Cos'è l'energia?

L’universo è composto da materia in diverse forme, e tutte le forme di materia contengono energia.  Le diverse forme di energia sulla Terra provengono dal Sole, la principale fonte di energia. Le piante catturano l’energia luminosa dal 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 come cibo fornisce energia al nostro corpo per funzionare e bruciare legno o carbone (piante fossilizzate) genera calore ed elettricità. Pertanto, poiché tutti i cambiamenti di materia comportano cambiamenti nell’energia, è fondamentale capire come l’energia fluisca da una forma all’altra.

L’energia è definita come la capacità di lavorare. Il lavoro viene eseguito quando una forza applicata a un oggetto fa sì che l’oggetto si sposti contro una forza opposta. Ad esempio, il lavoro viene eseguito quando un tavolo viene spinto attraverso una stanza contro la resistenza dal pavimento.

L’energia può essere raggruppata in due tipi principaliï1/4potenziale di energia ed energia cinetica. L’energia potenziale è l’energia associata alla posizione relativa, alla composizione o alla condizione di un oggetto. L’energia cinetica è l’energia associata al moto dell’oggetto. Ad esempio, l’acqua trattenuta dietro una diga possiede energia potenziale a causa della sua posizione fuori terra. Quando scorre verso il basso attraverso i generatori, guadagna energia cinetica, che può essere messa al lavoro per generare elettricità in una centrale idroelettrica.

Energia potenziale

L’energia potenziale è anche nota come energia a riposo o energia immagazzinata. I 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 della repulsione di 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, gli oggetti o i sistemi con energia ad alto potenziale tendono ad essere meno stabili, e quindi si spostano verso livelli di energia più bassi per raggiungere la stabilità. Ad esempio, l’elemento radioattivo Uranio-235 (U²³⁵) 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 velocità. Si consideri due sfere di masse diverse che rotolano giù per un piano inclinato alla stessa velocità. La palla più pesante avrà più energia cinetica. Allo stesso modo, quando due sfere della stessa massa rotolano giù per 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 energia meccanica, elettrica, radiante, sonora e termica. L’energia meccanica è associata al movimento di un oggetto. Più velocemente un oggetto si muove, più energia meccanica ha.  Ad esempio, un proiettile sparato da una pistola o acqua che scorre lungo una diga sono esempi di energia meccanica. L’energia elettrica è attribuita al flusso di cariche elettriche, come osservato in caso di fulmini durante i temporali o i circuiti elettrici e i dispositivi di tutti i giorni. 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 moto casuale di atomi e molecole. Quando gli atomi e le molecole di un oggetto si muovono o vibrano rapidamente, hanno un’energia cinetica media più alta (KE), e si dice che l’oggetto sia “caldo”. Quando gli atomi e le molecole si muovono lentamente, hanno una KE media inferiore e l’oggetto è designato come “freddo”. Pertanto, l’energia termica può essere osservata attraverso i cambiamenti di temperatura di un oggetto. Supponendo che non si verifichi alcuna reazione chimica o cambiamento di fase (come la fusione o la vaporizzazione), l’aumento della quantità di energia termica in un campione di materia causerà un aumento della sua temperatura. Allo stesso modo, supponendo che non si verifichi alcuna reazione chimica o cambiamento di fase (come condensa o congelamento), la diminuzione della quantità di energia termica in un campione di materia 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 viene né creata né distrutta, sebbene possa essere cambiata nella forma. Pertanto, l’energia totale di un sistema rimane costante. Ad esempio, l’energia chimica (un tipo di energia potenziale) viene immagazzinata nelle molecole che compongono la benzina. Quando la benzina viene combustibile all’interno dei cilindri del motore di un’auto, i prodotti gassosi in rapida espansione di questa reazione chimica generano energia meccanica (un tipo di energia cinetica) quando muovono i pistoni del cilindro.

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