TeoriaBloc3.pdf (2012)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Barcelona (UB)
Grado Maestro en Educación Primaria - 2º curso
Asignatura Didàctica de la matèria
Año del apunte 2012
Páginas 66
Fecha de subida 14/10/2014
Descargas 5
Subido por

Descripción

Son apuntes muy interesantes y explicados muy bien con diferentes ejemplos, sirven tanto para la carrera como para cuando seáis profesores.

Vista previa del texto

En qualsevol procés o activitat, natural o artificial, s'hi pot veure associada una quantitat d'energia que es va transformant al llarg del procés. Podríem dir que el procés no és possible sense aquesta energia. I en aquest sentit, l'energia es pot interpretar com una mesura de la capacitat d'actuar sobre l'entorn o sobre si mateix: si es disposa de l'energia necessària es podrà dur a terme el procés d'actuació i com més energia es disposi més capacitat d'actuació es té.
Aquesta línia d'interpretació és la que ha transcendit dels àmbits científics als socials convertint l'energia en una mena de combustible genèric imprescindible pel funcionament dels processos i màquines. Fins i tot, en els mitjans de comunicació i en contextos socioeconòmics, l'energia és tractada com un bé econòmic més. Però també s'ha convertit socialment en la màxima responsable de contaminacions.
En aquest apartat pretenem donar una visió del significat científic d'energia que ens permeti entendre el perquè de la seva importància i quina és la problemàtica socioeconòmica associada a aquest concepte.
-1- ÍNDEX 1.-Energia; significat i característiques generals. ....................................................... 7 1.1.-L'energia es conserva ........................................................................................ 7 1.2.-L'energia es presenta en formes diferents .......................................................... 7 1.3.-L'energia es transforma i es transmet ................................................................. 8 1.4.-L'energia es degrada........................................................................................... 8 1.5.-La definició d'energia ......................................................................................... 9 1.5.1.-Els diagrames de flux d'energia ....................................................................... 9 1.6.-Què és una font d'energia? ............................................................................... 10 1.7-Classificació de les formes d'energia ................................................................. 11 2.-La relació entre treball i energia............................................................................12 2.1.-El concepte físic de treball ................................................................................ 12 2.1.1.-El treball transforma l'energia......................................................................... 12 2.1.2.-Les forces que no fan treball.......................................................................... 13 2.2.-Energia i rendiment ........................................................................................... 14 2.3.-Energia i potència ............................................................................................ 15 2.3.1.-El kilowatt-hora............................................................................................... 16 3.-L'energia cinètica ................................................................................................ 16 3.1.-Càlcul de l'energia cinètica d'un cos ................................................................. 16 3.1.1.-Energia cinètica i xoc ..................................................................................... 16 3.2.-Transformacions i usos de l'energia cinètica..................................................... 17 3.2.1.-Energia cinètica als transports ....................................................................... 17 -2- 3.2.2.-L'energia cinètica en els generadors elèctrics................................................ 17 3.2.3.-L'energia cinètica del so i les ones mecàniques ............................................ 18 3.3.-Fonts d'energia cinètica. .................................................................................. 18 4.-L'energia potencial elàstica ................................................................................. 19 4.1.-Transformacions i usos ..................................................................................... 19 4.1.1.-L'energia elàstica com a propulsora............................................................... 20 4.1.2.-Aplicacions tecnològiques de l'energia potencial elàstica .............................. 20 5.-L'energia potencial gravitatòria ............................................................................ 21 5.1.-Càlcul de l'energia potencial gravitatòria........................................................... 21 5.2.-Transformacions i usos ..................................................................................... 22 5.3.-Fonts d'energia potencial gravitatòria................................................................ 22 5.3.1.-Les centrals hidràuliques ............................................................................... 23 5.3.2.-Les centrals maremotrius............................................................................... 23 5.3.3.-Aspectes de seguretat i mediambientals........................................................ 23 5.4.-L'energia gravitatòria a l'univers........................................................................ 24 6.- L'energia elèctrica ............................................................................................... 25 6.0.1.-Matèria , càrregues i forces elèctriques ......................................................... 25 6.0.1.1.-Partícules i unitats de càrrega elèctrica ...................................................... 25 6.0.1.2.-L'electrificació de la matèria ........................................................................ 26 6.0.1.3.- Les forces elèctriques a la naturalesa........................................................ 26 6.0.1.4.-La matèria electrificada es descarrega ....................................................... 27 6.0.1.5.- Materials conductors i aïllants elèctrics...................................................... 28 -3- 6.0.1.5.1.-Conductors elèctrics................................................................................. 28 6.0.1.5.2.-Aïllants elèctrics ....................................................................................... 28 6.0.1.5.3.-Els semiconductors .................................................................................. 28 6.0.2.-Corrents i circuits elèctrics ............................................................................. 29 6.0.2.1.-Els conceptes de voltatge, intensitat i generador ........................................ 29 6.0.2.1.1.-Diferència de potencial o voltatge ............................................................ 30 6.0.2.1.2.-Intensitat del corrent elèctric .................................................................... 30 6.0.2.1.3.-El generador del corrent elèctric .............................................................. 31 6.0.2.1.4.-La relació entre el voltatge i la intensitat; la resistència ........................... 31 6.0.2.2-El circuit elèctric ........................................................................................... 32 6.0.2.2.1.-Els circuits en parallel.............................................................................. 32 6.0.2.2.2.-Els circuits elèctrics domèstics................................................................. 33 6.0.2.3.-Corrent continu i corrent altern.................................................................... 34 6.0.3.-Magnetisme i imants ...................................................................................... 34 6.0.3.1.-El camp magnètic; el concepte de camp..................................................... 35 6.0.3.2.-El camp magnètic terrestre. ........................................................................ 36 6.0.4.-Els fenòmens electromagnètics .................................................................... 36 6.0.4.1.-La inducció magnètica ................................................................................ 36 6.0.4.2.-La inducció elèctrica.................................................................................... 37 6.0.4.3.-Motors i generadors electromagnètics ........................................................ 37 6.0.4.4.-Els transformadors del corrent altern .......................................................... 38 6.0.4.5.-Generació d'ones electromagnètiques ........................................................ 38 6.1.-Analogies entre l'energia gravitatòria i l'elèctrica............................................... 39 6.2.-l'energia elèctrica en els circuits........................................................................ 40 -4- 6.2.1.-Energia transformada en un element del circuit ............................................. 40 6.2.2.-Energia subministrada pel generador ............................................................ 40 6.3.-Transformacions, usos i generació d'energia elèctrica...................................... 41 6.3.1.-Processos generadors d'energia elèctrica ..................................................... 42 6.3.2.-Els generadors alternadors ............................................................................ 42 6.4.-L'energia elèctrica a la naturalesa..................................................................... 43 6.5.-Aspectes de seguretat i mediambientals........................................................... 44 7.- L'energia química................................................................................................ 45 7.1.-Transformacions, mesura i usos de l'energia química ..................................... 45 7.1.1.-L'energia química als processos biològics ..................................................... 45 7.1.2.-L'energia química dels combustibles.............................................................. 45 7.1.3.-Poder energètic dels combustibles i aliments ................................................ 46 7.1.4.-L'energia química de les piles i bateries......................................................... 46 7.2.- Fonts d'energia química; combustibles i biomassa .......................................... 46 7.3.- Aspectes de seguretat i mediambientals ......................................................... 47 7.3.1.-L'efecte hivernacle i la pluja àcida.................................................................. 48 7.3.2.-Riscos de transport i incendi .......................................................................... 48 8.-L'energia nuclear i l'energia màssica ................................................................... 48 8.1.-L'equivalència entre massa i energia ................................................................ 49 8.1.1.-La relació d'Einstein ....................................................................................... 49 8.2.- Transformacions i usos .................................................................................... 50 8.2.1.- Energia per fissió nuclear.............................................................................. 50 8.2.2.-Energia per fusió nuclear ............................................................................... 50 -5- 8.3.-Fonts d'energia nuclear..................................................................................... 51 8.4.- Aspectes de seguretat i mediambientals ......................................................... 51 8.4.1.-Els residus radioactius ................................................................................... 52 8.4.2.-Les armes nuclears........................................................................................ 52 9.- L'energia tèrmica................................................................................................. 53 9.1.-La calor és energia tèrmica............................................................................... 53 9.2.-Potencial tèrmic i degradació de l'energia tèrmica ........................................... 54 9.2.1.-Degradació de l'energia tèrmica..................................................................... 55 9.2.2.-Degradació i desordre.................................................................................... 56 9.3.- Transformacions i usos .................................................................................... 56 9.3.1.-Energia tèrmica propulsora ............................................................................ 56 9.3.2.-Energia tèrmica que genera electricitat.......................................................... 57 9.4.-Fonts d'energia tèrmica..................................................................................... 57 10.- L'energia radiant ............................................................................................... 58 10.1.-Naturalesa electromagnètica i ondulatòria ...................................................... 58 10.2.- Transformacions i usos de l'energia radiant................................................... 59 10.3.-La font principal d'energia, el Sol .................................................................... 59 10.3.1.-L'energia solar a la naturalesa ..................................................................... 59 10.3.2.-L'aprofitament artificial de l'energia solar ..................................................... 60 10.4.-Aspectes de seguretat i mediambientals......................................................... 60 GLOSSARI............................................................................................................... 62 -6- 1.-Energia; significat i característiques generals.
És més fàcil explicar com es comporta l'energia que definir-la d'entrada d'una manera entenedora. I això és el que farem: anar veient les seves característiques. De fet el que la converteix en un concepte tan important per la ciència és precisament una característica del seu comportament, la seva conservació tot i les transformacions a que pugui sotmetre's al llarg d'un procés.
1.1.-L'energia es conserva La característica més important és el convenciment de que hi ha una llei en la natura que diu que al llarg de qualsevol procés hi ha una magnitud, anomenada energia, que pot patir molts canvis però no pot desaparèixer ni crear-se. En diem la llei de conservació de l'energia.
La validesa d'aquesta llei està científicament fora de dubtes encara que experimentalment la seva comprovació sigui molt complicada, per això parlàvem del convenciment. El que passa amb aquesta llei podem comparar-ho al que passa en els jocs de mans, el prestidigitador fa desaparèixer i aparèixer les monedes en els llocs més inversemblants, però en el fons ningú s'ho creu, tothom pensa que hi ha un truc, perquè tots estem convençuts de que hi ha una llei que diu que res no pot aparèixer del no res ni desaparèixer sense convertir-se en res.
1.2.-L'energia es presenta en formes diferents En els processos es produeixen canvis, només cal que penseu en una casa qualsevol, hi ha una munió de processos que comencen amb l'electricitat que ens dona l'endoll i acaben de molt diverses maneres: escalfant, refredant, pujant, baixant, movent, etc.
-7- Doncs bé, l'energia adopta una forma diferent per cadascun d'aquests canvis.
Aquesta és una altra característica definitòria de l'energia: a la naturalesa hi reconeixem formes d'energia diferents i cadascuna d'elles té la seva expressió matemàtica per calcular-ne el valor, com veurem més endavant.
1.3.-L'energia es transforma i es transmet Al llarg d'un procés l'energia es pot: -transformar passant d'una forma a una altra, (p.e. d'elèctrica a tèrmica en una estufa, o cinètica en un ventilador...), -transferir d'un cos a un altre (de l'arquer a la fletxa, del gas a l'aigua calenta,...) -transportar d'un lloc a un altre, (de la central elèctrica a les cases, del Sol a la Terra,...) 1.4.-L'energia es degrada Si la ciència assegura que l'energia pot transformar-se i transmetre's al llarg de qualsevol procés sense que desaparegui, quin és el problema energètic de la nostra societat?.El problema és que hi ha una última característica de l'energia i aquesta és negativa. Al llarg d'un procés de transformació real, hi ha almenys una part de l'energia que es degrada, és a dir, que no es perd però no podrà ser reutilitzada completament. A més a més, aquesta energia que es degrada va a para a l'entorn i és l'origen de problemes mediambientals.
1.5.-La definició d'energia Ara estem en condicions de donar una definició científica de l'energia, que sigui mínimament comprensible.
-8- Una definició del significat de l’energia prou aclaridora la trobem al projecte SCIIS: L’energia és una mesura de la capacitat de provocar canvis en si mateix o en l’entorn.
