Energia

L'energia è la grandezza fisica che misura la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro, a prescindere dal fatto che tale lavoro sia o possa essere effettivamente svolto.

Il termine energia deriva dal tardo latino energīa, a sua volta desunto dal greco ἐνέργεια (enérgeia),. La parola è composta da en, particella intensiva, ed ergon, capacità di agire..

Il termine è stato introdotto da Aristotele in ambito filosofico per distinguere la δύναμις, la possibilità, la "potenza" propria della materia informe, dalla reale capacità (ἐνέργεια) di far assumere in atto, realtà formale alle cose.

La parola italiana "energia" non è direttamente derivata dal latino, ma è ripresa nel XV secolo dal francese "énergie". «In Francia énergie è usato dal XV secolo nel senso di "forza in azione", con vocabolo direttamente derivato dal latino, mai con significato fisico. In Inghilterra nel 1599 energy è sinonimo di "forza o vigore di espressione". ... Thomas Young è il primo ad usare, nel 1807, il termine energy in senso moderno»

Il concetto di energia può emergere intuitivamente dall'osservazione sperimentale che la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro diminuisce a mano a mano che questo viene prodotto. In questo senso l'energia può essere definita come una proprietà posseduta dal sistema che può essere scambiata fra i corpi attraverso il lavoro.

Unità di misura

L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale per l'energia è il joule (simbolo: J); in termini di unità fondamentali del SI, 1 J è pari a 1 kg·m²·s⁻². Nel CGS l'unità di misura per l'energia è l'erg, equivalente ad 1 dyne·centimetro e in termini di unità base CGS a 1 g·cm²·s⁻² (corrisponde a 10⁻⁷ J).

A seconda dell'ambito, altre unità di misura sono adottate per misurare l'energia:

• elettronvolt = 1,60217646×10⁻¹⁹
• caloria = 4,186 799 940 9 J
• British thermal unit (BTU) = 1 055,06 J
• kilowattora =

Importanza fisica

L'energia è una grandezza fisica estensiva (l'energia di due corpi è semplicemente la somma delle energie dei corpi presi singolarmente), che ha una importanza centrale nella formulazione di molte teorie, dalla meccanica classica alla termodinamica, dalla teoria della relatività alla meccanica quantistica.

Una precisa definizione di energia non è semplice da fornire, l'energia non ha alcuna realtà materiale ma è piuttosto un concetto matematico astratto che esprime un vincolo rispetto ai processi possibili e una simmetria temporale delle leggi fisiche. Non esiste quindi nessuna sostanza o fluido corrispondente all'energia pura. Come scrisse Feynman:

(EN)

«It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is.»

(IT)

«È importante tener presente che nella fisica oggi, non abbiano alcuna conoscenza di cosa sia l'energia.»

(Richard Feynman, La fisica di Feynman, Vol I, p 4-1)

Un corpo può incrementare o diminuire la sua energia in seguito ad una interazione con altri corpi, la variazione di energia riflette quindi i cambiamenti occorsi nelle sue proprietà microscopiche . Esistono numerose possibili interazioni, dal punto di vista qualitativo si possono distinguere la meccanica, con ad esempio urti fra corpi rigidi o forze fra particelle puntiformi, dalla termodinamica, dove si considerano ad esempio le reazioni fra gas a temperature differenti. Dal punto di vista del tipo di interazione, esistono in natura diversi tipi di forze, come quella gravitazionale, quella nucleare o quella elettrica. Tuttavia, tutti questi possibili processi lasciano invariata la quantità totale di energia, che quindi diviene la grandezza fisica costante per sistemi chiusi o isolati.

Il principio di conservazione dell'energia

Evento di scattering creato da un neutrino osservato in una camera a bolle. La linea tratteggiata gialla corrisponde al neutrino entrante, non visibile perché neutro, che colpisce un protone. Il neutrino e le sue interazioni furono teorizzate da Pauli e Fermi, basandosi sul principio di conservazione dell'energia.

L'invarianza della quantità totale dell'energia è espressa principio di conservazione dell'energia, secondo il quale la variazione di energia in una regione di spazio è uguale al flusso netto di energia che fluisce verso lo spazio esterno. Sebbene l'espressione esatta dell'energia possa variare a seconda dei casi considerati, finora non è stato scoperto nessun processo in grado di incrementare o diminuire globalmente l'energia, questa può solo cambiare forma trasformandosi.

