Poiché l’energia assume molte forme, di cui solo alcune possono essere viste o percepite, viene definita in base al suo effetto sulla materia. Ad esempio, i forni a microonde producono energia per cuocere i cibi, ma non possiamo vederla. Al contrario, possiamo vedere l’energia prodotta da una lampadina quando la accendiamo. In questa sezione descriviamo le forme di energia e discutiamo la relazione tra energia, calore e lavoro.
Forme di energia
Le forme di energia comprendono l’energia termica, l’energia radiante, l’energia elettrica, l’energia nucleare e l’energia chimica. L’energia termica deriva dal movimento di atomi e molecole; più veloce è il movimento, maggiore è l’energia termica. La temperatura di un oggetto è una misura del suo contenuto di energia termica. L’energia radiante è l’energia trasportata dalla luce, dalle microonde e dalle onde radio. Gli oggetti lasciati in pieno sole o esposti alle microonde si riscaldano perché gran parte dell’energia radiante che assorbono viene convertita in energia termica. L’energia elettrica deriva dal flusso di particelle elettricamente cariche. Quando il suolo e una nuvola sviluppano una separazione di carica, ad esempio, il flusso di elettroni che ne deriva da uno all’altro produce un fulmine, una forma naturale di energia elettrica. L’energia nucleare è immagazzinata nel nucleo di un atomo, mentre l’energia chimica è immagazzinata all’interno di un composto chimico grazie a una particolare disposizione degli atomi.
L’energia elettrica, l’energia nucleare e l’energia chimica sono forme diverse di energia potenziale (EP), ovvero l’energia immagazzinata in un oggetto a causa delle posizioni o degli orientamenti relativi dei suoi componenti. Un mattone appoggiato sul davanzale di un ufficio al 10° piano ha una grande quantità di energia potenziale, ma finché la sua posizione non cambia cadendo, l’energia è contenuta.
L’energia cinetica (KE) è invece l’energia dovuta al movimento di un oggetto. Quando il mattone cade, la sua energia potenziale si trasforma in energia cinetica, che viene poi trasferita all’oggetto a terra che colpisce. L’attrazione elettrostatica tra particelle di carica opposta è una forma di energia potenziale, che viene convertita in energia cinetica quando le particelle cariche si muovono l’una verso l’altra.
L’energia può essere convertita da una forma all’altra o trasferita da un oggetto all’altro. Ad esempio, quando si sale su una scala per raggiungere un trampolino alto, il corpo utilizza energia chimica prodotta dalla combustione di molecole organiche. Durante la salita, l’energia chimica viene convertita in lavoro meccanico per vincere la forza di gravità. Quando ci si trova all’estremità del trampolino, l’energia potenziale è maggiore di quella che si aveva prima di salire la scala: maggiore è la distanza dall’acqua, maggiore è l’energia potenziale. Quando poi ci si tuffa in acqua, l’energia potenziale viene convertita in energia cinetica durante la caduta e, quando si tocca la superficie, una parte di questa energia viene trasferita all’acqua, facendola schizzare in aria. Anche l’energia chimica può essere convertita in energia radiante; un esempio comune è la luce emessa dalle lucciole, prodotta da una reazione chimica.
Anche se l’energia può essere convertita da una forma all’altra, la quantità totale di energia nell’universo rimane costante. Secondo quanto enunciato dalla legge della conservazione dell’energia, anche nota come prima legge della termodinamica. L’energia non può essere creata o distrutta.
Energia, calore e lavoro
Una definizione di energia è la capacità di compiere lavoro. La forma di lavoro più semplice da visualizzare è il lavoro meccanico ovvero l’energia necessaria per spostare un oggetto di una distanza d quando è contrastato da una forza F, come la gravità:
lavoro = forza × distanza
Poiché la forza (F) che si oppone all’azione è uguale alla massa (m) dell’oggetto per la sua accelerazione (a), possiamo anche scrivere l’equazione nel modo seguente:
lavoro = massa × accelerazione × distanza
Considerate il lavoro meccanico necessario per spostarsi dal primo al secondo piano di un edificio. Sia che si prenda un ascensore o una scala mobile, che si arranchi al piano superiore o che si saltino le scale due alla volta, si spende energia per vincere la forza di gravità. La quantità di lavoro compiuto e quindi l’energia necessaria dipendono da tre fattori: (1) l’altezza del secondo piano (la distanza d); (2) la vostra massa, che deve essere sollevata da quella distanza contro l’accelerazione verso il basso dovuta alla gravità; e (3) il vostro percorso. Il calore invece, è l’energia termica che può essere trasferita da un oggetto a una certa temperatura a un oggetto a un’altra temperatura. Il trasferimento netto di energia termica cessa quando i due oggetti raggiungono la stessa temperatura.
L’energia di un oggetto può essere modificata solo attraverso il trasferimento di energia da o verso un altro oggetto sotto forma di calore: gli oggetti caldi possono anche perdere energia sotto forma di energia radiante, come il calore o la luce. Questa energia viene convertita in calore quando viene assorbita da un altro oggetto. L’energia radiante è quindi equivalente al calore. lavoro svolto sull’oggetto o da esso, o una qualche combinazione di calore e lavoro. Si consideri, ad esempio, l’energia immagazzinata in una batteria completamente carica; questa energia può essere utilizzata principalmente per eseguire lavoro (ad esempio, far funzionare un ventilatore) o per generare luce e calore (ad esempio, una lampadina). In entrambi i casi, quando la batteria è completamente scarica, la variazione totale di energia è la stessa, anche se la frazione rilasciata come lavoro o calore varia notevolmente. La somma del calore prodotto e del lavoro svolto equivale alla variazione di energia (ΔE):
variazione di energia = calore + lavoro
L’energia è una proprietà estesa della materia: ad esempio, la quantità di energia termica di un oggetto è proporzionale sia alla sua massa sia alla sua temperatura. Uno scaldabagno che contiene 150 L di acqua a 50°C contiene molta più energia termica rispetto a una pentola da 1 L di acqua a 50°C. Allo stesso modo, una bomba contiene molta più energia chimica di un petardo.
Released under Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 License
