele fizice

În acest capitol, am studiat energia. Am învățat că energia poate lua diferite forme și poate fi transferată dintr-o formă în alta. Veți constata că energia este discutată în multe contexte cotidiene, precum și științifice, deoarece este implicată în toate procesele fizice. De asemenea, va deveni evident că multe situații sunt cel mai bine înțelese sau cel mai ușor de conceptualizat luând în considerare energia. Până în prezent, niciun rezultat experimental nu a contrazis conservarea energiei. De fapt, ori de câte ori măsurătorile au părut să intre în conflict cu conservarea energiei, au fost descoperite sau recunoscute noi forme de energie în conformitate cu acest principiu.

Care sunt alte forme de energie? Multe dintre acestea sunt acoperite în capitolele ulterioare (vezi și Figura 8.13), dar să detaliem câteva aici:

• Atomii și moleculele din interiorul tuturor obiectelor sunt în mișcare aleatorie. Energia cinetică internă provenită din aceste mișcări aleatorii se numește energie termică, deoarece este legată de temperatura obiectului.
• Energia electrică este o formă comună care este convertită în multe alte forme și funcționează într-o gamă largă de situații practice.
• Combustibilii, cum ar fi benzina și alimentele, au energie chimică, care este energie potențială provenită din structura lor moleculară. Energia chimică poate fi convertită în energie termică prin reacții precum oxidarea. Reacțiile chimice pot produce, de asemenea, energie electrică, cum ar fi în baterii. Energia electrică poate, la rândul ei, să producă energie termică și lumină, cum ar fi într-un încălzitor electric sau un bec.
• Lumina este doar un tip de radiație electromagnetică sau energie radiantă, care include și razele radio, infraroșii, ultravioletele, razele X și gama. Toate corpurile cu energie termică pot radia energie sub formă de unde electromagnetice.
• Energia nucleară provine din reacții și procese care transformă cantități măsurabile de masă în energie. Energia nucleară este transformată în energie radiantă în Soare, în energie termică în cazanele centralelor nucleare și apoi în energie electrică în generatoarele centralelor electrice. Acestea și toate celelalte forme de energie pot fi transformate unele în altele și, într-o anumită măsură, pot fi convertite în lucru mecanic.

Figura 8.13 Energia pe care o folosim în societate ia multe forme, care pot fi transformate una în alta în funcție de procesul implicat. Vom studia multe dintre aceste forme de energie în capitolele ulterioare ale acestui text. (Credit „soare”: modificarea lucrării lui EIT – SOHO Consortium, ESA, NASA; „panouri solare”: „modificarea lucrării lui kjkolb/Wikimedia Commons; „arzător de gaz”: modificarea lucrării lui Steven Depolo)

Transformarea energiei dintr-o formă în alta are loc tot timpul. Energia chimică din alimente este convertită în energie termică prin metabolism; energia luminoasă este convertită în energie chimică prin fotosinteză. Un alt exemplu de conversie a energiei are loc într-o celulă solară. Lumina soarelui care cade pe o celulă solară produce electricitate, care poate fi utilizată pentru a alimenta motoare electrice sau a încălzi apa. Într-un exemplu care cuprinde mai mulți pași, energia chimică conținută în cărbune este convertită în energie termică pe măsură ce arde într-un cuptor, pentru a transforma apa în abur, într-un cazan. O parte din energia termică din abur este apoi convertită în energie mecanică pe măsură ce se extinde și rotește o turbină, care este conectată la un generator pentru a produce energie electrică. În aceste exemple, nu toată energia inițială este convertită în formele menționate, deoarece o parte din energie este întotdeauna transferată în mediu.

Energia este un element important la toate nivelurile de societate. Trăim într-o lume foarte interdependentă, iar accesul la resurse energetice adecvate și fiabile este crucial pentru creșterea economică și pentru menținerea calității vieții noastre. Principalele resurse energetice utilizate în lume sunt prezentate în Figura 8.14. Figura distinge între două tipuri principale de surse de energie: regenerabile și neregenerabile și împarte fiecare tip în câteva tipuri mai specifice. Sursele regenerabile sunt surse de energie care sunt reaprovizionate prin procese naturale, continue, pe o scară de timp mult mai scurtă decât durata de viață anticipată a civilizației care utilizează sursa. Sursele neregenerabile se epuizează odată ce o parte din energia pe care o conțin este extrasă și transformată în alte tipuri de energie. Procesele naturale prin care se formează sursele neregenerabile au loc de obicei la scări de timp geologice.

Figura 8.14 Consumul mondial de energie pe surse; procentul de surse regenerabile este în creștere, reprezentând 19% în 2012.

Cele mai importante surse de energie neregenerabilă sunt combustibilii fosili, cum ar fi cărbunele, petrolul și gazele naturale. Acestea reprezintă aproximativ 81% din consumul mondial de energie, așa cum se arată în figură. Arderea combustibililor fosili creează reacții chimice care transformă energia potențială, în structurile moleculare ale reactanților, în energie termică și produse. Această energie termică poate fi utilizată pentru încălzirea clădirilor sau pentru a acționa mașini cu abur. Motoarele cu ardere internă și cele cu reacție transformă o parte din energia gazelor cu expansiune rapidă, eliberată din arderea benzinei, în lucru mecanic. Generarea de energie electrică este derivată în mare parte din transferul energiei din aburul în expansiune, prin intermediul turbinelor, în lucru mecanic, care rotește bobine de sârmă în câmpuri magnetice pentru a genera electricitate. Energia nucleară este cealaltă sursă neregenerabilă prezentată în Figura 8.14 și furnizează aproximativ 3% din consumul mondial. Reacțiile nucleare eliberează energie prin transformarea energiei potențiale, în structura nucleelor, în energie termică, analog cu eliberarea de energie în reacțiile chimice. Energia termică obținută din reacțiile nucleare poate fi transferată și convertită în alte forme în aceleași moduri în care este utilizată energia din combustibili fosili.

