IV. ENERGIA ŞI VIAŢA

IV.1. Forme de energie.

Universul care ne înconjoară există sub două forme: de substanță (materie) și câmp de forțe. Materia este caracterizată prin două mărimi fundamentale: masa și energia. Masa este măsura inerției și a gravitației, iar energia este măsura mișcării materiei.

Termenul își are originea în operele lui Aristotel. Cuvântul energie (din greacă veche energheia, „activitate”, „lucru”) măsoară potențialul unei substanțe de a determina schimbări în fenomenele fizice și chimice.

FORMELE ENERGIEI


Este energia celor șapte radiații electromagnetice. Radiațiile electromagnetice sunt niște lumini invizibile ochiului nostru, cu excepția luminii vizibile, având toate aceeași viteză ca a luminii de 300000000 m/s. Ele sunt atât naturale, cât și artificiale.

Iată cele 7 radiații electromagnetice în ordinea creșterii frecvenței lor și a energiei lor: undele radio, microundele, radiațiile infraroșii, lumina vizibilă, radițiile ultraviolete, radiațiile X și radiațiile gamma.

Se folosesc la comunicațiile la distanță, fără fir:

  • Telefoane mobile
  • Radio etc.



Se folosesc la:

  • Pentru a încălzi rapid mâncarea în cuptoarele cu microunde
  • Convorbiri internaționale prin satelit, radar
  • Programe TV cu antene parabolice prin satelit.



Sunt emise de Soare și de către corpurile calde.

Sunt folosite:

  • În medicină, meteorologie, astronomie


  • Dispozitivele cu vedere nocturnă


  • Telecomenzile prin infraroșu etc.



Este singura radiație electromagnetică percepută de ochiul nostru, având spectrul de culori de la roșu la violet (ROGVAIV).




Sunt emise de Soare și de lămpi speciale folosite la bronzarea pielii, la sterilizare, în stomatologie etc.




Sunt folosite în medicină pentru radiografii și tomografii, terapia tumorilor maligne, în aeroporturi la controlul bagajelor.




Au cea mai mare energie și putere de pătrundere în substanțe, fiind extrem de periculoase și distrugând celulele vii.

Gammagrafia constă în iradierea piesei supuse controlului cu radiații gamma, după care se obține pe filmul radiografic imaginea structurii macroscopice interne a piesei respective prin acționarea asupra emulsiei fotografice.





Este energia dată de mișcarea continuă și dezordonată a particulelor unui corp (atomi sau molecule).

Când un corp este încălzit el primește căldură (energie) de la un corp mai cald. Moleculele iuți din corpul cald vor suferi ciocniri cu moleculele lente din corpul mai rece, cedându-le energie cinetică. Prin miliarde de miliarde de ciocniri are loc un transfer de energie cinetică de la o moleculă la alta până când cele două corpuri vor avea aceeași temperatură (temperatură de echilibru termic) și aceeași energie.

Ceea ce la nivel macroscopic este un proces lent de schimb de căldură între două corpuri cu temperaturi diferite și puse în contact termic, la nivel microscopic este un proces de ciocniri continue și un haos de neimaginat.

Când scade temperatura corpului, scade și energia lui și particulele au o viteză din ce în ce mai mică. La temperatura de zero absolut (0K = - 273,15 °C) în toate corpurile din natură agitația moleculară încetează domnind repausul absolut.

Dar ce se întâmplă când încălzim foarte mult un gaz ? Crescând foarte mult temperatura, ciocnirile dintre particule devin atât de puternice, încât atomii își pierd electronii de pe orbite. Spunem că atomii se ionizează și gazul a devenit plasmă caz în care va emite radiație luminoasă, infraroșie și ultravioletă.

Plasma este cea de-a patra stare de agregare a materiei și o găsim în tuburile fluorescente de iluminat sau pentru reclame, în flacără, în fulgere, în stele etc.





Este energia datorată legăturilor chimice dintre atomi sau molecule și pe care o posedă orice substanță. Când se rup legăturile chimice existente la o substanță în timpul unui fenomen fizic sau chimic, aceasteia ori îi crește energia chimică, ori îi scade energia chimică.

  • Dacă în timpul unei reacții chimice (fenomen fizic) energia sistemului scade, se transferă energie sistemelor înconjurătoare sub diferite forme, de obicei sub formă de căldură. Spunem că are loc un fenomen exoterm, cum este arderea, dizolvarea sodei caustice în apă etc. La dizolvarea sodei caustice (hidroxidului de sodiu) se degajă căldură. Prin urmare energia chimică a hidroxidului de sodiu în stare solidă este mai mare decât energia lui chimică când este dizolvat în apă. Deci ruperea legăturilor chimice dintre ionii de sodiu și ionii hidroxil are loc cu degajare de căldură.