I si tenim en compte les seves característiques, podem dir que l'energia és una magnitud present en tots els processos, (i que els fa possibles), que adopta diverses formes, es pot transformar, es pot transferir i es pot transportar, però, tot i aquests canvis, es conserva al llarg del procés, encara que es degrada en més o menys grau.
1.5.1.-Els diagrames de flux d'energia Una manera de resumir el que li passa a l'energia en un procés és la utilització d'un diagrama de flux d'energia. Ho veurem amb un exemple, encara que en algunes coses haureu de fer un acte de fe perquè les discutirem més endavant.
Suposeu un cotxe de joguina elèctric, dels que van amb piles. Li fiquem unes piles noves, l'engeguem i el deixem donant voltes fins que s'esgoten les piles i es para. El diagrama de flux d'energia mostra com ha anat canviant al llarg del procés, on es localitza en cada etapa, com es transforma i transfereix, com disminueix la que es útil i com es disipa a l'entorn: -9- Partim de l'energia química dels productes que contenen les piles. Mitjançant una reacció química, aquesta es transforma en elèctrica que circula pèl circuït. D'elèctrica al circuït passa a cinètica (de moviment) del cotxe, degut al treball que fan diverses forces , les electromagnètiques al motor i altres forces mecàniques als engranatges i a les rodes. Finalment, quan el cotxe ja s'ha parat, l'energia que tenien les piles de bon començament ha d'estar en algun lloc perquè no pot desaparèixer. I efectivament s'ha difós a l'entorn en forma d'energia tèrmica, principalment a causa del treball de les forces de fregament. Al diagrama s'hi reflexa també l'energia que es dissipa a l'entorn en cada etapa de manera que la que es transforma és cada cop més petita i per això el tub imaginari que ens mostra la seva evolució és cada cop més estret.
L'energia que va a l'entorn és la degradada, -en aquest exemple, al final ho és tota.
1.6.-Què és una font d'energia? La necessitat d'energia per dur a terme qualsevol procés o activitat ens obliga a buscar en la naturalesa formes d'energia per explotar-les. Quan trobem una situació, una substància, un fenomen del que en podem aprofitar l'energia pels nostres -10- propòsits, diem que hem trobat una font d'energia.
Les fonts d'energia poden ser: -renovables, que vol dir que la naturalesa ens ofereix l'energia en qüestió com a resultat d'un procés que es va repetint contínuament, de manera més o menys regular (radiació solar, vent, marees...). Això significa que l'energia disponible es va renovant i no s'acabarà mai, mentre no desapareguin les condicions que permeten el procés.
-no renovable, quan la naturalesa ens ofereix l'energia en una quantitat limitada, com a resultat d'un procés llarg que ja ha acabat i que no és previsible que es repeteixi en un temps raonable (petroli, gas natural, urani,...) 1.7-Classificació de les formes d'energia D'energia se'n pot parlar en tots els processos i activitats. En conseqüència, col·loquialment, hem anat distingint cada cop més tipus o formes d'energia referint-les al procés al que les veiem associades o a la seva procedència. El resultat és que hi ha una certa confusió i es barregen sovint formes amb fonts d'energia.
Des del punt de vista científic distingim les següents formes d'energia i criteris de classificació: -La que està associada al moviment dels cossos, l'energia cinètica.
-Les determinades en funció del tipus de força que fa treball quan l'energia es transforma. Pertanyen a aquest grup les formes elàstica (forces elàstiques), gravitatòria (forces gravitatòries) i elèctrica (forces elèctriques). Aquestes tres formes d'energia s'anomenen potencials perquè el seu valor depèn de la posició relativa d'una cosa respecte d'una altra. P.e., a l'energia que té l'aigua de la presa d'un -11- embassament per què està més alta que la central hidroelèctrica se l'anomena potencial gravitatòria.
-Les formes d'energia associades a l'estructura i naturalesa de la matèria que són l'energia química, la nuclear i la màssica.
-Les relacionades amb els fenòmens de la calor i de la llum, que no tenen a veure ni amb forces ni amb estructura, que són l'energia tèrmica i l'energia radiant o electromagnètica.
2.-La relació entre treball i energia Energia i treball són dos conceptes científicament molt relacionats i que es donen significat mútuament. També estan relacionats col·loquialment, p.e. diem que per fer una activitat s'ha de treballar i, després de fer-la, diem que estem cansats, que no ens queden energies.
2.1.-El concepte físic de treball El concepte físic de treball està associat al de força i desplaçament. De manera simplificada podem dir que si estem fent una força F sobre un cos que el fa desplaçar-se una distància r en la direcció de la força, llavors hem fet, -o la força ha fet-, un treball sobre el cos que val: W(J)=F(N).r(m).
El treball es mesura en joules (J) , un joule és el treball que fa la força d'un newton en recórrer un metre.
2.1.1.-El treball transforma l'energia Suposem que volem pujar una càrrega des d'un nivell a un altre amb una corriola. Si idealitzem la situació, podem dir que per aconseguir-ho hem d'estar fent, per terme mig, -12- una força igual al pes de la càrrega que volem pujar mentre aquesta recorre la distància que separa els dos nivells. Si la càrrega fos de 50kg la força seria F= 50kg x 9,8m/s2= 490N. I si el desnivell fos de 4m, el treball seria W=490Nx4m=1960J.
Doncs bé, resulta que si volem fer l'activitat hem d'estar disposats a subministrar de les nostres reserves d'energia aquesta quantitat (i una mica més), perquè en una activitat que només es realitzi treball, l'energia necessària per dur-la a terme es mesura pel treball realitzat.
Som-hi doncs i fem el treball a costa d'una quantitat igual de la nostra energia, que perdrem. Però l'energia no pot desaparèixer, nosaltres la podem perdre però algú l'ha de guanyar. I en efecte, com veurem més endavant, el treball realitzat és el responsable de que la càrrega que hem pujat adquireixi una quantitat igual d'energia gravitatòria. Per això diem que el treball és equivalent a una variació d'energia (la nostra i la de la càrrega) i també que és un mecanisme de transformació d'una energia en una altra (de la química nostra a la potencial gravitatòria del cos).
L'equivalència numèrica entre treball i variacions d'energia implica que l'energia té la mateixa unitat de mesura que el treball, és a dir, el joule(J).
2.1.2.-Les forces que no fan treball Vèiem que una força que provoca un desplaçament fa un treball, però si no provoca cap desplaçament, si és justament perpendicular al desplaçament i només fa girar , no pot fer cap treball. Les forces perpendiculars als desplaçaments no fan treball i per tant no transformen ni modifiquen l'energia.
Penseu sinó en la Terra girant al voltant del Sol. La força d'atracció gravitatòria és molt important i el desplaçament del planeta també però no hi ha transformacions -13- energètiques, com que la trajectòria és pràcticament circular (de fet és una mica elíptica, però molt poc) ni varia la distància al Sol ni la velocitat. O penseu també que aneu en un cotxe que fa un revolt a rapidesa constant (qüestió 5, apartat 2 del tema 1).
Per fer-lo es necessita que la carretera faci una força perpendicular a la trajectòria durant tot el trajecte del revolt, però no notareu pas cap canvi d'energia, només de direcció.
2.2.-Energia i rendiment Dèiem en l'últim apartat que l'energia necessària per dur a terme l'activitat seria una mica més gran que el treball calculat. En efecte s'ha de fer una despesa extra d'energia perquè la corriola giri, per pujar la corda, per fer funcionar el nostre cos...
Aquesta és una característica molt important de com cal considerar l'energia implicada en una activitat: l'energia necessària sempre és més gran que la que realment s'aprofita. I la que no s'aprofita acaba degradada i difosa a l'entorn.
La relació entre l'energia que s'aprofita i la que és necessària perquè l'activitat es dugui a terme és el rendiment energètic. P.e., si de cada 100 joules d'energia elèctrica que consumeix una bombeta ens en dona 70 en forma de llum, direm que la bombeta té un rendiment del 70% ja que l'energia que dona la bombeta en forma de calor no és útil per allò que ha de fer una bombeta: il·luminar.
Augmentar el rendiment energètic és un objectiu primordial de la ciència i la tècnica perquè interessa aprofitar al màxim l'energia de que disposem i reduir la que es degrada.
-14- 2.3.-Energia i potència Sovint es parla de potència en lloc d'energia i diem, per exemple, que "tenim contractats 4,4 Kilowats de potència d'energia elèctrica" o que "un motor té 500 kilowats de potència" per referir-nos a la seva capacitat de treball.
La potència no és més que l'energia per unitat de temps, i es mesura en watts (W): P= E(J)/t(s) , 1J/1s= 1watt (W) Així, en l'exemple de la corriola, si hem trigat 10 segons en pujar la càrrega de 50 kg, la potència que hem desenvolupat és de: P=1960(J)/10(s)= 196W En el món de les màquines, la producció i el consum, la potència és més significativa que l'energia perquè dona una informació més pràctica ja que ens especifica el ritme d'ús d'energia i només cal multiplicar pel temps per saber la quantitat total corresponent.
2.3.1.-El kilowatt-hora Es pot dir que, en l'àmbit social, s'utilitza més la potència que l'energia i fins i tot s'utilitzen unitats de mesura d'energia definides a partir d'unitats de potència, com és el cas molt conegut i familiar del kilowatt-hora (kwh): 1kw.1h= 1000W. 3600s=3600000J=3600kJ El consum d'energia elèctrica ve especificat en els rebuts en unitats de kwh. I per fernos una idea de les magnituds 1kwh és l'energia que gastarien 10 bombetes de 100W enceses durant una hora.
-15- 3.-L'energia cinètica Per posar en moviment un cos parat fa falta que una força faci un treball sobre ell, és a dir, fa falta donar-li energia. I a l'inrevés, si un cos és mou té una energia ja que en topar amb un altre pot fer un treball, com el martell que en topar amb el clau pot fer el treball de clavar-lo. Aquesta forma d'energia que té un cos en moviment s'anomena energia cinètica.
3.1.-Càlcul de l'energia cinètica d'un cos Segurament estarem d'acord que té més energia un camió carregat que una bicicleta, encara que els dos vagin a la mateixa rapidesa. En efecte, l'energia cinètica depèn directament de la massa en moviment: a igualtat de rapidesa, doble massa implica doble energia.
Ben segur també que el nostre sentit comú ens inclina a pensar que, a igualtat de massa, té més energia qui va a més rapidesa. En efecte, l'energia cinètica depèn també directament de la rapidesa, però elevada al quadrat, de manera que, a igualtat de massa, si doblem la rapidesa l'energia no es multiplica per dos sinó per quatre.
L'energia cinètica d'un cos depèn de la seva massa i rapidesa i és pot calcular mitjançant l'expressió matemàtica: EC(J) = 1/2 m(kg). v2(m/s) , coneguda com la formula de l'energia cinètica.
3.1.1.-Energia cinètica i xoc La dependència de l'energia cinètica del quadrat de la rapidesa explica perquè són tan perillosos els excessos de velocitat en circulació. L'energia cinètica del vehicle es converteix tota en treball de destrucció per les forces del xoc, -com més energia més -16- efectes destructius-. Si s'augmenta la rapidesa, l'energia augmenta molt més ja que no depèn d'ella sinó del seu quadrat.
3.2.-Transformacions i usos de l'energia cinètica El mecanisme de transformació de l'energia cinètica d'un cos és el treball que fan les forces que actuen sobre ell. Així, p.e., mitjançant el treball de les forces d'un xoc o de fregament es pot transformar en tèrmica, mitjançant el de la força pes en gravitatòria, etc. I al revés el treball fet pel pes que fa caure un cos converteix l'energia gravitatòria en cinètica.
3.2.1.-Energia cinètica als transports En els processos de transport l'energia cinètica és l'útil o aprofitada, perquè el que volem és generar moviment.
En un cotxe, p.e., el que fem és transformar l'energia química del combustible en cinètica, i aquesta es transmet a l'entorn per treball de fregament, principalment amb l'aire, -això ho saben molt bé els ciclistes, que han de treballar amb més intensitat si tenen vent en contra.
El rendiment dels cotxes s'ha millorat molt, però tenen encara moltes pèrdues d'energia perquè s'allibera molta energia tèrmica a l'entorn (els motors s'escalfen molt) en els processos de combustió.
