Omul și Energia

Cuvântul energie (din limba greacă veche, ενέργεια (energhia) - activitate, "εν" având semnificaţia "în" şi "έργον" având semnificaţia "lucru") desemnează o folosire uzuală şi una ştiinţifică.

1. Formele de Energie: definiţii şi exemple

Prin formă de energie se înţelege energia unui sistem fizic sau energia care se acumulează, se transmite sau se cedează de un sistem fizic altor sisteme şi care depinde de alte mărimi de stare (mecanice, termice, electrice, chimice, etc.) sau care este numai asociată unor anumite clase de sisteme fizice cu proprietăţi specifice.

Denumirea formelor de energie este legată fie de modul de manifestare a ei (de exemplu: energia mecanică, energia electrică, energia luminoasă), fie de purtătorul de energie (de exemplu: energia termică), fie de provenienţa acesteia (de exemplu: energia nucleară, energie hidraulică, energia eoliană, energia geotermică, energia solară).

1.1.Energia mecanică

Energia mecanică este partea de energie care depinde doar de masele unui sistem fizic, de poziţiile şi vitezele lor relative faţă de un sistem de referinţă, adică este formată din energia potenţială şi energia cinetică.

Proprietăţile unui sistem fizic de a fi capabil să exercite forţe care efectuează lucru mecanic, i se asociază mărimea fizică scalară numită energie mecanică. ( Em) Unitatea de măsura pentru energia mecanică in S.I.: joule (J) .

Energia mecanică are doua componenete :

-energia cinetică(Ec)

-energia potenţială(Ep)

Deci , fiecărei stări mecanice a unui sistem îi corespunde o mărime fizica de stare numită energie mecanică . Em = Ec + Ep

Ep= Epg + Epel ( energia potenţială a greutăţii + energia potenţială a forţei elastice )

Energia mecanica este marimea fizica caracteristica oricarui corp ce are capacitatea de a efectua lucru mecanic.

Energia mecanica este o marime de stare petru ca caracterizeaza starea in care se afla corpul. E = Ec + Ep; unde Ec este energia cinetica si Ep este energia potentiala Unitatea de masura pentru energie in sistemul international este Joule-ul. Conservarea energiei mecanice are loc numai pentru corpurile aflate in campuri cosnervative de forte (gravitational, elastic). Conservarea energiei mecanice este valabila numai pentru corpurile izolate mecanic de exterior (care nu interactioneaza cu corpurile din jurul sau). Energia mecanică a unui corp izolat de exterior si aflat in cîmp conservativ de forte se conserva, adica ramîne constantă. Ef = Ei, unde Ei este energia initiala si Ef este energia finala E = Ec + Ep = ct

Energia mecanică este partea de energie care depinde doar de masele unui sistem fizic, de poziţiile şi vitezele lor relative faţă de un sistem de referinţă, adică este formată din energia potenţială şi energia cinetică.

Energia cinetică

-reprezintă energia pe care o are un corp aflat în mişcare . Fiecărei stări mecanice a unui corp, carecterizat printr-o anumită viteză, îi corespunde o anumită energie cinetică . Energia cinetică a unui corp in mişcare cu o anumită viteză , este egală cu lucrul mecanic efectuat de forţa sub acţiunea căreia i se imprimă corpului viteza respectivă .

Energie potentială

Un sistem fizic poate exercita forţe între parţile lui , capabile să efectueze lucru mecanic prin schimbarea poziţiei relative a părţilor lui . ENERGIA MECANICĂ a unui sistem fizic , ale cărui părţi componente interacţionează se numeşte ENERGIE POTENŢIALĂ . Enrgia potenţială este asociată unor forţe ca greutatea si forţa elastică , numite forţe conservative .