  • Dacă în timpul unei reacții chimice (fenomen fizic) energia sistemului crește asta se obține prin conversia altor forme de energie din sistemele înconjurătoare. Spunem că are loc un fenomen endoterm, cum este dizolvarea sării de bucătărie în apă, reacția dintre oxid de magneziu și apă, dizolvarea clorurii de amoniu în apă, fotosinteza etc. La dizolvarea sării de bucătărie (clorurii de sodiu) se absoarbe căldură. Prin urmare energia chimică a clorurii de sodiu în stare solidă este mai mică decât energia ei chimică când este dizolvată în apă. Deci ruperea legăturilor chimice dintre ionii de sodiu și ionii clor are loc cu absorbție de căldură.





Organismul omenesc este o întreagă uzină chimică :

  • Energia chimică poate fi transformată în energie mecanică de sistemul muscular prin procesul de contracție musculară. Motoarele moleculare, cum sunt miozinele din mușchi, folosesc energie chimică pentru a produce mișcare.


  • Respirația se mai numește și schimb de gaze (un schimb de oxigen și dioxid de carbon cu mediul înconjurător), respirația externă se referă la schimbul de gaze la nivelul membranei respiratorii din plămân, iar respirația internă este cea care are loc la nivelul țesuturilor. Oxigenul este necesar pentru respirația celulară, iar dioxidul de carbon este produs ca rezultat al respirației celulare. Prin respirație oxigenul (O2) din aerul inspirat ajunge la nivelul celulelor, iar dioxidul de carbon (CO2) rezultat este eliminat prin intermediul expirației.


  • Digestia este absorbția hranei de către organismele pluricelulare, proces prin care se realizează desfacerea moleculelor mari de hidrocarbonate (polizaharide), grăsimi (lipide) și proteine în molecule mai mici, rezultând energie și, pe de altă parte, substanțe necesare sintezei țesuturilor organismului.

Prin mișcările peristaltice ale stomacului, hrana, parțial digerată de către acidul clorhidric produs de mucoasa gastrică , va fi dirijată spre duoden.

Intestinul subțire este segmentul cel mai important de absorbție a hranei, în duoden, aciditatea produsă de sucul gastric este neutralizată, prin bilă (produsă de ficat), și prin secreția pancreasului. De asemenea, în intestinul subțire este continuat procesul de digestie din gură, prin desfacerea mai departe a zaharidelor în molecule și mai mici de glucoză, fructoză, galactoză și manoză, molecule care pot fi deja absorbite prin peretele intestinului subțire. Grăsimile sau lipidele, care apar sub formă de picături, vor fi la început emulsionate de bilă și lecitină în soluții cu particule mai mici, de monogliceride, care pot traversa peretele intestinal.

Intestinul gros resoarbe 19 % apă, din resturile de hrană nedigerate sosite din intestinul subțire, aceste resturi fiind, apoi, eliminate prin rectum și apoi anus.





Este energia eliberată prin reacții nucleare de fisiune și de fuziune sau prin dezintegrare radioactivă.

  • Reacția de fisiune constă în spargerea unui nucleu radioactiv mare (de uraniu sau plutoniu) în două nuclee mai mici și câțiva neutroni, prin bombardarea nucleului greu cu un neutron lent. Ea are loc în reactoarele din cadrul centralelor nucleare (fisiune controlată cu ajutorul unor bare de control) și în bomba atomică (fisiune necontrolată), propulsie nucleară (submarine, portavioane etc.). La fisionarea unui kilogram de uraniu se eliberează o energie de un milion de ori mai mare decât prin arderea unui kg de combustibil clasic (gaz metan, huilă).


  • Reacția de fuziune constă în unirea a două nuclee ușoare (deuteriu și tritiu- izotopi radioactivi ai hidrogenului) cu formarea unui nucleu mai mare (heliu) și câțiva neutroni. În Univers reacțiile de fuziune au loc în stele și asigură energia enormă a acestora. În mod artificial fuziunea are loc în bombele cu hidrogen și în cele cu neutroni.


  • Dezintegrarea radioactivă constă transformarea spontană a unui nucleu instabil, numit și radioizotop, într-un atom mai stabil, degajând energie sub formă de radiații alfa (fluxuri de nuclee de heliu cu viteza de 20.000 km/s), beta (fluxuri de electroni cu viteza de aproximativ 300.000 km/s) sau gama (fluxuri de fotoni cu viteza de 300.000 km/s).




Este capacitatea corpurilor de a efectua lucru mecanic.

  • Energia asociată mişcării se numeşte energie cinetică.

  • Energia asociată poziţiei se numeşte energie potenţială.

Toate formele de energie se pot transforma unele în altele prin procese adecvate și într-o anumită transformare, energia cinetică sau potenţială poate creşte sau să se micşoreze, dar suma celor două energii rămâne constantă.

Privește imaginea de mai jos și explică cum poate să urce o pantă trenulețul din parcul de distracții .

Trenulețul din parcul de distracții poate urca o pantă datorită energiei cinetice pe care a câștigat-o în urma coborârii altei pante. Funcționarea lui se bazează pe transformarea continuă a energiei potențiale în energie cinetică și invers.



