Energia

L’energia è la capacità di compiere lavoro.
L’energia cinetica è l’energia che possiede un corpo in virtù della sua velocità.
L’energia potenziale di un corpo posto nel campo gravitazionale terrestre
a una certa altezza dal suolo è il lavoro che esso è capace di compiere cadendo da quell’altezza.
Qualsiasi forma d’energia subisce dei passaggi, modificandosi:
la forma finale dell’energia è rappresentata dal calore.

DUE PAROLE SUL LAVORO E L’ENERGIA
Nel linguaggio comune la parola «lavoro» è usata nelle circostanze più diverse: è per questo che un facchino che solleva una valigia, un bue che tira un aratro, una gru che sposta un peso sono analogamente considerati altrettanti esempi di lavoro compiuto rispettivamente da un uomo, da un animale, da una macchina.
Sappiamo che per compiere un lavoro è necessario applicare una forza e, di solito, l’effetto di questa forza è quello di provocare uno spostamento del corpo su cui agisce, come appunto negli esempi sopra riportati.

Dal punto di vista fisico però le cose non sono così semplici: si parla, infatti, di lavoro compiuto da una forza solo quando il suo punto d’applicazione subisce uno spostamento. Ecco quindi che quando un uomo tiene sollevata da terra una valigia pesante non compie in realtà alcun lavoro, almeno dal punto di vista fisico.

Può sembrare strano che si parli di lavoro nel caso dell’uomo che solleva la valigia e non in quello dell’uomo che la mantiene sollevata da terra, ma se si riflette le due situazioni sono molto diverse tra loro: mentre nella prima è necessaria l’azione dell’uomo per alzare la valigia, nella seconda si potrebbe benissimo farne a meno, essendo infatti sufficiente... appoggiare la valigia su una sedia.
Se una gru solleva un peso doppio di quello considerato in precedenza, occorrerà applicare una forza doppia.
E ovvio che anche il lavoro sarà doppio: potremmo verificarlo osservando che ora viene consumata una quantità doppia di combustibile. Quindi il lavoro compiuto è direttamente proporzionale alla forza applicata.
In modo analogo il lavoro compiuto è pure doppio se il peso di partenza è lo stesso nelle due prove ma l’altezza alla quale esso viene sollevato è doppia; di nuovo occorrerebbe il doppio di combustibile.
Quindi il lavoro è direttamente proporzionale allo spostamento del punto di applicazione della forza.

Queste considerazioni giustificano e spiegano la seguente definizione di lavoro: se una forza F agendo su un corpo lo sposta di un tratto s nella sua stessa direzione e verso, il lavoro è misurato dal prodotto forza per spostamento e scriveremo: L = F * s
Se F è misurata in newton e s in metri, il lavoro viene misurato in newton per metri ed a questa unità di misura viene dato il nome di joule, abbreviato in J.

Dal concetto di lavoro possiamo ora passare a quello che è uno dei più importanti concetti della fisica: il concetto di energia.
La sua importanza è dovuta al fatto che qualunque fenomeno (fisico, chimico, biologico o che riguardi un qualsiasi aspetto dell’attività umana), può essere analizzato in termini di trasferimento o di trasformazione di energia; energia è un «qualcosa» che permette di compiere un lavoro.

Ecco alcuni esempi.
I muscoli dell’uomo hanno la capacità di compiere lavoro, per esempio ogni volta che sollevano un peso: si parla allora d’energia muscolare.
L’elettricità può compiere lavoro, mettendo, per esempio, in moto un asciugacapelli: si parla d’energia elettrica.
Una molla compressa può compiere del lavoro perché, distendendosi, esercita una forza sul corpo spostandolo: si parlerà d’energia elastica della molla o, meglio, di energia potenziale elastica.
Una pallina da tennis colpisce un vetro e lo manda in frantumi: ha fatto un lavoro poiché ha esercitato sulle molecole del vetro una forza così intensa da romperne i legami.
Possiamo concludere che possiede un’energia dovuta al fatto che essa è in moto: la chiameremo energia cinetica (dalla parola greca «kinesis» = movimento).

ENERGIA CINETICA ED ENERGIA POTENZIALE
Abbiamo visto che un corpo in movimento possiede un’energia, che abbiamo chiamato cinetica, e che essa è tanto maggiore quanto più sono grandi la velocità del corpo e la sua massa.

