miniatura|Recolector d'energia Lenergia és una magnitud física que és un atribut present en qualsevol mode de sistema físic i que es pot manifestar en forma de treball útil, de calor, de llum o altres maneres. Està molt relacionada amb el treball, l'entalpia, l'entropia i, en física nuclear, la massa. L'energètica, que inclou la termodinàmica i altres aspectes, és la branca de la ciència que s'ocupa de l'estudi de l'energia i la tecnologia energètica la que l'aplica. L'energia és un nexe d'unió que apareix en totes les àrees de la física i també en altres camps, com la química, el medi ambient o l'economia. En el sistema internacional, l'energia es mesura en joules, però moltes altres unitats s'hi usen també sovint, com la caloria, el quilowatt-hora o l'electró-volt.
Un sistema té energia potencial, és a dir, energia en potència, que pot usar en unes circumstàncies particulars i que, mentre no ho fa, la "guarda" o emmagatzema en ell mateix, i una suma de les energies que té "actives" a conseqüència de diversos factors, com per exemple el fet d'estar en moviment (energia cinètica), de trobar-se sota els efectes d'un camp gravitatori o electromagnètic, de la temperatura a la qual es troba (energia tèrmica), o simplement per la natura química i física que descriu com està estructurada la matèria que conforma aquest sistema (energia interna, energia d'enllaç, energia nuclear, etc.). En un univers tancat, la suma d'energia i massa es conserva, però l'energia útil disminueix amb cada transformació, ja que inevitablement una part se'n dissipa en forma de calor.
Els éssers vius necessiten fer transformacions energètiques al seu cos per poder viure. Els humans introduïm energia al cos humà per mitjà de l'alimentació, sense la qual morim. El consum mitjà mundial anual per persona d'energia endosomàtica és d'uns cent vint watts. A més, els humans tenim la particularitat d'utilitzar l'energia de manera exosomàtica, per a fer funcionar ordinadors, desplaçar-nos, cuinar, obtenir aigua, etc. Actualment, la usem sobretot en forma d'energia elèctrica, que obtenim principalment de centrals tèrmiques i nuclears. Els combustibles emprats són, en general, finits a la Terra i amb reserves inferiors a un segle. El consum energètic endosomàtic i exosomàtic per part dels humans comporta actualment importants conseqüències socials, econòmiques i polítiques relacionades amb la globalització, la sostenibilitat i el poder dels grans accionistes i empresaris sobre la resta de persones.
Etimologia El mot català "energia" prové del grec ἐνέργεια, energeia.
Concepte L'energia, en general, és una quantitat abstracta que no es pot visualitzar fàcilment.[Text poc precís] En física, existeixen moltes equacions que permeten calcular quanta energia i de quin tipus és la que conté un sistema determinat. Per la teoria de la relativitat, sabem que l'energia es pot transformar en massa, i a l'inrevés, d'acord amb la famosa equació d'Einstein: . Així, el principi de conservació s'aplica conjuntament a la massa i a l'energia.
En el cas més senzill, l'aplicació d'una força a través d'una distància unidimensional, l'energia necessària és: , i és f(x) la quantitat de força que cal aplicar-hi en cada punt. En la pràctica, fàcilment tota l'energia emmagatzemada en un sistema per a produir treball. En l'exemple del cos en caiguda lliure, l'energia potencial es transforma fàcilment en energia cinètica, però l'energia interna del cos (energia química i atòmica) no es transforma.
Tipus d'energia L'espècie humana es beneficia d'energia exosomàtica (electricitat, llenya, carbó, etc.) a més de consumir, com altres éssers vius, energia endosomàtica (aliments).Guia ambiental de la UPC, Ivan Capdevila, Antonio Torres i altres. Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, Capellades, 1998.
La biologia i la bioquímica tracten l'energia utilitzada directament en el cos de l'individu que se n'aprofita. Alguns altres tipus d'energia són:
Energia cinètica: és la que conté un cos per raó del seu moviment. Energia potencial: és la capacitat o potencialitat d'un cos per a tenir energia en altres circumstàncies com, per exemple posant-se en moviment o movent-se a més velocitat, pel trencament o formació d'un enllaç químic, etc. Energia química interna: l'energia que té una molècula per la seva estructura i l'estat dels àtoms que la componen. Energia elèctrica: és un tipus d'energia potencial relacionada amb la posició d'una càrrega elèctrica en un camp elèctric. Massa: d'acord amb la teoria de la Relativitat, la massa i l'energia es poden intercanviar. Se sol anomenar energia atòmica o energia nuclear l'obtinguda per la fusió o fissió dels nuclis atòmics. Energia electromagnètica o radiant: és l'existent en un medi físic, causada per ones electromagnètiques, mitjançant les quals es propaga directament sense desplaçament de la matèria. Energia calorífica o tèrmica: és un tipus d'energia que es transmet en forma de calor d'un cos a un altre. Energia potencial gravitatòria o gravitacional: és l'energia vinculada a la gravetat i, per tant, al pes. Energia nuclear: és l'energia que manté juntes les partícules del nucli dels àtoms en un espai molt reduït. Energia radiant: és l'energia que transporten les ones electromagnètiques, com la llum, les ones de ràdio, les radiacions ultraviolades... Energia sonora: és l'energia cinètica del moviment de vibració que es desplaça a través de les molècules d'aire.
