Nella fisica classica l'energia è definita come la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro e la misura di questo lavoro è a sua volta la misura dell'energia. Dal punto di vista strettamente termodinamico l'energia è definita come tutto ciò che può essere trasformato in calore a bassa temperatura.
La scienza, pur osservandone e calcolandone gli effetti, non ha ancora spiegato cosa sia l'energia. Richard Feynman (premio Nobel per la fisica nel 1965), affermava: "È importante comprendere che nella fisica non abbiamo nessuna idea di che cosa sia l'energia..."[1] L'energia è una proprietà intrinseca e misurabile della materia in quanto inerente alla stessa esistenza fisica dei corpi. Per ogni corpo fisico vi è una quantità astratta chiamata energia che possiamo calcolare, e che rimane sempre costante, indipendentemente dal numero di cambiamenti che esso attraversa. A prescindere dalle trasformazioni subite da un corpo l'energia viene sempre conservata. Il concetto di energia nasce, nella meccanica classica, dall'osservazione sperimentale che la capacità di un sistema fisico di sviluppare una forza decade quando il sistema stesso stabilisce un'interazione con uno o più sistemi mediante la stessa forza. In questo senso l'energia può essere definita come una grandezza fisica posseduta dal sistema che può venire "consumata" per generare una forza. Dal momento che l'energia posseduta da un sistema può essere utilizzata dal sistema stesso per produrre più tipi di forze, si definisce una seconda grandezza, il lavoro appunto, che definisce il consumo di energia in relazione al processo fisico mediante il quale la forza è stata generata.
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Origine del termine [modifica]
La parola energia deriva dal tardo latino energīa, a sua volta dal greco ἐνέργεια (energheia), termine usato da Aristotele nel senso di azione efficace, composta da en, particella intensiva, ed ergon, capacità di agire.[2]
Fu durante il Rinascimento che, ispirandosi alla poesia aristotelica, il termine fu associato all'idea di forza espressiva. Ma fu solo nel 1619 che Keplero usò il termine nell'accezione moderna di energia.
Forme di energia [modifica]
L'energia esiste in varie forme, ognuna delle quali possiede una propria equazione dell'energia. Le principali forme di energia (non tutte fondamentali) sono:[3]
- Energia meccanica, definita classicamente come somma di energia potenziale e energia cinetica[4]
- Energia chimica
- Energia elettrica
- Energia elettromagnetica
- Energia luminosa o radiante
- Energia termica
- Energia nucleare.
Tali forme di energia possono essere trasformate l'una nell'altra, ma ogni volta che avviene tale trasformazione una parte di energia (più o meno consistente) viene inevitabilmente trasformata in energia termica (cioè si produce calore);[5] si parla in questo caso di "effetti dissipativi".
Fonti di energia elettrica [modifica]
 | Per approfondire, vedi la voce centrale elettrica. |
Spesso con la locuzione "energia" + aggettivo si intende la fonte di energia attraverso quale è possibile una produzione di corrente elettrica.
- Energia idraulica
- Energia mareomotrice
- Energia geotermica
- Energia eolica
- Energia solare
- Energia magnetica
- Energia potenziale
- Energy harvesting.
Con il termine energie rinnovabili si intendono quelle fonti di energia che non si esauriscono o si esauriscono in tempi che vanno oltre la scala dei tempi "umani" (ad esempio: energia solare, eolica, geotermica, mareomotrice), altrimenti si parla di energie non rinnovabili (ad esempio petrolio e carbone), mentre con il termine energie alternative si intendono le fonti di energia alternative ai classici combustibili o fonti fossili.[3]
Unità di misura [modifica]
L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale per l'energia e il lavoro è il joule (pronuncia: /dʒau:l/; simbolo: J), chiamata così in onore del fisico inglese James Prescott Joule e dei suoi esperimenti sull'equivalente meccanico del calore. 1 joule esprime la quantità di energia usata (ossia il lavoro effettuato) per esercitare la forza di un newton per la distanza di un metro. 1 joule equivale quindi a 1 newton·metro, e in termini di unità base SI, 1 J è pari a 1 kg × m2 × s−2.
Nel CGS l'unità di misura per l'energia è l'erg, equivalente ad 1 dyne·centimetro e in termini di unità base CGS a 1 g × cm2 × s−2 (corrisponde a 10−7 J).
Altre unità di misura adottate per esprimere l'energia sono:
- elettronvolt = 1,602 176 46 · 10−19 J
- caloria = 4,186 799 940 9 J
- British thermal unit (BTU) = 1 055,06 J
- kilowattora = 3,6 · 106 J
Energia, calore e lavoro [modifica]
La misurazione dell'energia permette di prevedere quanto lavoro un sistema è in grado di compiere. Svolgere un lavoro richiede energia, quindi la quantità di energia presente in un sistema limita la quantità massima di lavoro che il sistema può svolgere. Ad esempio nel caso di moto unidimensionale, l'applicazione di una forza per una distanza richiede un'energia pari al prodotto del modulo della forza per lo spostamento.
Si noti, comunque, che non tutta l'energia di un sistema è immagazzinata in forma utilizzabile, in quanto una parte è dispersa sotto forma di calore; quindi, in pratica, la quantità di energia di un sistema, disponibile per produrre lavoro, può essere molto meno di quella totale del sistema. Il rapporto tra l'energia utilizzabile e l'energia fornita da una macchina viene chiamato rendimento.[5]
Conservazione dell'energia [modifica]
L'energia permette anche di fare altre previsioni. Infatti, grazie alla legge di conservazione dell'energia valida per sistemi chiusi, si può determinare lo stato cinetico di un sistema sottoposto ad una sollecitazione quantificabile. Questa e altre leggi, applicate all'universo nel suo intero, affermano che l'energia non si crea e non si distrugge, bensì si trasforma e si degrada, di conseguenza l'energia, come la massa, può essere definita una grandezza conservativa.
La celebre equazione di Einstein E=mc^2, diretta derivazione della Teoria della relatività ristretta, mostra come in realtà massa ed energia siano due "facce della stessa medaglia" di un sistema fisico. Da questa semplice equazione si evince infatti che la massa può essere trasformata in energia e viceversa; quindi la massa può essere considerata una forma di "energia condensata".
Quindi considerando anche il principio di conservazione della massa i due principi fisici possono essere fusi in un principio unico sotto la denominazione di principio di conservazione della massa/energia.
L'energia in fisica classica e in meccanica quantistica [modifica]
Nella fisica classica l'energia è una proprietà scalare continua immagazzinata da un sistema.
Nella meccanica quantistica invece l'energia è "quantizzata", cioè può assumere un numero discreto di valori (o "livelli energetici"), tutti multipli di un quanto di energia, il quale rappresenta la quantità più bassa di energia che può essere immagazzinata nel sistema.
| Conversione da | a | Formula |
|---|---|---|
| kelvin | Celsius | T(°C) = T(K) - 273,15 |
| Celsius | kelvin | T(K) = T(°C) + 273,15 |
| kelvin | Fahrenheit | T(°F) = (T(K) × 1,8) - 459,67 |
| Fahrenheit | kelvin | T(K) = (T(°F) + 459,67) / 1,8 |
