Etimologiari dagokionez, energia hitzak aspaldiko jatorria du. Grezierazko energeia hitzetik dator, zeina honelaxe eraturik dagoen: en + ergon (en, barruan, eta ergon, ekintza, lana). Gero, energia forma hartu zuen latinez, eta kultura-errodun hitz gisa iritsi da zientziaren arlora, nahiz eta horren erabilera asko zabaldu den hizkuntza arrunteko arlo guztietara ere.

Gaur egungo hizkeran, energia hitzak hainbat adiera (kemena, adorea, bizitasuna, boterea, ahalmen psikikoa...) ditu bizimodu arrunteko arloetan, baina oso esanahi zehatza du fisikan, eta azken esanahi horretaz arituko gara hemen. Zehatz esanda, sistema fisiko baten energia sistema horrek lana egiteko duen gaitasun edo ahalmena da, kasurako, mugimendua eragitea, beroa ematea eta argia sortzea ahalbidetzen dituena; zer esanik ez, lan hitza mekanika klasikoan emaniko definizioaren zentzuan ulertu behar da esaldi horretan. Energia hainbat eratan existi daiteke materian, hala nola energia zinetiko, potentzial, termiko, elektriko, kimiko, nuklear edo bestelako eratan, eta, halaber, kontuan eduki behar dira beroa eta lana, energia gorputz batetik bestera pasatzeko modutzat. Laburbilduz, zientziaren arloan erabiltzen den energia hitza gorputzetan aldakuntza fisikoak eragiteko ahalmenarekin dago lotuta.

Energia kontzeptuaren zehaztapen fisiko hori XIX. mendean zehar gauzatu zen, termodinamikaren garapenaren testuinguruan bereziki. Horrela, 1852an hasi zen energy hitza ingelesez erabiltzen, eta 1875ean énergie hitza, frantsesez. Hortik aurrera, gainerako hizkuntzetan sartu zen pixkanaka-pixkanaka, eta gaur egun nazioarteko hitz eta kontzeptutzat har daiteke, batetik besterako aldakuntza ortografiko-fonetikoak gorabehera.

Energia kontzeptua fisika klasikoan

Energiak lana (mekanika klasikoaren zentzuan) egiteko ahalmena adierazten duenez, kontuan izan behar da ezen ahalmen hori nabariki ager daitekeela edo, bestela, sisteman gorde edo metatu daitekeela potentzialki. Izan ere, higitzen ari den gorputz orok gaitasuna du beste gorputzak higiarazteko nabariki, eta orduan esaten da energia zinetikoa duela, hots, higidurari dagokion energia. Baina, halaber, indar-eremu jakin batean egoteagatik, gorputzek ahalmen “potentziala” izan dezakete lana eragiteko, hala nola malguki bat tenkaturik duen gorputzak duen energia potentzial elastikoa edota altuera batean egoteagatik gorputz batek duen energia potentzial grabitatorioa. Ikus dezakegunez, indar-eremua nolakoa den, gisa bereko adjektiboa gehituko zaio energia potentzial terminoari.

Energia neurtzeko unitateak

Energia neurtzeko unitateak lana neurtzeko berberak dira. Preseski, nazioarteko SI sisteman energia-unitateari joule deritzo, eta J sinboloaz adierazten da. Joulea honelaxe adieraz daiteke oinarrizko unitateen bidez: $1 \text{J}=1\text{ kg}\cdot m^2\cdot s^{-2}$.

Nolanahi den, praktikan bestelako unitateak ere erabiltzen dira, arlo batzuetan ohikoak direnak. Hona hemen erabilienak:

• Elektronvolta (eV) eta horren multiploak (keV, MeV, GeV) fisika atomikoan erabiltzen dira. Volt bateko potentzial-diferentziaz hutsean azeleratua izatean elektroi batek lortzen duen energia da elektronvolta; zehazki adierazirik, joulearekiko baliokidetza hau du: $1 \text{eV}=\mathrm{1,}\text{602}\text{176}\text{462}\times {\text{10}}^{-\text{19}} \text{J}$.

• Kilowatt-ordua (kWh) elektrizitate-kontsumoa neurtzeko erabili ohi da, eta balio hau du: $1 \text{kWh}=\mathrm{3,6}\times {\text{10}}^6 \text{J}$ .

