L'energia come carica di vita

L'energia come carica di vita

Il significato della parola «energia» per i fisici:

La parola energia viene usata sia in fisica sia nella vita di tutti i giorni, naturalmente con significati un po' diversi. In fisica si indica con que­sto nome la capacità di compiere lavoro. Un la­voro viene compiuto da una forza che si sposta lungo una determinata traiettoria; la quantità di lavoro viene misurata dal prodotto tra il valore della forza e la lunghezza dello spostamento. Per esem­pio, un peso che cade per un certo tratto compie un lavoro, la cui quantità è data dal valore del peso moltiplicato per la distan­za percorsa.

Forme di energie

Nell'ambito puramente meccanico, si distinguono due forme diverse di energia: l'energia cinetica, posseduta da tutti i corpi in movimento, pari al semiprodotto della massa del corpo per il quadrato della sua velocità, e l'energia potenziale, che un corpo possiede se si trova in presenza di un campo di forze conservative, come sono, ad esempio, il campo gravitazionale e quello elettrico. Da un punto di vista più generale, l'energia esiste in molte forme diverse, che si trasformano in parte o totalmente una nell'altra: si può dunque parlare di energia termica che non è altro che il calore. La si trova, ad esempio, tra due corpi che hanno diverse temperature: il corpo più caldo trasmette calore a quello più freddo finché i due raggiungono la stessa temperatura intermedia. Energia chimica ovvero l'energia immagazzinata nei cibi, nelle pile o nei combustibili. L'energia fornita dai cibi si misura in kilocalorie, o kcal, energia elettrica dipende da una proprietà fondamentale della materia: l'essere dotata di una carica elettrica, che può essere positiva o negativa. L'energia elettrica fornisce luce e calore ed è fondamentale per la nostra civiltà. Energia nucleare ossia l'energia immagazzinata nei nuclei degli atomi, la stessa che viene prodotta nelle centrali nucleari a partire dall'uranio e da altre sostanze radioattive.

Le trasformazioni dell'energia

C'è una proprietà molto importante dell'energia: l'energia non si può creare dal nulla né distruggere; si può solo trasformare da una forma all'altra.

Facciamo un esempio: quando un vaso di fiori cade dal terzo piano, perde tutta l'energia potenziale gravitazionale che aveva quando si trovava al terzo piano, ma acquista una quantità equivalente di energia cinetica, cioè di movimento, che prima non aveva. Quindi la sua energia potenziale gravitazionale non è andata distrutta, ma si è trasformata in energia cinetica, cioè in movimento. E l'energia cinetica non è comparsa dal nulla, ma è venuta dalla trasformazione dell'energia potenziale gravitazionale.

Vediamo con un altro esempio comune: l'automobile. La benzina dell'automobile brucia nel motore liberando una grande quantità di energia, che mette in moto i pistoni e le bielle, facendo sì che la macchina si muova (l'energia chimica della benzina si trasforma in energia cinetica della macchina) e liberando calore (energia termica). Quando la macchina circola, si muove anche una parte del motore che si chiama alternatore e genera una corrente elettrica che fa funzionare i sistemi elettrici della macchina, cioè le luci, il tergicristallo, e così via (l'energia cinetica si trasforma in energia elettrica). La corrente elettrica generata dall'alternatore ci consente di accendere i fari e vedere la strada di notte (l'energia elettrica si trasforma in energia luminosa). Vediamo un esempio di trasformazione di energia elettrica in energia termica:

Effetto Joule

Fenomeno fisico che consiste nel riscaldamento di un conduttore attraversato da corrente elettrica. Si tratta di un fenomeno dissipativo, che produce una perdita di energia elettrica di entità proporzionale al quadrato dell'intensità di corrente. Per un conduttore di resistenza R, infatti, attraversato da una corrente di intensità i, la potenza dissipata per effetto Joule è pari a P = i² R; questo significa che l'effetto Joule è tanto più intenso quanto più alto è il valore della corrente circolante e della resistenza del conduttore. Le ragioni dell'effetto Joule si trovano considerando che cosa accade a livello microscopico in un conduttore solido, al passaggio della corrente elettrica. Gli elettroni di conduzione, accelerati dalla differenza di potenziale applicata, attraversano il reticolo cristallino del solido; nel loro moto, inevitabilmente urtano contro gli ioni che costituiscono il reticolo cristallino, trasferendo loro parte della propria energia cinetica. Tale energia amplifica i moti di agitazione termica degli ioni del reticolo, manifestandosi a livello macroscopico come un aumento della temperatura del solido.

L'effetto Joule è il fenomeno su cui si basa il funzionamento delle lampadine a incandescenza: quando si accende l'interruttore, la corrente raggiunge il filamento della lampadina, che per effetto Joule si riscalda fino all'incandescenza, emettendo luce e calore. La quantità di calore prodotta per effetto Joule è Q = R i² t, se quantità di calore è espressa in Joule; mentre se la quantità di calore è espressa in cal, come è consuetudine nel SI, si ha Q = 0,24 R i² t.