L'energia è la grandezza fisica che permette ai corpi di compiere un lavoro, cioè di produrre cambiamenti. Esiste in molte forme, si trasforma continuamente da una all'altra e nel suo complesso non si crea né si distrugge.
Che cos'è l'energia
Quando accendiamo una lampada, pedaliamo in salita o cuciniamo la pasta, mettiamo in gioco una grandezza fisica fondamentale che chiamiamo energia. In fisica si definisce energia la capacità di un corpo o di un sistema di compiere un lavoro, cioè di provocare uno spostamento, un riscaldamento o una qualunque altra trasformazione. Il lavoro, a sua volta, è il prodotto di una forza per lo spostamento che essa produce nella sua stessa direzione. Per questo motivo energia e lavoro si misurano con la stessa unità del Sistema Internazionale, il joule, simbolo J, in onore del fisico inglese James Prescott Joule. Un joule corrisponde al lavoro compiuto da una forza di un newton che sposta il punto di applicazione di un metro. Nella vita quotidiana usiamo spesso anche multipli come il chilojoule (1 kJ = 1000 J) o il chilowattora (1 kWh ≈ 3 600 000 J), che troviamo stampato sulla bolletta elettrica.
Un esempio concreto è il sollevamento dello zaino di scuola: per portarlo dal pavimento fino alla spalla compiamo un lavoro contro la forza di gravità, e quindi gli forniamo energia. Un secondo esempio è il forno a microonde, che assorbe energia elettrica dalla presa e la trasferisce al cibo facendolo riscaldare: anche qui osserviamo un trasferimento di energia che produce un cambiamento misurabile, l'aumento di temperatura della pietanza.
Le forme dell'energia
L'energia si presenta in molte forme diverse, ciascuna legata a un particolare modo in cui la materia immagazzina o trasferisce la capacità di compiere lavoro. Le principali forme che studiamo in terza media sono l'energia meccanica, termica, elettrica, chimica, luminosa o radiante, nucleare e sonora. L'energia meccanica è quella associata al movimento o alla posizione dei corpi e si suddivide a sua volta in cinetica e potenziale. L'energia termica è collegata al movimento disordinato delle particelle che compongono un corpo: più esse si agitano, più la temperatura è elevata. L'energia chimica è immagazzinata nei legami tra gli atomi delle molecole, mentre l'energia nucleare risiede addirittura nei legami che tengono uniti i nuclei atomici.
Un esempio quotidiano di energia chimica è la barretta ai cereali che mangiamo a merenda: i legami delle sue molecole vengono rotti durante la digestione e liberano l'energia che usiamo per studiare e correre. Un secondo esempio è una pila stilo nel telecomando: anche qui l'energia chimica delle sostanze interne viene convertita in energia elettrica per far funzionare il circuito.
Energia cinetica
L'energia cinetica è quella che un corpo possiede in virtù del suo movimento e si calcola con la formula E_c = 1/2 · m · v², dove m è la massa in chilogrammi e v la velocità in metri al secondo. Da questa relazione capiamo che l'energia cinetica cresce in modo lineare con la massa, ma cresce con il quadrato della velocità: raddoppiando la velocità l'energia diventa quattro volte più grande, triplicandola diventa nove volte maggiore. Questa è la ragione fisica per cui un incidente automobilistico a 100 km/h è enormemente più distruttivo di uno a 50 km/h, anche se la velocità è solo doppia. L'unità di misura, come per tutte le energie, è il joule, purché si esprimano la massa in kg e la velocità in m/s.
Un esempio concreto è un pallone da calcio di 0,4 kg lanciato a 10 m/s, che possiede un'energia cinetica di 1/2 · 0,4 · 100 = 20 J, sufficiente a deformare le maglie della rete. Un secondo esempio è una bicicletta in discesa: man mano che accelera la sua energia cinetica aumenta rapidamente, e per fermarla i freni devono dissipare proprio quella quantità di energia trasformandola in calore.