• Kaloria izeneko unitatea termodinamikan erabiltzen da: $1 \text{cal}=\mathrm{4,}\text{187} \text{J}$. Halaber, erabiltzen da horren multiploa den kilokaloria (kcal), zeinari biologian eta elikagaien eta nutrizioaren arloan kaloria handi deritzon (edo kaloria, huts-hutsean). Hozte-sistemetako problemetan, frigoria izeneko unitatea erabiltzen da, zeina kaloria bat xurgatzearen baliokidea den.

• Petrolio-tona baliokidea (ingelesez, toe, ton of oil equivalent): $1 \text{toe}=\mathrm{4,}\text{184}\times {\text{10}}^{\text{10}} \text{J}=\mathrm{1,}\text{162}2\times {\text{10}}^4 \text{kWh}$

• Btu edo british thermal unit: $1 \text{Btu}=\mathrm{1,}\text{055}\text{06}\times {\text{10}}^3 \text{J}=\text{252,2 cal}$.

Energia-motak

Materian agertzeko edo pilatzeko formaren arabera, izen desberdina ematen zaie energia-motei.

• Energia mekanikoa: mekanika klasiko newtondarrean oinarriturik definitzen den energia, izatez hiru motatako energiaren batura dena: energia zinetikoa, gorputzek higiduran dabiltzanean dutena; energia potentzial grabitatorioa, lurrazaletik altuera batera egoteagatik dutena; eta energia potentzial elastikoa, aldez aurretik deformatuak izan direlako gorputz elastikoek pilaturik dutena.

• Energia elektrikoa: korronte elektrikoak duena. Sorgailu elektrikoetan sortzen da, eta metagailu elektrikoetan gorde daiteke pilaturik.

• Energia kimikoa: molekulen eta konposatu kimikoen egituran metaturik dagoena, barne-lotura kimikoen eraketaren kausaz. Energia hori erreakzio kimikoen bidez askatzen da.

• Energia termikoa edo bero-energia: bero forman dagoen energia. Tenperatura desberdinetan dauden bi gorputz elkarrekin kontaktuan jartzen direnean, tenperatura altua duenak energia ematen dio tenperatura baxuan dagoenari, energia termikoa, hain zuzen. Teoria zinetiko-molekularraren arabera, energia termikoa gorputzetako partikula guztien higidurei dagokien energia mekanikoa da. Dena den, magnitude hori ezin neur daiteke termino absolututan, bere aldakuntzetan baizik. Tenperatura desberdina duen beste gorputz batekin kontaktua izatean gorputz batek galtzen edo irabazten duen energia termikoari bero deritzo.

• Erradiazio-energia: erradiazio elektromagnetikoak duena, hala nola argiak.

• Energia nuklearra: atomoen nukleoetatik datorrena, fisio edo fusio nuklearreko erreakzioetan askatzen dena. Erreakzio nuklear horietan, nukleoen masaren parte bat energia bihurtzen da.

Energiaren transformazioak

Energiaren ezaugarrietako bat da mota batetik bestera bihurtzeko posibilitatea. Esate baterako, gorantz jaurtikiriko pilota baten energia zinetikoa energia potentzial grabitatorio bihurtzen da pilota gero eta altuago igotzean, harik eta punturik altuenean geldi geratzen den unera arte; orduan, energia zinetikoa nulua da, eta energia potentzial bihurturik dago erabat; edota motor elektriko baten barnetik pasatzen den korronte elektrikoaren energia elektrikoa motorrak sorturiko higidurari dagokion energia zinetiko bihurtzen da.

Zernahi gisaz, energiaren transformazioa ez da modu berean gertatzen mota batzuetatik besteetara bihurtzean, zeren mota batzuetako energiak beste mota batean osorik transforma daitezkeen arren, beste mota batzuen transformaziorako posibilitatea ez baita erabatekoa. Hortaz, batetik “kalitate oneko” energiak eta bestetik “kalitate txarreko” energiak daudela esan dezakegu. Adibidez, energia elektrikoa kalitate oneko energia da, ia erabateko errendimenduz bihur baitaiteke energia zinetiko, lan mekanikoa sortuz; baina energia termikoa kalitate txarreko energia da, muga intrintsekoa baitago energia horretatik atera daitekeen lanari dagokionez. Horrek transformazioen itzulezintasunaren problematika adierazten digu, naturan gertatzen diren prozesuekin loturik dagoena, zeren marruskaduraren kausaz, beti baitago bero bihurtzen den energiaren parte bat ondorengo transformazioetarako gaitasuna galtzen duena. Bestela esanda, kontuan izan behar da beti termodinamikaren bigarren printzipioa edo, beste hitzen bidez esanda, entropia handiagotzearena.

