Cos’é l’energia?

Cos’é l’energia?

Tutto è energia.

Una domanda e una risposta che racchiudono in sé tutto ciò che si può comprendere sull’energia, come concetto, come idea.

Nella fisica classica le entità energia e materia, sono separate tra loro, ma in realtà la materia stessa è una forma di energia. Tant’è vero che la materia, per esempio attraverso la fissione nucleare che avviene nelle centrali nucleari, può essere trasformata in energia, come l’energia elettrica o come il calore.

Tuttavia troveremo formule che separano l’energia dalla materia anche come unità di misura. Perché mai?

Questo avviene perché l’energia, quando si trova sotto forma di materia, si comporto in un modo estremamente particolare, con caratteristiche assolutamente speciali rispetto alle altre forme di energia, che,  più o meno, sono facilmente correlabili fra di loro. Per questo, fin da quando ancora non si sapeva che la stessa materia era energia, la materia viene trattata come un’entità a sé stante. E la cosa, dal punto di vista matematico, funziona abbastanza bene.

Non dimentichiamoci infatti che tutta la matematica, e tutta la fisica che si può esprimere in concetti, teorie e formule, altro non sono che un sofisticato tentativo di descrivere la realtà che ci circonda, riassumendola in leggi quanto più possibili precise. Leggi che nascono imperfette, si evolvono, con lo studio e la dedizione degli scienziati, e si migliorano, adattandosi all’universo che conosciamo in modo sempre più soddisfacente.

Per capire meglio la differenza tra “energia” e “materia” (che in futuro dovremo abituarci sempre di più a pensare come “energia sotto una particolare forma del tutto speciale”) osserviamone la portata in termini numerici.

Ora al posto di “materia” usiamo la parola “massa”. Niente di che, l’unica differenza sta nella definizione, per cui la materia è un corpo dotato di massa che occupa uno spazio. Quindi con materia ci si riferisce più alla percezione fisica di un corpo, comprendendo anche gli spazi vuoti non occupati da massa ma racchiusi all’interno del corpo stesso. Sfumature del linguaggio.

Un protone è considerato una particella dotata di massa. Al suo interno ci sono i quark, non tutti dotati di massa. Quindi consideriamo il protone. Ad esempio l’atomo di idrogeno (H) è dotato di un protone e un elettrone, non ha neutroni. La massa di un elettrone è molto più piccola di quella di un protone, per cui possiamo dire che la massa di una atomo di H equivale alla massa di un protone.

Calcoliamo quanta energia c’è nella massa del protone, ovvero quanta energia è “immagazzinata” sotto la specialissima forma che chiamiamo definiamo “massa” (o materia se non sottilizziamo sul linguaggio e sulle definizioni).

Ci basiamo sulla formula di Einstein:

energia (E) = massa (m) del protone x velocita della luce (C) al quadrato

E = m x C²

la velocità della luce equivale a 299.792,458 km/s

la massa del protone è stata calcolata in 1,6726231 × 10^-27 kg

cioé:

0,00000000000000000000000000167262131 kg

Magrolino, il protone.

Approssimiamo alla seconda cifra decimale

C = 300.000 km/s = 3,00 x 10⁵ km/s = 3,00 x 10⁸ m/s

C² = 9,00 x 10¹⁶ m²/s²

m = 1,67 x 10 ^-27 kg

da cui:

E = 1,67 x 10 ^-27 kg x 9,00 x 10¹⁶ m²/s²

E= 15,03 x 10^-11 kg x m²/s²

L’unità di misura dell’energia è il Joule (J) in base alla relazione:

J = kg x m²/s²

per cui:

E= 15,03 x 10^-11 J

Ma quando si ha a che fare con numeri così piccoli, si utilizza, al posto del Joule, l’ellettronVolt (eV), in base alla relazione:

1 eV = 1,60 x 10^-19 j

Facciamo anche questa trasformazione:

energia in eV = energia in J / 1,60 x 10^-19 j

E (eV) = 15,03 x 10^-11 J / 1,60 x 10^-19 j

E = 9,39 x 10⁸ eV

E’ un numero grande, perciò si usa il megaelettronVolt (MeV) in base alla realzione:

1 MeV = 10⁶ j

E = 9,39 x 10² MeV

E = 939 MeV

Per essere precisi il valore é 938,27, ma noi avevamo approssimato un po’.

Questa è la cosiddetta “energia di massa” o “energia a riposo” del protone.