3.2.2.-L'energia cinètica en els generadors elèctrics L'energia cinètica pot representar també una etapa intermèdia en un procés, com en el cas dels generadors elèctrics de centrals termoquímiques, hidràuliques i termonuclears. El rotor del generador ha de girar per obtenir-se electricitat, i el que es transforma en energia elèctrica és la cinètica de rotació del rotor.
-17- 3.2.3.-L'energia cinètica del so i les ones mecàniques El que sovint s'anomena energia sonora no és més que l'energia cinètica de vibració de l'aire o del mitjà que transporti el so. I el mateix passa amb qualsevol altra ona mecànica com els terratrèmols i les onades.
Els fenòmens ondulatoris mecànics són per tant fenòmens de transport d'energia cinètica.
3.3.-Fonts d'energia cinètica.
La naturalesa ens ofereix l'energia cinètica del vent com a font d'energia renovable que s'anomena eòlica. L'energia del vent, ha estat tecnològicament aprofitada al llarg de la història de manera sistemàtica, des dels vaixells de vela fins als moderns parcs eòlics, passant pels molins de vent.
Actualment l'explotació més important d'aquesta font d'energia són els parcs eòlics que transformen l'energia cinètica en elèctrica per mitjà d'un generador.
Les fonts d'energia cinètica són molt netes, no contaminen ni consumeixen oxigen.
-18- 4.-L'energia potencial elàstica L'energia potencial elàstica és pròpia dels cossos i sistemes elàstics, que es caracteritzen perquè són capaços de recuperar la forma després de ser deformats.
Per deformar un cos s'ha de realitzar treball fent força i provocant un desplaçament d'unes parts respecte d'altres. Si el cos és elàstic, la major part de l'energia esmerçada en aquest treball queda emmagatzemada en la deformació i es manifestarà d'alguna manera quan el cos recuperi la seva forma habitual. Aquesta energia emmagatzemada en la deformació i que és recuperable és la que anomenem elàstica. El seu valor depén lògicament de la deformació, però no entrarem en més detalls.
Hi ha una manera de veure l'energia elàstica com una manifestació de l'energia d'estructura atòmica de la matèria i en aquest sentit es pot interpretar que es tracta d'energia potencial elèctrica associada a les forces electromagnètiques entre les partícules.
La natura no ens ofereix fonts d'energia potencial elàstica que puguem explotar.
4.1.-Transformacions i usos La manera com es transforma l'energia elàstica és mitjançant la realització de treball per part de les forces elàstiques. P.e. quan l'arquer tiba l'arc hi ha transformació, -d'e. química en e. elàstica-, i també transferència, -de l'arquer a l'arc-.
Ara bé, el que hi ha entre l'arquer i l'arc és una interacció mitjançant forces oposades i aquestes fan un treball que per l'arc és positiu, i per això guanya energia elàstica, mentre que per l'arquer és negatiu i per això perd energia química.
Quan l'arquer deixa lliure la corda de l'arc, qui interaccionen per forces oposades són la -19- fletxa i la corda i com abans hi ha un treball fet per aquestes forces que resulta negatiu per la corda i positiu per la fletxa, de manera que l'arc perd energia elàstica que es transfereix a la fletxa en forma de cinètica.
Podríem fer doncs el següent diagrama de flux d'energia: 4.1.1.-L'energia elàstica com a propulsora Fins que no s'ha imposat l'energia elèctrica, l'elàstica ha estat la més usada per fer funcionar els enginys de rellotgeria i les joguines amb moviment. Les espirals i molles emmagatzemen, a copi de deformació, l'energia que se'ls hi transmet al donar corda i després la van lliurant i transformant en energia cinètica que fa funcionar el rellotge o la joguina.
Uns altres exemples clàssics d'ús d'energia elàstica com a propulsora són els arcs, les catapultes i les perxes dels atletes saltadors.
4.1.2.-Aplicacions tecnològiques de l'energia potencial elàstica L'energia potencial elàstica s'utilitza al món de la tecnologia mecànica, principalment, amb dos funcions.
Una funció és com a mecanisme (normalment una molla) que emmagatzema energia -20- per fer una determinada acció, com ara tancar una porta o disparar qualsevol mecanisme.
L'altra funció és com a absorbent d'energia. És el cas dels esmorteïdors dels vehicles, que tenen la funció de transforma l'energia cinètica en elàstica i d'aquesta manera esmorteir el moviment.
5.-L'energia potencial gravitatòria L'energia potencial gravitatòria està associada a la interacció gravitatòria i per tant en podem parlar des de l'àmbit més quotidià de la força pes a la Terra o des de l'àmbit cosmològic d'interaccións a l'univers. Ara ens referirem a l'àmbit terrestre i més endavant dedicarem un subapartat a consideracions cosmològiques.
Tots tenim experiència del treball que s'ha de fer per aixecar un cos. Doncs bé, igual que en el cas de l'energia elàstica, l'energia esmerçada en pujar un cos d'un nivell a un altre no és perd, sinó que queda com a emmagatzemada en el cos en funció de l'altura que ha pujat, de manera que es manifestarà si el cos torna a baixar de nivell. Aquesta energia emmagatzemada com a funció de l'altura d'un cos respecte del terra és l'energia potencial gravitatòria.
5.1.-Càlcul de l'energia potencial gravitatòria Estarem tots d'acord que com més pesi un cos i més amunt estigui, més rapidesa (energia cinètica) agafarà i més impacte (treball) farà en caure, per tant més energia potencial té. En efecte, l'energia potencial gravitatòria d'un cos és directament proporcional al seu pes i a l'altura.
-21- Si tenim en compte que el pes és la massa per l'acceleració de la gravetat, l'expressió més usual de l'energia potencial gravitatòria d'un cos a la Terra és: EPG = m . g. h , on m és la massa del cos expressada en kg, g és l'acceleració de la gravetat expressada en m/s2 i h és l'altura que pot baixar el cos.
Així per exemple, un metre cúbic d'aigua que té una massa de 1000kg, situat al cap damunt d'un salt d'aigua de 50m té una energia potencial gravitatòria de: EPG = 1000kg . 9,8 m/s2 . 50m = 490000 J 5.2.-Transformacions i usos Veient com es calcula l'energia potencial gravitatòria, -pes multiplicat per altura-, sembla obvi que el seu mecanisme de transformació és mitjançant el treball realitzat per la força pes. Notem que és un comportament semblant al de l'energia potencial elàstica.
L'energia potencial gravitatòria té poques aplicacions tecnològiques, però podem destacar que se sol utilitzar per donar a l'aigua la pressió suficient a la xarxa de subministrament. L'aigua es puja a un dipòsit que estigui més alt que la població i des d'ell surt la xarxa de canonades que porta l'aigua a les cases.
5.3.-Fonts d'energia potencial gravitatòria La natura ens ofereix la possibilitat de disposar de dues menes de fonts d'energia potencial gravitatòria que són la base de les centrals hidràuliques i maremotrius respectivament. Les dues fonts són renovables.
-22- 5.3.1.-Les centrals hidràuliques D'una banda l’energia tèrmica, que provoca l’evaporació i les corrents ascendents d’’aire, s'encarrega de pujar l'aigua fins al cap de dalt de les muntanyes per a formar núvols que donen lloc a les precipitacions. Si emmagatzemem l'aigua a nivells alts mitjançant pantans, podem disposar de dipòsits o fonts d'energia potencial que ens serveix per generar-ne d'elèctrica a les centrals hidràuliques. El detall de les transformacions que tenen lloc en una central elèctrica es veuran en parlar de l'energia elèctrica (apartat 6).
Les centrals elèctriques hidràuliques és l'aplicació més important d'aprofitament de l'energia gravitatòria. Però, des de molt antic, hi ha hagut enginys tecnològics (serradores, molins, fargues, etc.) que han utilitzat l'energia potencial gravitatòria de l'aigua que ens proporciona la naturalesaamb els rius.
5.3.2.-Les centrals maremotrius L'altra manera que té la naturalesa d'oferir-nos l'energia potencial gravitatòria és amb el fenomen de les marees. L'energia potencial gravitatòria que adquireix l'aigua del mar en ser aixecada per l'atracció gravitatòria de la Lluna pot ser aprofitada mitjançant uns murs de contenció i un joc de comportes per produir energia elèctrica, de manera similar a les centrals hidràuliques. Però això només és factible en determinades geografies: ries amples que tenen sortides molt estretes i en llocs que les marees són molt fortes.
5.3.3.-Aspectes de seguretat i mediambientals Les fonts d'energia potencial gravitatòria no són contaminants ni consumeixen oxigen.
Però lels pantans de les centrals hidràuliques tenen ventatges i desventatges de tipus -23- ecològic i els sediments que hi aporten els rius van minvant la seva capacitat. En contrapartida els pantans tenen una important missió reguladora dels cabdals dels rius i permeten evitar moltes riuades que podrien ser catastròfiques.
5.4.-L'energia gravitatòria a l'univers En l'àmbit cosmològic l'energia potencial gravitatòria juga un paper fonamental en l'estructura i evolució de l'univers.
El comportament de l'energia potencial gravitatòria a nivell cosmològic segueix les mateixes pautes que a nivell de la superfície de la Terra, amb la diferència de que no hi ha una acceleració de la gravetat constant i que són molts cossos interaccionant al mateix temps, -i no dos com amb el pes.
Així doncs , de la mateixa manera que un cos té menys energia gravitatòria com més prop està del terra, a l'espai interestelar si els cossos s'aproximen l'energia gravitatòria disminueix i es transforma en energia cinètica, igual que passa a la Terra.
D'acord amb aquest patró de comportament podem deduir que l'energia potencial gravitatòria és la base de la formació de les estrelles. En contraure's la matèria, l'energia gravitatòria es transforma en cinètica i aquesta en tèrmica de manera que la temperatura es fa prou alta com perquè es puguin dur a terme les reaccions de fusió pròpies dels estels.
-24- 6.- L'energia elèctrica L'energia elèctrica va associada als fenòmens deguts a la interacció de les càrregues elèctriques. És també una energia potencial perquè depèn de la distribució de les càrregues elèctriques a l'espai o als circuïts en particular.
És necesari, per tant, parlar prèviament dels processos elèctris (i magnètics) per entendre millor aquest tipus d’energia. Això és el que farem en el proper apartat 6.0.
6.0.1.-Matèria , càrregues i forces elèctriques Els processos elèctrics i magnètics ens els expliquem en base a una teoria que hem bastit i que diu que a més a més de tenir massa la matèria també pot tenir càrrega elèctrica.
6.0.1.1.-Partícules i unitats de càrrega elèctrica La càrrega pot ser positiva o negativa i està associada a les partícules que constitueixen la matèria. La càrrega negativa més petita que hi ha, anomenada càrrega elemental, és la de l'electró i la positiva més petita és la del protó. En canvi una partícula com el neutró no té càrrega. La càrrega del protó i la de l'electró són iguals però de signe contrari i constitueixen la unitat natural de càrrega, és a dir, que qualsevol càrrega negativa és equivalent a un nombre exacte de càrregues d'electró i qualsevol de positiva a un nombre exacte de càrregues de protó.
La càrrega elemental és molt petita per utilitzar-la com a unitat de mesura de les càrregues que entren en joc en els processos macroscòpics, llavors s'utilitza una altra unitat anomenada coulomb (C). Un coulomb és equivalent a 6,25 x 1018 càrregues d'electró o protó.
-25- Vist des de la dimensió macroscòpica, dues càrregues elementals iguals però de signe contrari es compensen o, en altres paraules, es neutralitzen mútuament, de manera que és com si no hi hagués càrrega, és per això que la matèria la percebem normalment com a elèctricament neutra.
