Trasformazioni di energia

L’energia è una funzione di stato che è meglio definita come la capacità di fare lavoro o di produrre calore. Ci sono molte forme di energia (per esempio, energia radiante, energia cinetica, energia potenziale, ecc.) ognuna delle quali può essere convertita in altre forme di energia. La legge fondamentale della termodinamica afferma che l’energia totale dell’universo è fissa e che l’energia non può essere creata o distrutta, ma solo convertita da una forma all’altra.

L’energia può essere cambiata, o trasformata, da una forma all’altra. La trasformazione dell’energia è chiamata anche conversione energetica. L’unità del Système International d’Unités (SI) per l’energia è il joule (J), dal nome di James Joule, che dimostrò che il lavoro può essere convertito in calore. Il joule è l’unità fondamentale dell’energia sia per il lavoro che per il calore ed è il lavoro fatto da una forza di un Newton che agisce attraverso una distanza di un metro. Il joule è anche uguale a 1/4,184 di una caloria. L’energia è spesso espressa come caloria (cal), che è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un grammo di acqua di un grado Celsius alla pressione di un’atmosfera. Una caloria è uguale a 4,184 joule. La caloria (Cal; chiamata anche kilocaloria) che è usata per esprimere l’energia nel cibo, è uguale a 1.000 calorie.

L’energia cinetica è l’energia di un oggetto in movimento ed è legata dalla formula newtoniana 1/2mv2 (dove m è uguale alla massa in Kg e v è uguale alla velocità in metri/secondo). Un oggetto in movimento può far fare lavoro ad un altro oggetto scontrandosi con esso, facendolo muovere di una particolare distanza. Gli oggetti che si scontrano possono essere un martello che colpisce un chiodo, o due atomi che si scontrano in una reazione chimica. Esempi di energia cinetica includono l’energia meccanica (causata dal movimento di parti) e l’energia termica (causata dal movimento casuale di particelle di materia). Un oggetto che ha energia potenziale ha energia in virtù della posizione ed è correlato dall’equazione newtoniana PE=mgh (dove m equivale alla massa in Kg, g all’accelerazione dovuta alla gravità – circa 9,8 m/s2 vicino alla superficie terrestre – e h all’altezza in metri). Ad un certo punto, quell’oggetto ha subito un lavoro che ha portato all’accumulo di energia. Un esempio di lavoro eseguito su un oggetto per dargli energia potenziale è il sollevamento di un corpo contro la forza gravitazionale della Terra. Mentre viene sollevato, il corpo guadagna energia potenziale che viene convertita in energia cinetica mentre il corpo cade.

Un altro esempio di energia potenziale è l’acqua in un serbatoio elevato. Se si lascia cadere l’acqua su una ruota e la ruota gira, la ruota che gira può essere usata per produrre elettricità. L’acqua nel serbatoio ha energia potenziale gravitazionale. L’energia potenziale dell’acqua si trasforma in energia meccanica della ruota, che viene poi ulteriormente trasformata in energia elettrica.

Nel 1845, Joule fece un esperimento che dimostrò la trasformazione dell’energia sia qualitativamente che quantitativamente. L’esperimento non era complicato: mise una ruota a pale in un serbatoio d’acqua e misurò la temperatura dell’acqua. Fece girare la ruota nell’acqua per un periodo di tempo, poi lesse di nuovo la temperatura. Trovò che la temperatura dell’acqua aumentava man mano che si muoveva la ruota a pale. Joule quantificò questa osservazione e scoprì che una quantità uguale di energia era sempre necessaria per aumentare la temperatura dell’acqua di un grado. Scoprì anche che non doveva essere energia meccanica; poteva essere energia in qualsiasi forma. Ottenne gli stessi risultati con l’energia elettrica o magnetica che con l’energia meccanica. Gli esperimenti di Joule dimostrarono che diverse forme di energia sono equivalenti e possono essere convertite da una forma all’altra.

Interessante, come si espresse Joule, l’energia richiesta per aumentare una libbra di acqua di un grado sulla scala Fahrenheit è uguale alla quantità di energia ottenuta da un peso di 890 libbre dopo essere caduto di un piede nel campo gravitazionale della Terra.

Queste osservazioni portarono a quella che oggi viene chiamata “Legge di conservazione dell’energia”. Questa legge afferma che ogni volta che l’energia viene trasferita tra due oggetti, o convertita da una forma all’altra, nessuna energia viene creata e nessuna viene distrutta. La quantità totale di energia coinvolta nel processo rimane la stessa.

La maggior parte delle reazioni chimiche comporta trasformazioni di energia. Una reazione chimica è semplicemente il processo per cui si rompono i legami tra gli atomi e se ne creano di nuovi.

L’ultimo esempio di trasformazione energetica è quello dell’energia radiante del Sole. Tutta l’energia sulla Terra ha origine dal Sole, dall’energia rimasta dalla formazione della Terra (di solito l’energia termica causata dal collasso gravitazionale della materia), o dall’energia derivata dal decadimento nucleare all’interno della Terra). L’energia termica all’interno della Terra guida la tettonica a placche e, in superficie, l’energia radiante del Sole viene convertita dalle piante in energia chimica attraverso il processo di fotosintesi. Questa energia chimica è immagazzinata sotto forma di zuccheri e amidi. Quando queste piante vengono mangiate dagli animali (cioè, come parte della catena alimentare), questa energia chimica viene trasformata in un’altra forma di energia chimica (grassi o muscoli) o utilizzata per energia meccanica o termica. Per quanto riguarda i combustibili fossili, i combustibili usati nell’era moderna derivano dalle trasformazioni dell’energia solare nel corso di milioni di anni.

Vedi anche Terra (pianeta); Terra, struttura interna; Terremoti; Evento K-T; Frana; Movimento di massa; Radioattività