Ma qual è la formula che permette di conoscere l’energia cinetica di un corpo? Supponiamo che un corpo di massa m sia inizialmente fermo e quindi sia sottoposto a una forza F costante per un certo tempo t. Già sappiamo che il moto del corpo è naturalmente accelerato con accelerazione a = F/m e che dopo il tempo t esso ha percorso uno spazio s = 1/2 a * t2 e che ha acquistato una velocità v = a * t.
Il lavoro che la forza F ha compiuto sul corpo è dato da L = F * s, ma poiché F = a * m, possiamo anche scrivere L = a * m * s = ½ * m * a2 * t2. Sostituendo infine a * t = v avremo: L = ½ m v²

Interpretiamo ora questo risultato alla luce di quanto detto in precedenza: il lavoro compiuto misura la quantità di energia che si è dovuta applicare per spingere il corpo e misura allo stesso tempo l’energia che il corpo medesimo ha acquistato.
Possiamo dire che il corpo possiede ora un’energia uguale a ½ * m * v². Il risultato è quindi il seguente: un corpo di massa m e velocità v possiede un’energia cinetica Ec = 1/2 m * v²

L’energia cinetica, come qualunque forma di energia, avrà la stessa unità di misura del lavoro: se m è misurata in chilogrammi-massa e v in metri al secondo, l’energia cinetica è misurata in joule.

Consideriamo adesso un corpo di massa m che si trovi a un’altezza h dal suolo. Possiamo dire che esso possiede un’energia?
La risposta non può essere che affermativa. Basta pensare al fatto che esso, cadendo, è capace di fare una buca nel terreno, oppure di alzare un altro peso più leggero se viene collegato a una carrucola.
Questo particolare tipo di energia si chiama energia potenziale gravitazionale, perché è dovuta all’attrazione terrestre, anche se da ora in poi la chiameremo più semplicemente energia potenziale.

È chiaro che maggiori sono l’altezza h o la massa m, maggiore è l’energia potenziale. In entrambi i casi se ne avrebbe dimostrazione: la buca nel terreno sarebbe più profonda e la carrucola potrebbe sollevare il peso più in alto o sollevarne uno più pesante.

Ciò che ci interessa anche questa volta è trovare un’espressione esatta per esprimere tale energia potenziale. Basta ripetere il ragionamento che già abbiamo avuto modo di applicare per l’energia cinetica.
Se il corpo si trovasse inizialmente al suolo, per alzarlo sarebbe sufficiente applicare ad esso una forza E appena superiore ai suo peso che è P = m * g. Possiamo assumere che sia proprio E = m * g quindi per alzare il corpo a un’altezza h viene compiuto un lavoro e questo lavoro è: L = F * s = m * g * h

Questo lavoro, che viene compiuto a spese della nostra energia muscolare, ci dice appunto quanta energia è stata acquistata dal corpo, cioè l’energia potenziale che esso possiede quando si trova all’altezza h. Avremo quindi: l’energia potenziale di un corpo di massa m che si trovi a un’altezza h dal suolo è Ep, = m * g * h

Misurando m in chilogrammi-massa, h in metri e ponendo g = 9,8 m/s², l’energia potenziale è di nuovo misurata in joule.

Ma osserva ora cosa succede nel caso di un corpo in caduta: essendo il corpo sceso del tratto s, la forza-peso m * g che agisce sul corpo ha compiuto il lavoro L = m * g * s. Questo lavoro ha fatto diminuire l’energia potenziale del corpo esattamente della stessa quantità: infatti prima era = m * g * ha e poi è divenuta = m * g * hb, quindi:

Ep (iniziale) - Ep, (finale) = m * g * ha – m * g * hb = m * g. * s.

Contemporaneamente però è aumentata l’energia cinetica del corpo: cadendo, esso infatti ha aumentato la sua velocità.
Se perciò ripetiamo il ragionamento fatto all’inizio del paragrafo, troveremo che il corpo ora possiede una velocità v tale che L = m * g * s 1/2 m * v².

Possiamo concludere quindi che, cadendo del tratto s, il corpo ha perso tanta energia potenziale quanta ne ha acquistata sotto forma d’energia cinetica.

Se il corpo continua a cadere, l’energia potenziale diminuisce ancora ma sempre della stessa esatta quantità di cui aumenta l’energia cinetica. Viceversa, se un corpo viene lanciato verso l’alto la sua energia cinetica diminuisce perché la velocità diventa sempre minore, mentre l’energia potenziale aumenta esattamente della stessa quantità.
Quanto abbiamo detto dimostra che, se durante il moto di un corpo consideriamo la somma della sua energia cinetica con quella potenziale, tale somma avrà sempre lo stesso valore, poiché di tanto aumenta o diminuisce la prima, e di tanto diminuisce o aumenta la seconda!