6.0.1.2.-L'electrificació de la matèria Mirats aïlladament, els àtoms que constitueixen la matèria tenen una estructura bàsica que té tants protons com electrons i per això diem que la matèria és neutra. Però els àtoms interaccionen entre si i amb l'energia radiant, i en aquestes interaccions uns poden guanyar electrons i convertir-se en ions negatius i d'altres els poden perdre convertint-se en ions positius, -els protons no es poden ni guanyar ni perdre perquè es troben a la part més interior de l'àtom, el nucli. Això és el que passa, p.e., quan freguem un plàstic o un globus amb la mà: que a la superfície del plàstic hi ha àtoms que guanyen electrons mentre que a la mà n'hi ha que en perden. El resultat és que els electrons invisibles provoquen uns efectes visibles, i ara el globus fregat pot enganxar-se a la paret i atreure cossos lleugers que estiguin molt propers com ara bocins de paper, els cabells, etc. Diem que el globus està carregat negativament o que s'ha electrificat i que per això actuen forces elèctriques. És una experiència que probablement coneixeu i que podeu fer a casa vostra sense problemes, sempre i quan la humitat ambiental no sigui massa alta, perquè els cossos carregats es descarreguen fàcilment a través de les molècules d’aigua de l’aire.
6.0.1.3.- Les forces elèctriques a la naturalesa En els processos habituals que observem a la natura les forces elèctriques no tenen -26- massa protagonisme comparades amb les forces gravitatòries. En canvi, a nivell atòmic són les forces que expliquen l'estructura de l'àtom i dels materials en general, mentre que les gravitatòries són insignificants.
Experiències com l'anterior del globus posen de manifest la interacció de les càrregues mitjançant forces. I un treball experimental curós i detallat ens portaria a concloure que les forces entre càrregues de signes contraris són d'atracció i entre càrregues del mateix signe són de repulsió.
L'acció de les forces elèctriques sobre les càrregues té conseqüències molt importants que ens conduiran a l'avui dia imprescindible corrent elèctric.
6.0.1.4.-La matèria electrificada es descarrega Si en algun lloc hi tenim una concentració de càrregues del mateix signe i prop d'allí hi ha alguna càrrega lliure per moure's, (un electró o un ió positiu o negatiu), sobre ella hi actuarà una força que la portarà cap a la concentració de càrregues o l'allunyarà, depenent que sigui de signe contrari o del mateix signe que les de la concentració.
Podríem dir que les forces elèctriques fan que les càrregues es moguin de manera que tendeixen a tornar la matèria a l'estat neutre, a descarregar la matèria.
Efectivament els cossos carregats perden fàcilment la càrrega en contacte amb l'aire, sobretot si és humit o especialment ionitzat com, p.e., al costat d'una flama.
Quan el procés de descàrrega es produeix sobtadament a través de l'aire i amb un gran alliberament d'energia li diem descàrrega elèctrica. El llamp i les guspires són exemples de descàrrega elèctrica que es comenten en l'apartat de les transformacions de l'energia elèctrica.
Si el procés de descàrrega és controlat, de manera que el mantenim permanentment, el -27- que tenim és el corrent elèctric que fa funcionar tota aquesta munió d'estris elèctrics que utilitzem cada dia.
6.0.1.5.- Materials conductors i aïllants elèctrics Per arribar a tenir un corrent elèctric fa falta disposar de càrregues que es puguin moure, el que anomenem càrregues lliures, i això ens porta a parlar de conductors i aïllants.
6.0.1.5.1.-Conductors elèctrics Diem que un material és un bon conductor quan disposa d'un gran nombre de càrregues lliures. És el cas p.e. dels metalls que, degut a la manera com s'enllacen els àtoms, disposen a la superfície d'un gran nombre d'electrons (se'ls sol anomenar núvol d'electrons) que es poden moure lliurement. Amb els metalls, (coure principalment), es fan els fils elèctrics que s'utilitzen a les installacions i dispositius elèctrics.
6.0.1.5.2.-Aïllants elèctrics A l'altre extrem hi tindrem els materials bons aïllants que pràcticament no disposen de càrregues lliures com els plàstics. Aquests materials s'utilitzen per evitar que passi el corrent, -amb ells, p.e., es recobreixen els fils elèctrics de les installacions.
6.0.1.5.3.-Els semiconductors Entre mig i tenim els materials més o menys conductors com l'aigua , l'aire, etc., que no s'utilitzen ni per conduir ni per aïllar (excepte en casos molt específics).
-28- Hi ha, però, un grup de materials anomenats semiconductors que tenen un comportament especial en quant a la seva capacitat de conduir o no i que són la base de la tecnologia electrònica; el més conegut d'aquests materials és el silici.
6.0.2.-Corrents i circuits elèctrics Ja hem comentat abans que si mantinguéssim una descàrrega tindríem un corrent.
Doncs en efecte, podem dir que el corrent elèctric consisteix en un flux mantingut de càrregues que es mouen de zones amb un nivell d'electrificació (potencial elèctric) a zones amb un altre nivell.
Però abans de concretar aquests conceptes, establirem uns convenis que són vàlids sempre que es parla del corrent elèctric: -Ja sabem que les càrregues les porten de fet els electrons i els ions però, en endavant, parlarem només de càrregues que es mouen sense fer esment de qui les porta.
-També sabem que hi ha càrregues positives i negatives però, com que un excés de càrregues negatives és equivalent a un defecte igual de positives i el moviment d'una càrrega negativa és equivalent al d'una positiva en sentit contrari, en endavant, considerarem la càrrega només com a positiva. Encara que en un fil conductor es moguin electrons negatius, el corrent elèctric serà corrent de càrregues positives.
6.0.2.1.-Els conceptes de voltatge, intensitat i generador Si reviseu la definició de corrent elèctric del principi d'aquest subapartat veureu que el flux de càrregues és comparable al flux de l'aigua per una canonada degut a un desnivell d'altures o al flux d’energia tèrmica que és produeix per un desnivell de -29- temperatures. Llavors per parlar d'aquests fenòmens no utilitzem un llenguatge de forces sinó un que fa referència als dos conceptes clau: el desnivell o diferència de potencial que provoca el flux i el cabdal o la intensitat del flux.
6.0.2.1.1.-Diferència de potencial o voltatge El desnivell de càrrega que provoca el corrent elèctric s'anomena diferència de potencial elèctric i es mesura en una unitat anomenada volt (V). Quan diem que una pila és de 4,5 V volem dir que el born positiu de la pila té un potencial elèctric 4,5 V més alt que el born negatiu.
6.0.2.1.2.-Intensitat del corrent elèctric Suposem ara que el born positiu i el negatiu d'una pila de 4,5 V els connectem mitjançant un fil conductor. Com que hi ha diferència de potencial entre un i altre costat del fil, les càrregues lliures del cable (recordeu que les considerem positives) començaran a moure's totes a l'hora, siguin on siguin del cable, allunyant-se del costat positiu i dirigint-se cap al negatiu. És com agafar una canonada plena d'aigua i inclinarla, com que hi ha desnivell, en qualsevol punt de la canonada l'aigua començarà a moure's de dalt cap a baix, tota l'aigua al mateix temps.
Les càrregues no les veurem però sabrem que passa corrent elèctric perquè notarem que el fil i la pila s'escalfen i si intercalem una bombeta de 4,5 volts veurem com fa llum.
La càrrega que passa per unitat de temps per qualsevol secció del conductor és la intensitat i es mesura en ampers (A), un amper vol dir que passa una càrrega d'un coulomb cada segon.
-30- 6.0.2.1.3.-El generador del corrent elèctric Ara bé, per mantenir el corrent elèctric fa falta que es mantingui allò que el motiva, que és la diferència de potencial, i això ho fan els generadors o piles, -en el nostre exemple ho fa la pila de 4,5 V-.
Els generadors tenen 2 borns per on les càrregues hi entren des del circuit o hi surten cap al circuit. Per dins dels generadors es tanca el circuit, ja que les càrregues circulen dins amb la mateixa intensitat que pel fil de fora però en sentit contrari, de menys a més potencial. El generador restitueix les càrregues al born de potencial positiu al mateix ritme que aquest les perd, evitant així que la diferència de potencial disminueixi.
Fixem-nos que la càrrega que circula és sempre la mateixa i prové del conductor, no del generador. És com en un sortidor d'aigua de circuit tancat: l'aigua del sortidor cau, per la diferència de potencial gravitatori, fins al nivell més baix i la bomba (generador) la torna a aixecar perquè pugui torna a caure, però la bomba no genera l'aigua, només la fa circular al revés de com és natural, és a dir la fa pujar, però sempre és la mateixa aigua.
6.0.2.1.4.-La relació entre el voltatge i la intensitat; la resistència Com és lògic de pensar, com més gran és la diferència de potencial o voltatge que s'aplica a un conductor més gran serà la intensitat que hi passarà perquè les forces sobre les càrregues seran més grans.
La relació entre el voltatge aplicat i la intensitat que passa per un dispositiu elèctric s'anomena resistència. La resistència és una característica del material inversa de la conducció. Com més resistència presenta un conductor menys conductor és i menys intensitat hi passa.
-31- 6.0.2.2-El circuit elèctric Els muntatges que es fan a la pràctica per que hi passi el corrent elèctric s'anomenen circuits elèctrics. Un circuit elèctric senzill, -com ara el que es fa anar per fer funcionar una bombeta o un motor-, està constituït per un generador elèctric, l'aparell que es vol fer funcionar i els cables que serveixen per unir l'un amb l'altre formant un camí o circuit que va de born a born del generador passant per l'aparell connectat.
El més corrent però és que a un únic generador si connectin diversos elements que funcionen amb el mateix voltatge o diferència de potencial. La figura següent ens mostra l'esquema d'un circuit d'aquesta mena, amb el generador G, un motor M i una bombeta B.
6.0.2.2.1.-Els circuits en parallel Fixeu-vos que al circuit de la figura anterior cada element està connectat directament (sense passar per cap altre element) per cables a banda i banda del generador de manera que la diferència de potencial és la mateixa per tots els elements, la V del -32- generador. D'aquesta mena de connexió se'n diu en parallel i els elements connectats se situen a l'esquema en línies paralleles.
D'altra banda, la intensitat I que ha de subministrar el generador, es la suma de la I1 que passa pel motor i la I2 que passa per la bombeta. És la mateixa llei que regiria el cabdal de l'aigua d'una canonada que es dividís en dues. Sembla doncs obvi que podem generalitzar i enunciar que, en un circuit parallel, la intensitat que passa pel generador ha de ser la suma de la que passa per cadascun dels elements que hi estan connectats, mentre que la diferència de potencial és la mateixa per tots.
6.0.2.2.2.-Els circuits elèctrics domèstics A les cases el corrent elèctric arriba mitjançant dos conductors que fan el paper dels borns del generador de l'esquema. Aquests dos conductors subministren una diferència de potencial de 220 V i els elements i aparells elèctrics de les cases s'hi connecten en parallel, ja que tots ells requereixen el mateix voltatge.
Fixem-nos que com més elements tinguem connectats al mateix temps més intensitat haurà de suportar el generador perquè la que passa per ell és la suma de totes les altres. Per això a l'entrada del subministrament elèctric de les cases hi ha un limitador d'intensitat que si se superen els ampers contractats interromp el subministrament. Si p. e. es produís un curtcircuit el limitador saltaria.
Un curtcircuit es produeix quan un born i l'altre del generador s'uneixen sense cap dispositiu entre ells, directament o mitjançant un conductor. Llavors la intensitat és molt alta perquè pràcticament no hi ha resistència al pas del corrent. En l'apartat d'energia elèctrica es fa més incidència en els aspectes energètics dels circuits.
-33- 6.0.2.3.-Corrent continu i corrent altern De corrents elèctrics n'hi ha de dos tipus, alterns i continus.
En el corrent continu el generador subministra un voltatge constant, com és el cas de les piles i bateries, i el corrent elèctric sempre va en el mateix sentit de positiu a negatiu. Els generadors de corrent continu tenen indicat quin és cada born amb els signes + i - , que s'han de tenir en compte per connectar-hi motors i aparells electrònics.
En el corrent altern el generador, anomenat alternador, subministra un voltatge que oscilla, amb una freqüència que en el nostre país és de 50 Hz. Per tant el corrent no té un sentit sinó que les càrregues oscillen a banda i banda d'una posició d'equilibri (com el pèndol). No hi ha doncs polaritat, i és igual connectar els aparells en un sentit o en l'altre. El corrent que ens subministren les companyies elèctriques és altern.
6.0.3.-Magnetisme i imants En general, quan es parla de magnetisme es pensa en imants, quan de fet els fenòmens magnètics més transcendents son els deguts al moviment de les càrregues elèctriques. Però abans de veure aquests fenòmens farem una ullada als imants.
