Energia

L'energia è definita come la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro. Dal punto di vista strettamente termodinamico l'energia è definita come tutto ciò che può essere trasformato in calore a bassa temperatura.

Origine del termine

La parola energia deriva da tardo latino energīa, a sua volta dal greco energheia, usata da Aristotele nel senso di azione efficace, composta da en, particella intensiva, ed ergon, capacità di agire. Fu durante l'epoca del Rinascimento che, ispirandosi alla poesia aristotelica, il termine fu associato all'idea di forza espressiva. Ma fu solo nel 1619 che Keplero usò il termine nell'accezione moderna di energia fisica.

Misurazione

L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale per l'energia e il lavoro è il joule (simbolo: J), chiamata così in onore del fisico inglese James Prescott Joule e dei suoi esperimenti sull'equivalente meccanico del calore. 1 joule esprime l'energia usata (o il lavoro effettuato) per esercitare una forza di un newton per una distanza di un metro. 1 joule equivale quindi a 1 newton metro, e in termini di unità base SI, 1 J è pari a 1 kg × m² × s^-2 (in unità CGS l'unità base è l'erg 1 g × cm² × s^-2).

Caratteristiche dell'energia

Dal punto di vista della fisica, ogni sistema contiene, o "immagazzina", o è costituito da un determinato quantitativo di una proprietà scalare continua chiamata energia (con l'eccezione dei sistemi quantistici, dove un sistema può esistere solo su livelli energetici discreti). Per determinare la quantità di energia di un sistema si deve tenere conto delle diverse forme nelle quali l'energia si presenta entro un sistema (si veda Forme di energia per l'elenco delle forme di energia). Non esiste una maniera univoca di visualizzare l'energia. Può essere pensata come una grandezza matematica che caratterizza un sistema, utile per fare delle previsioni, ad esempio sulle strutture stabili del sistema (minimi energetici), moti possibili, ecc.

Il primo tipo di previsioni che l'energia permette di fare, sono legate a quanto lavoro un sistema è in grado di compiere. Svolgere un lavoro richiede energia, e quindi la quantità di energia presente in un sistema limita la quantità massima di lavoro che detto sistema può svolgere. Nel caso unidimensionale, l'applicazione di una forza per una distanza richiede un'energia pari al prodotto del modulo della forza per lo spostamento.

Si noti, comunque, che non tutta l'energia di un sistema è immagazzinata in forma utilizzabile; quindi, in pratica, la quantità di energia di un sistema, disponibile per produrre lavoro, può essere molto meno di quella totale del sistema.

L'energia permette anche di fare altre previsioni. Infatti, grazie alla legge di conservazione dell'energia valida per sistemi chiusi, si può determinare lo stato cinetico di un sistema sottoposto ad una sollecitazione quantificabile. Questa e altre leggi, applicate all'universo nel suo intero, affermano che l'energia non si crea e non si distrugge, bensì si trasforma e si degrada (vedi i principi della termodinamica).

La celebre equazione di Einstein $E=mc^{2}$, diretta derivazione della teoria della relatività ristretta, mostra come in realtà massa ed energia siano due "facce della stessa medaglia" di un sistema fisico. Da questa semplice equazione si evince infatti che la massa può essere trasformata in energia, e viceversa.

Energia, massa e spazio-tempo

Secondo la relatività ristretta, ogni forma di energia possiede una massa equivalente $m=E/c^{2}$, dove c è la velocità della luce. Secondo la teoria della relatività generale la massa-energia di un corpo è responsabile della curvatura dello spazio-tempo, che appare sottoforma di una forza di gravità.

Forme di energia

L'energia esiste in varie forme, ognuna delle quali possiede una propria equazione dell'energia. Alcune delle più comuni forme di energia sono le seguenti:

• Energia meccanica, definita classicamente come somma di potenziale e cinetica
• Energia cinetica
• Energia termica
• Energia potenziale
• Energia potenziale gravitazionale
• Energia elettrica
• Energia chimica
• Energia nucleare
• Energia libera
• Radiazione elettromagnetica o Energia raggiante
• Energia magnetica
• Energia di massa
• Energia geotermica
• Energia eolica
• Energia solare
• Energia elastica

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