Energiaren kontserbazioaren legea

Esperientzian oinarriturik egiaztatu denez, naturako fenomeno eta prozesu guztietan energiaren kontserbazioa gertatzen da. Energiaren kontserbazioaren legea XIX. mendearen erdialdean izan zen onartua zientzialarien artean, eta, lege hori tarteko, garai hartan finkatu zen energia hitzaren esanahi zehatza.

Energiaren kontserbazioaren legeak dioenez, edozein sistema fisiko isolaturen (alegia, beste ezein sistemarekin inolako elkarrekintzarik ez duena) energia-kantitate totalak konstante irauten du denboran zehar, nahiz eta energia hori mota batetik bestera transforma daitekeen. Bestela esanda, “energia ez da sortzen ezta deuseztatzen ere, transformatzen baizik”.

Izatez, lege hau ez da naturako fenomenoen deskripzioa, fenomenoen bilakaerari buruzko baieztapena baizik. Hots, naturako fenomenoetan gertatzen den edozein transformaziotan, energia deritzon kantitatea aldatu gabe geratzen da; aldatzen den gauza bakarra energiaren forma da. Alderantziz ere irakur daiteke legea: sistema baten energiaren ebaluazioa egitean, ondoz ondoko bi neurketatan balio desberdinak lortzen badira, horrek esan nahi du bi balio horien arteko aldea sistemari eman edo kendu zaion energia dela, sistema horrek kanpoko beste sistema batekin izandako elkarrekintzaren ondorioz.

Beroa eta energiaren degradazioa

Energiaren transformazioak gertatzean edo higidurarekin batera marruskadura agertzean, kontuan izan behar da bero kontzeptua, prozesuen itzulezintasunarekin eta energiaren degradazioarekin zerikusia duena. Joulek beroaren eta energia mekanikoaren arteko baliokidetza definitu zuen 1845ean. Hitz batez, berak frogatu zuenez, energiaren kontserbazioaren legea aplikatzean, beroa kontuan hartu beharreko energia-mota bat da.

Baina beroak ezaugarri berezi bat du, bestelako energia-mota bihurtzeko prozesuetan. Hain zuzen ere, energia mekanikoa erabat bero bihur daitekeen arren, beroa ezin transforma daiteke osorik energia mekaniko, muga bat baitago makina termodinamikoen bidezko transformazioetan. Hasteko, berotik energia mekanikoa lortzeko tenperatura desberdinetan dauden bi iturri izan behar ditu makinak, eta, edonola ere, berotik atera daitekeen energia mekanikoaren kantitateak maximo bat du, Carnoten ziklo teorikoak adierazten duena. Horregatik, beroa loturik dago energiaren kalitatearen degradazioarekin, zeren energia zinetikotik berorako transformazioak ez baitu energia zinetikotik energia potentzialerako transformazioak duen itzulgarritasunik.

Edozein transformazio energetikotan, marruskaduraren kausaz, hasierako energiaren parte bat iraungi egiten da energia termiko gisa, eta energia termikoa da energiaren transformazio guztien azken helmuga. Hortik dator naturan gertatzen den energiaren etengabeko degradazioa eta entropiaren printzipioan adierazita dagoen itzulezintasunaren arrazoia.

Energia kontzeptua erlatibitatearen teorian eta mekanika kuantikoan

Mekanika klasikoan garaturiko energia kontzeptua zabaldu egin zen XX. mendearen hasieran erlatibitatearen teoria eta mekanika kuantikoa sortzean. Bi teoria horiekin batera, ordura arte masari eta energiari buruz fisikariek zituzten usteak aldatu behar izan ziren, eta alde batera utzi behar izan ziren zenbait suposizio, hala nola energia magnitude jarraitua zela eta masa eta energia bi kontzeptu independente zirela ziotenak, bereziki.