Tale somma viene chiamata energia meccanica del corpo, essa è cioè E = Ep+ Ec e quanto abbiamo detto prima esprime la legge della conservazione dell’energia meccanica. Possiamo anche dire che l’energia meccanica rappresenta l’energia totale del corpo, che essa si può manifestare nelle due forme d’energia potenziale o cinetica e che durante il moto si ha una continua trasformazione dell’una nell’altra senza però che l’energia totale cambi.

Il principio di conservazione dell’energia è uno dei principi più importanti e universali della fisica.

Noi ne abbiamo considerato solo un caso molto semplice e particolare, ma si può estendere a un numero grandissimo di fenomeni che implicano varie forme di energia: tale principio afferma che in ogni processo fisico vi può essere trasformazione da una forma di energia a un’altra o trasferimento di energia da un corpo a un altro, ma l’energia complessiva di tutto il sistema di corpi considerato rimane sempre rigorosamente la stessa.

LE FORME DELL’ENERGIA
Da dove ricaviamo l’energia che ci serve? Quasi tutta quella che adoperiamo ci proviene dal Sole, direttamente o indirettamente.
Per vivere prima di tutto abbiamo bisogno di cibo; con il cibo forniamo al nostro organismo l’energia necessaria per muoverci, respirare, pensare.
Questa energia si trova immagazzinata negli alimenti: verdure, carne, latte ecc., sotto forma di energia chimica.
Il nostro corpo, attraverso delicati meccanismi, riesce a trasformarla in forme utilizzabili. L’energia immagazzinata negli alimenti proviene dal Sole. Attraverso la fotosintesi una parte dell’energia radiante si accumula nei vegetali sotto forma di energia chimica.
Nella carne e in tutti i prodotti animali di cui ci nutriamo è contenuta l’energia chimica che gli animali assumono alimentandosi con i vegetali.

Gran parte dell’energia adoperata nelle industrie, nei mezzi di trasporto, per il riscaldamento ecc., proviene da combustibili fossili: petrolio, carbone e gas naturali.

Anche l’energia dei combustibili fossili proviene dal Sole. Essi sono il prodotto della trasformazione lenta e complessa di materiali organici d’origine animale e vegetale, avvenuta in un arco di tempo di qualche milione di anni.
E l’energia dei corsi d’acqua, l’energia del vento? Anche questa energia deriva dal Sole. I corsi d’acqua sono, infatti, la conseguenza più o meno diretta delle precipitazioni atmosferiche, cioè soprattutto dello scorrere della pioggia e dello scioglimento della neve, e le precipitazioni, come pure il vento, sono fenomeni legati alle modificazioni che il calore del Sole produce sulla superficie terrestre e nell’atmosfera.

Il Sole è quindi la nostra principale fonte di energia; questa arriva sulla Terra sotto forma di energia radiante. Le forme di energia sono molteplici, i fisici però ne distinguono principalmente cinque:

meccanica, termica, chimica, raggiante e nucleare.

Non tutte le fonti di energia di cui disponiamo hanno però origine dal Sole: l’energia geotermica e l’energia nucleare hanno origini diverse.
Nel bilancio energetico della Terra però queste fonti incidono poco, non più dell’1%, anche se il contributo che possono dare al fabbisogno energetico non è trascurabile.

L’ENERGIA SI TRASFORMA E SI DEGRADA
L’energia può passare da una forma ad un’altra e tutto ciò che ci sta intorno partecipa a un continuo fluire d’energia. Data l’importanza di questo concetto, consideriamo qualche esempio che ci possa aiutare a capire meglio.

Quando, durante una passeggiata in bicicletta, pedaliamo lungo una strada in pianura, riusciamo ad andare anche molto veloce; acquistiamo così un’elevata energia di movimento, o cinetica.
Da dove proviene quest’energia? E’ l’energia chimica accumulata nei muscoli che si trasforma in energia cinetica. Mentre pedaliamo avviene quindi la trasformazione:

energia chimica —> energia cinetica

Se con la bicicletta viaggiamo lungo una strada in salita, si deve spendere una quantità molto maggiore di energia. Perché? In questo caso, pedalando, acquistiamo non solamente energia di movimento, ma anche energia di posizione cioè energia potenziale. Abbiamo in questo caso la trasformazione:

energia chimica —> energia cinetica + energia potenziale

Su una strada in discesa si può andare veloce anche senza pedalare. Quale trasformazione di energia avviene in questo caso? In discesa si può sfruttare l’energia potenziale. Si ha la trasformazione:

energia potenziale —> energia cinetica

E ancora un altro caso.Pensiamo ad un calciatore che, trovandosi con il pallone tra i piedi davanti alla porta avversaria, tira per tentare un goal ma, ahimè!, colpisce il palo: quali trasformazioni energetiche sono avvenute?

