L’energia esiste in varie forme eterogenee, ognuna delle quali possiede caratteristiche peculiari che le permettono di essere trasformata in lavoro utile da destinare a un determinato uso finale; ma le diverse forme di energia non sono altro che manifestazioni differenti della stessa grandezza fisica. L’espressione “forme di energia” è usata con un’enorme varietà di significati, gli studiosi della materia non concordano, infatti, nella definizione di tale locuzione: alcuni 77 sostengono che la definizione concerna le diverse modalità secondo le quali l’energia può essere scambiata; altri scienziati78 asseriscono che l’espressione debba essere intesa con riferimento ai diversi modi in cui
77 Resnick R. e D.Halliday, Physics for Students of Science and Engineering, New York, Wiley, 1963,Vol. I, Cap.8, p. 144.
78 Kittel C., W.D. Knight e M.A. Ruderman, Berkeley Physics Course: Mechanics, New York, McGraw-Hill, 1973, Cap. 5, p. 150.
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l’energia può essere immagazzinata; altri ancora79 non distinguono tra i due diversi significati attribuibili all’espressione “forme di energia” e li utilizzano entrambi indistintamente.
In realtà, è bene aver presente che l’energia può essere classificata in due modi completamente differenti tra loro: nel primo si tengono in considerazione gli scambi di energia o, detto in altri termini, le modalità del fluire dell’energia in o da un sistema fisico; nel secondo modo si concentra l’attenzione sull’immagazzinamento dell’energia. Nel primo caso giunge ad inquadrare forme di energia quali quella elettrica, quella chimica, il calore, il lavoro, e così via. Nel secondo caso, si giunge ad evidenziare i concetti di energia interna, energia di campo elettrico, energia cinetica, energia potenziale e così via.80
Semplificando quanto detto, si può, quindi, affermare che l’energia può essere suddivisa e catalogata per tipologie a seconda che essa sia posseduta da un determinato sistema o che sia ceduta o acquisita dallo stesso. Nel primo caso si parlerà, ad esempio, di energia associata: al movimento (energia cinetica), alla posizione di un corpo nello spazio (energia potenziale, che può essere a sua volta di tipo gravitazionale o elastica), alle forze che uniscono le particelle subatomiche o alla massa del sistema stesso (si ricordi la già citata equazione di Einstein per cui E=mc2); nel caso che l’energia sia acquisita o ceduta da un sistema si può avere energia di tipo termico, nucleare o legata a radiazione elettromagnetiche.
Ovviamente, occorre ribadire che, in accordo con principio generale di conservazione dell’energia, le diverse forme di energia possono mutare l’una nell’altra.
Le principali forme in cui l’energia si manifesta sono: meccanica, chimica, biochimica, elettrica, elettromagnetica, termica, luminosa, nucleare.
L’ energia meccanica è definita classicamente come la somma di energia cinetica ed energia
potenziale attinenti allo stesso sistema. L’aggettivo cinetico deriva dal greco chinesis, che vuol dire
movimento, ciò sta a significare che l’energia cinetica è posseduta dai corpi in movimento, siano
essi solidi, liquidi o aeriformi. Ad esempio, l’energia eolica non è altro che l’energia cinetica posseduta da una massa d’aria che si sposta o, ancora, l’energia idraulica è l’energia cinetica generata dal fluire di corsi d’acqua. L’energia potenziale rappresenta la capacità di compiere
lavoro che un corpo possiede in virtù della sua posizione all’interno di un campo di forze
conservative; sulla Terra, essa deriva dal campo di attrazione gravitazionale terrestre.
L’energia chimica consiste nell’energia immagazzinata nei legami chimici ed è sostanzialmente
riconducibile all’energia potenziale delle interazioni elettrostatiche delle cariche presenti nella materia ponderabile, più l’energia cinetica degli elettroni. L’energia chimica di maggiore interesse, ai fini della presente trattazione, è quella posseduta dai combustibili fossili: petrolio, gas e carbone.