Els imants són objectes que tenen dos pols magnètics oposats que s'anomenen nord i sud. Els pols iguals dels imants interaccionen per forces de repulsió i els diferents per forces d'atracció. Unes i altres es fan més grans com més prop estan els pols, de manera que és molt difícil ajuntar imants pel mateix pol i en canvi s'ajunten amb molta embranzida pels pols oposats. Tots dos pols atreuen alguns materials com el ferro però no atreuen a la majoria de materials, inclosos els metalls (com l'alumini o el coure), contràriament al que s'acostuma a pensar.
-34- 6.0.3.1.-El camp magnètic; el concepte de camp Sovint es parla del camp de forces en lloc de les forces. De fet el concepte de camp es fa imprescindible per parlar dels processos electromagnètics, però és un concepte general aplicable a totes les forces que actuen a distància (gravitatòries, elèctriques i magnètiques).
S'entén per camp de forces tota la zona de l'espai on es fa notar una determinada força. P.e., el camp gravitatori terrestre és tota la zona al voltant de la Terra on s'hi fa notar la força pes; en cada punt d'aquesta zona, si hi posem un cos, pesarà.
Anàlogament un camp elèctric és una zona de l'espai on, si hi posem un cos carregat, sobre d'ell hi actuarà una força elèctrica. I un camp magnètic serà una zona de l'espai on, si hi tenim un tros de ferro, sobre d'ell hi actuarà una força magnètica.
Els camps de forces es representen per les línies de força que indiquen com és la direcció de la força en cadascun dels seus punts.
Experiència.- Si teniu un imant cilíndric (amb uns quants imants petits, de penjar missatges a les neveres, en podeu fer un de llarg) o rectangular (com els de les tanques de les portes de cuina) podeu visualitzar el seu camp magnètic. Necessitareu llimadures de ferro, -com més fines millor-, que podeu aconseguir en qualsevol ferreria.
Preneu una cartolina i sembreu-la de manera regular de llimadures de ferro. Llavors, amb l'imant estirat pla sobre una taula, acosteu-li la cartolina horitzontal, de dalt a baix, fins a recolzar-la damunt de l'imant. Aneu donant copets a la cartolina i veureu com les llimadures dibuixen unes línies corbades que van d'un pol a l'altre de l'imant. Aquestes línies són una visualització del camp magnètic de l'imant. Allí on les línies són més intenses perquè hi ha més llimadures, el camp és més intens o, en llenguatge de forces, les forces són més grans.
-35- 6.0.3.2.-El camp magnètic terrestre.
L'imant més important que coneixem és la Terra, que té el seu pol sud magnètic molt prop del pol nord geogràfic i el nord magnètic prop del sud geogràfic. El nom dels pols dels imants és degut precisament a què si l'imant pot girar lliurement, com és el cas de la brúixola, el pol nord s'orienta vers el nord geogràfic i el pol sud cap al sud geogràfic. De fet però, el camp magnètic terrestre és alterat per diversos factors, com mines de materials ferromagnètics o alteracions del magma, de manera que en determinats llocs la brúixola no s'orienta bé al nord.
6.0.4.-Els fenòmens electromagnètics .Els dos fenòmens que veurem a continuació relacionen l'electricitat i el magnetisme i són el fonament de l'electromagnetisme. El seu descobriment ha estat un dels més influents pel progrés tecnològic perquè en ells es basen els motors i generadors electromagnètics, els transformadors i les ones de radio i TV.
6.0.4.1.-La inducció magnètica Agafeu un clau gran i li enrotlleu un cable prim fent una bobina. Si connecteu el cable a una pila de 4,5 volts veureu que el clau actua com un imant i és capaç de desviar una brúixola. Podeu fins i tot veure que la punta del clau és un pol i la cabota l'altre pol i si canvieu el sentit del corrent canviaran els pols.
Direm, per tant, que el corrent elèctric té associat un camp magnètic que depèn del sentit i el valor de la intensitat. Al voltant d'un fil conductor que hi passi corrent hi ha sempre un camp magnètic i si el fil està bobinat es comporta com un imant cilíndric que s'anomena electroimant.
-36- De fet la conclusió pot ser més general. Com que un corrent és un moviment de càrregues, podem dir que una partícula carregada que es mou indueix un camp magnètic al seu voltant.
6.0.4.2.-La inducció elèctrica Podríem fer una altra experiència, però necessitaríem un imant potent i una bobina gran. Si connectem la bobina a un cable que tingui una bombeta tipus led, -que donen llum amb molt poc corrent-, podrem encendre-la ficant l'imant dins de la bobina i traientlo sobtadament.
Diem llavors que el moviment de l'imant genera un potencial elèctric entre els borns de la bobina. Es pot expressar d'una manera més general dient que els camps magnètics variables indueixen camps elèctrics.
6.0.4.3.-Motors i generadors electromagnètics Un motor i un generador electromagnètics són en síntesi el mateix enginy, però que té dos sentits de funcionament.
Segurament heu vist algun motor elèctric i sabeu que té un eix central que gira quan hi passa corrent. Doncs aquest mateix motor pot funcionar com a generador, si li feu girar prou ràpid l'eix central i li connecteu un circuit, hi passarà un corrent elèctric que pot fer donar llum a una bombeta tipus led, -aquesta és una experiència que podeu fer amb garanties d'èxit si teniu algun motoret d'alguna joguina o petit electrodomèstic.
En un motor o generador hi ha dues parts, la part central on hi ha una bobina anomenada rotor perquè gira, i l'estator que forma com un cilindre que envolta el rotor i on hi ha els imants. Si fem passar un corrent elèctric pels bobinats del rotor es creen -37- uns camps magnètics que, a l'interaccionar amb els imants, el fan girar i tenim un motor. I al revés, si fem girar el rotor, el camp magnètic que travessa les espires de la seva bobina va canviant i es genera un corrent, o sigui que tenim un generador.
6.0.4.4.-Els transformadors del corrent altern La inducció electromagnètica permet canviar el voltatge del corrent altern mitjançant els transformadors.
A l'entrada d'un transformador hi tenim un corrent altern que passa per un bobinat, el primari o inductor-, que hi ha al voltant d'un nucli de ferro. El camp magnètic que genera la bobina de l'inductor passa a través del nucli de ferro fins a una zona on hi ha un altre bobinat, -el secundari o induït-. Com que el camp magnètic és variable, es genera en l'induït un voltatge que és la sortida del transformador. Fixem-nos que si el corrent és continu al secundari no hi haurà voltatge perquè els camps magnètics constants no indueixen res.
La relació del voltatge d'entrada i el de sortida depèn de la relació entre el nombre d'espires del bobinat primari i el secundari: com més espires més alt és el voltatge, i més baixa la intensitat del corrent que es pot subministrar.
6.0.4.5.-Generació d'ones electromagnètiques La generació d'ones electromagnètiques és un altre fenomen degut a les càrregues d'importància cabdal en la nostra societat tecnològica.
És basa en el fet que un circuit elèctric oscillant indueix al seu voltant un camp magnètic també oscillant i aquest també n'indueix al seu voltant un d'elèctric oscillant i així successivament, de manera que aquesta oscillació de camps -38- elèctrics i magnètics es va propagant per l'espai sense necessitat de cap mitjà de transport (en el buit) i comportant-se com una ona que anomenem ona electromagnètica. D'aquesta manera, amb circuits elèctrics oscillants, es generen les ones de ràdio i televisió.
Però ja hem dit que la inducció electromagnètica es pot generalitza a càrregues que es mouen fora de circuits, i per tant hi ha també tota una munió d'ones electromagnètiques generades per les partícules carregades de la matèria, com p. e.
les ones de llum degudes als canvis de nivell dels electrons dels àtoms..
6.1.-Analogies entre l'energia gravitatòria i l'elèctrica En l’apartat 6.0 fèiem analogies entre canonades d'aigua i circulació de càrregues.
Aquestes analogies ens ajuden a entendre el que passa amb les càrregues i que no podem veure.
Les masses van espontàniament de més a menys altura, perdent en el procés l'energia potencial que correspon a la diferència d'altures, i que es transforma en alguna altra energia. De manera semblant les càrregues lliures van espontàniament de més a menys potencial elèctric perdent en el procés l'energia elèctrica corresponent a la diferència de potencial, que es transforma en alguna altra energia.
En resum, tenim les següents analogies entre magnituds, símbols i unitats de mesura: Interacció gravitatòria Interacció elèctrica Massa, m, kg Càrrega, q, coulombs (C) Potencial gravitatori, g.h, m.m/s2 Potencial elèctric, V, volts (V) E. pot. grav., Epg = m.g.h, joules (J) E. pot. elèc., Epe = q.V, joules (J) -39- 6.2.-l'energia elèctrica en els circuits A la pràctica, les càrregues elèctriques portadores de l'energia circulen per un circuït elèctric, al llarg del qual l'energia es va transformant en els diferents elements o aparells que el constitueixen.
6.2.1.-Energia transformada en un element del circuit No caldrà forçar massa la vostra memòria per recordar que sovint els aparells elèctrics es qualifiquen amb un nombre de watts, (bombeta de 100W, estufa de 1000W).
Recordeu que els watts expressen l'energia per unitat de temps (potència) i per tant una bombeta de 100W, p.e., transforma, (consumeix, en llenguatge col·loquial), 100J cada segon.
Veiem com es relaciona la potència de l'aparell amb les magnituds pròpies del circuït.
Quan connectem l'aparell al circuït, li apliquem una diferència de potencial V (220V a les cases, 12V en un cotxe) i en conseqüència hi circula una intensitat I. Això vol dir que cada segon hi ha una càrrega de I coulombs que perd el potencial V al passar d'un born a l'altre de l'aparell. Per tant, en aquest aparell es transforma cada segon una energia elèctrica, o potència, que val: P(W) = V(V) . I(A) Aquesta expressió ens relaciona la potència de l'aparell amb la intensitat que hi circula i el voltatge que se li aplica.
6.2.2.-Energia subministrada pel generador L'energia transformada en cada element del circuit es subministrada pel generador.
Recordem que, en contra del que molta gent pensa, els generadors no generen les -40- càrregues sinó que només els hi restitueixen l'energia potencial perduda. Podem dir doncs que generen energia potencial elèctrica, però no càrrega. Com a regla mnemotècnica, recordeu que les piles i bateries són generadors i que s'especifiquen per volts, -hi ha piles de 1,5V, 4,5V, 9V,...-, i no per coulombs.
Si la intensitat total del circuit és I (que és la suma de les que circulen per cada element paral·lel), llavors el generador subministra una potència o energia per segon que val: P(W) = I(A) . V (V) Però també hi ha una manera més senzilla de veure-ho, la potència elèctrica que subministra el generador ha de ser la suma de les potències de cada element que hi està connectat.
6.3.-Transformacions, usos i generació d'energia elèctrica L'energia elèctrica és la més usada de totes en la nostra societat tecnològica. Per què?, doncs fonamentalment perquè és molt còmoda en quant a transport, -amb cables elèctrics la podem transportar a qualsevol lloc de la Terra-, i és també molt neta i versàtil per transformar-la en altres.
L'energia elèctrica es transforma en àmbits domèstics o industrials en tota mena d'energies: cinètica, tèrmica, química, gravitatòria, radiant (llum), etc. I també a l'inrevés, aquestes formes d'energia s'utilitzen per generar energia elèctrica. Això és una mostra de la gran versatilitat i qualitat de l'energia elèctrica El problema és que a la natura no hi trobem dipòsits d'energia elèctrica disponible, no hi ha fonts d'energia elèctrica, -ni tan sols l'associada a les tempestes, que és important, la podem aprofitar perquè no tenim la manera de controlar-la i emmagatzemar-la. El que fem llavors és buscar fonts d'altres formes d'energia i -41- transformar-les en elèctrica.
6.3.1.-Processos generadors d'energia elèctrica Una manera molt corrent d'obtenir energia elèctrica és a partir de la química en les bateries i piles. Aquesta va ser la primera i durant temps l'única manera d'alimentar un circuït elèctric. El mecanisme de transformació és una reacció química. El procés contrari també és possible i s'aplica a les bateries i piles recarregables, transformant energia elèctrica en química.
