Energia

Con il termine energia si definisce la capacità di un corpo materiale o un sistema di corpi, di compiere lavoro a seguito di una variazione di qualche tipo (di temperatura, composizione chimica, velocità, posizione).

L’energia è una grandezza fisica la cui unità di misura nel Sistema Internazionale (SI) è il joule (simbolo J).

Principio di conservazione dell’energia

Il principio di conservazione dell’energia afferma che, durante una trasformazione l’energia coinvolta permane costante nel tempo (ovvero si conserva anche se cambia forma).

Tale principio nel caso di forze conservative è dato dalla somma dell’energia cinetica e di quella potenziale. Mentre, nel caso in cui la trasformazione avvenga con il contributo di forze non conservative (forze dissipative) tale principio si può estendere tenendo conto dell’energia termica (calore) liberata dai fenomeni di attrito.

Tipologie e forme di energia

In natura esistono diverse tipologie di energia e tutte le forme di energia, nella loro diversità, hanno una caratteristica comune: sono sempre espressione di un sistema capace di esercitare una forza, che può agire contro un’altra forza.

Possiamo individuare alcune forme di energia, quasi tutte riscontrabili nella nostra esperienza quotidiana:

  • energia termica (calore)
  • energia chimica
    • energia atomica
    • energia di legame
    • energia interna
    • energia libera
    • energia nucleare
  • energia elettrica
  • energia magnetica
  • energia elettromagnetica
  • energia meccanica
    • energia cinetica
    • energia potenziale
    • energia elastica
  • energia acustica
  • energia oscura

Energia termica

L’energia termica (ossia il calore) può essere definita come la somma dell’energia cinetica di tutte le particelle (atomi ) di un sistema termodinamico. Da tale definizione si può dedurre, dunque, che qualunque corpo ad una temperatura superiore allo zero, possiede una certa quantità di energia termica. Tale condizione ha una grandezza estensiva ed è direttamente proporzionale alla temperatura che il corpo genera.

Energia chimica

L’energia chimica è una forma di energia che si manifesta nella formazione o rottura di legami chimici, di qualsiasi tipo, negli elementi chimici coinvolti in reazioni chimiche. Dato che la forza dei legami chimici è associata alla distanza tra le specie chimiche, l’energia chimica dipende dalla posizione reciproca delle particelle che costituiscono una sostanza. La distanza è proporzionale alla forza del legame chimico, più il legame è forte più vicine tra loro saranno le specie chimiche coinvolte nel legame.

L’energia chimica è quindi l’energia immagazzinata nei legami chimici ed è sostanzialmente riconducibile alla somma tra l’energia potenziale delle interazioni elettrostatiche delle cariche presenti nella materia ponderabile, e l’energia cinetica degli elettroni. Se si considera come “livello zero” di energia chimica quello in cui non sussistono legami chimici, l’energia chimica risulta negativa.

Energia interna

Le particelle elementari che costituiscono qualunque elemento di materia possiedono energia sottovarie forme: ci sono forme che si manifestano a livello macroscopico, come l’energia cinetica o quella potenziale associate al movimento o alla presenza di un campo gravitazionale, e forme che invece non sono normalmente manifeste perché possedute dalle particelle a livello microscopico.

Quindi, possiamo affermare che l’energia totale \(E\) di un corpo è somma delle energia possedute a livello macroscopico (ossia energia cinetica \(E_C\) ed energia potenziale \(E_P\)) e dell’energia a livello microscopico (cioè appunto ciò che abbiamo definito energia interna \(U\)):

\[E=E_C+E_P+U\]

Per facilitare l’introduzione del concetto di energia interna, è possibile far riferimento ad un sistema termodinamico in quiete, per il quale, cioè, i termini \(E_C\) ed \(E_P\) sono costanti e risulta perciò \(\Delta E_C = 0\) e \(\Delta E_P = 0\). Volendo invece dare una espressione ancora più generale per il 1° principio della termodinamica, possiamo scriverlo nella forma:

\[\Delta E = E_{fin}-E_{in}=\Delta E_C +\Delta E_P + \Delta U = Q-L\]

Un caso particolare di applicazione del 1° principio della termodinamica è quello di un sistema isolato, ossia di un sistema chiuso (che cioè non scambia materia) che non scambia nemmeno energia con l’ambiente (\(Q=0 \) e \(L=0\)): in questo caso, abbiamo semplicemente che \(\Delta E=0\).

Ad ogni modo, finche considereremo sistemi chiusi, faremo sempre riferimento a sistemi in quiete, per cui la relazione da usare è quella introdotta nel paragrafo precedente. Viene misurata in joule nel sistema internazionale.

Energia elettrica

L’energia elettrica è l’energia associata al fenomeno dell’elettricità, in particolare è possibile distinguere sia l’energia elettrica di tipo elettrostatico, associata a una distribuzione fissa di cariche, sia, più comunemente, l’energia di una corrente elettrica (cariche in movimento). L’energia elettrica deriva da processi di trasformazione di altri tipi di energia (chimica, meccanica, irraggiamento solare, termica, idraulica, eolica, ecc.) che avvengono all’interno di generatori di corrente (centrali per la produzione di energia elettrica di vario tipo o accumulatori come: pile chimiche, dinamo e alternatori, pile fotoelettriche, termopile, ecc.).

Energia meccanica

L’energia meccanica di un sistema è data dalla somma di due contributi: l’energia cinetica e l’energia potenziale. Quando due sistemi si scambiano tra loro energia meccanica, tale energia in transito è definita lavoro. Pertanto l’energia meccanica può essere posseduta da un sistema e scambiata con altri sistemi, mentre il lavoro corrisponde solamente alla parte di energia meccanica che viene scambiata.

Teorema di conservazione dell’energia meccanica

Il teorema di conservazione dell’energia meccanica afferma che: per un punto materiale in moto, sottoposto alle sole forze esercitate da un campo conservativo, l’energia meccanica totale \(E\) (data dalla somma dell’energia cinetica \(K\) e dell’energia potenziale \(U\); escludendo il contributo dell’energia interna) permane costante.

Fonti di energia

Indipendentemente dalla loro origine, le fonti di energia si distinguono in fonti primarie (che a loro volta si suddividono in fonti primarie rinnovabili e fonti primarie non rinnovabili) e fonti secondarie.

Categorie Fisica

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