E’ bene tenere presente che ancora oggi l’energia e la massa vengono teoricamente considerate due entità separate, e quindi, durante un’interrogazione, ricordate questa cosa. Insomma sappiate giocarvela con le parole giuste.

La massa (o in generale la materia, se si preferisce) è solo una forma di energia, la più particolare.

Le forme più consuete sono, ad esempio, l’energia potenziale e l’energia cinetica.

Abbiamo approfondito il tipo più strano di energia, perché ci fa rendere conto di una cosa: che tutto l’universo da noi conosciuto è un continuo cambiare forma ed espressione dell’energia, la quale è tutta teoricamente misurabile in kg x m²/s² o in J o in eV o in MeV e altri multipli.

L’energia quindi si esprime cambiando forma, trasformandosi, muovendosi, condensandosi, disperdendosi. Ma resta sempre misurabile allo stesso modo.

Quando parliamo di corpi in movimento, li trattiamo come massa, perché non si ricorre ogni 5 minuti alla fissione nucleare noleggiando una centrale (attività costosa), la massa resta sostanzialmente intatta. Ad esempio se tirate un calcio al pallone, questo non subisce una fissione nucleare, a meno che non le gettiate di proposito nella centrale nucleare più vicina, eludendo i guardiani all’ingresso. Per questo, nei calcoli con l’energia, l’energia di massa non la si considera, e la massa con la quale si esprime, viene misurata in kg, l’unità di misura della massa. Come un blocco di energia mummificato che si muove così com'è.

Ecco che così risulta estremamente comodo distinguere la materia dall’energia.

Quando tirate il calcio al pallone, trasferite un po’ della vostra energia potenziale (energia latente in grado, se utilizzata, di produrre una certa attività) al pallone, trasformandosi in energia cinetica. Il pallone parte a velocità sconsiderata verso la finestra dell’odioso vicino di casa. Durante il tragitto però incontra l’aria, alla quale cede un po’ di questa energia, diminuendo sempre di più la propria velocità. Nel  frattempo l’aria si prende questa energia muovendosi anch’essa un pochino. L’energia cinetica del pallone cala, ma ce n’è ancora abbastanza per sfiorare la pelle di un malcapitato facendola bruciare un po’ (non come quando nei film gli attori precipitano nella tromba dell’ascensore con le mani che consumano sui cavi d’acciaio, ma insomma qualcosina. Stiamo parlando di calore, un’altra forma dell’energia).

Alla fine il pallone impatta col vetro della finestra infrangendolo ed esaurisce la sua energia cinetica distruggendo preziosi cristalli d’inestimabile valore.

I vari cristalli di vetro e di porcellana, hanno acquisito dal palline sufficiente energia, perchè molti legami molecolari che li tenevano insieme si rompessero.

E se ancora c’è dell’energia che non capite dove vada a finire perché non capite che forma possa aver preso, sappiate che l’energia si traforma anche in radiazione: calore, energia elettromagnetica, luce. Ad esempio le trasmissioni radio avvengono grazie alla trasformazione di energia elettrica in energia elettromagnetica capace di diffondersi nell’etere.

Supponiamo che l’odioso vicino raccolga da terra l’ultimo cristallo di boemia, dal valore di 5 milioni di eturo, salvatosi dalla catastrofe da voi innescata. In quel momento, il cristallo possiede una sua energia potenziale gravitazionale, la quale potrebbe trasformarsi in energia cinetica nel momento in cui l’odioso vicino se lo lasciasse cadere. Quell’energia potenziale non sta producendo nessuna attività al momento (è l’odioso vicino che sta consumando energia tenendolo sopspeso). Tuttavia gli scappa di mano, la massa dell’oggetto subisce l’attrazione gravitazionale e precipita verso il basso. L’energia potenziale si trasforma in energia cinetica.

Ma ricordate: cambiano solo le forme dell’energia, cambia il modo con cui noi, esseri umani abitanti di questo minuscolo sasso sperduto nell’universo, la percepiamo.

Questa storia del cristallo che cade, ad esempio, potrà ricordare il concetto di forza per cui:

forza = massa x accelerazione (come l’accelerazione di gravità per l’appunto)

forza = kg x m/s² = Newton

Qualcuno, potrebbe dire: ma é la stessa cosa! C’è un corpo che cade, come mai manca un “m”?

energia = kg x m²/s² = Joule

forza    = kg x m/s²  = Newton (qui manca un m)

risposta:

perché l’energia "non a riposo”, cioé tutta quell’energia che non è immagazzinata come massa e quindi non espressa sotto forma d’inconfondibile materia, descrive la capacità di un corpo (energia a riposo sotto forma di materia il cui comportamento è descritto come “massa” e misurata in kg) di compiere un lavoro, a prescindere dal fatto che questo lavoro venga svolto o meno.