També és pot obtenir energia elèctrica a partir de l'energia radiada, mitjançant les cèl·lules fotovoltaiques o fotoelèctriques. És el sistema que s'utilitza en els satèl·lits artificials i naus espacials.
Els encenedors de guspira de quars són un exemple d'obtenció d'energia elèctrica a partir de treball de deformació.
I en els termoparells l'energia elèctrica s'obté a partir de la tèrmica.
6.3.2.-Els generadors alternadors El gruix més gran de l'energia elèctrica que utilitzem s'obté en les anomenades centrals, -hidràulica, termoquímica, termonuclear, maremotriu, eòlica-. En totes elles la fase final és sempre la mateixa i té lloc en el generador elèctric.
En el generador es transforma energia cinètica de rotació en energia elèctrica mitjançant la interacció entre forces magnètiques i càrregues elèctriques. Per tant, sigui la que sigui la font d'energia inicial, a la fase final d'una central elèctrica hi tindrem el següent diagrama de flux: -42- 6.4.-L'energia elèctrica a la naturalesa Les manifestacions més espectaculars d'energia elèctrica a la natura són les descàrregues elèctriques durant les tempestes. Degut als moviments de les seves partícules els núvols s'electrifiquen i adquireixen potencial elèctric, -com si es tractés d'un gran vidre fregat-, de manera que s'estableix una gran diferència de potencial entre el núvol i el terra.
A l'aire sempre hi ha partícules carregades elèctricament que adquireixen energia elèctrica degut a la diferència de potencial i es posen en moviment convertint energia elèctrica en cinètica. Però en el seu moviment xoquen amb partícules neutres i gran part de l'energia cinètica es converteix en energia radiant (llum) emesa pels àtoms.
Com a conseqüència dels xocs les partícules neutres queden ionitzades i es produeix un efecte com d'allau, de manera que el nombre de partícules que es mouen i el de xocs creix molt de pressa i l'energia involucrada també, donant lloc a l'esclat de llum que és el llamp o llampec. El tro es produeix de la mateixa manera que el so en una explosió, l'escalfament sobtat de l'aire produeix una sobrepressió que s'expandeix i es tradueix en un so curt però intens.
En menor grau d'importància poden experimentar-se petites enrampades als cotxes o -43- petites guspires en segons quines robes sintètiques o en dies molt secs al pentinar-se, que tenen la mateixa explicació però amb molta menys energia en joc.
6.5.-Aspectes de seguretat i mediambientals L'energia elèctrica arriba a les cases en forma de corrent altern de 220V , que pot ser perillós si es tanca el circuït a través del cos, -una descàrrega elèctrica pot arribar a produir una aturada cardíaca-. El corrent elèctric és especialment perillós quan el cos està mullat perquè augmenta molt la superfície conductora i per tant la intensitat del corrent i amb ella l'energia.
Per protegir-se de les descàrregues accidentals s'utilitzen els interruptors diferencials, però sempre és millor prevenir i actuar amb prudència. Cal remarcar també que un dels conductors de les cases està connectat al terra, és a dir que podem enrampar-nos si toquem al mateix temps el terra (o una paret, o una canonada,...) i l'altre fil, el que es diu que porta la fase.
Encara que són de 12V, també comporten perill les bateries dels cotxes perquè poden donar molta intensitat. En canvi no hi ha perill, elèctricament parlant, en les anomenades piles.
L'energia elèctrica és molt neta perquè no consumeix oxigen ni hi ha residus contaminants, però en el seu transport, fora de nuclis urbans, les diferències de potencial són molt grans i els camps elèctrics creats són importants i actualment estan entredit les seves possibles conseqüències. Les línies de transport electric i els transformadors emeten també radiació electromagnètica a l'entorn que últimament és també objecte de controvèrsia.
-44- 7.- L'energia química L'energia química és la que es manifesta en les reaccions químiques. Mirat des d'un punt de vista atòmic podem dir que és una energia lligada a l'estructura de la matèria. Per tant es pot entendre com la suma de l'energia cinètica dels moviments dels electrons de l'àtom i l'elèctrica deguda a les interaccions entre els nuclis positius i els electrons negatius quan s'agrupen per formar les diverses substàncies químiques.
7.1.-Transformacions, mesura i usos de l'energia química El mecanisme de transformació de l'energia química és la reacció química, que és de diferent tipus segons sigui la transformació.
L'energia química és bàsica pels processos biològics i una de les més usades en la nostra societat tecnològica.
7.1.1.-L'energia química als processos biològics Les plantes transformen l'energia solar en química d'estructura dels aliments orgànics que es fabriquen, és a dir que en el procés de fabricació de matèria orgànica l'energia química en representa el resultat final. Però aquesta matèria orgànica és l'aliment dels animals i per tant també la química és l'energia base dels processos biològics i activitats dels animals.
7.1.2.-L'energia química dels combustibles I fent una analogia, també podem dir que els combustibles són l'aliment de les màquines i que per tant l'energia química constitueix sovint la base de l'activitat tecnològica i industrial de la nostra societat. Tots els combustibles són magatzems d'energia química, que es transforma en tèrmica mitjançant una reacció de -45- combustió i després és utilitzada de forma molt variada: -directament com a tèrmica per calefacció, cuina, foneries,...
-transformant-la en elèctrica en les centrals tèrmiques -transformant-la en cinètica en motors de tota mena de transports i altres activitats 7.1.3.-Poder energètic dels combustibles i aliments La manera habitual de quantificar l'energia química dels combustibles i aliments és mitjançant el poder calorífic que expressa l’energia tèrmica que s'obté en la combustió d'una unitat de massa. Segurament heu vist que en els envasos dels aliments i les informacions sobre dietes hi acostuma a figurar la informació de les calories o joules per gram, o 100 grams, o ració.
7.1.4.-L'energia química de les piles i bateries Un altre ús de l'energia química, que hem comentat abans, és la transformació directa, mitjançant reaccions, en energia elèctrica a les piles i bateries. Aquest ús però no es pot comparar quantitativament amb el dels combustibles i aliments. Cal remarcar que el que hi ha emmagatzemat en una pila o bateria és energia química i no elèctrica, el que passa és que a l'utilitzar la pila es produeix una reacció química que la transforma en elèctrica, que és la forma en que la dóna la pila al circuït.
7.2.- Fonts d'energia química; combustibles i biomassa El conjunt dels combustibles constitueix la font d'energia química més utilitzada per a les nostres activitats.
Els combustibles més importants actualment són els anomenats fòssils, carbons, petroli i gas natural-, que són no renovables i que per tant acabaran esgotant-se. Són l'exemple més important de font d'energia emmagatzemada.
-46- Sense la progressiva explotació de les reserves energètiques que signifiquen els combustibles fòssils no hauria estat possible el procés d'industrialització de la nostra societat.
En menor importància hi ha els que s'obtenen a partir de la biomassa, que és el nom amb que es designa el conjunt dels residus orgànics que es generen a les ciutats, granges o boscos. Aquests residus, degudament tractats, serveixen per obtenir combustibles tipus carbó de coc, alcohols i gasos com ara metà. La biomassa és un recurs energètic renovable i d'importància creixent.
Actualment, és ja un fet la progressiva implantació del biodiesel com a font d’energia.
El biodiesel prové del tractament de determinats cereals.
7.3.- Aspectes de seguretat i mediambientals El fort consum de combustibles ha implicat problemes de contaminació ambiental degut als productes resultants de les reaccions de combustió i a les impureses dels combustibles.
Les combustions consumeixen oxigen i donen com a producte resultant diòxid de carboni (CO2). El CO2 l'utilitzen les plantes per fabricar matèria orgànica tot alliberant oxigen, però no ho poden fer al ritme que l'estem produint a les combustions, i menys encara amb el procés de desforestació que ha suposat la societat industrial.
En aquesta consideració es basa l’interès pel biodiesel, donat que el CO2 que llença a l’atmosfera l’agafat de la mateixa atmosfera poc temps abans, quan la planta realitzava la funció clorofil·lica en els seu període de creixement. Mirat globalment, per tant, l’ús del biodiesel com a combustible no suposa un increment del nivell de CO2 de l’atmosfera, encara que sí pot suposar una redistribució (es produeix en un lloc i es -47- crema en un altre). Contrariament passa amb els combustibles fòssils, que aboquen a l’atmosfera el CO2 que van agafar fa mil·lions d’anys. D’altra banda,en fer la funció clorofíl·lica les plantes aboquen a l’aire O2, la qual cos també és un avantatge.
7.3.1.-L'efecte hivernacle i la pluja àcida L'alt consum de combustibles implica que la concentració de CO2 a l'atmosfera augmenta i fa que augmenti la temperatura mitjana, conseqüència que es coneix amb el nom d'efecte hivernacle. El CO2 no és l'únic gas que afavoreix l'efecte hivernacle però si el més important quantitativament parlant.
Un altre problema de contaminació degut als combustibles és el de les impureses que donen lloc a òxids de nitrogen i de sofre i que amb l'aigua de l'atmosfera acaben formant àcids i provocant l'anomenada pluja àcida que resulta molt perjudicial per la flora i la fauna i terrestres.
7.3.2.-Riscos de transport i incendi Respecte a accidents cal remarcar el risc de vessaments al mar que comporta el transport de petroli en vaixells. El petroli que es vessa sura damunt l'aigua formant l'anomenada marea negra que té efectes molt perjudicials per la fauna i flora marines.
Tots els combustibles líquids i gasosos tenen també risc d'incendi.
8.-L'energia nuclear i l'energia màssica L'energia nuclear, hem de suposar que està relacionada amb les forces responsables de l'estructura del nucli però aquestes forces ens són encara poc conegudes. Ara bé, tenim una altra manera d'acostar-nos a l'energia nuclear que és mitjançant l'energia màssica.
-48- 8.1.-L'equivalència entre massa i energia Hi ha un fenomen que és dona a nivell de les partícules més petites que l'àtom (subatòmiques) i que va representar una bona sacsejada pel nostre instint conservador.
Resulta que un electró i un positró, -que és com l'electró però de càrrega positiva-, poden xocar i desaparèixer simultàniament, al mateix temps que s'allibera una gran quantitat d'energia radiada.
Si mirem el fenomen amb detall, apreciarem que la llei de conservació de la càrrega no es viola, perquè desapareixen al mateix temps una de positiva i una de negativa que sumades feien zero. Però si que desapareix una massa i al mateix temps sembla com si es crees una energia i això va en contra de les lleis de conservació de l'energia i de la massa..., a no ser que interpretem que la massa s'ha transformat en energia.
D'aquesta manera establim una equivalència entre massa i energia i podem tenir una sola llei de conservació de la massa i l'energia conjuntament.
8.1.1.-La relació d'Einstein Fou Einstein qui primer establí la relació quantitativa entre massa i energia que s'expressa en la coneguda equació: E= m.c2 on E és l'energia que s'obté quan desapareix la massa m i c la rapidesa de la llum (300.106m/s).
S'entén per energia màssica la que apareix en forma de radiació quan desapareix una certa quantitat de massa.
Pot ser també al revés, que aparegui una massa m a canvi de desaparèixer l'energia E i això amplia les possibilitats d'interpretació de l'origen de l'univers: un punt amb una increiblement alta temperatura i una immensa concentració d’energia podria explotar -49- transformant energia en massa.
Fixem-nos que el valor energètic de la massa és molt gran. Si féssim desaparèixer un gram de massa obtindríem una energia: E=0,001kg. 3000000002(m/s)2 = 90000000000000 J=9.1013 J 8.2.- Transformacions i usos Amb aquesta energia ens podem explicar el que passa a les reaccions nuclears, anomenades de fissió, que subministren l'energia que es transforma a les centrals nuclears. I també les reaccions de fusió que generen l'energia del estels.
8.2.1.- Energia per fissió nuclear En aquestes reaccions hi ha nuclis d'àtoms d'urani que es parteixen en dos, d'aproximadament la meitat de massa, al mateix temps que irradien una gran quantitat d'energia. I aquesta energia prové del fet que si sumem la massa dels dos nuclis resultants de la partició ens dona una valor inferior a la del nucli d'urani, és a dir que part de la massa del nucli d'urani s'ha transformat en energia segons la relació d'Einstein.