Il principio di conservazione ha guidato la scoperta di nuove forme di energie e ha permesso di scoprire nuovi tipi di processi fisici e perfino nuove particelle. Agli inizi del XX secolo furono scoperti alcuni decadimenti nucleari con emissione di elettroni che non sembravano soddisfare il principio di conservazione dell'energia. Per risolvere il problema nel 1924 Niels Bohr avanzò l'idea che a livello atomico l'energia non fosse strettamente conservata, proponendo una teoria che si rivelò errata. Wolfgang Pauli nel 1930 e Enrico Fermi nel 1934, ritenendo fondamentale e tenendo ferma la conservazione dell'energia, postularono invece l'esistenza di nuove interazioni e di una nuova particella mai osservata prima che fosse in grado di trasportare l'energia che risultava mancante negli esperimenti. In questo modo, guidati dal principio di conservazione dell'energia, riuscirono a scoprire il neutrino, una particella priva di carica elettrica effettivamente osservata negli esperimenti nel 1959.

Il principio di conservazione dell'energia riflette la simmetria temporale delle leggi fisiche rispetto a traslazioni temporali, il fatto cioè che queste non cambiano con lo scorrere del tempo. Un esperimento condotto ad un tempo $t$ fornirà lo stesso risultato dello stesso esperimento fatto nelle stesse medesime condizioni ma al tempo $t+\Delta t$. Nella teoria della relatività, la conservazione dell'energia e la conservazione della quantità di moto sono riuniti in un'unica legge che corrisponde globalmente alla simmetria delle traslazioni nello spaziotempo quadridimensionale.

L'energia cinetica

L'energia cinetica è l'energia che dipende unicamente dallo stato di moto del sistema preso in considerazione e delle sue relative componenti. Per un corpo puntiforme l'energia cinetica $E_{K}$ è uguale alla metà del prodotto della massa del corpo per il quadrato della sua velocità:

$E_{K}={\frac {1}{2}}mv^{2}$

L'energia cinetica è una grandezza che può assumere solo valori positivi. Considerando corpi rigidi estesi non puntiformi, l'energia cinetica dipenderà anche dalla velocità angolare attraverso un termine aggiuntivo chiamato energia rotazionale.

La variazione dell'energia cinetica a seguito dell'azione di una forza è legata al lavoro, cioè al prodotto scalare della forza per la distanza dello spostamento effettuato. Il lavoro $W$ di una forza compiuto su di un corpo è infatti uguale al cambiamento dell'energia cinetica del corpo stesso:

$W=\sum _{s}{\vec {F}}\cdot \Delta {\vec {s}}=(E_{K})_{\textrm {finale}}-(E_{K})_{\textrm {iniziale}}$

in base al teorema energia-lavoro o teorema delle forze vive.

L'energia potenziale

Il pendolo è un esempio di come l'energia cinetica è convertita in quella potenziale e viceversa. Al punto più alto la velocità del pendolo (vettore blu) è nulla e l'energia potenziale gravitazionale è massima, al punto più basso l'energia potenziale è nulla e la velocità è massima. La differenza dell'energia potenziale si è quindi convertita in energia cinetica.

L'energia potenziale è un tipo di energia che dipende unicamente dalla configurazione o dalla posizione dei corpi e delle particelle in interazione.

A seconda del tipo di interazione e di forza considerata esistono numerosi tipi di energia potenziale. Il classico esempio di energia potenziale è quella del campo gravitazione terrestre $E_{pt}$, che per un corpo di massa $m$ posto ad un'altezza $h$ è uguale a:

$E_{pt}=mgh$

dove $g=9.81m/s^{2}$ è l'accelerazione di gravità. Questo tipo di energia dipende solo dalla posizione di un corpo e quando questo viene lasciato cadere l'energia potenziale cambia durante il tempo la propria forma diventando cinetica. L'energia potenziale è definita a meno di una costante additiva, in questo esempio a meno della possibile scelta del punto rispetto a cui misurare $h$.

Il calore e lavoro come forme di scambio di energia

Il calore e il lavoro non possono essere definiti come "forme di energia", sebbene abbiano le sue stesse unità di misura, dato che non sono proprietà di un singolo corpo ma piuttosto sono proprietà della trasformazione termodinamica presa in considerazione. In altre parole, il calore e il lavoro non sono posseduti da un sistema (come avviene invece per le altre forme di energia), ma sono invece "energia in transito", la manifestazione sperimentale dello scambio di energia che avviene attraverso due sistemi. Il calore e il lavoro possono tuttavia essere misurati e utilizzati nella pratica per prevedere la differenza di energia posseduta da un corpo fra la fine e l'inizio del processo o della trasformazione.