Quando il piede colpisce il pallone questo si deforma: per un attimo l’energia di movimento del piede si trasforma in energia potenziale elastica del pallone, ma quasi immediatamente il pallone parte a forte velocità; l’energia elastica si è trasformata in energia cinetica. Quando il pallone colpisce il palo, per un istante si arresta: di nuovo l’energia cinetica si trasforma in energia elastica per ritrasformarsi ancora una volta, subito dopo, in energia cinetica. Abbiamo quindi la seguente catena di trasformazioni energetiche:

energia chimica nei muscoli del calciatore —>
energia cinetica del piede —>
energia potenziale elastica ne/pallone —>
energia cinetica del pallone —>
energia cinetica del pallone.

Ed ecco un ultimo esempio. Consideriamo un orologio con una carica a molla. Mentre lo si carica, l’energia cinetica delle dita viene accumulata sotto forma di energia potenziale elastica della molla. Questa energia viene poi, di nuovo, lentamente trasformata in energia cinetica delle lancette.
Nell’esempio della bicicletta, se, sulla strada in pianura, smettiamo di pedalare (anche andando molto veloce), dopo qualche decina di metri ci si ferma. Dove è finita l’energia cinetica? Poiché per il principio di conservazione, l’energia non si distrugge, anche in questo caso si deve essere trasformata in qualche altra forma d’energia.
Precisamente si è trasformata in energia termica, cioè nel calore prodotto per effetto dell’attrito con l’aria e dell’attrito fra le ruote della bicicletta e l’asfalto della strada.
Quando, dopo avviati, si continua a pedalare e la velocità non aumenta, significa che l’energia che si sta impiegando è uguale al calore prodotto per attrito. In modo simile, il pallone che ha colpito il palo, se non viene di nuovo calciato, dopo un po’ si ferma: in questo caso l’energia iniziale del pallone si trasforma in calore per effetto dell’attrito fra il pallone, l’aria e il terreno. Anche l’energia elastica accumulata nella molla dell’orologio subisce la stessa sorte.

Da tutte queste considerazioni è possibile trarre un principio generale che riguarda tutte le trasformazioni di energia:

la forma finale è il calore.

Potremmo adesso chiederci: il calore prodotto per attrito nei tre casi ora esaminati potrebbe essere di nuovo impiegato utilmente? Potrebbe, per esempio, essere riconvertito in energia di movimento della bicicletta, o del pallone o della molla? Purtroppo questo non è possibile! Se Io fosse non ci sarebbe l’esigenza di trovare nuove fonti di energia. Cerchiamo di capire il perché.

Il calore prodotto dalla combustione di una certa quantità di gasolio può essere utilizzato per trasformare dell’acqua in vapore a temperatura elevata. Possiamo poi utilizzare questo vapore per riscaldare una certa massa d’acqua senza farla evaporare.

In questo modo il vapore cede ad essa la sua energia. Si potrebbe utilizzare ancora questa energia per produrre di nuovo vapore? No, non sarebbe possibile. Anche se l’acqua ha tutta l’energia che avevano prima il vapore e il gasolio, con quell’energia non è più possibile trasformare l’acqua in vapore.

È come se l’energia del gasolio, l’energia del vapore e quella dell’acqua si trovassero sui vari gradini di una scala che è impossibile risalire. Ad ogni passaggio l’energia scende di un gradino e perde un po’ della sua efficacia.
Sui gradini più elevati di questa scala immaginaria si trova l’energia cinetica di un corpo, che possiamo chiamare energia meccanica: questa è la forma di energia più «pregiata».
L’energia cinetica di un corpo può essere trasformata in calore a elevatissima temperatura: la punta di un trapano, per esempio, quando perfora un metallo può anche fondersi se non viene raffreddata, e si possono fare molti altri esempi analoghi.

Sulla nostra scala dell’energia, l’energia meccanica si pone più in alto dell’energia termica alla temperatura più alta. Il calore, però, può talvolta essere trasformato in energia meccanica: questo è quanto avviene in tutte le macchine termiche, ma solo in determinate condizioni.
Nel caso di un’automobile, per esempio, il calore, prodotto dalla combustione del carburante nel cilindro, si trasforma in energia cinetica del pistone e quindi del veicolo nel suo complesso. Ciò non avviene per tutto il calore prodotto, ma solo per una piccola parte di esso: una notevole percentuale di questo calore viene disperso nell’ambiente attraverso diverse modalità.
Analogamente in una turbina a vapore solo una parte del calore contenuto nel vapore si trasforma in energia cinetica della turbina, il resto viene disperso; in una centrale termoelettrica, per esempio, questo calore di scarto viene ceduto all’acqua del mare o di un fiume oppure all’aria, in generale all’ambiente esterno.