Lavoro = forza x spostamento

Spieghiamola questa cosa del lavoro e di tutto il resto

Il cristallo di cui si parlava ha un’ “energia potenziale gravitazionale” che si misura tenendo conto:

- della sua massa,

- dell’accelerazione di gravità alla quale è sottoposto anche se sta fermo,

- dalla distanza che percorre o che potrebbe percorrere una volta lasciato libero.

La formula é

Energia potenziale (Ep) = massa (kg) x accelerazione (m/s²) x spazio percorso (m)

Ep = kg x m/s² x m

Ep = kg x m²/s² = Joule

Lavoro = forza x spostamento

Lavoro = Newton x m

Lavoro = Joule

Possiamo dire che il lavoro (Joule) determina quanta energia viene trasferita da un corpo all’altro. Se io tento di spingere un carroarmato non otterrò lavoro perché non riuscirò a muoverlo.

Tuttavia i miei muscoli stanno lo stesso producendo lavoro, le loro cellule stanno impazzendo di fatica, il calore del mio corpo aumenta a dismisura, rischio l’infarto e sudo copiosamente. In sostanza il lavoro del mio organismo consiste nel trasferire energia all’ambiente esterno sotto altre forme, ad esempio sotto forma di calore.

Ma se io sono un ingegnere delle Forze Armate, e voglio sapere se i nemici possono rubare il carroramato del generale quando lo ascia parcheggiato senza antifurto, ecco che è fondamentale sapere che nel caso appena descritto il lavoro = 0.

A seconda dei diversi tipi di energia esistono formule più o meno complesse che tengono conto di disparati parametrici fisici.

Riassumiamo allora queste tre importanti forme di energia e le loro formule:

Energia di massa (energia a riposo)

Energia = massa x velocità della luce al quadrato

E = m x Ec² = J (trasformabile in Ev, Mev...)

Energia potenziale gravitazionale

Ep = massa x accelerazione di gravità (g) x altezza

Ep = m x g x h = J (trasformabile in Ev, Mev...)

Energia cinetica

Ec = (massa x velocità al quadrato) / 2

Ec = ½ x m x V² = J (trasformabile in Ev, Mev...)

Problemi su massa, densità e volume

1) Calcolo della massa

La terribile Francesca pittura una parete le cui dimensioni sono 6,50 m di lunghezza e 2,85 m di altezza, con l’idea di fregare il proprietario sulla quantità di vernice usata.

Il proprietario della casa, però, non è convinto del prezzo, teme di essere stato imbrogliato, così calcola da sé quanta vernice è stata utilizzata.

Sa che la vernice usata ha una densità di 0,91 g/cm³, e che è stata distesa con uno spessore di 0,12 mm.

Scopre così la massa e il volume in litri della vernice usata: ovvero?

Soluzione

Tutte le parole di questo problema possono far girare la testa, ma l’unica cosa che c’interessa è la formula:

massa = densità x volume

volume = massa / densità

Cosa abbiamo?

Densità = 0,91 g/cm³

massa = ?

volume = ?

Grazie ai dati in nostro possesso possiamo calcolare il volume. Infatti conosciamo tutte e tre le informazioni che ci servono:

larghezza = 6,50 m

altezza = 2,85 m

spessore = 0,12 mm = 0,00012 m = 1,2 * 10^-4 m

volume = 6,50 m x 2,85 m x 0,00012 m = 0,0022 m³  = 2,2 x 10^-3 m³

sapendo che 1 m³  = 1000 litri, =  possiamo dare la prima risposta:

il volume in litri é 2,2 x 10^-3 m³ x 1000 = 2,2 litri;

il volume in m³ é 2,2 x 10^-3 m³.

Per poterlo applicare alla formula, il volume ci serve in cm³, così da adattarlo all’unità di misura della densità che è espressa in g/cm³,

sapendo che 1 m³ = 10⁶ cm³:

volume in cm³ = 2,2 x 10^-3 x 10⁶ cm³ = 2,2 x 10³ cm³

Ora sostituiamo alla formula per ottenere la seconda risposta:

massa = densità x volume:

massa in grammi = 0,91 g/cm³ x 2,2 x 10³ cm³ = 2,002 x 10³ g

poi, sapendo che 1 g = 0,001 kg = 10^-3 kg:

massa in kg = 2,002 x 10³ x 10^-3 kg  = 2,002 kg

2) Calcolo del volume

Il ghiaccio ha una densità di 0,92 g/cm³.

