Energia
Jatorri etimologikoari dagokionez, aspaldiko garaietatik dator hitz hau. Grezierazko energeia hitzetik sortu zen (en + ergon), gero latinez energia forma hartu zuen, eta hortik iritsi da gure egunotara: energia (eu), energy (en), energía (es), énergie (fr). Eguneroko erabileran, energia hitzak hainbat adiera desberdin ditu hizkuntza arruntean, hala nola “kemena”, “adorea”, “gogoa”, “kalipua”, “animoa”, “dinamismoa”, “bizitasun fisikoa”, “bizitasun psikikoa”, “indarra”, “boterea”, “potentzia”... Dena den, zientziaren eta fisikaren ikuspegitik hitz egiten dugunean, bestelako esanahi zehatzagoa ematen diogu hitz horri; hain zuzen ere, fisikaren arloko adiera zehatz hori izango da liburu honetan energia hitzak izango duen adiera bakarra.
Gaur egun zientziaren arloan mundu osoan zehar erabiltzen den hitz (eta kontzeptu) horren zehaztapena XIX. mendean zehar burutu zen, Termodinamikaren garapenaren testuinguruan, nahiz eta kontzeptuaren abiapuntua Galileoren garaian kokatu behar den. Hain zuzen, txirrika-sistemen azterketan oinarrituz, energia kontzeptuaren aurrekaria izan zen vis viva (indar bizia, alegia) kontzeptua sartu zuen berak. Bi mende geroago, vis viva kontzeptu hori egokituz joan zen, eta gaur egungo adiera finkatuz, energy erabiltzen hasi zen ingelesez (1852) eta énergie frantsesez (1875). Euskarazko erabilpen normaldua mende bat geroago etorriko zen, eta behin betiko finkapena 1979an koka dezakegu (UZEI, Fisika Hiztegia).
Abia gaitezen, bada, XIX. mendearen egoeratik, lehenik eta behin mekanika klasikoan egindako energiaren definizioa azalduz eta magnitude horren praktikotasunaren oinarriak adieraziz.
Mekanika klasikoaren barneko energia kontzeptua
Fisikan ohikoa denez, magnitude berriak aldez aurretik ezagunak diren beste magnitude sinpleagoetatik abiatuz definitu ohi dira. Horrela, energiaren definiziorako, lana zer den definitu behar da lehenik. Lan hitzak berak ere hainbat adiera ditu hizkuntza arruntean, baina zientziaren arloan masak higiaraztearekin dago erlazionaturik, eta definizio zehatza du fisikan, oinarrizkoagoa den indar kontzeptuaren funtzioan. Indar batek gorputz bati eragitean buruturiko lana, hitz lauz esanda, indarraren eta desplazamenduaren arteko biderkadura da. Definizio horri zehaztapen batzuk egin behar zaizkio. Izan ere, biderkadura hori eskalarra da, hau da, indarrak desplazamenduaren norabidean duen osagaia da distantziaz biderkatu behar dena. Beste adierazpide zehatzago bat honako hau da: lana indarraren eta desplazamenduaren arteko biderkadura eskalarra ibilbidean zehar integratuz lorturiko emaitza da, hots, indarraren integral espaziala.
Behin lanaren kontzeptua zehaztu ondoren, laburki defini dezakegu sistema fisiko baten energia zer den, sistema fisiko baten energia sistemak lana egiteko duen ahalmena dela esanez. Beste kontu bat da ahalmen hori nola burutuko den edo praktikan gauzatu daitekeen ala ez.
Lana burutzeko ahalmena bi eratan ageri daiteke: nabariki lanerako gaitasuna azalduz edo gaitasun hori sisteman potentzialki gordez edo metatuz. Horrela, higitzen ari den gorputz orok, abiadura izateagatik, gaitasuna du beste gorputzak higiarazteko, eta orduan energia zinetikoa duela esan ohi dugu. Bestalde gorputzek, indar-eremu batean kokaturik egoteagatik, ahalmena dute lana eragiteko, hala nola eremu grabitatorioaren edo eremu elektrikoaren kasuan. Horrelakoetan energia potentziala dutela esan ohi da, eta mota desberdineko energia potentzialak hartu behar dira kontuan, eragile den indar-eremuaren izaeraren arabera.