Energia-kuantuak

Max Planckek XIX. eta XX. mendeen arteko mugan adierazi zuenez, fenomeno atomikoekin erlazionaturiko transformazio energetikoak egokiro ulertu eta deskribatzeko, beharrezkoa da energia-kuantu deritzon kontzeptua erabiltzea. Ordura arte energia magnitude jarraitua zela uste bazen ere, energiaren transmisioan kantitate minimo batzuk (kuantuak, alegia) pasatzen dira batetik bestera. Esate baterako, elektroi bat energia-maila batetik beste batera pasatzean, erradiazioa gertatzen da, eta mailen arteko energiaren erradiazio hori fotoi modura igortzen da, alegia, energia jakineko kuantu modura. Fotoiaren E energiaren eta erradiazioaren $\nu$ maiztasunaren artean erlazio hau dago: $E=h\nu$ , non h hori Plancken konstantea den, $h=\mathrm{6,}\text{6262}\times {\text{10}}^{-\text{34}}\text{J}\cdot s$ balio duena.

Ohar bat egin behar da kuantuen erabilerari dagokionez. Berez, kuantuak fisika mikroskopikoan baino ez dira erabiltzen zehazki. Fisika makroskopikoan ere kontsidera daitezke, noski, baina hain txikiak izanik, ez dira hautemangarriak; horregatik, praktikan, fisika makroskopikoan kantitate jarraitutzat har dezakegu energia.

Masaren eta energiaren arteko baliokidetza

Mekanika klasiko newtondarrean, partikula puntualaren masak konstante dirauela suposatzen da, partikula higitu arren ere. Erlatibitatearen teorian, ordea, masa abiaduraren funtzioa da, formula honen arabera:

$m=\frac{m_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$,

non $m_0$ pausaguneko masa den, v, partikularen abiadura eta c, argiaren abiadura. Adierazpen hori kontuan harturik ikus daitekeenez, gorputzaren abiadura argiaren abiaduraren baliora hurbiltzean, masa gero eta handiagoa da, eta c balioaren mugan balio infinitua izango luke. Hortik baieztatu zuen Einsteinek argiaren abiadura ezin daitekeela gainditu.

Masaren izaera erlatibista kontuan izanik, partikularen energia zinetikoa ezin daiteke jadanik $\frac{1}{2}{m}_0{v}^2$ formularen bidez adierazi (mekanika klasikoan ez dira bereizten pausaguneko $m_0$ masa eta higidurako $m$ masa, higiduran ere balio bera baitu masak); aitzitik, energia zinetikoa

$E_k=E-E_0$

eran adierazten da, non

$E=m{c}^2=\frac{m_0{c}^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$

delakoa energia osoa den, eta

$E_0=m_0{c}^2$

delakoa, pausaguneko energia. Energia osoa seriez garatuz, balio hau lortzen da energia zinetikoari dagokionez:

$E_k=m_0{c}^2+\frac{1}{2}{m}_0{v}^2+\frac{3}{8}{m}_0\frac{v^4}{c^2}+\text{.}\text{.}\text{.}-m_0{c}^2=\frac{1}{2}{m}_0{v}^2+\frac{3}{8}{m}_0\frac{v^4}{c^2}+\text{.}\text{.}\text{.}$

Agerikoa denez, mekanika klasikoan kontsideratzen diren abiaduretan bigarren gaia beti da oso txikia lehenengoarekin alderaturik, eta horregatik $\frac{1}{2}{m}_0{v}^2$ balioa hurbilketa ona da.

Ikusi dugunez, erlatibitatearen teorian agerian geratzen da masaren eta energiaren arteko baliokidetza, zeren $E={mc}^2$ formula erabili behar baita. Hortaz, erlatibitatearen teoriako masaren kontzeptu horrek ondorio garrantzitsua du, hots, kontserbazio-printzipio bakarrean biltzen dira aurretik independentetzat hartzen ziren masaren eta energiaren kontserbazio-printzipioak. Gainera, erlazio hori ez da soilik baliagarria energia zinetikoaren kasuan, zeren edozein energia-motaren kasuan ere aplika baitaiteke.  