La terribile Francesca ne prende un cubetto dal frigo e lo mette su una bilancia, osservando che pesa 2,12 grammi, ma che è troppo grosso. Non va bene per la sua invenzione (una fionda per cubetti di ghiaccio), allora si mette in chat per chiedere aiuto alle amiche. Ma in chat si distrae fra una chiacchiera e l’altra e il tempo passa. Quando si decide a tornare dal suo cubetto vede che se ne è sciolto un po'. Lo ripesa e scopre che adesso è perfetto e si adatta benissimo alla fionda! Infatti pesa solo 1,50 grammi e si lancia benissimo raggiungendo la finestra aperta della casa di fronte.

Ma Francesca è curiosa è vuole scoprire di quanto è diminuito il volume del cubetto

Soluzione

Altra infinita storiella che confonde le idee. Ma il trucco è badare al sodo e alla solita formula:

massa = densità x volume

volume = massa / densità

Il problema ci chiede una differenza fra due volumi. Quindi ci servono due volumi: uno per quando il cubetto pesava 2,12 grammi (volume1), uno per quando il cubetto raggiunge il peso di 1,50 grammi (volume2).

Sappiamo benissimo che il peso e la massa sono due cose ben distinte, ma sul pianeta Terra, i valori di peso e massa, grosso modo coincidono. Usiamo quindi i valori del peso come se fossero relativi alla massa.

Calcoliamo il volume1

volume1 = massa1 / densità

volume1 = 2,12 g / 0,92 g/cm³

volume1 = 2,30 cm³

Calcoliamo il volume2

volume2 = massa2 / densità

volume2 = 1,50 g / 0,92 g/cm³

volume2 = 1,63 cm³

E ora troviamo la risposta:

diminuzione del volume = volume1 – volume2 = 2,30 cm³ - 1,63 cm³

diminuzione del volume = 2,30 cm³ - 1,63 cm³

diminuzione del volume = 0,67 cm³

3) Calcolo della densità

La terribile Francesca riesce ad intrufolarsi in una gioielleria dove vuole rubare un anello d’oro che aveva visto il giorno prima.

Ma, sorpresa, invece che un anello ne trova due, assolutamente identici, ma di colore leggermente diverso. Francesca capisce subito che solo uno è d’oro mentre l’altro di rame. Su un foglietto trova un messaggio dell’odioso gioielliere: “Il volume dei due anelli è assolutamente identico: 1,2 cm³.”

Come scoprire quale anello è d’oro?

Soluzione

Come al solito badiamo al sodo:

massa = densità x volume

densità = massa / volume

Francesca capisce che la differenza sta nella densità!

Prende i due anelli e si rende conto che uno pesa di più dell’altro, ma ancora non saprebbe dire qual è quello d’oro. Trova una bilancia di precisione e pesa i due anelli (tenendo sempre presente che la massa e il peso sono due cose distinte, ma che sulla Terra più o meno si equivalgono).

anello1 = 23,160 g

anello2 = 10,752 g

Il volume è lo stesso per entrambi gli anelli quindi:

densità anello1 = 23,160 g / 1,2 cm³

densità anello1 = 19,3 g/cm³

densità anello2 = 10,752 g / 1,2 cm³

densità anello2 = 8,96 g/cm³

Bene, per la risposta, non resta che cercare su una tavola periodica o su internet la densità dell'oro (Au) e quella del rame (Cu), buona fortuna!

Densità

La densità è quantità di materia in un determinato spazio.

In questo post (differenza fra massa e peso), abbiamo parlato della differenza fra massa e peso e della confusione che spesso generano queste due entità fisiche. Abbiamo visto che la massa è quantità di materia, che in sostanza consiste nel mero conteggio di tutti i protoni e neutroni contenuti. Siccome conosciamo la loro massa, che è sostanzialmente uguale, operiamo una semplice moltiplicazione. Abbiamo visto invece che il peso è l’effetto dell’attrazione gravitazionale sul corpo preso in esame.

Quantità di materia in uno stesso volume

Bisogna anche ricordare che:

- un corpo di massa = 1 kg sulla terra, ha massa = 1 kg anche in un qualsiasi altro punto dell’universo conosciuto;

- lo stesso corpo di massa = 1 kg, che sulla Terra pesa 1 kgf, in diversi punti dell’universo conosciuto, può pesare 0,0001 kgf come migliaia di tonnellate.

