6.1: Nozioni di base sull'energia

Le reazioni chimiche, come quelle che si verificano quando si accende un fiammifero, comportano cambiamenti nell'energia oltre che nella materia.

I cambiamenti chimici e i cambiamenti energetici che li accompagnano sono parti importanti della vita quotidiana. I macronutrienti presenti negli alimenti subiscono reazioni metaboliche che forniscono l'energia per mantenere il funzionamento del corpo. Una variet di combustibili (benzina, gas naturale, carbone) viene bruciata per produrre energia per i trasporti, il riscaldamento e la generazione di elettricit. Le reazioni chimiche industriali utilizzano enormi quantit di energia per produrre materie prime (come ferro e alluminio). L'energia viene quindi utilizzata per trasformare tali materie prime in prodotti utili, come automobili, grattacieli e ponti.

Oltre il 90% del l'energia utilizzata dall’uomo proviene originariamente dal sole. Ogni giorno, il sole fornisce alla terra quasi 10.000 volte la quantit di energia necessaria per soddisfare tutto il fabbisogno energetico mondiale per quel giorno. La sfida resta quella di trovare modi per convertire e immagazzinare l'energia solare in entrata in modo che possa essere utilizzata in reazioni o processi chimici che siano convenienti e non inquinanti. Le piante e molti batteri catturano l'energia solare attraverso la fotosintesi. Gli esseri umani rilasciano l'energia immagazzinata nelle piante quando bruciano legna, carbone, petrolio o altri prodotti vegetali come l'etanolo. Anche questa energia alimentare viene usata per i loro corpi mangiando cibo che proviene direttamente dalle piante.

Termochimica

Le idee di base di un'importante area della scienza che riguarda la quantit di calore assorbito o rilasciato durante i cambiamenti chimici e fisici chiamata termochimica. I concetti sono ampiamente utilizzati in quasi tutti i campi scientifici e tecnici. Gli scienziati alimentari utilizzano la termochimica per determinare il contenuto energetico degli alimenti. I biologi studiano l'energia degli organismi viventi, come la combustione metabolica dello zucchero in anidride carbonica e acqua. Le industrie del petrolio, del gas e dei trasporti, i fornitori di energia rinnovabile e molti altri si sforzano di trovare metodi migliori per produrre energia per esigenze commerciali e personali. Gli ingegneri si impegnano per migliorare l'efficienza energetica, per trovare modi migliori per riscaldare e raffreddare le case, refrigerare cibi e bevande e soddisfare le esigenze energetiche e di raffreddamento di computer ed apparecchi elettronici, tra le altre applicazioni. Comprendere i principi termochimici essenziale per chimici, fisici, biologi, geologi, per ogni tipo di ingegnere e praticamente chiunque studi o pratichi qualsiasi tipo di scienza.

Energia

L'energia pu essere definita come la capacit di fornire calore o di compiere un lavoro. Un tipo di lavoro (w) il processo con cui la materia si muove contro una forza opposta. Ad esempio, quando si gonfia il pneumatico di una bicicletta, —la materia viene spostata (l'aria nella pompa) contro la forza opposta dell'aria gi presente nel pneumatico.

Come la materia, l'energia disponibile in diversi tipi. Uno schema classifica l'energia in due tipi: energia potenziale, l'energia che un oggetto possiede a causa della sua posizione, composizione o condizione relativa, ed energia cinetica, l'energia che un oggetto possiede a causa del suo movimento.

L'acqua nella parte superiore di una cascata o di una diga ha energia potenziale a causa della sua posizione; quando scorre verso il basso attraverso i generatori possiede energia cinetica che pu essere utilizzata per compiere un lavoro e produrre elettricit in una centrale idroelettrica. Una batteria ha energia potenziale perch le sostanze chimiche al suo interno possono produrre elettricit in grado di svolgere lavoro.

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

Perché il sodio metallico reagisce con l'acqua per produrre idrogeno gassoso, ma il cloruro di sodio si dissolve semplicemente? Ciò può essere spiegato studiando la relazione fra chimica ed energia, chiamata termochimica"Tutte le forme di materia sono associate all'energia, che può essere misurata come calore o lavoro. I due principali tipi di energia sono l'energia potenziale e cinetica.

L'energia potenziale descrive le forze posizionali che agiscono sull'oggetto. Un sasso in cima a una collina ha più energia potenziale di un sasso in pianura perché il sasso sulla collina è più lontano dal centro di massa della Terra. L'energia cinetica è l'energia di un oggetto in movimento.

Se un sasso viene spinto dalla collina, perde energia potenziale ma guadagna energia cinetica mentre si muove. Questo vale anche per gli atomi o le molecole che compongono un oggetto. Un oggetto a riposo ha ancora energia cinetica perché i suoi atomi componenti possono vibrare.

Questa forma di energia cinetica è chiamata energia termica. Un oggetto ha un'energia cinetica più elevata e di conseguenza un'energia termica maggiore quando gli atomi si muovono più vigorosamente. Questo oggetto è percepito come caldo.

Le molecole hanno anche un'energia potenziale chiamata energia chimica, che è associata alla posizione relativa di elettroni e nuclei. Durante una reazione, l'energia chimica viene convertita in altre forme di energia, come la luce, oppure viene rilasciata energia, come sotto forma di calore. La quantità di energia trasformata dipende dalla struttura molecolare dei reagenti.

In una lampada a gas, l'acetilene si trasforma in anidride carbonica e acqua, rilasciando una grande quantità di energia sotto forma di luce. D'altra parte, l'aggiunta di idrossido di sodio all'acido cloridrico, rilascia una quantità minore di energia, sotto forma di calore. Per studiare i cambiamenti energetici, ci può aiutare dividere l'universo in un sistema"che contiene il processo osservato, e l'ambiente circostante"che è tutto il resto.

Il sistema può essere aperto, il che significa che sia l'energia che la massa possono essere scambiate tra il sistema e l'ambiente circostante. Il sistema può essere chiuso, dove viene scambiata solo energia, oppure il sistema può essere isolato, dove non vengono scambiate né massa né energia.

• Thermochemistry - A science related to heat change during chemical reactions.
• Energy - The capacity to supply heat or do work.
• Work - The process of causing matter to move against an opposing force.
• Potential Energy - The energy an object has due to its position, composition, or condition.
• Kinetic Energy - The energy an object has because of its motion.

• Define Thermochemistry – Understand how heat changes impact reactions (e.g., how is thermochemistry used in everyday life).
• Contrast Potential vs Kinetic Energy – Differences when related to object's position or motion (e.g., examples of potential energy in everyday life vs kinetic energy).
• Explore Energy Types – Describe different types of energy and their manifestations (e.g., thermal, chemical).
• Explain Energy Systems – Elaborate on open, closed, and isolated systems and how energy behaves in each.
• Apply Energy Concepts – Discuss how energy applies in day to day life and industries.

• What is Thermochemistry and how does it impact chemical reactions?
• What are open, closed, and isolated systems in the context of energy?
• How is potential energy different from kinetic energy and how do we use each?

• Students – Comprehend energy types, systems and transformation in the context of various sciences.
• Educators – Provides a framework for teaching energy's interrelation with chemistry and physics.
• Researchers – Highlights the significant role of energy in scientific and technological advancements.
• Science Enthusiasts – Offer insights into the fundamentals of energy and its relevance in everyday life.