1.2.Energia chimică

Energia chimică este energia datorită asocierii atomilor în molecule şi a diferitelor alte feluri de agregare ale materiei. Ea se poate defini pe baza lucrului mecanic al forţelor electrice ca urmare a rearanjării sarcinilor electrice a electronilor şi protonilor în procesul agregării. Dacă în timpul unei reacţii chimice energia sistemului scade, se transferă energie sistemelor înconjurătoare sub diferite forme, de obicei sub formă de căldură. Dacă în timpul unei reacţii chimice energia sistemului creşte, asta se obţine prin conversia altor forme de energie din sistemele înconjurătoare.

Sistemele in care energia chimica se transforma in energie electrica se numesc pile electric.

Experimental s-a constatat inca din anul 1800 ca reactiile redox permit transformarea energiei chimice in energie elcrica. Dispozitivul in care se petrece aceasta transformarea se numeste element galvanic. In principiu functionarea unui element galvanic se datoreaza traditiei diferite a metalelor de a se transforma in ioni pozitivi.

Bateria. Bateria, element galvanic, este un dispozitiv ce transforma energia chimica in electricitate. Strict vorbind, o baterie este formata din doua sau mai multe celule conectate in serie sau in paralel, dar termenul este de asemenea folosit pentru celule singulare. Toate celulele sunt alcãtuite dintr-un lichid, pasta, sau electrolit solid si doi electrozi, unul pozitiv si celãlalt negativ. Electrolitul este un conductor ionic; unul din electrozi va reactiona, eliberând electroni, pe când celãlalt va accepta electroni.

Celulele primare.Cea mai întâlnitã formã a unei celule primare este celula Leclanche. Electrolitul este compus dintr-o mixturã de clorurã de amoniu si clorurã de zinc, transformatã intr-o pastã. Electrodul negativ este compus din zinc iar electrodul pozitiv este, de fapt, o baghetã de carbon, cuprinsã intr-o mixturã de carbon si dioxid de mangan. Celula Leclanche produce aproximativ 1.5 V.

O altã frecvent utilizatã celulã primarã este celula de oxid de mercur si zinc, mai bine cunoscutã sub denumirea de baterie de mercur. Poate fi construitã sub forma unui disc compact si este folositã sub aceastã formã in celule fotoelectrice si ceasuri electronice. Electrodul negativ este alcãtuit din zinc, electrodul pozitiv fiind alcãtuit dintr-un oxid de mercur iar electrolitul fiind o solutie de hidroxid de potasiu. Bateria de mercur are o putere de aproximativ 1.34 V.

Celulele secundare. Acumulatorul, sau celula secundarã, ce poate fi reîncãrcatã inversând reactia chimicã. Bateria plumb-acid, care este alcãtuitã din trei sau sase celule conectate in serie, e folositã la automobile, avioane si alte vehicule. Marele avantaj al sãu este cã poate furniza un curent puternic pentru a porni un motor; totusi, se consumã repede. Electrolitul este o solutie diluatã de acid sulfuric, electrodul negativ fiind alcãtuit din plumb si cel pozitiv din dioxid de plumb. In folosintã, electrodul negativ de plumb se separã în electroni si ioni pozitivi de plumb. Electronii trec prin circuitul electric extern iar ionii pozitivi de plumb se combinã cu ionii de sulfat din electrolit pentru a forma sulfatul de plumb. Când electronii reintrã in celulã la electrodul pozitiv de dioxid de plumb, o altã reactie chimicã are loc. Dioxidul de plumb se combinã cu ionii de hidrogen din electrolit pentru a forma apa, eliberând ionii de plumb in electrolit pentru a forma, din nou, sulfat de plumb.

Un acumulator plumb-acid se consumã când acidul sulfuric e transformat in apã iar electrozii sunt transformati in sulfat de plumb. Când bateria se reîncarcã, reactiile chimice descrise anterior sunt inversate pana când chimicalele au ajuns la starea lor originalã. O baterie plumb-acid are o viatã de aproximativ patru ani. Produce aproximativ 2V pe celulã. Recent, bateriile cu plumb cu o viatã de la 50 pânã la 70 de ani au fost construite pentru aplicatii speciale.