Materiaren egitura eta energia

Erlatibitatearen teorian finkaturiko masaren eta energiaren arteko baliokidetza ulertzea funtsezkoa izan da materiaren barne-egitura ulertzeko, bereziki, oinarrizko partikulen arteko loturak eta atomoen egonkortasuna ulertu ahal izateko.

Kasurako, atomoen nukleoa nukleoiz (hots, protoiz eta neutroiz) osaturik dago, baina nukleoa apurtu nahi badugu energia eman behar zaio; zehazki, apurtzeko eman beharreko energia hori protoiak eta neutroiak bilduz nukleoa eratzeko askatu behar den energia-kantitate berbera da, lotura-energia, alegia. Eta ikus daitekeenez, nukleoaren masa hasierako protoien eta neutroien masen batura baino txikiagoa da; hain zuzen ere, masaren eta energiaren arteko baliokidetzari dagokio zehazki lotura-energiaren eta masa-galeraren arteko baliokidetza, erlatibitatearen teoriarekin bat. Esandakoaren adibide garbia dugu Eguzkian edota izarretan gertatzen diren erreakzio termonuklearretan agertzen zaiguna. Bi hidrogeno-nukleo (deuterio) elkarrekin fusionatu eta helio-nukleo bihurtzen dira, baina erreakzio horren emaitza den helio-nukleoaren masa txikiagoa da hasierako osagaien masen batura baino: masa-galera hori energia bihurtzen delako gertatzen da hori, eta horixe da, preseski, Eguzkiaren energiaren iturria.

Nukleoien arteko lotura-energia kontuan hartzea funtsezkoa da fusio edo fisio nuklearreko erreakzioetan aska daitekeen energia kalkulatu ahal izateko, betiere atomoen masa-galera energiaren iturria dela kontuan izanik.

Energiaren inguruko problematika praktikoa

Gaur egungo gizartean, energia erabiltzeko posibilitatea lehenengo mailako faktore estrategikoa da edozein lurralderen bizitzan. Arazo energetikoek eragin handia dute ekonomian eta eguneroko bizimoduan. Nolabait esateko, energiaren krisia bizi dugu munduan, energia baita gizarteko era guztietako jarduerak elikatzen dituen motorra: industria, teknologia, nekazaritza, eraikuntza, garraioak, komunikabideak... Lurralde guztietako arazoa da jarduera ekonomikoaren abiada bermatuko duten energia-iturriak eskura izatea, dela elektrizitate bidez, dela erregaien bidez.

Aldi berean, gizartea garatuz joan den heinean, gizakia konturatu da energiaren erabilerak mugak dituela eta mota desberdinetako energia-iturriak kudeatzen ikasi behar duela. Horrela sortu da energia berriztagarriak eta ez-berriztagarriak bereizteko joera, eta ahalegin bereziak egitekoa, batetik, energia ez-berriztagarrien kontsumoa murrizteko eta, bestetik, energia berriztagarrien erabilera garatzeko. Bestalde, urte luzetan eginiko energiaren erabilera desegokia dela eta, naturako ingurumena degradatuz joan da, eta problema latzak sortu dira gizateriarentzat.

Energia-iturri ez-berriztagarriak

Horrela deritze erabiltzeaz bat agortzen diren energia-iturriei. Kasu honetan, naturan pilaturik dauden zenbait materialen errekuntzaren bidez lortzen da energia erabilgarria. Baina transformazio horretan hainbat arazo sortzen dira. Hasteko, errekuntzaren hondakinak ditugu, eta horien artean bereziki aipatu behar ditugu errekuntza-gasak, atmosferara doazenak. Horrez gain, oso kontuan hartu beharrekoa da efizientzia energetikoa, alegia, transformazio-prozesuan gertatzen den energiaren aprobetxamendua, zeren betiere hainbat energia alferrik galtzen baita, ezertarako ez dela. Eta, zer esanik ez, atmosferaren berokuntzaren arazoa aipatu behar da, luzera begira ondorio kaltegarriak ekar ditzakeena gizateriarentzat.

