Home » Articole » Articole » Știință » Fizica » Teorii clasice ale sursei energiei solare: energiile termică și gravitațională

Teorii clasice ale sursei energiei solare: energiile termică și gravitațională

postat în: Fizica, Astronomie 0

Soare

Figura 16.1 Soarele. Este nevoie de o cantitate incredibilă de energie pentru ca Soarele să strălucească, așa cum a făcut și va continua să o facă miliarde de ani. (Credit: Pixabay)

Soarele emite o cantitate incomprehensibilă de energie – atât de mult încât radiațiile sale ultraviolete pot provoca arsuri solare de la 150 de milioane de kilometri distanță. De asemenea, este foarte veche. După cum ați aflat mai devreme, dovezile arată că Soarele s-a format acum aproximativ 4,5 miliarde de ani și strălucește de atunci. Cum poate Soarele să producă atâta energie atât de mult timp?

Producția de energie a Soarelui este de aproximativ 4 × 1026 wați. Acesta este inimaginabil de strălucitor: mai luminos decât un trilion de orașe împreună fiecare cu un trilion de becuri de 100 de wați. Cele mai cunoscute metode de generare a energiei sunt cu mult sub capacitatea Soarelui. Cantitatea totală de energie produsă de-a lungul întregii vieți a Soarelui este uluitoare, deoarece Soarele strălucește de miliarde de ani. Oamenii de știință nu au putut explica energia aparent nelimitată a stelelor precum Soarele înainte de secolul al XX-lea.

16.1 Surse de lumină solară: energie termică și gravitațională

Energia este un concept dificil de înțeles, deoarece există în atât de multe forme diferite încât sfidează orice explicație simplă. În multe privințe, înțelegerea energiei este ca și înțelegerea bogăției: există forme foarte diferite de bogăție și urmează reguli diferite, în funcție de faptul că acestea sunt bursă, imobiliare, o colecție de cărți de benzi desenate vechi, grămezi mari de numerar sau unul dintre multele alte moduri de a face și a pierde bani. Este mai ușor să discutăm despre una sau două forme de bogăție – sau energie – decât să discutăm acest concept în general.

Când s-au străduit să înțeleagă modul în care Soarele poate elibera atât de multă energie pentru atât de mult timp, oamenii de știință au luat în considerare multe tipuri diferite de energie. Oamenii de știință din secolul al XIX-lea cunoșteau două surse posibile pentru energia Soarelui: energia chimică și energia gravitațională. Sursa de energie chimică cea mai familiară pentru ei a fost arderea (termenul chimic este oxidare) a lemnului, cărbunelui, benzinei sau a altor combustibili. Știm exact câtă energie poate produce arderea acestor materiale. Putem calcula astfel că, chiar dacă masa imensă a Soarelui ar consta dintr-un material care poate arde, cum ar fi cărbunele sau lemnul, steaua noastră nu ar putea produce energie în ritmul actual pentru mai mult de câteva mii de ani. Cu toate acestea, știm din dovezi geologice că apa a fost prezentă pe suprafața Pământului cu aproape 4 miliarde de ani în urmă, așa că Soarele trebuie să fi strălucit puternic (și a încălzit Pământul) cel puțin atât de mult timp. Astăzi, știm, de asemenea, că la temperaturile găsite în Soare, nimic ca lemnul masiv sau cărbunele nu ar putea supraviețui.

Bazele astronomieiCe este Watt?

Doar câteva cuvinte despre unitățile pe care le folosim. Un watt (W) este o unitate de putere, care este energia utilizată sau eliberată pe unitatea de timp. Se măsoară în jouli pe secundă (J/s). Știi din experiența ta de zi cu zi că nu este vorba doar de câtă energie cheltuiești, ci și de cât timp îți ia să o faci. (Arderea a 10 calorii în 10 minute necesită un tip de activitate foarte diferit decât arderea acelor 10 calorii într-o oră.) Wații vă spun rata la care este utilizată energia; de exemplu, un bec de 100 de wați utilizează 100 de jouli (J) de energie în fiecare secundă.

Și cât de mare este un joule? Un profesor de 73 de kilograme care alergă cu aproximativ 4,4 metri pe secundă, deoarece întârzie la curs, are o energie de mișcare de aproximativ 700 de jouli.

Conservarea energiei

Alte încercări din secolul al XIX-lea de a determina ce face Soarele să strălucească au folosit legea conservării energiei. Simplu spus, această lege spune că energia nu poate fi creată sau distrusă, ci poate fi transformată de la un tip la altul, cum ar fi de la căldură la energie mecanică. Motorul cu abur, care a fost cheia revoluției industriale, oferă un bun exemplu. La acest tip de motor, aburul fierbinte dintr-un cazan conduce mișcarea unui piston, transformând energia termică în energie de mișcare.

Invers, mișcarea poate fi transformată în căldură. Dacă bateți din palme puternic la sfârșitul unei prelegeri de astronomie deosebit de bune, palmele devin mai fierbinți. Dacă frecați cu gheață suprafața unei mese, căldura produsă de frecare topește gheața. Frânele mașinilor folosesc frecare pentru a reduce viteza și, în acest proces, transformă energia de mișcare în energie termică. De aceea, după oprirea unei mașini, frânele pot fi foarte fierbinți; acest lucru explică, de asemenea, de ce frânele se pot supraîncălzi atunci când sunt utilizate cu neglijență în timp ce coborâți pe drumuri lungi de munte.

