Energetică și conversia energiei

EGCE-1

1.1. Conceptul de energie

Energia este unul dintre cele mai profunde si utile concepte descoperite de om. Intelegerea sa corecta prezinta o importanta esentiala nu numai pentru energeticieni, dar si pentru intreaga societate umana in calitate de beneficiar al ei.

Din punct de vedere etimologic termenul de energie provine din cuvantul grec “energhia”, respectiv din cel latin “energia”, care aveau intelesul de “activitate”.

Totalitatea experimentelor acumulate in decursul secolelor de catre omenire au condus la concluzia ca formele de miscare ale materiei, caracterizate de interactiunile care se maifesta permanent in univers, se transforma reciproc unele in altele, in raporturi cantitative strict determinate. Acest fapt a permis pe de o parte introducerea notiunii de energie ca o masura comuna si generala a miscarii materiei, iar pe de alta parte enuntarea uneia dintre cele mai generale legi din natura cunoscuta sub numele de “legea conservarii si transformarii energiei”.

Istoria evolutiei conceptului de energie este lunga si incepe cu Leibnitz (1646-1716) care a introdus notiunea de “forta vie” pentru a desemna cantitatea mv2 ce aparea in calculele sale mecanice. Termenul de energie este folosit pentru prima data de Kepler (1571-1630) insa in sensul de putere care emana din corpuri In sensul actual este utilizat mai intai de Yuong (1773-1829), care inlocuieste expresia de “forta vie” prin energie. Ulterior Thomson (lord Kelvin) (1824-1907) introduce termenul de energie cinetica, iar inginerul scotian Rankine (1820-1872) pe cel de energie potentiala si cel de energie interna, ultimul termen a fost numit de Clausius (1822-1888) continut de caldura. Poncelet (1788-1867) defineste notiunea de lucru mecanic pentru produsul scalar dintre vectorii forta si deplasare, contribuind astfel la premizele descoperirii legii conservarii energiei (principiul I al termodinamicii)

Clarificarea finala a conceptului de energie îi apartine lui Planck (1858-1947), care in cartea sa “lectii de termodinamica”, aparuta in 1897 da urmatoarea definitie pentru energie: sub numele de energia unui corp sau a unui sistem de corpuri se intelege o marime care depinde de starea fizica instantanee in care se gaseste sistemul. Pentru a putea exprima energia sistemului intr-o stare data printr-un numar determinat, trebuie fixata o anume “stare normala” (de exemplu 0ºC, presiune normala) a sistemului, fixare de altfel absolut arbitrara. Dupa aceasta, energia sistemului in stare data, raportata la starea arbitrara fixata este egala cu suma echivalentilor mecanici ai tuturor actiunilor produse in afara sistemului cand aceste trece intr-un mod oarecare de la starea data la starea normala.

In aceasta definitie prin “echivalenti mecanici ai tuturor actiunilor” se intelege atat lucrul mecanic in sens larg, deci corespunzator tuturor tipurilor de forte (gravifice, elastice, electrice, magnetice, de tensiune superficiala, etc.) cat si caldura exprimata in calorii multiplicata cu constanta universala J ( echivalentul mecanic al caldurii – 4,14/J.cal-1/). In prezent J=1, lucrul mecanic si caldura exprimandu-se in aceeasi unitate de masura denumita Joule /J/.

In urma studierii spectrului de radiatie al corpului negru, Planck are si meritul de a introduce ipoteza cuantelor de energie. Ea presupune ca emisia radiatiilor se datoreaza unor oscilatori microscopicii a caror energie este un multiplu intreg al valorii ε = h ω numita cuanta de energie ( h = 1.054.10-34 /Js/ este constanta lui Planck, iar ω este pulsatia oscilatorului). Din acest moment a fost declansata o revolutie cuantica in fizica.

O contributie esentiala referitoare la conceptul de energie a adus-o Einstein (1879-1955) care prin celebra formula E=mc2, a enuntat legea inertiei energiei ( E este energia, m – masa, c= 3.108 /m.s-1/ - viteza luminii in vid). Astfel legea conservarii masei, a conservarii si transformarii energiei nu mai sunt independente; masa unui corp este egala cu energia sa (in stare de repaus) impartita la patratul vitezei luminii in vid.

Principiul inertiei energiei inlatura necesitatea introducerii unei stari de referinta utilizata la definirea energiei.

Prin reducerea masei inerte la energie, aceasta este definita odata cu cealalalta, fara nici-o referinta arbitrara. In sprijinul acestei afirmatii exista un argument impresionant in cazul electronilor si pozitronilor, pentru care s-a constat ca energia lor de repaus se poate transforma in intregime in energie radianta.

In ultima perioada de timp, s-a acordat o atentie deosebita aspectelor calitative legate de energie, in special dupa ce Rant a introdus notiunile de exergie in 1953 si anergie in 1962. Ele sunt in directa conexiune cu principiul al II-lea al termodinamicii si se refera la capacitatea sistemului fizic de a nu produce lucru mecanic in conditiile date ale mediului inconjurator. Aceste notini au condus la metode noi de analiza termodinamica a proceselor energetice cunoscute sub denumirea de metoda exergetica si metoda entropica.

In concluzie, energia unui sistem poate fi definita in doua moduri:

1) marimea, functie de starea unui sistem fizic, definita ca suma echivalentilor in lucru mecanic al actiunilor sistemului asupra exteriorului cand sistemul trece din starea data intr-o stare de referinta;

2) marimea asociata interactiunii dintre doua sisteme fizice, definita de echivalentul in lucru mecanical actiunii primului sistem asupra celui de-al doilea (energia transmisa).

Energia transmisa depinde nu numai de starile initiala si finala ale primului sistem cat si de procesul considerat Suma energiilor transmise de un sistemm fizic tuturor sistemelor exterioare cu care este in interactiune este insa egala cu diferenta energiei sistemului in cele doua stari, initiala si finala.

Importanta notiunii de energie se datoreaza urmatoarelor cauze:

- are o aplicabilitate universala si un grad de generalitate ridicat putand caracteriza toate fenomenele fizice si toate tipurile de transformari si interactiuni fizice existente;

- are o importanta teoretica deosebita, cunoasterea energiei sub forma functiei de stare permitand deducerea tuturor proprietatilor esentiale ale sistemului fizic la care se refera, ca si comportarea dinamica a acestuia;

- are o importanta practica deosebita, fiind direct legata de masurarea efortului necesar desfasurarii unor activitati diverse, producerea unor bunuri materiale si servicii, ca si de stabilire a costurilor;

- energia este un indicator sintetic al dezvoltarii tehnologice, economico-sociale si al calitatii vietii.