L’energia biochimica interessa le reazioni chimiche complesse che danno origine alla vita e
determinano trasformazioni nei componenti delle cellule, come proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici e altre biomolecole.
79 Feynman R.P., R.B. Leighton e M. Sands, The Feynman Lectures on Physics, Reading (MA), Addison-Wesley, 1964, Cap. 4.
80 Falk G., F. Hermann e B. Schmid, Traduzione di A. Fichera, Diverse forme di energia o portatori di energia?, in «American Journal of Physics», 1983, vol. 51, n. 12.
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L’energia elettrica si caratterizza per il movimento di cariche elettriche all’interno di conduttori,
ossia elementi fisici aventi la caratteristica far fluire gli elettroni con facilità; i metalli, solitamente, sono ottimi conduttori; i migliori in ordine decrescente sono: argento, rame, oro, alluminio, tungsteno, bronzo, nickel, platino, ferro e piombo. D’altra parte, possono condurre facilmente l’elettricità anche l’acqua, la terra e il corpo umano. In effetti, sarebbe più corretto parlare di energia elettromagnetica, perché associato al campo elettrico esiste, sempre, anche un campo magnetico, tuttavia, questa distinzione risulta comoda per definire la forma di energia che viene, usualmente, impiegata solo per le sue caratteristiche elettriche. Grazie alla sua facile trasportabilità è la forma di energia maggiormente utilizzata dall’uomo. Essa viene, di norma, generata artificialmente, convertendo altre forme di energia esistenti; l’energia elettrica disponibile in natura, come quella derivante dai fulmini, risulta, al momento, di difficile sfruttamento.
L’energia elettromagnetica dipende dall’interazione tra un campo elettrico e un campo magnetico.
Essa è l’unica forma di energia che non ha bisogno di alcun mezzo fisico per potersi trasmettere, è in grado di viaggiare, quindi, anche nel vuoto, dove sono sostanzialmente assenti fenomeni di dissipazione. In natura è presente, principalmente, nella radiazione solare.81
L’energia termica detta anche, comunemente, calore, fa aumentare la temperatura della materia.
Essa è l’energia che fa vibrare gli atomi e le molecole della materia.
Dal punto di vista microscopico, l’energia termica di un sistema rappresenta l’energia cinetica media Ec delle particelle del sistema, che tiene conto dei movimenti di traslazione, di rotazione e di vibrazione delle particelle e aumenta all’aumentare della temperatura.
Il calore è, invece, una manifestazione macroscopica dell’energia termica, consistendo esso nel trasferimento dell’energia termica tra due corpi.
L’energia termica può essere prodotta in grande quantità semplicemente attraverso fenomeni di combustione, oppure mediante reazioni nucleari, o anche attraverso il passaggio di corrente elettrica attraverso un filo ad alta resistenza (cioè per effetto Joule), come avviene nelle stufe elettriche e in tutti gli elettrodomestici che sviluppano calore (lavatrice, forno elettrico, ecc). In natura fonti di calore facilmente disponibili sono: il Sole e il sottosuolo.
L’energia luminosa consiste nella luce emessa da una sorgente luminosa primaria che possiede e
trasporta energia che deriva da processi di natura chimica, elettrica o nucleare che avvengono nella sorgente. Nell’interazione della luce con corpi materiali l’energia trasportata può essere trasferita tutta o in parte ai corpi stessi attraverso processi di assorbimento. La luce non assorbita dal corpo può essere trasmessa o riflessa.
L’energia nucleare consiste in tutti quei fenomeni in cui si ha produzione di energia in seguito a
trasformazioni nei nuclei degli atomi costituenti la materia. L’energia nucleare, come si dirà in seguito, è una fonte di energia primaria, ovvero è presente in natura e scaturisce dalla trasformazione di altra forma di energia. Le reazioni che coinvolgono l’energia nucleare sono principalmente quelle di fissione nucleare, di fusione nucleare e quelle legate alla radioattività.
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