Energia potenziale
L'energia potenziale è l'energia che un corpo possiede in virtù della sua posizione o della sua configurazione, cioè della relazione spaziale con altri corpi o con un campo di forze. La forma più studiata in classe è l'energia potenziale gravitazionale, che vale E_p = m · g · h, dove g è l'accelerazione di gravità pari a circa 9,8 m/s² e h è l'altezza rispetto a un livello di riferimento scelto. Esiste anche un'energia potenziale elastica, immagazzinata nelle deformazioni di molle, elastici e archi, che dipende da quanto il corpo è compresso o allungato. In entrambi i casi parliamo di un'energia che è come depositata e pronta a essere liberata appena le condizioni lo permettono. Una stessa altezza misurata da terra o dal tavolo dà valori diversi di energia potenziale, perché il riferimento è una scelta convenzionale.
Un esempio concreto è un libro da 1 kg poggiato su uno scaffale alto 2 m: la sua energia potenziale gravitazionale vale 1 · 9,8 · 2 ≈ 19,6 J rispetto al pavimento. Un secondo esempio è una molla compressa dentro la pistola giocattolo a freccette: quando viene rilasciata, l'energia potenziale elastica accumulata spinge fuori la freccetta trasformandosi in energia cinetica.
Le trasformazioni dell'energia
Una delle proprietà più affascinanti dell'energia è la capacità di trasformarsi continuamente da una forma all'altra, senza mai scomparire davvero. Ogni volta che osserviamo un fenomeno naturale o un dispositivo tecnologico funzionare, dietro c'è sempre una catena di trasformazioni energetiche che possiamo descrivere passo passo. Le macchine e i viventi sono in fondo dei convertitori, cioè sistemi capaci di prendere energia in una forma e di restituirla in un'altra utile per uno scopo preciso. Possiamo rappresentare queste trasformazioni con frecce: per esempio, in una lampadina a incandescenza si passa da energia elettrica a energia luminosa e termica, dove quest'ultima è in gran parte sprecata. Studiare le trasformazioni significa capire da dove arriva e dove finisce l'energia in ogni situazione che ci circonda.
Un esempio concreto è la centrale idroelettrica: l'acqua di un bacino in quota possiede energia potenziale gravitazionale, cadendo si trasforma in cinetica, poi muove la turbina (meccanica rotazionale) e infine l'alternatore produce energia elettrica. Un secondo esempio è l'asciugacapelli, che trasforma l'energia elettrica della presa in energia cinetica della ventola e in energia termica della resistenza, riscaldando l'aria che soffia sui capelli.
Il principio di conservazione
Il principio di conservazione dell'energia afferma che in un sistema isolato l'energia totale rimane sempre costante: può cambiare forma, può passare da un corpo all'altro, ma la sua somma complessiva non aumenta né diminuisce. Questo principio è uno dei pilastri di tutta la fisica e vale anche dentro il nostro corpo, nei motori, nelle stelle e nelle reazioni chimiche di laboratorio. Quando sembra che dell'energia sia andata persa, in realtà essa si è trasformata in una forma che non avevamo notato, quasi sempre calore disperso nell'ambiente per attrito o resistenza dell'aria. Per esempio, una palla che rimbalza arriva ogni volta più in basso non perché l'energia svanisca, ma perché parte di essa si trasforma in calore e in suono. Capire questo principio aiuta a riconoscere che non possiamo inventare macchine che producono energia dal nulla, le cosiddette macchine a moto perpetuo, e ci insegna a rispettare le risorse energetiche del pianeta.
Un esempio concreto è il pendolo di un orologio a parete: nei punti estremi della sua oscillazione l'energia è tutta potenziale, nel punto più basso è tutta cinetica, ma la somma resta praticamente costante finché trascuriamo gli attriti. Un secondo esempio è lo scivolo del parco giochi: l'energia potenziale del bambino in cima diventa progressivamente cinetica scendendo, e quando arriva in fondo una parte è diventata calore tra pantaloni e plastica per via dell'attrito.