Per questa ragione, alla classica domanda: “È più pesante il legno o il ferro?” non ha senso rispondere, perché il peso dipende dalla quantità di materia presente nel corpo e dalla gravità. Se siamo sulla terra quindi ci basta "contare" la materia (determinata sostanzialmente da protoni e neutroni) presente nel corpo, che sulla Terra, alla nostra gravità, coincide col valore del peso (ma non su altri pianeti!).

La densità ci dice quanta materia c’è in un determinato volume. Possiamo facilmente introdurre infiniti paragoni:

Ad esempio c’è più densità in un aula di scuola, quando sono presenti 8.000 studenti, o quando c’è solo il bidello che fa le pulizie? Si tratta sempre dello stesso concetto di densità, cambiano solo i protagonisti. In questo caso abbiamo parlato di densità di popolazione, in fisica parliamo di densità di materia (cioè di particelle dotate di massa, fondamentalmente di protoni e neutroni, in un determinato spazio).

Formula

(densità di un corpo) = (quantità di materia del corpo) / (spazio occupato dal corpo)

ovvero:

(densità di un corpo) = (massa del corpo) / (volume del corpo)

da cui:

densità = massa / volume

densità = kg/m³

Quindi l’unità di misura della densità è kg/m³ oppure grammi/cm³,

e se il volume viene espresso in litri: grammi/ml.

Esempi:

densità del sughero = 0,21 g/cm³

densità del ferro = 7,9 g/cm³

questo significa che se  prendiamo un pezzo di sughero e un pezzo di ferro dello stesso volume, il ferro peserà molto di più del sughero.

Infatti, considerando che sul pianeta Terra, la massa coincide più o meno col peso, un pezzetto di 1 cm³ di sughero peserà 0,21 grammi, mentre un pezzo di ferro 7,9 grammi, circa 40 volte di più. Quindi se metto questo pezzo di ferro sul piatto di una bilancia, per ottenere l’equilibrio, ne ne devo mettere 40 di sughero (più o meno) sull’altro.

La densità non dipende solo dalla natura degli elementi chimici che compongono un corpo, ma anche da come si dispongono per costituire il corpo stesso: se si creano molti spazi vuoti, il corpo ha una densità più bassa (esempio il sughero, materiale molto poroso) e viceversa.

Gli stati solido e liquido non sono indicativi nel determinare la densità, per esempio il mercurio è più denso del ferro e l’acqua è più densa del legno.

densità del sughero = 0,21 g/cm³

densità del ferro = 7,9 g/cm³

densità dell’acqua = 1 g/cm³

Se confrontiamo la densità di queste tre sostanze, possiamo capire perché se gettiamo un tappo di sughero in acqua, questo galleggia (ha una densità inferiore rispetto all'acqua), mentre un chiodo di ferro affonda immediatamente (ha una densità superiore).

L’affondamento o meno nell’acqua non dipende quindi dal peso, ma dalla densità del corpo, basti immaginare una petroliera zeppa di greggio che resta tranquillamente a galla (purtroppo non sempre, ma per altre ragioni...).

L'olio nell'acqua galleggia

Ecco una piccola tabella che riporta la densità di alcuni materiali espressi in g/cm³, in ordine crescente:

sughero 0,21

alcol 0,8

olio di oliva 0,9

acqua 1,0 -----------------------------

cloroformio 1,5

magnesio 1,7

sale 2,2

sabbia, 2,3

alluminio 2,7

ferro 7,9

mercurio 10,6

oro 19,3

La linea tratteggiata in prossimità dell’acqua vi mostra quali materiali stanno a galla e quali affondano.

Anche i gas hanno una loro densità, che però è fortemente dipendente dalla pressione.

Ad esempio la comune aria che respiriamo, a livello del mare, cioé a pressione = 1 atm (atmosfera), ha una densità pari a 0,0013 g/cm³.

Risolutore interattivo

Form interattivo: Inserisci la massa in kg (o in g) e il volume in m³ (o in cm³)del corpo, utilizzando il punto per i decimali:

Massa	kg (g)
Volume	m3 (cm3)

La densità del corpo è kg/m³ (g/cm³)

Ricordando che:

1 kg/m³ = 0,001 g/cm³ = 10^-3 g/cm³
1 g/cm³ = 1000 kg/m³  = 10³  kg/m³

Il ciclo dell’acqua (ciclo idrologico)

L’acqua è la vita. Totalmente indispensabile per la sussistenza delle forme di vita come noi le conosciamo. Il nostro pianeta, la Terra, pulsa di vita grazie all’acqua e ai suoi cicli, in armonia coi quali, ogni organismo vivente, dai batteri agli elefanti, si è evoluto.

