Che cos'è l'energia? Occorre energia ogni volta che si compie un lavoro. Ad esempio, una macchina si muove grazie all'energia fornita dal carburante o le palle di un mulino a vento girano grazie all'energia dell'aria.
Gli scienziati definiscono l'energia come la capacità di un corpo, di un sistema di corpi, di compiere un lavoro. Anche la parola lavoro in fisica ha un significato ben preciso. legato allo spostamento di un corpo e alla forza necessaria per provocarlo.
Si compie un lavoro se l'azione di una forza provoca lo spostamento di un corpo. Ad esempio, un ciclista che si trovi in cima a un monte possiede energia in quanto la forza di gravità ne può provocare uno spostamento verso il basso. L'energia nel sistema internazionale si misura in Joule. che è la principale unità di misura anche di lavoro e calore. Un joule è definito come il lavoro compiuto dalla forza di un newton per provocare uno spostamento di un metro nella stessa direzione della forza.
Un joule uguale un newton per metro. Per avere un'idea concreta di quanto valgano queste unità di misura, possiamo dire che su una massa di 1 kg agisce una forza peso di 10 N, e quindi, per esempio, su una mela di circa 200 g agisce una forza peso di 2 N. Un joule equivale al lavoro che compie ad esempio la forza peso nel far cadere la mela di 200 grammi quando si trovi a mezzo metro da terra, quindi per farle compiere un percorso di mezzo metro.
Possiamo dire che l'energia di una mela di 200 grammi che si trovi a mezzo metro da terra si appare a un joule. Esistono anche altre unità di misura per l'energia. Alcuni esempi sono la caloria e il kilowattora.
L'energia si manifesta in diverse forme. Vediamo quali sono le principali. L'energia termica, detta anche calore, è l'energia legata al movimento delle particelle di un corpo. Infatti, la materia è costituita da particelle dette atomi, o aggregati di atomi dette molecole. Queste particelle sono in continuo movimento.
Possiamo valutare il calore posseduto da un corpo misurandone la temperatura, che rappresenta l'indice del grado di agitazione delle sue particelle costituenti. Poi c'è l'energia meccanica, che si suddivide in energia potenziale gravitazionale, o energia di posizione, che dipende dalla posizione di un corpo nello spazio, e energia cinetica che è legata alla velocità di un corpo. Per illustrare la differenza tra energia potenziale e cinetica, consideriamo un pendolo.
Possiamo ipotizzare che nella posizione di riposo la sua energia potenziale sia nulla. In questa posizione, infatti, la forza di gravità non ne provoca alcuno spostamento. Se spostiamo la sua massa da un lato, facciamo acquistare alla massa una certa energia potenziale legata alla sua nuova posizione. Infatti, se ora lasciassimo andare la massa, la forza di gravità sarebbe in grado di provocarne uno spostamento e quindi di compiere un lavoro.
Lasciata andare la massa, il pendolo inizia a oscillare. Nel momento in cui arriva nel punto più basso, la sua energia potenziale gravitazionale è di nuovo nulla, ma non è scomparsa, si è trasformata. Infatti, il pendolo risale di nuovo. Ciò che fa risalire il pendolo è il suo moto. Allora posso dire che l'energia potenziale nel punto più basso si è trasformata in energia cinetica, che proprio in questo punto raggiunge il valore massimo.
Quando la massa risale ai lati, invece, l'energia potenziale aumenta nuovamente e l'energia cinetica diminuisce, fino ad annullarsi nei due punti estremi in cui per un attimo la massa si ferma. L'osservazione di questo fenomeno ci permette di intuire che l'energia di un sistema può trasformarsi da una forma a un'altra. Vediamo adesso altre forme di energia, cioè l'energia chimica, che è l'energia immagazzinata nei legami molecolari e si può liberare attraverso reazioni chimiche, come conseguenza della rottura dei legami esistenti tra gli atomi delle molecole.