In termodinamica il principio di conservazione dell'energia è contenuto nel primo principio della termodinamica, secondo il quale la variazione di energia di un sistema $\Delta E$ è uguale alla somma del calore $Q$ e del lavoro $W$ rispettivamente compiuto e ceduto dall'ambiente esterno al sistema:

$\Delta E=Q+W$

Non tutta l'energia di un sistema è in grado di produrre lavoro in una trasformazione termodinamica, per via del secondo principio della termodinamica. La quantità di energia di un sistema disponibile per produrre lavoro può essere infatti molto minore di quella totale del sistema. Il rapporto tra l'energia utilizzabile e l'energia fornita da una macchina viene chiamato rendimento.

Energia: storia del termine e della nozione

Il termine "energia" fu usato per la prima volta per indicare una grandezza fisica da Keplero nel suo Harmonice Mundi del 1619, tuttavia il termine "energia" fu introdotto sistematicamente nella letteratura scientifica in termini moderni solo a partire dalla fine del XIX secolo. Prima di allora si alternarono a seconda del contesto e dell'autore anche i termini vis viva, "forza" o "lavoro". Il primo si conserva come tradizione storica ancora oggi nel nome di alcuni teoremi, mentre gli ultimi due termini hanno acquisito nella fisica moderna un significato completamente differente da quello dell'energia.

La controversia sulla vis viva

Storicamente la prima grandezza simile a quella che oggi è indicata come energia cinetica apparve negli studi di Leibniz nel 1686, chiamata con il nome di vis viva ("forza viva") in contrapposizione alla vis mortua ("forza morta") usata per designare l'inerzia. Il dibattito principale nella fisica del XVII e XVIII secolo era incentrato concettualmente non su di un principio conservazione, ma piuttosto sulla ricerca di una grandezza fisica che fosse in grado di misurare gli effetti dell'azione di una forza sui corpi, o in termini moderni di una interazione fra questi. Una forza che agisce su di un corpo avrà l'effetto di modificarne la sua velocità, così facendo cambieranno sia l'energia cinetica che la quantità di moto ${\vec {q}}$ definita come:

${\vec {q}}=m{\vec {v}}$

A partire da queste due diverse possibilità nacque lo scontro fra Leibniz che riteneva più adeguata come misura di una forza la "vis viva" e i sostenitori delle teoria cartesiana, che utilizzavano invece la quantità di moto. Nella formulazione odierna della meccanica classica, entrambe le grandezze hanno la stessa importanza: come fu chiaro a partire d'Alembert il problema era unicamente legato all'uso di due punti di vista differenti. Infatti è possibile considerare gli effetti di una forza sommati rispetto a intervalli di tempo $\Delta t$, da cui si ricava la variazione della quantità di moto direttamente in base al primo principio della dinamica:

$\sum _{t}{\vec {F}}\Delta t=\sum _{t}(m{\vec {a}})\Delta t=\sum _{t}\left(m{\frac {\Delta {\vec {v}}}{\Delta t}}\right)\Delta t=\sum _{t}\Delta (m{\vec {v}})={\vec {q}}_{\textrm {finale}}-{\vec {q}}_{\textrm {iniziale}}$

Oppure è possibile considerare gli effetti di una forza sommati rispetto allo spazio, avendo in mente come esempio la compressione di una molla che frena un corpo in moto. Il risultato che si ottiene è che il lavoro $W$ di una forza compiuto su di un corpo è uguale al cambiamento dell'energia cinetica del corpo stesso:

$W=\sum _{s}{\vec {F}}\cdot \Delta {\vec {s}}=(E_{K})_{\textrm {finale}}-(E_{K})_{\textrm {iniziale}}$

In questo senso la differenza di energia cinetica o della quantità di moto finale e iniziale sono solo due misure diverse degli effetti dell'azione di una forza.

Importanza tecnologica

In ambito tecnologico l'energia permette, tramite il suo sfruttamento a livello industriale, la trasformazione di materie prime in prodotti o beni finali o direttamente la fornitura di servizi utili all'uomo e alla società.

La società moderna è estremamente dipendente dall'energia (in particolare nelle sue forme di energia meccanica, energia elettrica, energia chimica e energia termica) in tutti i suoi processi produttivi e gestionali (ad esempio autotrazione, trasporto marittimo e aereo, riscaldamento, illuminazione, funzionamento apparecchiature elettriche e processi industriali). Grande interesse e preoccupazione riveste dunque il problema energetico globale riguardo l'esaurimento nel tempo delle fonti fossili, la principale fonte di energia primaria il cui utilizzo intensivo ha permesso il notevole sviluppo economico dalla prima rivoluzione industriale fino ai giorni nostri.

