Energia i potència

Article traduït per Rafel Marco i Molina e-mail Twitter Facebook

Les paraules energia i potència
són utilitzades en moltes ocasions en el llenguatge habitual, bé en
el sentit científic, o bé en altres contextos que no tenen res a
veure-hi. I d’energia i de potència us vull parlar en la nostra
història d’avui, l’enfocaré des de diferents punts de vista per a
donar-vos algunes dades realment sorprenents.

[@more@]
La unitat
favorita dels físics per a mesurar l’energia és el joule, la dels
biòlegs la caloria, la dels enginyers elèctrics el quilowatt hora i
a qui agrada de jugar amb explosius, l’equivalència en tones de TNT
(si algun dia voleu ficar en un compromís als científics,
pregunteu-los per què tantes unitats per a mesurar el mateix). Per
descomptat, totes aquestes unitats n’estan relacionades. Us dono unes
quantes relacions:

1 joule és l’energia necessària
per a llançar una poma petita cap amunt un metre (via).
1
caloria = 4,2 joules.
1 tona de TNT = 4.200 milions de joules.
1
quilotona serien 1.000 tones de TNT (1 megatona seria un milió de
tones de TNT).
1 quilowatt hora = 3,6 milions de joules.

És important saber d’on surt l’energia
i va bé fer uns quants números per a sedimentar idees. Per exemple,
el xoc dels avions contra les Torres Bessones l’11 de setembre de
2001 va alliberar una energia equivalent a 1.800 tones de TNT. La
causa de les destrosses no va ser l’impacte dels avions contra els
gratacels. Aquells avions devien volar a uns 960 km/h, i amb la
fórmula de l’energia cinètica (E=1/2 mv2) podem
concloure que l’energia total era al voltant d’una tona de TNT. D’on
va sortir la resta de l’energia? Doncs de les 60 tones de querosè
que carregava cadascuna d’aquelles aeronaus.

El combustible es va poder inflamar per
moltes raons; entre les quals l’energia de l’impacte, les espurnes o
el mateix calor dels motors. No va tenir temps de barrejar-se bé amb
l’aire i la bola de foc que es va veure no va ser a causa d’una
explosió, sinó més aviat a una deflagració. Si haguessin estat
explosions, haurien destrossat l’estructura, murs de càrrega o
qualsevol cosa que hagués hagut allà. Els gasos d’aquella bola de
foc eren subsònics i es van limitar a envoltar l’estructura, els
pilars de la qual eren dissenyats per a conservar la seva solidesa
durant dues o tres hores. No obstant això, el material que va cremar
allà no eren papers i mobiliari d’oficina, sinó querosè. Una tona
de querosè o benzina, en cremar a l’aire, allibera una energia
equivalent a 15 tones de TNT, i si cadascú dels avions portava en
portava 60 tones, el total és de 900 tones de TNT per aeronau.

A igualtat de massa, la benzina
proporciona 15 vegades més energia que el TNT. Això no hauria de
sobtar-vos, ja que les galetes de xocolata contenen més energia que
el TNT. Molta gent se sorprèn per aquestes dades, però en realitat
són d’allò més lògiques: el TNT no s’utilitza com a font
d’energia a causa del seu baix contingut energètic, sinó que
s’utilitza com a explosiu perquè allibera l’energia molt ràpid.
Això ocorre perquè es combina amb l’aire, no com les galetes o la
benzina que n’alliberen l’energia més a poc a poc. Podríem dir que
les molècules de TNT són com molls comprimits i subjectes per un
piu. Quan se n’allibera un, l’energia surt disparada i trenca els
pius adjacents i produeix una reacció química que fa detonar tot el
TNT. Diem, per tant, que té més potència, però deixem això per a
després.

Sí, ja sé, seguiu pensant que
m’equivoco amb les galetes de xocolata. Doncs no. Les galetes de
xocolata proporcionen unes 5 quilocalories per gram, mentre que el
TNT només en proporciona 0,65; és a dir, 9 vegades menys. L’energia
dels bistecs és 4 vegades més gran que la del TNT. Podem destruir
un cotxe amb una barrinada de TNT, però uns adolescents armats amb
maces i l’equivalent en massa en galetes de xocolata poden causar una
destrucció molt més gran.

Si parlem d’energia alliberada, a igual
massa en la radioactivitat, parlem a l’entorn d’un milió de vegades
més d’energia que el TNT. Un procés de fissió d’un àtom d’urani
(o de plutoni) allibera 20 milions de vegades l’energia per àtom que
ha alliberat el TNT.