Ad esempio, dalla reazione chimica di combustione si libera energia termica, cioè calore. Alcune sostanze, come ad esempio i carburanti, sono particolarmente ricchi di energia chimica. Poi c'è l'energia nucleare. la disposizione delle particelle all'interno dei nuclei atomici.
Si può liberare durante alcune trasformazioni che coinvolgono i nuclei di particolari di atomi, come ad esempio l'uranio e l'idrogeno. Le trasformazioni sono accompagnate dalla perdita di una piccolissima parte della massa iniziale dei nuclei. Parte della massa infatti si trasforma in una grandissima quantità di energia, secondo l'equazione E uguale mc², enunciata da Albert Einstein, dove E è l'energia, m è la massa scomparsa e c è la velocità della luce nel vuoto, che è elevatissima. Poi c'è l'energia radiante che è l'energia emessa dai corpi spontaneamente o in particolari condizioni e si propaga tramite onde.
Le radiazioni luminose come la luce, l'infrarosso, l'ultravioletto, le onde radio e i raggi X e gamma sono tutti esempi di energia radiante. Infine c'è l'energia elettrica che è legata alla trazione e alla repulsione tra cariche elettriche presenti negli atomi che sono costituiti da un nucleo centrale carico positivamente attorno a cui ruotano degli elettroni che hanno carica negativa. In certi materiali, detti conduttori, gli elettroni riescono a muoversi da un atomo all'altro e il movimento degli elettroni genera l'elettricità.
In natura l'energia elettrica si manifesta nei fulmini, ma noi non siamo in grado di sfruttarla e invece riusciamo a produrla. a partire da altre forme di energia attraverso macchine dette generatori può essere prodotta a partire da fonti esauribili o fonti rinnovabili di energia l'energia elettrica è molto importante perché è facilmente trasportabile e distribuibile inoltre non produce polveri o emissioni nel luogo di consumo ed è comoda da usare infatti basta premere un interruttore tuttavia La sua produzione, a partire dall'utilizzo di fonti esauribili come combustibili fossili e il nucleare, pone problemi ambientali e di sicurezza, come vedremo più in là. Nell'esempio del pendolo abbiamo visto che l'energia di un sistema si può trasformare da una forma all'altra. Un'importante legge della fisica, il principio di conservazione dell'energia, Ci dice che l'energia totale di un sistema resta costante nelle trasformazioni energetiche che lo riguardano. Tornando all'esempio del ciclista, quando si trova fermo in cima al monte, possiede una certa energia potenziale legata alla propria posizione.
Scendendo dal monte, la sua energia potenziale diminuisce, in quanto diminuisce di quota, fino ad annullarsi ai piedi del monte, mentre acquista energia cinetica, in quanto è un corpo in movimento. Supponiamo che è arrivato ai piedi del monte, freni e si fermi. A questo punto sia la sua energia potenziale che la sua energia cinetica valgono zero.
Che fine ha fatto l'energia che possedeva inizialmente? L'energia che il ciclista possedeva inizialmente si è trasformata in energia termica, a causa dell'attrito, ad esempio tra gli ingranaggi della bici, tra la ruota e la strada, tra i freni e le ruote. Quindi, a completamento del principio di conservazione dell'energia, aggiungiamo che nelle trasformazioni energetiche, parte dell'energia si trasforma in calore a bassa temperatura, che non si può più utilizzare. Ma quali sono le fonti di energia?
Da dove si ricava? Le fonti da cui ricaviamo energia possono essere classificate in rinnovabili e non rinnovabili o esauribili. Le fonti rinnovabili sono fonti che si rigenerano almeno alla velocità con cui vengono consumate. Il loro utilizzo non ne pregiudica l'uso anche da parte delle generazioni future e sono ad esempio l'energia idrica, l'energia solare, l'energia eolica, l'energia geotermica o l'energia delle biomasse. Le fonti non rinnovabili invece vengono consumate a velocità maggiore di quella necessaria alla loro rigenerazione.
Alcuni esempi sono i combustibili fossili come il carbone, il gas naturale, il petrolio e l'uranio delle centrali nucleari.