1.6: Cos'è l'energia?

L'universo è composto da materia in diverse forme e tutte queste contengono energia. Le diverse forme di energia sulla Terra provengono dal Sole, la fonte di energia per eccellenza. Le piante catturano l'energia luminosa del Sole e, attraverso il processo di fotosintesi, la convertono in energia chimica. Questa energia immagazzinata dalle piante può essere sfruttata in molti modi. Ad esempio, mangiare prodotti vegetali fornisce energia affinché il nostro corpo funzioni, e bruciare legno o carbone (piante fossilizzate) genera calore ed elettricità. Pertanto, poiché tutti i cambiamenti della materia implicano cambiamenti nell'energia, è fondamentale comprendere come essa fluisca da una forma all'altra.

L’energia è definita come la capacità di compiere un lavoro. Il lavoro viene compiuto quando una forza applicata a un oggetto fa sì che esso si muova contro una forza opposta. Ad esempio, il lavoro viene svolto quando un tavolo viene spinto attraverso una stanza contro la resistenza del pavimento.

L’energia può essere raggruppata in due tipi principali: energia potenziale ed energia cinetica. L'energia potenziale è l'energia associata alla posizione relativa, composizione o condizione di un oggetto. L'energia cinetica è l'energia associata al movimento dell'oggetto. Ad esempio, l'acqua trattenuta dietro una diga possiede energia potenziale grazie alla sua posizione sopra il suolo. Quando scorre verso il basso attraverso i generatori, guadagna energia cinetica, che può essere utilizzata per generare elettricità in una centrale idroelettrica.

Energia potenziale

L’energia potenziale è anche conosciuta come energia a riposo o energia immagazzinata. Tipi comuni di energia potenziale includono l'energia potenziale gravitazionale immagazzinata in una mela appesa a un albero, l'energia potenziale elettrica immagazzinata in un oggetto a causa dell'attrazione o repulsione delle cariche elettriche o l'energia potenziale chimica immagazzinata nei legami tra atomi e molecole . Inoltre, l'energia nucleare immagazzinata in un nucleo atomico e l'energia elastica immagazzinata in una molla allungata a causa della sua configurazione sono tipi di energia potenziale.

Di solito, oggetti o sistemi con un'energia potenziale elevata tendono ad essere meno stabili e quindi si muovono verso livelli energetici più bassi per raggiungere la stabilità. Ad esempio, l'elemento radioattivo Uranio-235 (U^235) ha un nucleo instabile. Per ottenere stabilità si divide in elementi più piccoli ma stabili e rilascia l'energia nucleare immagazzinata. Questa energia rilasciata può quindi essere utilizzata per generare elettricità nelle centrali nucleari.

Energia cinetica

La quantità di energia cinetica di un oggetto dipende dalla sua massa e dalla velocità. Consideriamo due palle di massa diversa che rotolano lungo un piano inclinato alla stessa velocità. La palla più pesante avrà più energia cinetica. Allo stesso modo, quando due palle della stessa massa rotolano lungo un piano inclinato a velocità diverse, la palla che si muove più velocemente ha più energia cinetica.

Esistono anche diverse forme di energia cinetica, tra cui l'energia meccanica, elettrica, radiante, sonora e termica. L'energia meccanica è associata al movimento di un oggetto. Più un oggetto si muove velocemente, maggiore è la sua energia meccanica. Ad esempio, un proiettile sparato da una pistola o l’acqua che scorre lungo una diga sono esempi di energia meccanica. L'energia elettrica viene attribuita al flusso di cariche elettriche, come osservato nel caso dei fulmini durante i temporali o nei circuiti e nei dispositivi elettrici di uso quotidiano. L’energia radiante è la forma di energia cinetica che viaggia come onde elettromagnetiche e può essere sperimentata sotto forma di luce e calore. La luce solare è un esempio di energia radiante.

L'energia termica è associata al movimento casuale di atomi e molecole. Quando gli atomi e le molecole di un oggetto si muovono o vibrano rapidamente, hanno un'energia cinetica media (KE) più elevata e l'oggetto viene definito "caldo". Quando gli atomi e le molecole si muovono lentamente, hanno un KE medio inferiore e l’oggetto viene designato come “freddo”. Pertanto, l'energia termica può essere osservata attraverso le variazioni di temperatura di un oggetto. Supponendo che non si verifichi alcuna reazione chimica o cambiamento di fase (come fusione o vaporizzazione), l'aumento della quantità di energia termica in un campione di materia farà aumentare la sua temperatura. Allo stesso modo, supponendo che non si verifichi alcuna reazione chimica o cambiamento di fase (come condensazione o congelamento), diminuendo la quantità di energia termica in un campione di materia si causerà una diminuzione della sua temperatura.