În secolul al XIX-lea, oamenii de știință credeau că sursa căldurii Soarelui ar putea fi mișcarea mecanică a meteoriților care cădeau în el. Calculele lor au arătat însă că, pentru a produce cantitatea totală de energie emisă de Soare, masa meteoriților care ar trebui să cadă în Soare la fiecare 100 de ani ar fi egală cu masa Pământului. Creșterea rezultată a masei Soarelui ar schimba, conform celei de-a treia legi a lui Kepler, perioada orbitei Pământului cu 2 secunde pe an. O astfel de schimbare ar fi ușor măsurabilă și, de fapt, nu avea loc. Oamenii de știință ar putea apoi infirma aceasta ca sursă de energie a Soarelui.

Contracția gravitațională ca sursă de energie

Propunând o explicație alternativă, fizicianul britanic Lord Kelvin și omul de știință german Hermann von Helmholtz (Figura 16.2), pe la jumătatea secolului al XIX-lea, au propus că Soarele ar putea produce energie prin conversia energiei gravitaționale în căldură. Ei au sugerat că straturile exterioare ale Soarelui ar putea „cădea” în interior din cauza forței gravitației. Cu alte cuvinte, ei au propus că Soarele ar putea să se micșoreze în dimensiune, rămânând fierbinte și strălucitor ca rezultat.

Kelvin (1824–1907) și Helmholtz (1821–1894)

Figura 16.2 Kelvin (1824–1907) și Helmholtz (1821–1894). (a) Fizicianul britanic William Thomson (Lord Kelvin) și (b) omul de știință german Hermann von Helmholtz, au propus că contracția Soarelui sub propria sa gravitație ar putea explica energia sa. (Credit a: modificarea lucrării Wellcome Library, Londra; b: modificarea lucrării Wellcome Library, Londra)

Pentru a imagina ce s-ar întâmpla dacă această ipoteză ar fi adevărată, imaginează-ți stratul exterior al Soarelui care începe să cadă în interior. Acest strat exterior este un gaz format din atomi individuali, toți mișcându-se în direcții aleatorii. Dacă un strat cade spre interior, atomii capătă o viteză suplimentară din cauza mișcării de cădere. Pe măsură ce stratul exterior cade spre interior, se contractă, de asemenea, apropiind atomii. Ciocnirile devin mai probabile, iar unele dintre ele transferă viteza suplimentară asociată cu mișcarea de cădere către alți atomi. Acest lucru, la rândul său, crește viteza acelor atomi. Temperatura unui gaz este o măsură a energiei cinetice (mișcarea) atomilor din interiorul acestuia; prin urmare, temperatura acestui strat al Soarelui crește. Ciocnirile excită, de asemenea, electronii din interiorul atomilor către orbite cu energie mai mare. Când acești electroni revin pe orbitele lor normale, ei emit fotoni, care pot scăpa apoi din Soare (vezi Radiații și Spectre).

Kelvin și Helmholtz au calculat că o contracție a Soarelui cu o rată de numai aproximativ 40 de metri pe an ar fi suficientă pentru a produce cantitatea de energie pe care o radiază acum. Pe parcursul istoriei omenirii, scăderea dimensiunii Soarelui de la o astfel de contracție lentă ar fi nedetectabilă.

Dacă presupunem că Soarele și-a început viața ca un nor mare și difuz de gaz, atunci putem calcula câtă energie a fost radiată de Soare pe parcursul întregii sale vieți, deoarece s-a contractat de la un diametru foarte mare la dimensiunea actuală. Cantitatea de energie este de ordinul a 1042 jouli. Deoarece luminozitatea solară este de 4×1026 wați (jouli/secundă) sau aproximativ 1034 jouli pe an, contracția ar putea menține Soarele să strălucească la ritmul actual timp de aproximativ 100 de milioane de ani.

În secolul al XIX-lea, 100 de milioane de ani păreau la început suficient de lungi, deoarece atunci se credea că Pământul este mult mai tânăr decât aceasta. Dar spre sfârșitul acelui secol și în secolul al XX-lea, geologii și fizicienii au arătat că Pământul (și, prin urmare, Soarele) este de fapt mult mai bătrân. Prin urmare, contracția nu poate fi sursa primară de energie solară (deși, așa cum vom vedea în Nașterea stelelor și descoperirea planetelor în afara sistemului solar, contracția este o sursă importantă de energie pentru o perioadă în stelele care tocmai se nasc). Oamenii de știință s-au confruntat astfel cu un puzzle de proporții enorme. Fie un tip necunoscut de energie a fost responsabil pentru cea mai importantă sursă de energie cunoscută de omenire, fie estimările vârstei sistemului solar (și a vieții pe Pământ) au trebuit să fie serios modificate. Charles Darwin, a cărui teorie a evoluției a necesitat un interval de timp mai lung decât păreau să permită teoriile Soarelui, a fost descurajat de aceste rezultate și a continuat să-și facă griji pentru ele până la moartea sa în 1882.

Abia în secolul al XX-lea a fost identificată adevărata sursă a energiei Soarelui. Cele două informații cheie necesare pentru a rezolva puzzle-ul au fost structura nucleului atomului și faptul că masa poate fi convertită în energie.

Sursa: Astronomy 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2023 MultiMedia Publishing

Mecanica fenomenologică
Mecanica fenomenologică

O incursiune captivantă în lumea principiilor fundamentale care stau la baza mișcării și interacțiunilor mecanice.

Nu a fost votat 23.89 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Călătorii în timp
Călătorii în timp

Descoperă lumea fascinantă a călătoriilor în timp printr-o abordare multidimensională.

Nu a fost votat 9.53 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Materia: Solide, Lichide, Gaze, Plasma
Materia: Solide, Lichide, Gaze, Plasma – Fenomenologie

O incursiune fascinantă în universul materiei, explorând fenomenele fizice care definesc realitatea noastră.

Nu a fost votat 19.11 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *