Forme di energia

L’energia, secondo la definizione più diffusa, è l’ attitudine di un sistema a compiere lavoro.

L’energia presente in natura e di cui l’uomo può disporre può essere distinta in un certo numero di forme eterogenee. In Tab. 1.1 sono riassunte le forme di energia attualmente utilizzate; qui di seguito se ne esaminano brevemente caratteristiche e proprietà.

Tabella 1.1 - Forme di energia

•Chimica •Elettrica •Elettromagnetica •Meccanica - cinetica - potenziale ( e di pressione) •Nucleare •Nucleare •Termica

Tale classificazione è importante perché consente di mettere in evidenza l’utilità di ogni tipo di energia in relazione all’uso che di essa si può fare.

Infatti, in base al valore dei parametri che la caratterizzano ed all’attitudine di ciascuna forma di energia ad essere convertita in lavoro utile da destinare, sotto determinate condizioni, ad un particolare uso finale, è possibile, di volta in volta, scegliere la fonte energetica più conveniente, ovvero il processo di conversione più idoneo a perseguire l’obiettivo prefissato.

Ad esempio, in tutte le applicazioni in ambienti in assenza di ossigeno libero, come quelle spaziali o sottomarine, sarà poco conveniente, se non impossibile, utilizzare l’energia chimica attraverso reazioni convenzionali di combustione, quelle cioè che sviluppano calore mediante reazioni esotermiche di ossidazione.

In questi casi si raccomandano altri processi di conversione, oppure altri tipi di energia: una soluzione tecnicamente interessante può essere rappresentata dall’energia nucleare, assistita da impianti termodinamici a ciclo chiuso, o dal ricorso a sistemi speciali per la conversione energetica, quali alcuni dispositivi, cosiddetti, di “conversione diretta”.

1.2.1. Energia chimica

È insita nelle forze di legame presenti, in particolari sostanze, a livello molecolare ed atomico. Può essere definita di tipo

potenziale, a sottolinearne il carattere intrinseco, che può estrinsecarsi, attraverso opportune reazioni, sotto forma di energia

termica oppure elettrica. Nel primo caso si parla di reazioni esotermiche (in generale di ossidazione) e la quantità di calore apportata, denominata tonalità termica di reazione o calore di reazione, equivale, in valore assoluto, alla variazione di entalpia che compete a ciascuna reazione. La generazione di energia elettrica è dovuta, invece, alla variazione di energia libera relativa a reazioni di ossidoriduzione o al gradiente di concentrazione di sostanze diverse in determinate soluzioni (in questo caso si parla di energia libera di mescolamento). L’energia chimica prevalentemente utilizzata è quella posseduta dai combustibili fossili.

1.2.2. Energia elettrica

Questo fattore ormai irrinunciabile nella società umana moderna è prodotto dal movimento di elettroni liberi nei conduttori. Sebbene sia improprio parlare di “energia elettrica”, perché, insieme al campo elettrico, è sempre presente un campo magnetico e quindi si dovrebbe parlare più propriamente di “energia elettromagnetica”, è tuttavia comoda questa distinzione magnetico e quindi si dovrebbe parlare più propriamente di “energia elettromagnetica”, è tuttavia comoda questa distinzione per definire il tipo di energia utilizzata solo per le sue caratteristiche elettriche. Va sottolineato che l’energia elettrica disponibile in natura (ad esempio, attraverso il fenomeno della fulminazione) non è direttamente sfruttabile allo stato attuale della tecnologia. È quindi necessario produrre l’elettricità artificialmente.

1.2.3. Energia elettromagnetica

Legata all’interazione tra un campo elettrico ed uno magnetico, è l’unico tipo di energia che si trasmette senza il supporto di alcun mezzo fisico e quindi anche nel vuoto, dove è esente da fenomeni di dissipazione. In natura, è presente innanzitutto nella radiazione solare, che provvede, in misura largamente preponderante, al sostentamento energetico del nostro pianeta (vedi § 1.4).

1.2.3. Energia elettromagnetica

Legata all’interazione tra un campo elettrico ed uno magnetico, è l’unico tipo di energia che si trasmette senza il supporto di alcun mezzo fisico e quindi anche nel vuoto, dove è esente da fenomeni di dissipazione. In natura, è presente innanzitutto nella radiazione solare, che provvede, in misura largamente preponderante, al sostentamento energetico del nostro pianeta (vedi § 1.4).

1.2.4. Energia meccanica

La sua disponibilità in natura è di tre tipi:

a) potenziale e di pressione, derivante dal campo di attrazione gravitazionale che agisce sulla Terra; è posseduta da

corpi in quiete e dipende dalla posizione (“quota”) occupata da essi in tale campo, con riferimento ad una posizione (eventualmente convenzionale) cui si attribuisce il contenuto di energia potenziale di riferimento. L’acqua accumulata in un bacino, ad esempio, possiede un’energia potenziale proporzionale alla sua quota rispetto ad un riferimento convenzionale (nel caso, la posizione della turbina a valle) (Fig. 1.2).

Di interesse è anche l’energia potenziale (mista, questa volta ad energia di movimento), dovuta all’interazione gravitazionale tra la Terra e gli altri corpi celesti (principalmente, la Luna ed il Sole); essa si manifesta con le maree. gravitazionale tra la Terra e gli altri corpi celesti (principalmente, la Luna ed il Sole); essa si manifesta con le maree. Di carattere potenziale è anche l’energia di pressione, strettamente legata alla variabile di stato omologa. Anche questa può essere illustrata con un esempio “idraulico”, nel senso che è sempre presente una componente di tale forma di energia in un fluido in movimento;

b) cinetica, legata al movimento dei corpi (solidi, liquidi, aeriformi): ad esempio, il vento (si parlerà in questo caso di energia eolica) o l’acqua dei fiumi (energia idraulica) e del mare (energia del moto ondoso), etc.;

1.2.5. Energia nucleare

Detta anche energia “atomica”, è dovuta alle forze di coesione presenti nel nucleo degli atomi. In natura viene liberata direttamente da elementi, generalmente di grande massa atomica, detti radioisotopi 2_{, che emettono spontaneamente} radiazioni e/o particelle (radioattività naturale).

T

h

Inoltre, alla stregua dell’energia chimica, anche per l’energia nucleare esiste la forma di tipo potenziale che può essere liberata attraverso il processo di fissione di nuclei di atomi pesanti (quali alcuni isotopi dell’uranio) o di fusione di nuclei di atomi leggeri (come, ad esempio, l’idrogeno ed i suoi isotopi); si parla in questo caso di radioattività artificiale.

Fig. 1.2 - Acqua accumulata in un bacino montano con energia potenziale proporzionale alla quota h di dislivello dalla turbina T.

1.2.6. Energia termica

È quella contenuta in ogni corpo per il fatto che esso si trova ad una temperatura superiore allo zero assoluto ed è dovuta, dal punto di vista microscopico, all’energia (cinetica e potenziale) legata allo stato di moto presente nella materia a livello molecolare, atomico o subatomico. Nell’approccio termodinamico, quella termica viene considerata la forma meno “nobile” di energia, poiché tutte le altre forme tendono a trasformarsi quasi interamente in questa, mentre non è altrettanto spontaneo il fenomeno inverso. Non è infatti possibile una gratuita trasformazione termodinamica il cui unico risultato sia quello di trasformare il calore in un’altra forma di energia, come sancito dal “secondo principio della termodinamica”.