La legge di conservazione dell'energia

L'energia può essere convertita da una forma all'altra, ma l'energia totale presente prima di un cambiamento esiste sempre in qualche forma anche dopo un cambiamento. Questa osservazione è espressa come Legge di Conservazione dell’Energia. La Legge di Conservazione dell’Energia afferma che l’energia non si crea né si distrugge, anche se può cambiare forma. Pertanto, l’energia totale di un sistema rimane costante. Ad esempio, l’energia chimica (un tipo di energia potenziale) è immagazzinata nelle molecole che compongono la benzina. Quando la benzina viene bruciata all’interno dei cilindri del motore di un’auto, i prodotti gassosi in rapida espansione di questa reazione chimica generano fenomeni meccanici energetici (un tipo di energia cinetica) quando muovono i pistoni del cilindro.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 5.1: Energy Basics.

L'energia è definita come la capacità di compiere un lavoro. Il lavoro è definito come la distanza percorsa da un oggetto in risposta a una forza applicata. Per esempio, quando un libro viene sollevato da terra e messo su un tavolo, il lavoro viene svolto contro la forza di gravità.

L'energia è classificata in due tipi principali:potenziale e cinetica. L'energia potenziale è l'energia associata alla posizione, alla composizione o alla condizione di un oggetto. È anche nota come energia a riposo o energia immagazzinata.

Per esempio:il libro sollevato da terra e appoggiato sul tavolo possiede energia potenziale a causa dell'altezza a cui si trova. Questa energia potenziale rimane immagazzinata nel libro fintanto che viene mantenuto in quella posizione. Diverse forme di energia potenziale comprendono l'energia potenziale gravitazionale, l'energia potenziale elettrica, l'energia potenziale chimica, l'energia nucleare e l'energia elastica.

L'energia potenziale gravitazionale è la forma più apparente di energia potenziale, e dipende dalla posizione relativa dell'oggetto sotto l'influenza del campo gravitazionale. Per esempio, il libro appoggiato sopra il tavolo contiene energia potenziale gravitazionale immagazzinata. L'energia potenziale elettrica proviene dall'attrazione o repulsione di cariche elettriche, per esempio l'energia immagazzinata all'interno di un condensatore in un circuito elettrico è sotto forma di energia potenziale elettrica.

L'energia potenziale chimica è l'energia immagazzinata nelle molecole. Per esempio, il legno secco immagazzina energia potenziale chimica che viene rilasciata e convertita in altre forme di energia quando il legno brucia. L'energia nucleare proviene dal nucleo atomico.

e l'energia elastica è l'energia immagazzinata in un oggetto a causa della sua configurazione, come una fionda caricata. L'energia cinetica è quella associata al movimento di un oggetto. Per esempio, quando il libro cade dal tavolo, la sua energia potenziale viene convertita in energia cinetica per via del suo movimento.

L'energia cinetica stessa esiste anche in diverse forme, ossia energie meccaniche, elettriche, termiche e radianti. Mentre l'energia meccanica è dovuta al movimento meccanico di un oggetto, come un'auto in movimento, l'energia elettrica è costituita dal flusso di cariche elettriche, come vediamo nei fulmini. Quando l'energia cinetica è sotto forma di onde elettromagnetiche, come l'energia della luce solare, diventa energia radiante.

L'energia termica è l'energia cinetica associata al movimento di atomi e molecole in un oggetto. Quando gli atomi e le molecole all'interno di un oggetto si muovono o vibrano rapidamente e si scontrano più frequentemente tra di loro, la temperatura dell'oggetto aumenta. Il calore di una fiamma che brucia è un esempio di energia termica.

L'opposto accade quando le vibrazioni o i movimenti di questi atomi e molecole rallentano. L'oggetto viene definito freddo e ha una bassa energia termica, come l'acqua quando si congela. Tutte queste forme differenti facilitano il flusso di energia da un tipo all'altro, o da un oggetto all'altro, per portare a termine il lavoro.

La legge di conservazione dell'energia sancisce che l'energia non viene né creata né distrutta, ma si trasforma solo da un tipo all'altro. L'energia totale del sistema, quindi, rimane conservata. Durante il tiro con l'arco, per esempio, una freccia in un arco teso contiene energia potenziale elastica.

Quando l'arco viene rilasciato, questa energia potenziale viene convertita in energia cinetica della freccia e la freccia viene spinta a colpire il bersaglio. Anche in questo caso, l'energia totale rimane conservata.