Però si parlem d’explosions podem
donar uns quants números per a fer-nos una idea i emprenyar-nos per
saber on marxen els diners destinats a les armes en el món.

Amb mig quilo de
TNT podem destruir un cotxe i matar-ne tots els ocupants.

10 tones de TNT
va ser l’energia alliberada per la bomba més forta de la Segona
Guerra Mundial.

Com ja és dit,
cada avió que va topar contra les torres del WTC va alliberar
aproximadament 1.000 tones de TNT o, el que és el mateix, 1
quilotona.

Una quilotona
allibera 4.000 vegades més energia que la necessària per a aixecar
un cotxe de 1.000 quilograms de pes a una alçada de 100 metres.

La bomba
llançada a Hiroshima va alliberar una energia equivalent a 13
quilotones i la de Nagasaki 25.

Durant la Segona
Guerra Mundial va haver grans "raids" de bombarders aliats
sobres les ciutats alemanyes. En un d’aquests "raids" i en
una sola nit, mil aeroplans, que transportaven cadascun quatre
tremendes bombes d’una tona, van destruir gran part de la ciutat
d’Hamburg i van matar unes 75.000 persones. Si es produís un "raid"
d’aquestes característiques sobre París, per exemple, i demà un
altre de 1.000 avions, i un altre demà passat, i així
successivament per espai de catorze anys, els explosius haurien
alliberat en total 20 megatones.

Una d’aquestes
bombes de 20 megatones que explotés en qualsevol ciutat de la terra
la destruiria per complet i mataria a la major part dels seus
habitants, faria un cràter de 20 quilòmetres de diàmetre i crearia
incendis a una distància d’entre 50 i 100 quilòmetres del centre de
l’explosió. Fins i tot la gent que visqués a 300 quilòmetres
d’allà moriria com a resultat d’aquesta explosió. Sense comptar amb
els problemes de la radioactivitat.

La bomba
del Tsar
(el pet més fort que l’home ha causat mai, per a
vergonya seva) va alliberar unes 50 megatones. Les ones de marea
produïdes van ser mesurades al llarg de tot el planeta. Totes les
armes nuclears del món tenen a l’entorn de 20.000 megatones.

Fa uns 65
milions d’anys, un
gran meteorit va caure a Chicxukub
, Yucatán. Es creu que va ser
la causa de l’extinció dels dinosaures. Es calcula que el meteorit
devia tenir entre 10 i 15 quilòmetres de diàmetre i va deixar un
cràter de 180 quilòmetres de diàmetre. Va alliberar una energia
equivalent a 192 milions de megatones.

De tota manera, deixeu-me ser
políticament incorrecte una vegada més. Es produeix més destrucció
amb moltes bombes petites que amb una de grossa. El motiu és que en
dividir l’explosió, l’àrea afectada és molt més gran. Una bomba
grossa pot vaporitzar una ciutat de grans dimensions, però un grapat
de bombes petites poden arrasar per complet, encara que no
vaporitzar, una àrea molt més extensa.

Tornem a la benzina. La nostra relació
amb ella és com un matrimoni infeliç. És un fàstic: contamina
l’atmosfera amb diòxid de carboni, està considerada una de les
culpables de l’escalfament global i, per si no fos prou, serveix per
a finançar dictadures, grups terroristes i fa més fàcil anar a la
guerra. Un dels seus principals avantatges és l’enorme quantitat
d’energia que conté, mentre que les alternatives no són gaire
falagueres.

A igualtat de pes, la benzina conté
1.000 vegades més energia que les piles convencionals, i 100 vegades
més que les bateries d’ordinador. I aquest és un dels grans
problemes dels cotxes elèctrics: que les bateries emmagatzemen molt
poca energia en comparació de la benzina. No obstant això,
l’energia elèctrica es pot utilitzar més eficientment, i el
resultat final és que el desavantatge real és un factor de 30, no
de 100.

En aquest aspecte, l’estalvi econòmic
és molt il·lusori. Les bateries d’alt rendiment són molt cares i
el normal és que s’hagin de substituir cada 700 càrregues i és
així perquè l’electricitat la produeixen mitjançant una reacció
química i per a carregar-les s’ha d’invertir aquesta reacció sense
afectar la integritat dels elèctrodes. I no és fàcil.

Si comparem la benzina amb altres
substàncies en pes, tenim les següents dades:

Té el doble d’energia que el carbó i que
el metanol.
1,5 vegades més que l’etanol.
1,1 vegades més que
el butanol.