Un efect secundar nefericit al dependenței de energia produsă din arderea combustibililor fosili este eliberarea de dioxid de carbon în atmosferă și contribuția sa la încălzirea globală. Energia nucleară pune, de asemenea, probleme de mediu, inclusiv siguranța și eliminarea deșeurilor nucleare. Pe lângă aceste consecințe importante, rezervele de surse de energie neregenerabile sunt limitate și, având în vedere rata rapidă de creștere a consumului mondial de energie, este posibil să nu dureze mai mult de câteva sute de ani. Se depun eforturi considerabile pentru a dezvolta și extinde utilizarea surselor regenerabile de energie, implicând un procent semnificativ din fizicienii și inginerii din lume.

Patru dintre sursele de energie regenerabilă enumerate în Figura 8.14 – cele care utilizează materiale din plante drept combustibil (căldură din biomasă, etanol, biodiesel și electricitate din biomasă) – implică aceleași tipuri de transformări și conversii de energie ca cele discutate pentru combustibilii fosili și nucleari. Celelalte tipuri majore de surse de energie regenerabilă sunt energia hidroelectrică, energia eoliană, energia geotermală și energia solară. Energia hidroelectrică este produsă prin convertirea energiei potențiale gravitaționale a apei care cade sau curge în energie cinetică și apoi în lucru mecanic pentru a acționa generatoare sau mașini electrice. Conversia energiei mecanice din valurile de la suprafața oceanului și a mareelor este în curs de dezvoltare. Energia eoliană transformă, de asemenea, energia cinetică în lucru mecanic, care poate fi utilizat direct pentru a genera electricitate, a acționa mori și a propulsa veliere.

Interiorul Pământului are o cantitate mare de energie termică, din care o parte este rămasă de la formarea sa inițială (energia potențială gravitațională convertită în energie termică) și o parte este eliberată din mineralele radioactive (o formă de energie nucleară naturală). Va dura foarte mult timp pentru ca această energie geotermală să scape în spațiu, așa că oamenii o consideră, în general, o sursă regenerabilă, când, de fapt, este pur și simplu inepuizabilă la scară de timp umană.

Sursa de energie solară este energia transportată de undele electromagnetice radiate de Soare. Cea mai mare parte a acestei energii este transportată de lumina vizibilă și radiația infraroșie (căldură). Atunci când materialele adecvate absorb undele electromagnetice, energia radiantă este convertită în energie termică, care poate fi utilizată pentru încălzirea apei sau, atunci când este concentrată, pentru a produce abur și a genera electricitate (Figura 8.15). Cu toate acestea, într-un alt proces fizic important, cunoscut sub numele de efect fotoelectric, radiația energetică care cade asupra anumitor materiale este convertită direct în electricitate. Materialele care fac acest lucru se numesc fotovoltaice (PV în Figura 8.14). Unele sisteme de energie solară utilizează lentile sau oglinzi pentru a concentra razele soarelui, înainte de a le converti energia prin fotovoltaică, iar acestea sunt calificate drept CSP în Figura 8.14.

Figura 8.15 Panouri de celule solare găsite într-o zonă însorită care transformă energia solară în energie electrică stocată. (Credit: mrganso/Pixabay)

Pe măsură ce încheiem acest capitol despre energie și muncă, este relevant să facem câteva distincții între doi termeni uneori înțeleși greșit în domeniul utilizării energiei. După cum am menționat anterior, „legea conservării energiei” este un principiu foarte util în analiza proceselor fizice. Nu poate fi demonstrată din principii de bază, dar este un instrument contabil foarte bun și nu au fost găsite excepții vreodată. Aceasta afirmă că cantitatea totală de energie dintr-un sistem izolat rămâne întotdeauna constantă. Legată de acest principiu, dar remarcabil de diferită de acesta, este importanța filozofică a conservării energiei. Acest concept are legătură cu încercarea de a reduce cantitatea de energie utilizată de un individ sau un grup prin reducerea activităților (de exemplu, reducerea temperaturii termostatelor, conducerea unui număr mai mic de kilometri) și/sau creșterea eficienței conversiei în îndeplinirea unei anumite sarcini, cum ar fi dezvoltarea și utilizarea unor încălzitoare de cameră mai eficiente, a mașinilor cu un consum mai mare de combustibil, a becurilor fluorescente compacte eficiente energetic etc.

Întrucât energia dintr-un sistem izolat nu este distrusă, creată sau generată, v-ați putea întreba de ce trebuie să ne preocupăm de resursele noastre energetice, deoarece energia este o cantitate conservată. Problema este că rezultatul final al majorității transformărilor energetice este căldura reziduală, adică lucrul mecanic care a fost „degradat” în transformarea energiei. Vom discuta această idee mai detaliat în capitolele despre termodinamică.

Sursa: Physics, University Physics (OpenStax), gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere și adaptare de Nicolae Sfetcu. © 2024 MultiMedia Publishing, Fizica, Volumul 1