Nozioni di base sull'energia

Le reazioni chimiche, come quelle che si verificano quando si accende una corrispondenza, comportano cambiamenti nell’energia e nella materia.

I cambiamenti chimici e i relativi cambiamenti nell’energia sono parti importanti della vita quotidiana. I macronutrienti nel cibo subiscono reazioni metaboliche che forniscono l’energia per mantenere i corpi funzionanti. Una varietà di combustibili (benzina, gas naturale, carbone) viene bruciata per produrre energia per il trasporto, il riscaldamento e la generazione di elettricità. Le reazioni chimiche industriali utilizzano enormi quantità di energia per produrre materie prime (come ferro e alluminio). L’energia viene quindi utilizzata per produrre tali materie prime in prodotti utili, come automobili, grattacieli e ponti.

Oltre il 90% dell’energia utilizzata dagli esseri umani proviene dal sole. Ogni giorno, il sole fornisce alla terra quasi 10.000 volte la quantità di energia necessaria per soddisfare tutto il fabbisogno energetico del mondo per quel giorno. La sfida rimane 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 sia convenienti che non inquinanti. Piante e molti batteri catturano l’energia solare attraverso la fotosintesi. Gli esseri umani rilasciano l’energia immagazzinata nelle piante quando bruciano legno, carbone, petrolio o altri prodotti vegetali come l’etanolo. Usano anche questa energia per alimentare i loro corpi mangiando cibo che proviene direttamente dalle piante.

Termochimica

Le idee di base di un’importante area della scienza che si occupa della quantità di calore assorbito o rilasciato durante i cambiamenti chimici e fisici sono chiamate termochimica. I concetti sono ampiamente utilizzati in quasi tutti i campi scientifici e tecnici. Gli scienziati alimentari usano 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 sforzano di migliorare l’efficienza energetica, trovare modi migliori per riscaldare e raffreddare le case, refrigerare cibo e bevande e soddisfare le esigenze energetiche e di raffreddamento di computer ed elettronica, tra le altre applicazioni. Comprendere i principi termochimici è essenziale per chimici, fisici, biologi, geologi, ogni tipo di ingegnere, e per chiunque studi o faccia qualsiasi tipo di scienza.

Energia

L’energia può essere definita come la capacità di fornire calore o di lavorare. Un tipo di lavoro (w) è il processo di far sì che la materia si muova contro una forza opposta. Ad esempio, quando si gonfia uno pneumatico per biciclette, la materia viene spostata (l’aria nella pompa) contro la forza opposta dell’aria già nello pneumatico.

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

L’acqua in cima a una cascata o a una diga ha energia potenziale a causa della sua posizione; quando scorre verso il basso attraverso i generatori, ha energia cinetica che può essere utilizzata per lavorare e produrre elettricità in una centrale idroelettrica. Una batteria ha energia potenziale perché le sostanze chimiche al suo interno possono produrre elettricità che può funzionare.

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