Fonti di energia rinnovabili e non rinnovabili
Le fonti di energia che la società umana sfrutta per produrre elettricità, calore e movimento si distinguono in due grandi categorie: rinnovabili e non rinnovabili. Le fonti non rinnovabili comprendono i combustibili fossili come carbone, petrolio e gas naturale, oltre all'uranio impiegato nelle centrali nucleari; si chiamano così perché si sono formate in tempi geologici lunghissimi e si esauriscono molto più rapidamente di quanto si rigenerino. Le fonti rinnovabili, invece, derivano da flussi naturali che si rinnovano continuamente alla scala dei tempi umani: il Sole, il vento, l'acqua dei fiumi, il calore interno della Terra e le biomasse. Le fonti fossili rilasciano grandi quantità di anidride carbonica, principale responsabile dell'effetto serra aggiuntivo che sta modificando il clima del pianeta. Le rinnovabili, oltre a essere inesauribili, hanno un impatto ambientale generalmente molto più basso, anche se richiedono impianti e materiali per essere sfruttate.
Un esempio concreto è un pannello fotovoltaico installato sul tetto di casa: trasforma l'energia luminosa del Sole direttamente in energia elettrica senza emissioni durante il funzionamento. Un secondo esempio è una caldaia a gas metano: brucia un combustibile fossile per scaldare l'acqua dei termosifoni, sfruttando una fonte preziosa ma destinata a esaurirsi.
Potenza, rendimento e risparmio energetico
Quando parliamo di apparecchi elettrici o motori non basta sapere quanta energia consumano, ma anche con quale rapidità la utilizzano: questa grandezza si chiama potenza e si calcola come P = E / t, dove E è l'energia in joule e t il tempo in secondi. L'unità di misura della potenza è il watt (W), pari a un joule al secondo, mentre nel linguaggio domestico usiamo il chilowatt (1 kW = 1000 W). Un'altra grandezza importante è il rendimento, indicato con la lettera greca η, che misura quanta dell'energia in ingresso viene effettivamente convertita nella forma utile e si esprime come percentuale: η = (E_utile / E_totale) · 100. Nessuna macchina reale ha un rendimento del 100% perché una parte di energia diventa sempre calore disperso. Conoscere potenza e rendimento è la base per fare scelte di risparmio energetico, come preferire una lampada LED a una a incandescenza o spegnere gli apparecchi in stand-by, evitando consumi inutili che pesano sull'ambiente e sulle bollette.
Un esempio concreto è un ferro da stiro da 2000 W usato per 30 minuti, cioè 1800 s: consuma 2000 · 1800 = 3 600 000 J, pari a 1 kWh di energia elettrica. Un secondo esempio è la differenza tra due lampadine equivalenti: una a incandescenza da 60 W ha rendimento di circa il 5%, una LED da 8 W che produce la stessa luce ha rendimento attorno al 40%, e sui dodici mesi questa differenza pesa molto in bolletta.
Ricorda
Punti chiave da fissare nella mente:
- L'energia è la capacità di compiere lavoro e si misura in joule (J).
- Esiste in molte forme: meccanica (cinetica e potenziale), termica, elettrica, chimica, luminosa, nucleare e sonora.
- L'energia cinetica si calcola con E_c = 1/2 · m · v² e quella potenziale gravitazionale con E_p = m · g · h.
- L'energia si trasforma da una forma all'altra ma in un sistema isolato la sua quantità totale si conserva.
- Le fonti energetiche si dividono in rinnovabili e non rinnovabili e hanno impatti ambientali molto diversi.
- La potenza è l'energia trasferita o trasformata nell'unità di tempo (P = E / t) e si misura in watt (W).
- Il rendimento di una macchina è sempre inferiore al 100% perché una parte di energia diventa calore disperso.
Piccolo esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: descrivi a parole tue, in almeno otto righe, tutte le trasformazioni energetiche che avvengono quando accendi una stufetta elettrica per riscaldare la cameretta, partendo dalla centrale che produce l'elettricità fino al calore percepito sulla pelle; per ciascun passaggio indica la forma di energia di partenza, la forma di arrivo e l'eventuale energia dispersa, e infine calcola quanti joule consuma la stufetta da 1500 W se la tieni accesa per 20 minuti.