Este energia curentului electric, datorată mișcării ordonate a purtătorilor de sarcină electrică (electroni sau ioni) printr-un circuit electric.

Energia electrică prezintă o serie de avantaje în comparație cu alte forme de energie și anume, producerea energiei electrice în centralele electrice are loc în condiții economice avantajoase.

Dezavantajul pe care îl prezintă energia electrică în comparație cu alte forme ale energiei constă în aceea că nu poate fi înmagazinată, ea trebuie produsă în momentul când este cerută de consumatori.

Curentul electric produs de generatorul din cadrul centralelor electrice este transmis prin cabluri electrice către consumatori.





IV.2. Surse de energie.

Sursele de energie produc o anumită energie pe baza transformării unei forme de energie în alta prin procese adecvate.

1) Sursele de lumină sunt corpurile care produc și răspândesc lumină.

  • Soarele și toate stelele transformă energia nucleară a reacției de fuziune în energie radiantă (lumină).
  • Fulgerul și trăsnetul transformă energia electrică a descărcărilor electrice în lumină.
  • Licuricii transformă energia chimică a unei substanțe proteice din abdomenul lor (luciferina), care împreună cu adenosine trifosfat, calciu și oxigen generează lumină. Fenomenul este numit bioluminiscență.
  • Vulcanii activi transformă căldura din adâncul scoarței terestre în lumină.
  • Becul, tubul fluorescent (neonul), laserul transformă energia electrică în energie luminoasă. Laserul în funcție de substanțele folosite, emite o anumită radiație electromagnetică cu o lungime de undă specifică când unii dintre electronii care orbitează în jurul nucleului unui atom cedează o parte din energia lor sub forma fotonilor(cuante de lumină).
  • Flacăra transformă energia chimică a combustibililor care prin ardere degajă atât căldură, cât și lumină.


2) Sursele de căldură sunt corpurile care produc și răspândesc căldură.

  • Soarele transformă energia nucleară a reacției de fuziune în căldură.

  • Flacăra transformă energia chimică a combustibililor care prin ardere degajă căldură.
  • Caloriferele electrice, radiatoarele transformă energia electrică în căldură.


3) Motoarele electrice sunt dispozitivele care transformă energia electrică în energie mecanică.

  • Aparate electrocasnice cu motor electric (ventilator, frigider, mașină de spălat, hotă, mixer, aer condiționat, aspirator etc.).
  • Mijloace de transport cu motor electric: trenul electric, tramvai, troleibuz, mașina electrică.


4) Generatorul electric este un dispozitiv care transformă energia mecanică în energie electrică.

  • Într-o hidrocentrală, energia potențială gravitațională a apei din bazinul de acumulare se transformă în energie cinetică, iar aceasta pune în mișcare paletele turbinei de apă.

Roata turbinei de apă se rotește în jurul unui ax, care se continuă într-un generator electric. Pe axul din generator se află o bobină, care se rotește în câmpul magnetic al statorului, producând energie electrică la nivel industrial.

  • Morile de vânt (generatoare eoliene) transformă energia cinetică a vântului în energie electrică.
  • Termocentralele transformă căldura degajată prin arderea unui combustibil (cărbune, gaze naturale) în energie electrică. Prin încălzirea apei dintr-un cazan se produce abur sub presiune care pune în mișcare roata turbinei . În cadrul generatorului mișcarea unei bobine într-un câmp magnetic produce curent electric. Termocentralele poluează mediul.
  • Panourile solare transformă lumina Soarelui în energie electrică.
  • Dinamul unei biciclete transformă energia cinetică a roții în energie electrică necesară luminării farului unei biciclete.
  • Bateriile electrice și acumulatorii electrici transformă energia chimică a unor reacții chimice în energie electrică.


IV.3. Concluzii privind energia și viața.

Omenirea se află în pragul unei crize energetice. De aceea este important să cunoaştem resursele de care dispunem şi modalităţile cele mai eficiente de utilizare a acestor resurse pentru satisfacerea nevoilor fundamentale ale întregii omeniri. Principiul conservării energiei ne arată că nu putem crea energie, ci doar să o transformăm dintr-o formă în alta. Este aşadar important să vedem cum putem realiza acest lucru cu pierderi cât mai mici și să protejăm această planetă.

Creșterea populației planetei conduce la nevoi de energie și de resurse care ar putea depăși ceea ce oferă momentan planeta noastră.

Tehnologia ne oferă energie curată, apă și mâncare pentru populația noastră tot mai mare. Dar trebuie să impunem niște reguli stricte inovațiilor din biologie ori robotică . Nu putem să ne jucăm de-a Dumnezeu în laboratoare. Clonarea oamenilor sau roboți care să gândească singuri și care vor depăși capacitățile umane pot avea consecințe dezastroase asupra viitorului omenirii. Nu ne dorim roboți care să creeze alți roboți superinteligenți care să conducă omenirea.

Cât timp vom mai putea locui pe Pământ depinde de grija fiecărei generații față de planeta noastră mamă.