8.2.2.-Energia per fusió nuclear Hi ha un altre tipus de reaccions nuclears que permeten obtenir energia màssica, és tracta de les reaccions de fussió en que dos nuclis d'hidrogen s'ajunten per fer-ne un d'heli. Aquestes reaccions són encara més energètiques que les de fissió però necessiten una temperatura de milions de graus per poder-se dur a terme.
Aquesta és la font d'energia del Sol i dels estels en general. Tal com hem comentat -50- a l'energia gravitatòria, aquesta es transforma en tèrmica en contraure's la matèria i permet que s'aconsegueixen les altes temperatures necessàries per que es pugin dur a terme les reaccions de fusió a l'interior de les estrelles. L'alt nivell de radiació energètica d'aquestes reaccions és precisament el que compensa i para el procés gravitatori de contracció.
8.3.-Fonts d'energia nuclear A la naturalesa hi tenim jaciments d'urani aprofitables que constitueixen una font d'energia no renovable, amb reserves comparables a les del petroli. El mineral d'urani s'ha d'enriquir abans de poder ser utilitzat com a "combustible" als reactors de les centrals termonuclears.
A part de les centrals, l'energia nuclear s'ha utilitzat també com a propulsora en submarins que disposen d'un petit reactor nuclear, la qual cosa els hi dona una gran autonomia ja que no els hi cal reposar d'energia durant molt temps.
Pel que fa a l'energia nuclear de fussió les seves reserves són grandioses, si és que aconseguim el reactor de fusió, però de moment no és més que un projecte d'investigació.
8.4.- Aspectes de seguretat i mediambientals L'energia nuclear de fissió té l'avantatge de no consumir oxigen ni alliberar CO2 i d'altres contaminants a l'atmosfera però té el problema de la radioactivitat dels reactius i del residus que la fan molt controvertida.
Els contraris a les centrals nuclears argumenten que la seva rendibilitat no està tan clara pels costos de desmantellament a que està obligada una central nuclear un cop esgotat el seu període d'explotació i perquè inutilitzen la zona durant molts anys -51- després del seu tancament.
En quant a seguretat els diversos accidents que hi ha hagut, en especial el de Txernobyl, han posat en evidència la gravetat de les conseqüències d'una avaria en el reactor o el sistema de refrigeració.
Però també hi ha l’exemple de països com França que han apostat per les centrals nuclears i tenen una tecnologia molt avançada i un historial net d’accicdents.
8.4.1.-Els residus radioactius Per últim hi ha el problema dels residus radioactius de les centrals nuclears. Alguns dels àtoms resultants de les reaccions nuclears són altament radioactius i emeten radiació perillosa per als éssers vius durant molts anys. Cal emmagatzemar-los de forma que no irradiïn al medi ambient, però tot i els avenços tecnològics no està clar que hi hagi una manera segura i definitiva que ens garanteixi que els residus no s'escaparan mai dels seus contenidors. D'altra banda alguns productes residuals de les reaccions nuclears s'utilitzen per la fabricació d'armes nuclears.
8.4.2.-Les armes nuclears Una aplicació lamentable de l'energia nuclear ha estat les anomenades bombes atòmiques que es basen en el mateix tipus de reaccions però produint un efecte d'allau.
En una reacció nuclear explosiva, el nombre d'àtoms que es trenquen creix desmesuradament i també l'energia alliberada. Tanta energia produeix un aixecament de la temperatura de milions de graus en el punt de l'explosió, que donen lloc a una ona expansiva d'un poder destructiu extraordinari al qual s'han d'afegir els efectes de -52- contaminació atmosfèrica per pols i materials radioactius que poden afectar tot el planeta.
Per desgràcia, les bombes atòmiques van ésser utilitzades contra dues ciutats del Japó, Hiroshima i Nagasaki al final de la Segona Guerra Mundial. Tot i que es va tractar de dues bombes molt petites comparades amb les que s'han desenvolupat posteriorment, les conseqüències són prou esgarrifoses per conscienciar tota la humanitat que aquest camí no s'ha de seguir.
9.- L'energia tèrmica Un dels grans passos històrics en la construcció del concepte d'energia es va fer en reconèixer la calor com una forma d'energia. Al segle XVIII els fenòmens en que es mesuren temperatures i s'escalfen o es refreden els materials o canvien d'estat, semblaven allunyats dels fenòmens mecànics. Molts investigadors treballaven per trobar o poder negar l'existència del teòric fluid responsable de transportar la calor d'un cos a un altre i que s'anomenava "calòric".
9.1.-La calor és energia tèrmica Hi ha, però, una experiència que tots coneixem, si freguem les mans amb intensitat s'ens escalfen, i d'on prové aquesta escalfor, sinó del treball de fregar-nos les mans?.
D'una forma més o menys semblant es va argumentar a principis del segle XIX que la calor es podia veure com un equivalent del treball, i així es connectaven a través de l'energia el món de la mecànica i el de la calor i s'establia un fort argument en favor d'una llei general de conservació de l'energia.
-53- Mitjançant una experiència en que s'utilitzava treball per escalfar aigua es va determinar quanta energia corresponia a una caloria. Amb mesures actualitzades tenim la següent relació: 1 caloria = 4,18 joules La tendència és simplificar les unitats i utilitzar cada cop menys la caloria en benefici del joule.
En l'apartat de Processos de calor i temperatura es fa referència a les mesures de l'energia tèrmica en processos que canvia la temperatura o l'estat.
Nota d'atenció.-Fixeu-vos que s'usen els termes "calor", "energia calorífica" i "energia tèrmica" per referir-se al mateix concepte, l'energia associada als canvis de temperatura (o d'estat) dels cossos.
9.2.-Potencial tèrmic i degradació de l'energia tèrmica A l'energia tèrmica hi ha uns processos de flux o transport que guarden una bona analogia amb els que hem vist en parlar de l'energia elèctrica i la gravitatòria.
L'energia tèrmica flueix espontàniament dels cossos calents als freds i deixa de passar si s'igualen les temperatures. És com si la temperatura actués com un potencial tèrmic i l'energia tèrmica com una energia potencial tèrmica. Si no hi ha desnivell o diferència de potencial tèrmic no hi ha flux d'energia i per tant és com si no n'hi hagués. P.e., si la temperatura de flama d'un combustible és de 800 graus podrem utilitzar-lo per donar energia (escalfar) qualsevol cos que tingui una temperatura per sota de 800 graus però no servirà per transferir energia a un cos que estigui més calent, -respecte d'un cos més calent no té energia tèrmica.
-54- 9.2.1.-Degradació de l'energia tèrmica Estem ara en condicions d'explicar-nos la important degradació de l'energia. Per poder disposar de l'energia tèrmica ha de fluir d'un lloc calent a un altre més fred. Com més gran sigui la diferència de temperatures entre el calent i el fred, de més energia podrem disposar. Llavors diem que quan l'energia tèrmica baixa de temperatura pateix una degradació, perquè en podem disposar menys ja que tè menys possibilitats de fluir. P.e si tenim una quantitat d’energia tèrmica a 1000 ºC pot fluir fins 900 ºC però quan estigui a 900 ºC ja no podrà fluir a 900 ºC, tindrem la mateixa energia però menys disponible. Aquesta pèrdua de disponibilitat és el concepte de degradació.
Fixem-nos que encara que una energia calòrifica no baixi de temperatura, si la de l'entorn puja, també pateix una degradació perquè se li retallen les possibilitats de fluir a temperatures més baixes..
En conseqüència, l'energia tèrmica que durant un procés passa a l'entorn es degrada, i té un doble efecte de degradació. D'una banda baixa de temperatura, però a més a més, fa pujar la temperatura mitjana de l'entorn de manera que hi ha un efecte uniformitzador de les temperatures que va en contra dels fluxes d'energia tèrmica.
Dit d'una altra manera, exagerada i catastrofista, tota l'energia que passa a l'entorn en forma de calor aixeca la temperatura mitjana de l'univers i redueix la diferència de temperatures. El dia que la temperatura sigui uniforme, l'energia tèrmica ja no podrà fluir i per tant no estarà disponible,- fent una analogia, és com si la superfície de la Terra s'erosionés tant que quedés tota plana i per tant no podríem disposar de l'energia potencial gravitatòria de l'aigua que la natura diposita ara a les muntanyes.
-55- 9.2.2.-Degradació i desordre La degradació es pot veure també d'una altra manera. Recordeu que en el tema de calor i temperatura i sota el nom de teoria cinètica, hi presentàvem una interpretació de l'energia tèrmica com una manifestació macroscòpica de l'energia cinètica dels àtoms.
Aquesta energia cinètica és la dels moviments desordenats, d'agitació dels àtoms. En efecte, penseu que si anem augmentant la temperatura d'un sòlid arribarà un moment que l'agitació serà tal que es trencarà l'estructura ordenada del sòlid i es passarà a una estructura més desordenada, la del líquid. I si seguim podrem passar a una estructura encara més desordenada, la del gas.
En certa manera doncs, augmentar la temperatura de l'entorn és pot considerar que és augmentar el grau de desordre. Per això s'acostuma a dir que l'energia tèrmica que passa a l'entorn augmenta el grau de desordre ( o entropia) de l'univers.
9.3.- Transformacions i usos La tèrmica és l'energia resultant en els processos de combustió i generalment representa un pas intermedi d'un procés, com en les centrals tèrmiques i la màquina de vapor. Hi ha, però, una aplicació evident i molt generalitzada de l'energia tèrmica que és utilitzar-la directament per escalfar. En aquest cas no hi ha transformació, només transmissió.
9.3.1.-Energia tèrmica propulsora Una de les transformacions més usuals i importants és en energia cinètica. El -56- vapor d'aigua escalfat que empeny un èmbol a les màquines de vapor, o fa girar les pales d'una turbina a les centrals termoquímiques i termonuclears en són exemples.
Com podeu veure aquesta transformació ve representant un paper important des de la màquina de vapor que va fer possible la revolució industrial, fins les centrals elèctriques tèrmiques d'avui dia.
El mecanisme que transforma tèrmica en cinètica és el treball fet per les forces de pressió del vapor sobre les superfícies de l'èmbol o de les pales de la turbina.
9.3.2.-Energia tèrmica que genera electricitat Hi ha una transformació directa d'energia tèrmica en elèctrica que segurament coneixeu perquè és bastant usada. Es tracta de l'efecte termoparell en que dos fils de metalls diferents que estan en contacte, si es fiquen a temperatura alta (p.e. la flama d'un cremador) generen un corrent elèctric.
Aquesta transformació s'utilitza en els cremadors de gas de manera que, prop de la flama pilot, hi ha un caputxó en forma de punta amb el termoparell a dins. Mentre la flama està encesa, el corrent elèctric generat s'aprofita per alimentar una bobina que actua com a imant mantenint oberta la vàlvula d'entrada del gas. Quan la flama s'apaga i el termoparell es refreda, el corrent s'interromp i es tanca la vàlvula del gas.
9.4.-Fonts d'energia tèrmica Com a font d'energia tèrmica tenim l'anomenada geotèrmica que es genera a l'interior de la Terra. De fet hi ha molta energia tèrmica generada per la Terra i que flueix a l'atmosfera on s'escampa de manera irrecuperable.
Aquesta energia interior de la Terra implica que la temperatura augmenti entre 2,5 i 3 -57- C cada 100m de profunditat, però hi ha zones en que l'augment és molt més gran, (fins a 10 o 15 vegades més gran). Aquestes zones calentes de l'interior de la Terra constitueixen el que anomenem jaciments geotèrmics i que s'utilitzen per obtenir aigua calenta si el jaciment és de baixa temperatura, i electricitat, mitjançant un generador, si és d'alta temperatura.
La geotèrmica és una font d'energia renovable i no contaminant i la seva explotació està en un procés de desenvolupament i amb bones perspectives de futur.
10.- L'energia radiant Diem d'una energia que és radiant quan es transmet per radiació. La llum, l'escalfor que sentim a la cara davant d'una foguera i també les "ones" de radio i televisió que porten el so i la imatge als nostres receptors en són exemples.
Si us fixeu en aquestes manifestacions familiars d'energia radiant, veureu que es tracta d'energia que ens arriba de lluny però sense que ens la porti res, ni cap cable ni cap cos. És energia que surt d'un lloc (l'emissor o font ) i es propaga en línia recta cap a tot l'espai, (si cap obstacle no li ho impedeix), sense necessitat de cap mitjà per moure's, és a dir en el buit.