Energia adierazteko unitateak
Energia (E) eta lana (W) neurtzeko unitateak masaren eta abiaduraren karratuaren biderkadurari dagozkionak dira, [E] = [W] = M·L2·T–2 alegia. Beraz, SI unitate-sisteman energia-unitatea kg·m2·s–2 da, eta joule deritzo (J). Dena den, bestelako unitateak ere erabiltzen dira, hala nola erg unitateak (cgs sisteman), elektronvolt (eV), megaelektronvolt (MeV), Btu (British Thermal Unit), kilowatt-ordu (kWh), tona petrolio baliokidea (tbp)...
Energia kontzeptuarekin batera, bada oso erabilia den beste magnitude bat, lehenengoarekin guztiz lotuta dagoena, potentzia izenekoa hain zuzen. Magnitude honek denbora-unitatean sistemak egiten duen edo jasaten duen lana adierazten du, alegia, sistemaren energiak denbora-unitatean duen transformazioaren neurria. Beraz, potentzia neurtzeko unitatea joule/segundo (J/s) da, eta watt deritzo (W). Alderantziz esanda, energia-unitateak potentzia-unitateen bidez adierazten dira batzuetan, korronte elektrikoaren kasuan bereziki: watt-segundo (W·s) eta kilowatt-ordu (kWh).
Energiaren kontserbazioa
Esperimentalki egiaztatu denez, energiaren kontserbazioa naturan gertatzen diren fenomeno guztiek betetzen duten funtsezko legea da. Energiaren kontserbazioaren legea XIX. mendearen erdialdean egiaztatu zen eta onartua izan zen zientzialarien artean, eta garai hartan finkatu zen energia hitzaren gaur egungo esanahi zehatza, orduan konturatu baitziren zientzialariak kontzeptuaren benetako baliagarritasunaz. Izatez, energiaren kontserbazioa ez da naturan gertatzen diren fenomenoen deskripzioa, fenomenoen bilakaerari buruzko baieztapena baizik: energia izeneko kantitatea, edozein fenomeno fisiko gertatzen delarik ere, aldatu gabe geratzen den kantitatea da. Hots, sistema jakin baten energia era desberdinetan banaturik egon arren, era horien guztien batura beti berbera da, fenomeno fisikoa gertatu aurretik zein fenomeno fisikoa gertatu ondoren, eta horrela gertatzen da kantitate horren ebaluazioa egiten den guztietan.
Energiaren kontserbazioaren legeak berdin balio du natura osoaren kasuan, bere osotasunean harturik, zein sistema itxi isolatuen kasuan ere. Begi-bistako ondorioa du gainera: sistema baten energiaren ondoz ondoko bi ebaluazio egitean lortzen diren balioak berdinak ez badira, balio bien arteko aldea tarte horretan sistemari eman edo kendu zaion energia da. Nolanahi ere den, oso kontuan hartu behar da ezen energia, lehen esan dugun bezala, era desberdinetan egon daitekeela gorderik edo metaturik sisteman, eta energia-era horiek guztiak kuantifikatu behar direla kontserbazioaren legea aplikatzean: energia zinetikoa, grabitazionala, elastikoa, elektrikoa, kimikoa, erradiazio-energia, energia nuklearra eta masa-energia.
Energiaren kontserbazioaren printzipio hau da energia kontzeptuaren garrantziaren eta erabilgarritasunaren arrazoi nagusia. Dena den, kontserbazioa aztertzeko nahitaezkoa da energia-mota desberdinen arteko transformazioak ulertzea (Ik. energiaren kontserbazioaren legea).
Energiaren transformazioak
Energiaren kontserbazioaren legeari dagokionez, funtsezkoak dira bai energia-mota desberdinen ebaluazio kuantitatiboa ulertzea, eta bai mota batetik besterako transformaziorako mekanismoak ulertzea ere. Horretarako, has gaitezen gure eguneroko esperientziatik oso hurbilekoa den sistema sinple batetik, eta saia gaitezen kontzeptuak zabaltzen, sistema horren kasutik abiatuz.