Energia mecànica + Exemples de conversions d'energiaL'energia mecànica pot ser convertida en mitjançant Energia mecànica Palanca Energia tèrmica Frens Energia elèctrica Dinamo Radiació electromagnètica Sincrotró Energia química Mistos Energia nuclear Accelerador de partícules L'energia mecànica es manifesta de moltes formes; a grans trets, es podria diferenciar entre energia potencial i energia cinètica. Tanmateix, el terme energia potencial és molt genèric, ja que l'energia potencial existeix en tots els camps de força, com el camp gravitatori, el camp electroestàtic o el camp magnètic. El terme energia potencial fa referència a la capacitat d'un cos per a realitzar treball per raó de la seva posició en un camp de forces.
L'energia mecànica pot ser causada per forces conservatives, per forces no conservatives o per totes dues. Les forces conservatives són les que deriven de potencial. El teorema de l'energia aplicat a dos estats d'un sistema mecànic en fa un balanç i diu que l'increment d'energia cinètica entre els dos estats és igual a la variació de treball realitzat per totes les forces, les interiors al sistema i les exteriors, aplicades a aquest. D'aquest teorema es desprèn que la variació d'energia cinètica entre dos estats mecànics és igual al treball no conservatiu, és a dir, al realitzat per les forces no conservatives.
L'energia potencial es defineix com el treball fet per un objecte contra una força donada en canviar de posició.
Energia elàstica potencial miniatura|Quan una pilota cau sota la influència de la gravetat, s'accelera en la seva caiguda, la seva energia potencial inicial (deguda a la seva posició elevada) es perd mentre es guanya energia cinètica. Quan la pilota impacta sobre una superfície dura es deforma. Quan la pilota bota i s'eleva de nou, l'energia cinètica disminueix i augmenta l'energia potencial. Part d'energia es perd en forma de calor, per exemple, a causa les deformacions elàstiques o inelàstiques que pateix la pilota, de la resistència de l'aire i d'altres factors.
L'energia potencial elàstica es defineix com el treball necessari per a comprimir (o expandir) un ressort. La força F en una molla, o en qualsevol altre sistema que obeeixi la llei de Hooke, és proporcional a l'extensió o la compressió, x:
en què k és la constant elàstica que depèn de cada molla (o sistema) i ens indica si la molla (o el sistema) presenta poca o molta resistència a deformar-se quan li apliquem una força.
L'energia potencial elàstica s'expressa per:
.
Energia cinètica
L'energia cinètica, simbolitzada per exemple amb Ek, T o K, és l'energia que té un cos pel fet d'estar accelerat o desaccelerat. En calcular aquesta energia, hom pot arribar a aquesta equació:
La massa en repòs té una energia, anomenada energia de repòs igual a:
Energia gravitacional
La força gravitatòria és igual a la massa, m, multiplicada per l'acceleració de la gravetat g = 9.81 m/s². En aquest cas, l'energia potencial gravitatòria es determina amb l'equació:
Una expressió més general per a l'energia potencial deguda a la llei de la gravitació universal entre dos cossos o masses m1 i m₂, útil en astronomia, és:
,
en què r és la separació entre els dos cossos i G és la constant de la gravitació, 6,6742(10)×10−11 m³kg−1s−2.Mohr, Peter J.; Taylor, Barry N.; Newell, David B. (2008)CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006
A efectes pràctics, pot emprar-se per a emmagatzemar energia (energia hidroelèctrica, pesses d'un rellotge...)
Energia tèrmica
+ Exemples de conversions d'energiaL'energia tèrmica es pot convertir en mitjançant Energia mecànica Turbina de vapor Energia tèrmica Intercanviador de calor Energia elèctrica Termoparell Radiació electromagnètica Objectes calents Energia química Alt forn Energia nuclear Supernova L'energia tèrmica dels materials (els gasos, el plasma, els sòlids, etc.) és l'energia associada amb el moviment microscòpic i aleatori de les partícules que els constitueixen.
La calor es defineix com la manifestació de l'energia interna quan un sistema efectua un procés, cíclic o no, mitjançant canvis de temperatura, sigui del sistema, sigui del medi que l'envolta.
En un gran nombre de situacions, és possible utilitzar l'energia alliberada per un sistema per a elevar la temperatura d'un altre objecte, per exemple, l'aigua que escalfa un escalfador. També és possible mesurar la quantitat d'energia elèctrica necessària per a elevar la temperatura de l'objecte. La caloria va ser definida com la quantitat d'energia necessària per a elevar la temperatura d'un gram d'aigua 1 °C (aproximadament 4,1855 joules).
+ Exemples de conversions d'energiaL'energia elèctrica pot ser convertida en mitjançant Energia mecànica Motor elèctric Energia tèrmica Resistència Energia lumínica Bombeta, fluorescent Radiació electromagnètica Díode LED Energia química Electròlisi Energia nuclear SincrotróL'energia elèctrica es pot obtenir a partir de mitjançant Energia mecànica Generador elèctric Energia tèrmica Termoparell Energia elèctrica Transformador Radiació electromagnètica Cèl·lula fotoelèctrica Energia química Pila de combustible Energia nuclear Generador termoelèctric per radioisòtops
Energia elèctrica
Energia electroestàtica L'energia potencial electroestàtica d'una determinada configuració de càrregues es defineix com el treball termodinàmic que s'ha de fer contra la força electroestàtica per tal de reorganitzar les càrregues des d'una separació infinita fins a la configuració considerada (o el treball fet contra la força electroestàtica per separar les càrregues d'una configuració donada fins a l'infinit). Per a dues càrregues puntuals Q1 i Q₂ separades per una distància r, aquest treball i l'energia potencial elèctrica és igual a:Energía electrostática per Félix Redondo Quintela y Roberto Carlos Redondo Melchor, Universitat de Salamanca