En altres paraules: que l’alcohol ens
proporciona menys energia per litre que la benzina. De fet, si es
calcula per quilòmetre recorregut, els cotxes que funcionen amb una
combinació de benzina i etanol gasten més diners per quilòmetre
recorregut. Potser l’únic alcohol similar quant a combustible sigui
el butanol.

El gas natural és 1,3 vegades més
energètic.
L’hidrogen (gasós o líquid) 2,6 vegades.

Ara bé, si el TNT té tan poca energia
com hem vist, per què s’empra? La resposta és que proporciona molta
potència. En la parla col·loquial, potència i energia són
sinònims, però els científics fan una distinció: la potència és
la quantitat d’energia dividida per unitat de temps. El TNT té
(insisteixo, a igualtat de pes) menor energia que la benzina, però
la proporciona en un interval de temps molt més curt. En altres
paraules: la benzina té més energia, però el TNT té més
potència. I el mateix succeeix amb les galetes de xocolata. Podem
pensar en els cops de martell que picarien els joves que anaven a
destrossar el cotxe. En accelerar el martell al llarg de l’arc que
descriu el braç, li estem comunicant energia i quan aquest martell
impacta amb el cap del clau, li comunica tota l’energia molt
ràpidament. Cada cop té una potència considerable.

El primer que fou capaç de
mesurar la potència d’un cavall va ser James Watt i la va anomenar
"cavall de potència". Actualment, utilitzem aquesta unitat
per a quantificar la potència del seu substitut: l’automòbil. No
obstant això, existeix una altra unitat que va prendre el nom del
mateix Watt i es diu de la mateixa manera, watt. Un watt és un joule
dividit per segon. Un cavall de potència equival a uns 1.000 watts
o, el que és el mateix, un quilowatt (em
recorden
que 3/4 de quilowatt, però si recordeu que 1hp = 1kW no
anireu molt desencaminats).

Els watts solen utilitzar-se per a la
potència elèctrica, per això les bombetes es classifiquen en
funció dels watts que consumeixen. Si encenem deu bombetes de cent
watts, estarem consumint 10 x 100 = 1.000 watts o, el que és el
mateix, 1 quilowatt o un cavall.

Quan parlem de consum elèctric, fem
una espècie de barreja que anomenem quilowatt hora. Si emprem un
quilowatt durant una hora, no parlem de potència, sinó d’energia.
Llavors, és indiferent que digueu que una llar, de mitjana,
consumeix un quilowatt de potència, o que consumeix 24 quilowatts
hora al dia. Mil cases consumiran mil quilowatts o, el que és el
mateix, un "megawatt", que és un milió de watts. Les
centrals elèctriques de mida mitjana acostumen a generar entre 50 i
100 megawatts, i les més grans solen produir mil megawatts o un
"gigawatt". La mitjana de potència elèctrica consumida
anualment a Espanya va ser aproximadament de 30 gigawatts, mentre que
als EUA s’acosta als 450.

Diguem que com a mitjana, una
persona consumeix 2 quilowatts hora o 2.000 quilocalories al dia (via).
Energèticament parlant, un quilo d’arròs ja conté tota aquesta
energia i, si comparem preus, l’energia elèctrica surt més barata
que el menjar quant a l’energia.

Cada batec del cor del cos humà
consumeix aproximadament 1 joule. En un sol dia, és a dir, uns
100.000 batecs, hem de consumir, almenys, 100.000 joules per a seguir
vivint. Però si parlem del cos sencer, una persona equival a una
bombeta de 100 watts, és a dir, que alliberem 100 joules per segon
aproximadament. És clar que, en aquest aspecte, som com estufes.

No estranya doncs, que siguem addictes
al menjar. Al cap i a la fi, ens agradi o no, en tots els aspectes,
estem lligats a les lleis físiques.

Fonts:
Miller,
Richard
(2009).
Física para futuros presidentes.
Barcelona: Antoni Bosch

Atkins,
Peter W.
(2008).
El dedo de Galileo.
Madrid: Espasa-Calpe

Paulos,
John A.
El hombre anumérico:
analfabetismo matemático y sus consecuencias.

Barcelona: Tusquets
Editores.
www.portalplanetasedna.com.ar/bomba_nuclear.htm
http://www.santiagobovisio.com/italiano/reflex/81reflex.htm
http://historia.mforos.com/681756/3888496-wuwa-el-proyecto-atomico-nazi

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.