L’acqua partecipa a tutte le funzioni vitali di ogni organismo e modella la geografia e la geologia terrestre, perché gli organismi possano nascere, crescere e poi morire, in una meccanica perfetta.

Il ciclo dell’acqua, o ciclo idrologico, è il perfetto riassunto di tutti i cambiamenti di stato possibili. (approfondisci)

Partiamo dal mare, la più grande superficie d’acqua, che sta lì, pronta a partire per il suo viaggio. Non solo il mare, naturalmente, anche il laghi e ogni superficie d’acqua.

L’acqua nel mare si trova allo stato liquido, poi, sotto l’influenza della temperatura, passa allo stato gassoso tramite il fenomeno dell’evaporazione, trasformandosi in vapore acqueo.

Il vapore acqueo sale verso l’alto fino a quanto può salire, forma le nubi che si muovono ammassandosi e addensandosi. Arriva altro vapore acqueo dalle foreste e da tutta la vegetazione della terra che lo fa traspirare dagli stomi delle foglie (evapotranspirazione, che comprende anche l’acqua che evapora direttamente dal terreno) aggiungendosi a quello prodotto per sublimazione dai ghiacciai di alta montagna, dove, per effetto delle temperature molto rigide e della pressione atmosferica un po’ più bassa, il ghiaccio si trasforma direttamente in vapore acqueo.

Per via delle fredde temperature e della pressione all’interno delle nubi, l’acqua condensa (condensazione) e precipita verso il basso.

E la neve?

Con la formazione della neve assistiamo al brinamento (stato gassoso – stato solido) con la formazione di cristalli direttamente dal vapore acqueo.

Nei luoghi molto freddi l’acqua si ghiaccia (solidificazione) e quando le temperature si alzano i ghiacci si sciolgono (liquefazione), come accade ad esempio ai ghiacciai.

Tutta quest’acqua che cade e che si forma dallo scioglimento dei ghiacci, scorre per effetto della gravità, attraverso corsi d’acqua di superficie (ruscellamento) e sotterranei. E prima o poi, se non si ferma a riposare in qualche bacino, lago o falda acquifera, si riverserò di nuovo nel mare.

Gli stati della materia

Detti anche stati di aggregazione della materia

Osservando la materia che ci circonda, mentre girovaghiamo tranquilli durante una bella vacanza, possiamo agevolmente accorgerci che essa si manifesta in tre modalità possibili:

- allo stato solido, come le montagne, i prati gli scogli in riva al mare;

- allo stato liquido, come il mare che batte sugli scogli, i fiumi che alloggiano nel loro alveo, e la lava che erutta dai vulcani,

- allo stato gassoso, come l’aria nel cielo, il vapore acqueo delle nubi e lo smog che respiriamo in città quando torniamo dalla vacanza.

la roccia vulcanica (solida) si fonde in lava (liquida) per
fusione e cade in acqua, la quale si trasforma in gas
(evaporazione), mentre la lava ritorna allo stato solido
(solidificazione)

Ognuno di questi tre stati possiede delle sue particolari proprietà, vediamo quali.

La caratteristica fondamentale della materia è quella di avere una massa e un volume. (approfondisci)

La materia allo stato solido ha una massa, un volume e una forma propria dove il volume si esprime in una forma specifica, definita.

La materia allo stato liquido detiene anch’essa una massa ed un volume, ma in questo caso il volume non ha una sua forma definita, bensì assume, di volta in volta, quella del contenitore che lo ospita. Un sasso in un bicchiere rimane con la sua forma, mentre l’acqua assume la forma del bicchiere.