Kontsidera dezagun gorantz jaurtikitako pilotaren kasua. Pilota gorantz eta bertikalki jaurtikitzean, beraren hasierako abiadura (eta, beraz, energia zinetikoa) gero eta txikiagoa da, une batez nulua izan arte, punturik gorenean. Igotzen zen bitartean, ordea, energia potentzial grabitatorioa irabaziz joan da. Hizkuntzari dagokionez, potentzial hitzak ez du esan nahi energia hori erreala ez denik, baizik eta “ezkutuko” era batean metaturik edo gorderik dagoela, eta lan egiteko erabilia izan daitekeela. Energia potentzial grabitatorioa gorputzak eremu grabitatorioan duen posizioaren kausaz duen energia da. Adibide honetan, pilota zenbat eta Lurraren gainazaletik urrunago egon hainbat eta energia potentzial handiagoa du, hain zuzen ere grabitatearen indarrak erakarri egiten duelako eta beherako bidean indar grabitatorioak lana egiten duelako, horrela energia zinetikoa emendatuz. Dena den, joan-etorriko ibilbide horretan beheko puntura berriro iristean, pilotak, airerik gabeko ingurune batean ari bagara, hasieran zuen energia zinetiko bera izango du. Ondorioz, energia zinetikoaren eta energia potentzialaren batura (energia mekanikoa, alegia) kontserbatu egiten da, eta energiaren kontserbazioaren printzipioa bete egiten da. Horregatik esan ohi da grabitatearen indarra kontserbakorra dela. Beste kontu bat da saiakuntza hori airean egitean zer gertatzen den, orduan airearen marruskadura kontsideratu behar baita. Hori horrela bada, amaierako energia zinetikoa hasierako energia potentziala baino txikiagoa da, marruskadura-indarraren kausaz energia mekanikoa kontserbatzen ez delako. Nolanahi dela, geroago aipatuko dugunez, energiaren balantzean beroa ere kontsideratzean, energiaren kontserbazioaren legea ondo beteko da, baita kasu honetan ere.
Higidura-iturri iraunkorra
Energiaren kontserbazioaren legea finkatu eta onartu aurreko zientzialariek, antzinako alkimisten bidetik, ahalegin handiak egin zituzten higidura-iturri iraunkorra izango zen makinaren bila, hau da, energiarik kontsumitu gabe higidura iraunkorra sortuko zukeen makinaren bila. Energiaren kontserbazioaren printzipioa finkatu zenetik, ordea, badakigu makina hori eraikitzea ezinezkoa dela. Edozein sistema iraunkorretatik energia atera nahi badugu, energia eman behar diogu kanpotik sistema horri. Are gehiago, makinetan beti gertatuko dira energia-galerak, eta egin dezakegun gauza bakarra, ahalik eta galera txikieneko makinak fabrikatzea da; edo, alderantziz esanda, ahalik eta errendimendu handieneko makinak eraikitzea.
Mota desberdineko energia potentzialak
Pilotaren adibideak bidea ireki digu energia metatzeko modua ulertzeko. Energia potentziala energia zinetiko bihurtzen dela, eta alderantziz, azaldu dugu.
Nolanahi ere, energia potentzialari dagokionez, mota desberdinak daude, energia horren eragile diren indarren izaeraren arabera. Orain arteko kasuan, Lurraren inguruko grabitateaz aritu gara, hau da, Lurrak bere inguruan dauden gorputzei egiten dien indar grabitatorioaz. Indar grabitatorioa masadun bi gorputzen artean sortzen da, une oro eta dauden distantziara daudela. Indarraren zenbatekoa gorputzen masarekiko proportzional eta distantziaren karratuarekiko alderantziz proportzionala da. Indar horri dagokion energia potentzial grabitatorioa eduki behar dugu beti kontuan energiaren kontserbazioa aztertzean.
