Energia nei sistemi materiali: forme, trasferimenti e conservazione

1. Sistemi e scale di osservazione

Un sistema è un insieme organizzato di elementi che interagiscono fra loro, in grado di utilizzare una fonte di energia e di fornire al sistema stesso proprietà globali o caratteristiche. Un sistema materiale è un'intera porzione dell'universo che abbiamo isolato e identificato per essere sottoposta a esame.

Le dimensioni delle cose vanno dalla scala globale dell'universo alle particelle submicroscopiche che costituiscono la materia. In genere si utilizzano quattro scale di osservazione: astronomica (10²¹), macroscopica (10⁰), microscopica (10^-4) e submicroscopica (10^-14).

1.1 Sistemi di alimentazione dei materiali

L'energia è la capacità dei sistemi materiali di produrre interazioni tra gli elementi che causano alterazioni o modifiche.

Le modifiche includono:

• Cambiamenti fisici: possono essere di diversi tipi: di posizione (gli oggetti materiali possono spostarsi), di forma (applicando una forza, un oggetto può deformarsi) e di stato (l'energia può causare cambiamenti di stato della materia: solido, liquido, gassoso).

• Cambiamenti chimici: alcune sostanze reagenti si trasformano in altre, i prodotti, attraverso reazioni chimiche. Ad esempio, il ferro reagisce con l'ossigeno per formare ossido di ferro.

• Cambiamenti geologici: possono avvenire molto lentamente, come l'erosione o la formazione di catene montuose, oppure in tempi brevi, come eruzioni vulcaniche o cambiamenti climatici improvvisi.

• Cambiamenti biologici: avvengono durante la vita degli organismi, come la crescita e lo sviluppo embrionale; altri processi, come l'evoluzione degli esseri viventi, richiedono tempi molto lunghi.

2. Manifestazioni delle forme di energia

L'energia assume molte forme e viene denominata diversamente a seconda delle azioni e dei cambiamenti che provoca o dei fenomeni a cui è associata.

Tutte queste forme di energia si manifestano in realtà come manifestazioni di energia cinetica o energia potenziale (che insieme compongono l'energia meccanica). L'energia è misurata in joule ed è rappresentata con la lettera J. L'energia può manifestarsi come segue:

• Energia interna: è associata all'agitazione delle particelle che costituiscono i corpi e si manifesta con la temperatura: più è elevata l'agitazione, maggiore è la temperatura.

• Elettricità: è associata alla corrente elettrica che si verifica quando gli elettroni si muovono attraverso un circuito elettrico, tra le estremità del quale vi è una differenza di potenziale.

• Energia termica: è associata alla quantità di energia trasferita da un corpo caldo a uno più freddo e si manifesta come calore.

• Energia chimica: è associata alle sostanze che immagazzinano energia nelle loro strutture chimiche. Si manifesta durante alcune reazioni chimiche, come l'ossidazione.

• Radiazione elettromagnetica: è l'energia associata alla propagazione sotto forma di onde elettromagnetiche, evidenziata dalla luce visibile, dalla radiazione infrarossa, dalle microonde, ecc.

• Energia nucleare: è associata alle trasformazioni del nucleo degli atomi, come la fissione o la fusione. Si verifica quando la massa viene convertita in energia secondo i principi della fisica nucleare.

1.2 Energia: potenza in azione

Tutti i sistemi materiali hanno qualcosa in comune: l'aspetto energetico. Quando gli scienziati parlano di potenza (o power), spesso si riferiscono a qualcosa di più concreto: uno dei significati fisici di potenza è la capacità di esercitare una forza e di produrre un effetto o di causare una modifica. Quando si spende energia, l'energia si muove da un corpo all'altro: questo è il lavoro.

L'energia è la capacità dei sistemi materiali di compiere lavoro: fare lavoro significa che si esercita una forza su un oggetto e l'oggetto si muove da una posizione all'altra.

Le dimensioni degli oggetti vanno dal submicroscopico alla scala astronomica, passando per il macroscopico e il microscopico.

2.1 Energia cinetica

L'energia cinetica è l'energia associata al movimento di un corpo; è l'energia in azione e dipende dalla massa degli oggetti in movimento e dalla loro velocità.

2.2 Energia potenziale

L'energia potenziale è un tipo di energia immagazzinata che è "in attesa" di poter compiere un'azione; è associata alla massa dei corpi e alla loro posizione (ad esempio in altezza, compressi, ecc.).

3. Meccanismi delle trasformazioni

L'energia necessaria per compiere un'azione non si crea dal nulla, ma proviene sempre da un'altra forma di energia che subisce una trasformazione. Le modifiche avvengono quando le diverse forme di energia si trasformano tra loro.

3.1 Principio di conservazione dell'energia

Secondo il principio di conservazione dell'energia, in ogni trasformazione energetica non può mai esserci una quantità totale di energia maggiore o minore rispetto a quella presente all'inizio. L'energia non può essere creata né distrutta, ma solo trasformata. Quando l'energia viene trasformata in un'altra forma, la quantità totale di energia rimane costante.

Nelle trasformazioni energetiche non si perde la quantità di energia, ma può cambiare la sua qualità: l'energia si degrada e perde capacità di compiere lavoro. Le macchine utilizzano solo una parte dell'energia che ricevono, poiché una parte viene convertita in calore e in rumore.

3.2 Trasferimento e diffusione dell'energia

L'energia può essere trasferita o diffusa da un corpo all'altro in vari modi. Ad esempio, quando l'acqua bolle in una pentola si riscalda perché riceve calore dal fuoco. Il calore può propagarsi anche mediante onde, come le microonde, o tramite conduzione e convezione.

Un altro modo per trasferire energia da un corpo a un altro è il lavoro: quando viene esercitata una forza che provoca spostamento, energia viene trasferita tra i sistemi. In sintesi, l'energia viene trasferita o diffusa da un corpo all'altro sotto forma di onde di calore o di lavoro meccanico.