La trasformazione di energia termica in energia meccanica corrisponde a un’inversione della direzione naturale con cui avvengono le trasformazioni.
L’energia meccanica si trova, abbiamo visto, ai gradini più alti sulla scala dell’energia; quindi trasformare energia termica, anche a temperatura elevata, in energia meccanica, significa risalire quella scala.
Questo è possibile solamente pagando un certo prezzo, cioè perdendo una parte dell’energia disponibile all’inizio sotto forma di calore a bassa temperatura.Maggiore è la temperatura a cui è disponibile l’energia termica iniziale, più «vicina» quindi all’energia meccanica, minore è il prezzo che dobbiamo pagare in termini di perdite di energia.

IL RENDIMENTO DI UNA MACCHINA
In una macchina termica il rendimento, cioè la percentuale del calore che viene trasformato in energia meccanica, è tanto maggiore quanto più elevata è la temperatura iniziale.
Infatti nel corso di una trasformazione di energia termica in energia meccanica viene migliorata la «qualità» di una parte dell’energia disponibile; potremmo dire che questa parte viene «rigradata», ma questo avviene a spese di una perdita di qualità della parte di energia restante, la quale viene invece «degradata».

Ragioniamo ancora con il nostro modello ideale di scala dell’energia.
L’energia termica iniziale, che si trova su un certo gradino, in seguito alla trasformazione si divide in due parti: una parte, l’energia rigradata, cioè l’energia meccanica, risale la scala; un parte, l’energia degradata, cioè il calore disperso a bassa temperatura, scende invece di diversi gradini. Complessivamente, però, quello che si perde è più di quello che si guadagna: alla fine è come se tutta l’energia disponibile all’inizio avesse disceso qualche gradino.

Questa conclusione è molto importante e ci suggerisce un altro principio valido per tutte le trasformazioni di energia, cioè: ogni trasformazione energetica porta inevitabilmente a una degradazione dell’energia inizialmente disponibile.

Il modo in cui avvengono le trasformazioni energetiche ricorda molto il trascorrere del tempo: anche il tempo, infatti, può scorrere in una sola direzione e anche il tempo porta con sé una degradazione; negli esseri viventi il trascorrere del tempo provoca l’invecchiamento e la morte.
In un essere vivente tutte le molecole, le cellule, gli organi sono organizzati per svolgere funzioni ben precise; con la morte scompare questa organizzazione, prevale il disordine. La tendenza verso il disordine è presente in tutte le cose. non solo negli esseri viventi.

Vediamo alcun esempi.Il profumo contenuto in una bottiglietta, lasciata aperta, scompare con il tempo perché evapora e si diffonde nell’aria; non accade mai che il profumo presente nell’aria vada a concentrarsi in una bottiglietta: spontaneamente si passa solo a una situazione in cui le molecole di profumo sono sparse «disordinatamente» dappertutto.
Un recipiente è suddiviso in due parti, A e B, da un’intercapedine isolante. Nella parte A si trova un certo gas ad una certa temperatura T₁, nel la parte B si trova un altro gas ad una temperatura maggiore T₁. Togliendo l’intercapedine, il gas a temperatura maggiore si mescola con quello più freddo e il tutto si porta a una temperatura intermedia T₃.

Come interpretare questo fatto in termini di tendenza al disordine?
Quando nel recipiente si trova l’intercapedine, le molecole più lente sono separate da quelle più veloci: possiamo dire che nel recipiente c’è un certo ordine; togliendo l’intercapedine le molecole lente si mescolano con quelle veloci, dunque l’ordine iniziale scompare e nel recipiente c’è un disordine maggiore.Le molecole di acqua di un fiume si muovono prevalentemente in una direzione, quella della corrente, hanno quindi un movimento ordinato; quando il fiume si immette nel mare, gli urti di quelle molecole con quelle nel mare trasformano quel movimento in un moto disordinato.
Si passa quindi, anche in questo caso, dall’ordine al disordine.

In termini di energia potremmo dire che l’energia cinetica dell’acqua del fiume si degrada in calore a bassa temperatura quando il fiume s’immette nel mare.Quando una freccia colpisce un bersaglio, il moto ordinato della freccia si trasforma nel moto disordinato delle molecole del bersaglio, nello stesso modo in cui l’energia cinetica della freccia si degrada in calore disperso nel bersaglio. A partire da questi esempi potremmo dire che:
a ogni trasformazione energetica corrisponde il passaggio da una situazione più ordinata a una meno ordinata.

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