Forme di energia

L'energia esiste in varie forme, ognuna delle quali ha una propria espressione in termini dei dettagli del sistema considerato, come la velocità o la distanza relativa fra particelle. Le principali forme di energia sono:

• Energia meccanica, definita classicamente come somma di energia potenziale e energia cinetica
• Energia chimica
• Energia elettromagnetica
• Energia termica
• Energia nucleare

Altre forme di energia possono essere ricondotte a quelle menzionate; ad esempio l'energia elastica non è altro che l'energia potenziale posseduta da un materiale elastico sottoposto a deformazione. L'energia luminosa o radiante invece altro non è che l'energia trasportata dei fotoni che compongono la luce, quindi è una particolare forma di energia elettromagnetica.

La massa come forma di energia

La celebre equazione di Einstein E=mc², diretta derivazione della teoria della relatività ristretta, mostra come massa ed energia siano due "facce della stessa medaglia" di un sistema fisico. Da questa semplice equazione si evince infatti che l'energia contribuisce all'inerzia di un corpo come la massa, cioè anche l'energia contribuisce alla resistenza di corpo ad essere accelerato.

Le leggi quantistiche hanno mostrato che la massa può essere trasformata in energia e viceversa, nei processi nucleari ad esempio il decadimento dei metalli pesanti come l'uranio in elementi più leggeri comporta un difetto di massa corrispondente alla liberazione di energia sotto forma di radiazione.

Rispetto quindi alla meccanica classica, dove la massa e l'energia sono separatamente conservate, in relatività ristretta i due principi fisici possono essere fusi in un principio unico sotto la denominazione di principio di conservazione della massa/energia.

Conversione e trasformazione dell'energia

Si parla di "conversione" quando si passa da una forma di energia ad un'altra, mentre si parla di "trasformazione" quando la forma di energia resta la stessa, ma se ne modificano alcuni parametri caratteristici.

Ad esempio una pila permette di convertire l'energia chimica in energia elettrica, mentre un trasformatore permette di trasformare l'energia elettrica variandone la tensione e l'intensità di corrente.

Ogni volta che avviene una conversione, una parte di energia (più o meno consistente) viene inevitabilmente convertita in energia termica; si parla in questo caso di "effetti dissipativi".

Fonti di energia elettrica

Consumo di energia nel mondo ripartito per nazione (dal 1989 al 1998). Unità di misura: 10¹⁵ Btu.

Consumo delle fonti energetiche nel mondo con riferimento al tipo di fonte energetica (dati del 2004).

Le principali fonti di energia attraverso le quali è possibile produrre energia elettrica sono:

• Energia idroelettrica
• Energia mareomotrice
• Energia geotermica
• Energia eolica
• Energia solare
• Energia magnetica
• Energia potenziale
• Energia racimolata
• Energia cinetica.

Con il termine "energie rinnovabili" si intendono quelle fonti di energia che non si esauriscono o si esauriscono in tempi che vanno oltre la scala dei tempi "umani" (ad esempio: energia solare, eolica, geotermica, mareomotrice, fusione nucleare), altrimenti si parla di "energie non rinnovabili" (ad esempio petrolio e carbone), mentre con il termine "energie alternative" si intendono le fonti di energia che possono essere impiegate in sostituzione dell'energia chimica prodotta dai classici combustibili o fonti fossili.

L'energia in fisica classica e in meccanica quantistica

Nella fisica classica, l'energia è una proprietà scalare continua immagazzinata da un sistema.

Nella meccanica quantistica invece per i sistemi legati (cioè i sistemi in cui l'energia della particella non supera le barriere di potenziale) è "quantizzata", cioè può assumere un numero discreto di valori (o "livelli energetici").

Bibliografia

• Richard Feynman, La fisica di Feynman, Bologna, Zanichelli, 2001.:
  • Vol.I, cap.4: Conservazione dell'energia
  • Vol. I, cap. 13: Lavoro ed energia potenziale (A)
  • Vol. I, par. 15-9 Equivalenza di massa ed energia
  • Vol. I, par. 16-5 Energia relativistica
• Enrico Turchetti, Romana Fasi, Elementi di Fisica, 1ª ed., Zanichelli, 1998, ISBN 88-08-09755-2.

Voci correlate

• Principio di conservazione
• Legge di conservazione dell'energia
• Lavoro (fisica)
• Calore
• Potenza (fisica)
• Densità energetica
• Efficienza energetica
• Energia di interazione
• Energia interna
• Energia libera
• Energia libera di Gibbs
• Energia libera di Helmholtz
• Energia di ionizzazione
• Energia di legame
• Energia a gradiente salino
• Energia oscura
• Energia del vuoto
• Energia di punto zero
• Energia grigia
• Energetica
• Disastri energetici
• Immagazzinamento dell'energia
• Problema energetico
• Risorse e consumo di energia nel mondo

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