Hona hemen gaur egun erabiltzen diren energia-iturri ez-berriztagarri garrantzitsuenak:

• Ikatza. Ikatza (edo harrikatza) erregai fosila da, aspaldiko aro geologikoetan metaturiko landareen eraldaketaren emaitza. Hainbat motatako harrikatzak daude, ahalmen energetiko oso desberdina dutenak: antrazita, harrikatz bituminosoa, lignitoa eta zohikatza. Kutsadura-arazo latzak sortzen ditu harrikatzaren errekuntzak, eta gaur egun saihestu egin nahi da horren erabilera. Bestalde, gizakiak fabrikaturiko egur-ikatza ere aipa daiteke, baina hori energia-iturri berriztagarritzat har dezakegu.

• Petrolioa. Petrolioa ere erregai fosila da. Hidrokarburoen nahaste bat da funtsean, baina horrez gain hainbat osagai ditu, neurri aldakorretan. Gure egunotako energia-iturri erabiliena dela esan daiteke, baina erreserbak agortzen ari direnez, tarteka krisi sakonak sortzen ditu, mundu osoko ekonomian eragin handia dutenak, eta hainbat gerraren jatorrian daudenak.

• Gas naturala. Lurpeko gas-hobietan dauden gasen nahastea da: metanoa, propanoa, butanoa eta beste. Ikatzak eta petrolioak baino errekuntza garbiagoa du, baina, hala ere, arazoak sortzen ditu emisioekin.

• Uranioa. Uranioa Lurrean dagoen elementu kimiko erradioaktibo bat da, zentral nuklearretan fisio-erreakzioen bidez energia-iturri modura erabiltzen dena. Energia ez-berriztagarria da, eta hondakin erradioaktiboen arazoa sortzen du, besteak beste.

Energia-iturri berriztagarriak

Energia-iturri berriztagarriak naturan etengabe ageri eta birsortzen diren baliabideak dira, erabili arren agortzen ez direnak.

• Energia hidraulikoa. Ibaietako ura da energia honen sortzailea. Ura urtegietan biltzen da, aldi berean altueran pilatzeko eta gero zentral hidroelektrikoetan dauden turbinen bitartez elektrizitatea sortuko duten alternadoreak birarazteko.

• Eguzki-energia. Eguzkitik Lurrera datorren erradiazio elektromagnetikoa. Eguzkia energia-iturri agorrezina izanik, gaur egun energia termikoa (eguzki-labeetan, kasu) eta energia elektrikoa (zelula fotovoltaikoetan) sortzeko erabiltzen da.

• Haize-energia edo energia eolikoa. Haizearen energia aprobetxatzen du. Gizakiak oso aspaldi erabili du neurri batean edo bestean, irina ehotzeko, haize-errotak higiarazteko eta belaontziak bultzatzeko, besteak beste. Gaur egungo zentral eolikoetan, elektrizitatea sortzeko erabiltzen dira haize-errotak.

• Biomasaren energia. Naturan sorturiko konposatu organikoetatik lortzen da, era askotan. Adibidez, hondakin organikoetatik ateratako gasa edo zenbait azukre-mota hartzituz lortzen den alkohola erregai modura erabil daitezke.

• Itsas energia. Hainbat posibilitate daude itsasoan energia erabilgarria lortzeko, esate baterako, mareetako gorabeherak erabiliz, olatuen indarra baliatuz edo uretako tenperatura-gradienteak aprobetxatuz.

• Energia geotermikoa. Lurraren barruko tenperatura altuak erabil daitezke energia lortzeko, zuzenki edota beroa uretara pasatuz eta ur-lurruna elektrizitatea lortzeko erabiliz.

Exergia

Energia-iturrien azterketan oso kontuan hartzekoa da energiaren beraren erabilera egokia, bestela, hainbeste energia alferrik gal baitaiteke energiaren askatze-prozesuetan. Horretaz konturaturik, XX. mendearen erdialdetik aurrera, exergia kontzeptua hasi zen lantzen.

Exergia deritzo benetan lan mekaniko bihur daitekeen energiaren parteari; gainerakoari, erabilera praktikoa ez duenari, anergia deritzo. Hortaz, exergia da sistema fisiko baten eta inguruaren arteko desorekatik atera daitekeen neurri kuantitatiboa; azken batez, exergiak determinatzen du edozein baliabide energetikok duen benetako balioa, eta ahalbidetzen digu jakitea zenbat alferrik galtzen den; horrela, bidea erakusten digu energiaren aurrezpenerako eta erabilera efizienterako.