Che cos’è l’energia

Un joule solleva una mela di 100 g di circa 1 m; un’auto di 1000 kg a 90 km/h ne possiede circa 310 000.

L’energia permette alle cose di cambiare

Una palla che rotola, un elastico teso, una tazza di tè caldo e la batteria carica di un telefono hanno qualcosa in comune. Ciascuno può produrre un cambiamento: spingere, sollevare, scaldare o illuminare qualcosa. I fisici chiamano questa capacità energia e la misurano in joule (J). Il joule prende il nome da James Prescott Joule, che negli anni 1840 dimostrò che il lavoro meccanico e il calore sono due aspetti della stessa grandezza.

Un joule è poca energia. OpenStax propone un’immagine utile: un joule basterebbe a sollevare una piccola mela di 100 g di circa un metro. Verificalo con la formula che incontrerai nell’unità 4: 0.1 kg × 9.8 m/s² × 1 m = 0.98 J, quasi uno. L’energia degli alimenti si conta in unità più grandi. Una Caloria alimentare (kcal) equivale a 4186 J e l’apporto giornaliero consigliato per un adulto è di circa 1.2 × 10⁷ J, dodici milioni di joule.

Tante forme, una sola grandezza

L’energia si presenta in molte forme, i cui nomi indicano dove si trova. Tutto ciò che si muove possiede energia cinetica. L’energia potenziale gravitazionale si accumula quando si solleva un oggetto contro la gravità; quella elastica quando si deforma una molla o un arco. Combustibili, alimenti e batterie contengono energia chimica. L’energia termica è l’agitazione disordinata di atomi e molecole, che percepiamo come temperatura. L’energia elettrica si trasferisce lungo i fili, l’energia radiante viaggia come luce e l’energia nucleare si libera quando i nuclei atomici si dividono o si fondono.

L’energia cinetica e quella potenziale, insieme, costituiscono l’energia meccanica. Sono le due forme che riconosci subito in un’altalena o in un ottovolante e sono quelle di cui ci occuperemo più spesso in questo corso. Le altre forme compaiono quando l’energia lascia il sistema meccanico, soprattutto sotto forma di calore.

L’energia non si crea e non si distrugge

La proprietà più utile dell’energia è che il totale non cambia mai. OpenStax enuncia così la legge di conservazione dell’energia: l’energia totale rimane costante in qualsiasi processo; può cambiare forma o passare da un sistema a un altro, ma il totale resta lo stesso. Quando un’auto frena, la sua energia cinetica non svanisce. Diventa energia termica nei dischi dei freni, che infatti si scaldano. Quando carichi un telefono, l’energia elettrica diventa energia chimica nella batteria, e poi luce e calore emessi dallo schermo.

Se l’energia si conserva, perché diciamo che si consuma? Perché conta la forma in cui si trova. L’energia dispersa come calore nell’aria esiste ancora, ma è difficile raccoglierla e riutilizzarla. Una centrale a carbone trasforma in elettricità solo circa il 40 percento dell’energia chimica del combustibile; il resto esce come calore. L’unità 5 misura questo rapporto con una grandezza chiamata rendimento.

Quanto vale un joule? Una scala di energie

La tabella confronta alcune quantità quotidiane usando i valori della tabella 7.1 di OpenStax. L’intervallo è enorme. Una zanzara in volo ha un’energia cinetica di circa un milionesimo di joule; un gallone di benzina contiene circa cento milioni di joule. La notazione scientifica rende leggibili questi numeri: 1.2 × 10⁸ significa spostare la virgola di otto posizioni a destra a partire da 1.2, ottenendo 120 000 000.

Puoi verificare da solo la riga dell’auto. A 90 km/h la velocità è di 25 m/s e l’energia cinetica vale ½ × 1000 × 25² = 312 500 J, che si arrotonda a 3.1 × 10⁵ J. L’unità 3 spiega da dove viene questa formula.

L’energia può anche spostarsi senza cambiare forma. Una padella calda scalda il manico trasferendo calore, una batteria invia energia a una lampadina attraverso un filo e la luce solare trasporta energia dal Sole alla Terra attraverso lo spazio. In fisica si distinguono due parole. Una trasformazione cambia la forma dell’energia, per esempio da chimica a cinetica. Un trasferimento sposta energia da un oggetto o sistema a un altro, tramite lavoro (una forza che agisce lungo uno spostamento) oppure calore (un flusso dal caldo al freddo). La prossima unità riguarda il primo caso: il lavoro.