Energia

L'Energia è una grandezza fisica indicata normalmente con la lettera E. L'energia contenuta in un sistema non è misurabile, ma può essere determinata mediante un calcolo o tramite la misurazione del lavoro da essa compiuta.

La parola "energia" deriva dal greco "energeia", una parola che appare per la prima volta negli scritti di Aristotele (384-322 a.C.) dove indica lo spirito divino o la forza che trasforma l'ipotetico in realtà.

 

Il concetto moderno dell'energia che si è formato nell'Ottocento è invece di natura materialistica e si è sviluppato insieme alla costruzione e all'uso delle macchine a vapore. L'inglese Thomas Young aveva proposto, già nel 1802, di chiamare "energy" la capacità delle macchine di compiere un lavoro. La definizione più generale come "capacità di compiere un lavoro" è stato invece proposta dal francese Jean. V. Poncelet nel 1829, ma solo in riferimento all'energia meccanica.

 

Oggi, l’energia è definita come la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro: per compiere un lavoro si ha bisogno d'energia. In questo senso, il termine energia è stato usato, nel 1852, dal fisico scozzese William John Rankine. 

 

Un interpretazione particolare l'energia la ricevette con la teoria della relatività di Albert Einstein (1879-1955). La famosa formula di Einstein  E = m · c² stabilisce un diretto rapporto tra energia e materia. L'energia contenuta in un corpo è uguale alla sua massa (m) moltiplicata con il quadrato della velocità della luce (c). Ai corpi corrisponde quindi una quantità d'energia intrinseca. Energia e massa sono quindi equivalenti o, in altre parole, sono le due facce della stessa moneta.

Forme di energia

Si distinguono varie forme d’energia: meccanica, termica, elettrica, magnetica, chimica, nucleare, radiazione, ecc. Alcune di esse possono essere trasformate in un'altra. L'energia meccanica può essere totalmente trasformata in energia termica (calore), ma non il calore in energia meccanica. L'energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma in un'altra, quindi si conserva.

 

Energia meccanica

L'energia di un sistema meccanico può essere sempre definita come la somma di energia cinetica ed energia potenziale. Questi due termini sono usati sia nella meccanica classica che nel meccanica quantistica.

 

>	Energia cinetica: è determinata dal moto di un sistema relativo ad un altro e dalla sua massa; è composta dall'energia traslazionale e di energia di rotazione.
>	Energia potenziale: dipende dalla configurazione delle componenti del sistema fisico, per esempio un peso posto sopra una mensola possiede una energia potenziale pari al prodotto della sua massa per l'accelerazione di gravità e per la sua quota.
>	Energia oscillatoria: l'energia potenziale di un pendolo oscilla tra quella in posizione di massima ampiezza e quella cinetica in posizione di equilibrio.
>	Energia elastica: è l'energia potenziale degli atomi e delle molecole di un corpo elastico deformato, sposti dalla loro stato di quiete. Un esempio è una molla. L'energia immagazzinata (o liberata) nella deformazione elastica o plastica di un corpo è generalmente detta energia di deformazione.
>	Energia acustica: a causa dell'elasticità di un copro solido o a causa della compressione di un liquido e di un gas, gli atomi vibrano nel ritmo di una certa frequenza attorno alla loro posizione di equilibrio.
>	Energia ondulatoria: il termine è riferito non solo ad onde acustiche, ma anche a tutti i fenomeni ondulatori con estensione spaziale, per esempio le onde d'acqua e le onde elettromagnetiche.

Energia termica

L'energia termica è quella intrinseca del moto caotico di atomi e molecole di un corpo. Le manifestazioni dell'energia termica sono descritti dalla termodinamica. Un evidente esempio dei complessi fenomeni fisici osservabili è lo scioglimento di ghiaccio e la formazione di vapore dall'acqua bollente a seguito della fornitura di energia termica.