Energia potentzial grabitatorioaz gain, energia malguki elastikoetan ere meta daiteke. Hain zuzen, malgukia luzatu edo laburtzeko indar bat egin behar da, eta bere norabidean desplazatzean indar horrek lan bat egiten du, malgukian energia potentzial modura metatzen dena: malgukiaren energia potentzial elastikoa da, malgukia aske uztean lan modura edo energia zinetiko modura berreskura daitekeena.
Bestalde, karga elektrikoa duten partikulen artean, grabitatearen kasuaren masadun gorputzen artean gertatzen denaren antzera, elkarrekintza sortzen da, elkarrekintza elektrostatikoa alegia. Coulomben legeak dioenez, elkarrekintza hori kargak lotzen dituen lerro zuzenaren norabideko indar gisa agertzen da, eta bien arteko distantziaren karratuarekiko alderantziz proportzionala da. Elkarrekintza elektrikoaren indarraren balioa aztertzeko, eremu elektriko deritzon kontzeptua definitzen da. Eremu elektrikoaren intentsitatea espazioko puntu batean kokaturiko karga elektrikoaren unitateak jasaten duen indarra da.
Elektrizitatearen arlotik atera gabe, sare elektrikoetan meta daitekeen energiaz ere hitz egin behar dugu. Zehazkiago esanik, kondentsadoreak eta induktoreak deritzen elementuek energia elektrikoa metatzeko gaitasuna dute.
Atomoaren nukleoaz ari garenean ere mintza daiteke energia potentzialaz. Hala da, zeren nukleoa osatzen duten partikulen artean elkartze-indarrak gertatzen dira, oso distantzia txikian indar elektrostatikoak baino handiagoak direnak eta distantziarekin berehala hutseratzen direnak.
Energia betiere higitzen ari diren partikuletan ere badagoela kontsidera daiteke. Honela, energia metatzeko modu bat biraka ari diren gorputzetan gordetzea da, hala nola inertzia-bolanteetan. Eta, zer esanik ez, gorputzen barnean dauden atomo eta molekula guztiak etengabe higitzen ari dira, eta, orduan, energia-metaketaren maila magnitude termodinamikoen bidez adierazten da; bereziki, tenperaturak adierazten digu atomo eta molekulen higiduren mailaren berri.
Beroa eta energiaren narriadura
Gorputzen tenperatura aipatu ondoren, marruskadura gertatzen den sistemetan bero kontzeptuak duen garrantzia azpimarratu behar da. Iragan mendean J.P. Joulek energia mekanikoaren eta bero-energiaren arteko baliokidetza frogatu zuen. Hark argitu zuenez, beroa energia-mota bat da, energiaren kontserbazioaren legea aplikatzeko ebaluazioan kontuan hartu beharrekoa. Kontu berezi bat bada, ordea, beroaren transformazioari dagokionez, energia-mota honek muga bat baitu energia mekaniko bihurtzerakoan, izan ere, makina termodinamikoen bidezko transformazioen etekina beti ere Carnoten zikloak adierazten duenetik beherakoa baita. Horregatik, beroa energiaren narriadurarekin loturiko energia-mota da, bero-eran metatze horrek ez baitu energia potentzialen kasuan duen itzulgarritasunik, ezta baliagarritasun potentzial osorik ere (Ik. bero; termodinamika).
Einsteinen erlatibitatearen eta mekanika kuantikoaren ondoko energiaren kontzeptua
XX. mendearen hasieran garaturiko teoria hauen bidetik, energia kontzeptuak zabalkunde bat izan zuen, funtsean energia beraren baliagarritasuna eta esanahi sakona finkatzeko eta energiaren kontserbazioaren legea osatzeko balio izan dutenak.
Energia-kuantuak
Fenomeno atomikoekin erlazionaturiko energiaren transformazioak egokiro deskribatzeko, mekanika kuantikoaren premia dugu, eta zehatzago esateko, Planckek proposaturiko energia-kuantuena. Kuantuaren ideiaren aurretik, energia magnitude jarraitua zela uste zen. Hori egia ez dela frogatu da, energia transmititu, transformatu edo xurgatu, kuantu izeneko kantitate minimoetan edo horien multiploetan soilik egin daitekeelako, hau da, energia kuantifikatuta dagoelako.