10.1.-Naturalesa electromagnètica i ondulatòria De fet, l'energia radiant és l'energia que transporten les ones electromagnètiques que ja hem tractat en els temes d'ones i dels processos elèctrics i magnètics. Per tant és energia en trànsit, que es propaga en el buit d'acord amb les lleis de les ones.
La intensitat de l'energia radiant és funció de la freqüència de l'ona, a més freqüència -58- més energia, (els raigs X, p.e., són més energètics que els de llum visible).
Les diverses manifestacions de l'energia radiant es corresponen amb la diferent freqüència de l'ona que la transporta. La taula de radiacions electromagnètiques mostra l'interval de freqüències que correspon a cada una de les aplicacions o fenòmens.
10.2.- Transformacions i usos de l'energia radiant L'energia radiant és, bàsicament, energia en trànsit i és transforma en d'altres quan incideix i és absorbida pels cossos. Per entendre-ho millor agafem l'exemple de la radiació solar. El seu origen és l'energia que s'allibera en les reaccions de fusió al Sol. És energia de fusió en el procés de reacció però és energia radiant en el procés de propagació, -mentre transita-, i és convertirà en una altra energia (tèrmica p.e.) quan sigui absorviada per un material.
La importància de les aplicacions tecnològiques d'aquesta energia és evident (comunicacions, indústria, medicina, navegació,...) i són tractades dins del capítol dedicat a les noves tecnologies. Ací ens ocuparem només de l'energia radiant més transcendent per nosaltres, la que ens arriba del Sol.
10.3.-La font principal d'energia, el Sol Sens dubte, l'energia més important a la Terra ens arriba del Sol en forma d'energia radiant que anomenem energia solar i que és la base de molts processos naturals.
10.3.1.-L'energia solar a la naturalesa L'energia solar es transformada per les plantes i emmagatzemada en forma -59- química al fabricar la matèria orgànica i per tant és bàsica per la formació dels aliments i de la biomassa, com també ho va ser en el seu moment per la gènesi dels combustibles fòssils (petroli, carbó, gas natural,...). El procés de transformació d'energia radiant en química a les plantes és realitza mitjançant la funció clorofíl·lica.
També és la font d'energia tèrmica més important de l'atmosfera i per tant és bàsica en els fenòmens atmosfèrics (vent, precipitacions, tempestes) i les energies que se'n deriven. Així p.e., l'energia solar és fonamental en l'anomenat cicle de l'aigua, ja que és la responsable de l'evaporació de l'aigua i el seu aixecament fins a formar núvols que donen precipitacions que, a més a més de la seva importància vital, ens proporcionen l'energia potencial gravitatòria per les centrals hidràuliques. En aquests processos l'energia radiant és transforma en tèrmica a l'incidir i ser absorbida per la matèria.
10.3.2.-L'aprofitament artificial de l'energia solar En l'aspecte d'aprofitament no natural tenim que l'energia solar s'utilitza com a font d'energia per obtenir-ne d'elèctrica, ja sigui ambcèl·lules fotovoltaiques, transformació directa-, o amb centrals solars termoelèctriques, -transformant-la en tèrmica i mitjançant generadors-.
També es fa servir en els habitatges per obtenir energia tèrmica, escalfant directament aigua o aire per calefacció i instal·lacions domèstiques.
10.4.-Aspectes de seguretat i mediambientals L'energia solar és renovable i no contaminant i tampoc presenta problemes -60- especials de seguretat en la seva explotació.
El problema més greu que ens planteja és degut al deteriorament de l'atmosfera, i en especial el de la capa d'ozó, que comporta una pèrdua de capacitat d'absorció de la radiació solar. Aquesta ens arriba a la superfície menys filtrada i amb una proporció més gran de les radiacions més energètiques (de freqüència més alta) com les ultraviolades.
Les radiacions més energètiques produeixen cremades i afavoreixen els càncers de pell, per la qual cosa cal prendre mesures de protecció evitant exposicions excessives, -atenció: els núvols no filtren les freqüències altes-, i utilitzant filtres protectors efectius per aquestes freqüències.
-61- GLOSSARI A, amper: Unitat d'intensitat del corrent elèctric. Un amper vol dir que passa una càrrega d'un coulomb cada segon.
Acceleració de la gravetat, gravetat, g: Acceleració que la força pes provoca a qualsevol cos que cau lliurement en el buit, sobre la superfície de la Terra.
Alternador: Generador de corrent alterna. Es basa en la inducció electromagnètica.
Àtom: Partícula elemental d'un element químic, constituïda per un nucli de protons i neutrons i una cortesa d'electrons.
Bobina, electroimant: Fil conductor aïllat enrotllat en forma d'espires circulars que quan passa un corrent actua com un imant anomenat electroimant.
Buit: Espai que no està ocupat per res material, ni tan sols aire. Normalment un buit és relatiu, que vol dir que hi ha una mica de matèria en estat gasos.
C, coulomb: Unitat internacional de càrrega elèctrica. Un coulomb és equivalent a 6,25 x 1018 càrregues d'electró o protó.
Calor, energia calorífica, energia tèrmica: és aquella energia que passa espontàniament d'un cos a un altre perquè estan a diferent temperatura i fa variar la temperatura o l'estat de la matèria.
Caloria: Unitat de mesura de la calor equivalent a la quantitat de calor que fa falta per aixecar un grau la temperatura d'un gram d'aigua (concretament de 14,5C a 15,5C).
S'utilitza també com a unitat d'energia.
Camp de forces, camp: Tota la zona de l'espai on es fa notar un tipus de força a distància. Segons el tipus de força, hi ha camps gravitatoris, elèctrics, magnètics i electromagnètics.
-62- Càrrega elèctrica, càrrega: En general és una mesura de la quantitat d'electricitat. En una partícula és una característica que la defineix semblantment a com ho fa la massa; p.e. un positró i un electró tenen la mateixa massa però un té càrrega positiva i l'altre negativa. La càrrega elemental és la de l'electró (negativa) o del protó (positiva).
Circuït : Elèctric és un circuït tancat a base d'elements conductors que es fa a la pràctica per que hi passi el corrent elèctric.
Corrent altern: Flux oscil·latori de les càrregues elèctriques, generat per un alternador que subministra un voltatge que oscilla amb una freqüència que en el nostre país és de 50 Hz.
Corrent continu: Generat per un voltatge constant, com és el cas de les piles i bateries. El corrent elèctric sempre va en el mateix sentit de positiu a negatiu.
Corrent elèctric, corrent: És un flux mantingut de càrregues elèctriques a través d'un conductor. Per tenir un corrent elèctric fa falta mantenir una diferència de potencial.
Descàrrega elèctrica: Procés de descàrrega es produeix sobtadament a través de l'aire i amb un gran alliberament d'energia.
Desplaçament: És el segment orientat que va de la posició inicial a la final d'un cos que canvia de posició.
Diferència de potencial, voltatge: Elèctric és la magnitud que mesura el desnivell de càrrega que provoca el corrent elèctric.
Elàstic: Que té la capacitat de recuperar la forma quan cessen les forces que el deformen.
Electró: Partícula subatòmica negativa que forma part de la cortesa de l'àtom. La seva càrrega és la unitat elemental de càrrega negativa.
Energia. Magnitud física mesurable i que al llarg d'un procés físic es conserva, tot i que -63- pot canviar de forma o ser transferida. Al llarg d'un procés real l'energia es degrada en més o menys grau.
Estat (de la materia): Cadascuna de les formes en que se'ns presenta la matèria segons les variables de pressió i temperatura: sòlid, líquid i gas (o vapor).
Evaporació: Pas de líquid a vapor de les molècules més energètiques d'un líquid, que es produeix a través de la superfície del líquid i a qualsevol temperatura.
Força: És tota acció capaç de produir deformacions o fer canviar el moviment dels cossos.
Força elèctrica: Força deguda a l'atracció o repulsió entre càrregues elèctriques. Les càrregues del mateix signe es repel·leixen i les de signe contrari s'atreuen.
Força pes, pes: Força d'atracció de la Terra sobre tots i cadascun del cossos que hi ha a la seva superfície. Si la massa del cos és m la força pes és P= m.g on g és l'acceleració de la gravetat a la superfície de la Terra.
Fregament, fricció, força de fregament: Interacció per forces entre les superfícies en contacte de dos cossos sòlids, o de la superfície d'un sòlid amb el fluid que l'envolta, que s'oposa al moviment relatiu mutu, (de l'un respecte de l'altre).
Freqüència: És el nombre de revolucions o d'oscil·lacions completes d'un moviment períodic per unitat de temps. És la magnitud inversa del període.
Generador: Aparell (alternador , pila o bateria) que restituiex a les càrregues la diferència de potencial perduda en circular pel circuït. També es diu que genera el corrent elèctric. Un generador és electromagnètic quan es basa en la inducció electromagnètica.
Hertz, Hz: Unitat de freqüència que resulta quan el període es mesura en segons: 1Hz=1/1s.
-64- Imant: Material ferromagnètic natural o artificial que té dos pols oposats que s'anomenen nord i sud i que atreu els materials com el ferro.
Intensitat: Del corrent elèctric és la càrrega que passa per unitat de temps per qualsevol secció del conductor.
Ió: Àtom que ha perdut o guanyat electrons, quedant carregat positivament o negativa.
Massa:Mesura de la quantitat de matèria d'un cos. En l'àmbit de les forces s'entén també com una mesura de la inèrcia a ser accelerat: m=F/a.
N: Unitat internacional de mesura de forces. La força pes d'un kg de massa val 9,8 N.
Neutró: Partícula subatòmica neutra que forma part del nucli.
Nucli: Part més interior i petita de l'àtom formada per protons i neutrons.
Ona: És un fenomen de propagació d'una pertorbació. En una ona es transporta energia sense transportar matèria.
Ona electromagnètica, radiació electromagnètica: Oscil·lació d'un camp magnètic i elèctric perpendiculars que s'indueixen mútuament i que es propaga en el buit en forma d'ona a la velocitat de 300.000.000 m/s.
Ona mecànica: Ona en que es propaga una vibració de la matèria.
Oscil·lació, vibració: Moviment repetitiu i alternatiu a banda i banda d'una posició d'equilibri. S'anomena oscil·lació completa una anada i tornada senceres a banda i banda de la posició d'equilibri.
Parallel, circuit parallel: Circuit en que cada element és connecta directament al mateix voltatge del generador. És la connexió més habitual i la normal a les cases.
Posició: D'un cos és el punt de l'espai on es troba, situat en relació a altres cossos o a unes línies imaginàries que anomenen eixos de referència.
Posició d'equilibri: Posició d'un sistema en que ateny l'equilibri. Si l’equilibri és estable -65- i s’aparta lleuement el sistema d’aquesta posició, aquest oscilla al voltant de la posició d'equilibri fins que hi torna.
Pressió: Força perpendicular a una superfície que actua per unitat d'àrea, P=F(N)/A(m2). És imprescindible per referir-se a les forces a l'interior dels fluids, ja que s'exerceixen en totes direccions però sempre perpendicularment a les superfícies.
Protó: Partícula subatòmica positiva que forma part del nucli de l'àtom. La seva càrrega és la unitat elemental de càrrega positiva.
Resistència: Elèctrica d'un material és una característica que expressa l'oposició del material al pas del corrent elèctric. Com més resistència presenta un conductor menys intensitat hi passa per una determinada diferència de potencial.
Semiconductor: Material que presenta una conductivitat molt variable en funció Temperatura: Variable indicativa de l'estat de la matèria i del seu nivell d'energia tèrmica. Es mesura amb termòmetres.
Teoria cinètica: Teoria que interpreta la variable macroscòpica temperatura com una funció del moviment d'agitació dels àtoms i molècules de la matèria.
Transformador: Aparell que transforma el voltatge del corrent altern mitjançant la inducció electromagnètica.
Treball: Quan una força F actua sobre un cos i el fa desplaçar-se una distància r en la direcció de la força, es diu que la força ha fet un treball sobre el cos que val: W(J)=F(N).r(m).
V, volt: Unitat de voltatge o diferència de potencial elèctric.
-66- ...