 

Energia elettrica e magnetica

>	L'energia elettrica è contenuta, come energia potenziale, nel campo elettrostatico di cariche elettriche.
>	L'energia magnetica è contenuta nel campo magnetico.
>	Energia elettromagnetica: l'energia elettrica alterna nel ritmo della frequenza con l'energia magnetica per induzione. Questo avviene in circuiti elettrici e anche nello spazio in cui si estende il campo elettromagnetico. Nell'ultimo caso si parla di radiazione elettromagnetica e di luce, se la frequenza si trova nella banda visibile.

Energia di legame

>	Energia chimica: energia che mantiene insieme gli atomi e molecole in una sostanza. Si libera in reazioni esotermici e deve essere fornita in reazioni endotermici.
>	Energia nucleare: energia che lega i protoni e i neutroni nel nucleo atomico. Nelle reazioni nucleari l'energia di legame è trasferito a nuovi nuclei atomici e liberata sotto forma di differenti tipi di radiazione.

Equivalenza massa-energia

Massa ed energia sono equivalenti (Albert Einstein): E = mc². Questo fatto è sfruttato tecnicamente, per esempio, nella fissione e nella fusione nucleare. Le variazioni di energia in un sistema fisico e le contemporanee variazioni della sua massa speso non sono misurabili con l'attuale strumentazione, ad eccezione nella fisica nucleare e in alcuni casi dell'astrofisica. In molte branche della fisica l'energia e la massa sono misurate usando grandezze naturali in fisica nucleare si usa l'unità di misura dell'elettronvolt (eV).

L'energia non può essere né creata e né distrutta, ma solo trasformata da una forma in un'altra. Questo principio della conservazione dell'energia vale per tutti i sistemi fisici isolati ed è uno degli enunciati sperimentalmente più approvati della fisica. In sistemi aperti, l'energia ha la tendenza di riempire uniformemente lo spazio disponibile. Le regolarità fisiche osservabili che avvengono in questo processo portano al concetto dell'entropia, una grandezza delle termodinamica che descrive lo stato di un sistema.

 

La trasformazione di energia può avvenire spontaneamente (per esempio, trasformazione dell'energia elettrica in energia termica per effetto Joule) oppure richiedere macchine apposite (per esempio conversione di energia elettrica in energia meccanica). Per ogni trasformazione è possibile calcolarne il rendimento, che misura quanta parte dell'energia immessa in una forma è stata convertita nella forma finale. Nel caso di trasformazione spontanea, il rendimento è sempre del 100%, altrimenti esso dipende dai dispositivi usati per la trasformazione e dalle forme iniziali e finali di energia. Fra le varie forme di energia quella termica ha una posizione particolare, tutte le altre possono trasformarsi spontaneamente e completamente in energia termica, mentre non è vero il contrario. L'energia termica è legata al moto disordinato e spontaneo delle particelle che compongono il sistema (per esempio, le molecole di un gas), quindi è la forma di energia più "disordinata" o, come si dice anche, più "degradata". 

 

La trasformazione per ottenere energia utile è normalmente più complessa e si svolge in diverse tappe. Per produrre energia elettrica si trasforma normalmente energia chimica (petrolio, gas naturale, carbone, ecc.) in calore (vapore) che muove le turbine generando energia meccanica che, da parte sua, aziona dei generatori elettrici.

 

In un motore a combustione interna, solo il 28% circa dell'energia chimica (benzina, gasolio) immessa è trasformata in energia meccanica (utile) che fa muovere  il veicolo, l'altra parte viene dissipata sotto forma di calore e di gas di scarico, ambedue non più sfruttabili. Non molto maggiore è il rendimento delle centrali termoelettriche che è di circa il 30-35 %.  Molto più efficienti sono invece le centrali idroelettriche che trasformano l'energia cinetica dell'acqua (energia primaria) in energia elettrica. Il loro rendimento può raggiungere oltre l'80%.

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