La materia allo stato gassoso ha anch’essa una massa ma né un volume né una forma propria. il volume dei gas non è fisso, ma si adatta, sia in forma che in misura, al contenitore. I gas possono infatti essere compressi in un contenitore rigido, in questo caso il volume resta uguale ma aumenta la massa. Se insuffliamo dell’elio in un palloncino cambia sia la massa che il volume il quale modifica le pareti del contenitore. Se in qualche modo comprimiamo dall'esterno un contenitore chiuso pieno di gas, la massa rimane la stessa, ma diminuisce il volume. Se mettiamo la stessa quantità di un gas in un contenitore ancora più piccolo il suo volume diminuirà ulteriormente, ma potremo osservare una cosa interessante: che aumenta la sua densità e quindi anche la pressione che esercita sulle pareti del contenitore. Ad esempio se comprimiamo un palloncino otteniamo che:
- la massa del gas contenuto si mantiene uguale;
- il volume diminuisce;
- la forma cambia;
- il palloncino scoppia perché l'involucro che contiene il gas non è abbastanza robusto per resistere alla pressione del gas costretto in uno spazio sempre più piccolo.

Passaggi di stato

Ma come fa la materia a passare da uno stato all’altro? I responsabili di questo cambiamento sono la temperatura e la pressione.

La temperatura fornisce energia e questa energia induce l’allontanamento reciproco delle molecole che compongono una sostanza; in questo modo aumenta il volume.

La pressione esercita una forza che influenza il passaggio di stato, ad esempio la pressione atmosferica: più è intensa, più difficile sarà far bollire l’acqua per la pasta. Questo perché l’atmosfera spinge sulla superficie dell’acqua rendendo difficoltoso il distacco di molecole di acqua, le quali, in alta montagna, evaporano con molta più facilità.

Come si chiamano i passaggi di stato:

- solido – liquido: fusione (ghiaccio – acqua),

- liquido – gassoso: evaporazione (acqua – vapore acqueo),

- gassoso – liquido: condensazione (ad esempio quando il vapore acqueo nelle nuvole si condensa e piove),

- liquido – solido: solidificazione (quello che accade all’acqua quando si fabbricano i ghiaccioli).

Tutto ciò dipende dalla temperatura e dalla pressione. Ad esempio, il vapore acqueo che sale dal mare, arrivato ad una certa altezza oltre la quale non riesce a proseguire, incontra temperature più basse e si ammassa (aumenta la pressione) condensandosi.

Esistono anche passaggi di stato tra un estremo e l’altro:

- solido – gassoso: sublimazione, avviene in condizioni speciali di temperatura e pressione che per la loro eccezionalità impongono questo passaggio, ad esempio il ghiaccio secco (anidride carbonica congelata a -78°C, che sembra proprio ghiaccio: all’aria libera sublima producendo fumo, infatti si utilizza nel mondo dello spettacolo), o la canfora che tende a trasformarsi direttamente da solido a gas;

- gassoso – solido: brinamento, ad esempio quando il vapore acqueo dell’aria, a basse temperature, si trasforma direttamente in cristalli aghiformi di ghiaccio: la brina.

Differenza fra massa e peso

Chilogrammo campione

Che differenza c’è tra massa e peso?

Questo dilemma ha da sempre instillato dubbi e tormenti nelle fervide menti di tutti gli studenti del mondo, più o meno di tutte le età.

Se la massa si esprime in kg e il peso si esprime in kg quale mai sarà questa gran differenza d’importanza fondamentale?

L’origine della confusione sta proprio nell’unità di misura. Allora viene spontanea questa riflessione: se l’equivoco sta nell’unità di misura, vuol dire che una delle due entità è rappresentata da un'unità di misura inappropriata.

Tale riflessione, che in un modo o nell’altro tutti hanno fatto (kg qui, kg là, eppure sono cose diverse, c'è qualcosa che non mi torna), è assolutamente appropriata.

Ebbene, è imprecisa l’unità di misura della massa o quella del peso?

È imprecisa l'unità di misura del peso!

La vera, originale, unità di misura del peso è il Newton (N). Infatti il Newton è l'unità di misura della forza e il peso non è altro che una forza.
Invece il kg (che è convenzionalmente, ma in modo inappropriato, l’unità di misura del peso) è l’unità di misura della massa.

Fra poche righe chiarisco tutto, ma nel frattempo fissatevi il primo passo per risolvere il dilemma:
- la massa si misura in kg;
- il peso (che è una forza) si misura in Newton.

Naturalmente oggi è comunemente accettato l’utilizzo del simbolo kg per il peso, e quindi è corretto utilizzarlo, ma è importante sapere che si tratta solo di una convenzione.

Chiariamo il tutto

Massa

Pulite le vostre menti e ripartite da zero: in origine era la massa e il suo nome era kg.