Esate baterako, elektroi bat energia-maila batetik bestera pasatzean, fotoi modura irradiatzen da, eta fotoiaren E energiaren eta erradiazio horren maiztasun karakteristikoaren arteko erlazioa Plancken h konstantearen bidezkoa da: E = h (non h = 6,6262 x 10–34 / 6,6262·10–34 J·s den). Zer esanik ez, energia-kuantuak fisikako problema makroskopikoetan ere badaude, baina hain txikiak izanik, horrelakoetan kantitate jarraitutzat har dezakegu energia.
Masaren eta energiaren arteko baliokidetza
Kontserbazioaren legea azaldu dugunean, hainbat energia-mota aipatu ditugu, baina masak konstante dirauela, hots, aldatzen ez dela, suposatu dugu. Gure inguruko mundu makroskopikoan hala dela dirudi, noski. Hala ere, gaur egun badakigu hori ez dela betetzen. Horren guztiaren euskarri teorikoa Einsteinen erlatibitatearen teoriak eman du. Abiadura handituz doala masa ere handitzen dela ondorioztatu zuen Einstein-ek:
Non m0 pausaguneko masa den eta c, argiaren abiadura.
Ikus daitekeenez, gorputzaren abiadura argiarenaren abiaduraren baliora hurbilduz doan neurrian, masa hori gero eta handiagoa egiten da, eta c balioaren mugan infinitua izango litzateke. Horregatik baieztatu zuen Einsteinek argiaren abiadura ezin dela gainditu. Abiadurak oso handiak direnean, ezin da 
adierazpide arrunta erabili higitzen ari den gorputzaren energia zinetikoa kalkulatzeko. Era honetan adierazi ohi da energia zinetikoa:
Abiadura txikien kasuan, ekuazio hau betiko formula arruntera ( 
) laburbiltzen dela froga daiteke. Hortik ikus daitekeenez, nabaria da masaren eta energiaren arteko baliokidetza, era honetan adierazita agertu ohi dena 
. Erlazio hau ez da soilik baliagarria energia zinetikoaren kasuan, baizik eta beste energia-mota guztien kasuan ere. Ondorioz, erlatibitatearen teorian lege bakarrean biltzen dira erlatibitatearen aurreko mekanikan bi lege independente modura hartzen ziren bi funtsezko lege, alegia, masaren kontserbazioaren legea eta energiaren kontserbazioaren legea.
Materiaren egitura eta energia
Masaren eta energiaren arteko baliokidetza ulertzea funtsezkoa izan da materiaren barne-egitura ulertu ahal izateko, atomoak osatzen dituzten oinarrizko partikulen arteko loturak eta horrela sorturiko atomo eta molekulen egonkortasuna ulertzeko, prezeski (Ik. atomo; erradioaktibitate; fisio nuklear; fusio nuklear).
Atomoen nukleoa zenbait nukleoiz (protoiz, neutroiz) osaturik dago, eta nukleoiak isolatzeko asmoz nukleoa apurtu nahi bada, energia eman egin behar da. Hain zuzen ere, energia hori bere osagaietatik abiatuz nukleoa eratzean askaturiko energia berbera da, eta lotura-energia deritzo. Adibidez, izarretan hidrogeno-nukleoak fusionatu eta helio-nukleoak osatzen dituzte. Helio-nukleoaren masa txikiagoa da banakako osagaien (bi protoi eta bi neutroiren) masen batura baino. Masa-galera hori energia bihurtzen da eta horixe da, hain zuzen ere, eguzkiaren energiaren iturria. Nukleoi bakoitzak bere lotura-energia du eta balio hori zenbat eta handiagoa izan, hainbat eta egonkorragoa da nukleoia. Kontzeptu hori funtsezkoa da erreakzio nuklearretan askaturiko energia kalkulatzeko, izan ere, horren bidez ulertzen baitira fisio edo fusio nuklearrak sortzeko posibilitateak.
Jose Ramon Etxebarria Bilbao (EHU)