La massa è QUANTITÀ di materia e questa quantità si misura in kg. E’ sempre la stessa, sulla terra, sulla luna o nello spazio vuoto fuori dalla galassia. Vedete bene quindi che l’unità di misura kg non ha niente a che vedere col peso (che è una forza), bensì con la massa, cioé la quantità di materia che compone un corpo.
(approfondisci)

Peso

Il peso è la forza che esprime un corpo quando è sollecitato dall' accelerazione di gravità. Una quantità di materia posta sul nostro pianeta subisce un’accelerazione imposta dalla gravità della terra. L’interazione massa (quantità di materia) – accelerazione di gravità, produce una forza. Questa forza è chiamata peso.

Vediamo la formula:

peso = quantità di materia (kg) x accelerazione di gravità (m/sec²⁾

peso = kg x m/sec² = Newton (unità di misura della forza – N)

peso = forza = Newton (N)= kg x m/sec²

Fra il N e il kg (che più correttamente si dovrebbe sostituire con kgf, cioé kg forza,  passa la relazione:

1 kgf = 9,81 N

vediamo perché.

Se prendessimo il chilogrammo campione della foto (un blocco di metallo conservato in Francia) la cui massa è esattamente 1 kg, e lo portassimo a latitudine 45°, a livello del mare, peserebbe esattamente 1 kgf (cioé 9,81 N). Ma solo lì avrebbe questo peso preciso, nel vuoto non peserebbe praticamente nulla.

Quel luogo è stato scelto convenzionalmente per fissare l’unità di misura in modo preciso, perché lì l’accelerazione di gravità è esattamente (circa) 9,81.

Calcoliamo:

peso = 1 kg (quantità di materia, massa) x 9,81 m/sec² (accelerazione di gravità) = 9,81 N = 1 kgf = 1 kg (unità di misura accettata e convenzionale)

Anche il chilogrammo campione crea qualche confusione perché la sua quantità di materia (massa) è 1 kg, e rappresenta, nelle condizioni particolari sopra descritte, il peso di riferimento di 1 kg (che noi sappiamo però essere 9,81 N).

Un altro aspetto che genera confusione fra massa e peso è proprio il fatto che, qui sulla Terra, il valore della massa (quantità di materia in kg) coincide con il valore del peso in kg. Se usassimo sempre kgf (1 kg convenzionale = 1 kgf = 9,81 N) questa confusione non sussisterebbe. 
Quindi, come valore numerico assoluto, sulla Terra, la massa coincide grosso modo con il peso, ma la stessa identica massa sulla luna corrisponderebbe ad un peso di circa 6 volte inferiore.

Riassumendo:

massa = quantità di materia = kg,

peso = quantità di materia x accelerazione di gravità = N
1 kg (kgf) = 9,81 N
Per convenzione: sulla Terra un kg di massa equivale a 1 kg di peso (1 kgf, cioé 9,81 N)

IMPORTANTE

La relazione 1 kg = 9,81 N è totalmente scorretta e può essere causa di terribili pomeriggi passati ad arrovellarsi il cervello vagando nell'angoscia senza capire cosa c'è che non funziona in qualche formula che stiamo osservando.

infatti è possibile questo?

kg = kg * m/sec<sup>2

Vi pare che l'equazione sia corretta? Le unità di misura si devono equivalere. Così non va.

Come mai?

Perché kg NON È l'unita di misura del peso, bensì della massa, in questo caso kg è puramente un simbolo, si poteva usare fgdy o xapeoipaoeir al suo posto che era la stessa cosa, ma è stato usato kg generando una grandissima confusione.

Per questo, in caso di difficoltà abituativi ad usare SEMPRE il Newton o il kgf, sapendo che la relazione fra questi é:

1 kgf = 9,81 N

Quindi, se in un testo trovate "kg" chiarite subito:

1) kg si riferisce alla massa di un corpo allora va bene lo tenete;
2) kg si riferisce al peso, allora non va bene, sostituitelo con kgf tenendo sempre presente la relazione 1 kgf = 9,81 N, così da non fare errate semplificazioni col termine "kg".

Ma ricordate che, convenzionalmente, è normale trovare dappertutto il peso espresso in kg, anche negli esercizi e problemi di fisica; se siete in difficoltà, quando vi riferite al peso sostituite "kg" con "kgf".

Problema e risolutore interattivo

Poniamo in forma di problema l'esempio precedente:

un corpo sul pianeta Terra ha una massa pari a 1 kg, quanto pesa? Dare la risposta in N.</sup>

Peso = massa x accelerazione

massa = 1 kg
accelerazione = gravità terrestre = (circa) 9,81 m/sec² 

peso = 1 kg x 9,81 m/sec² =  9,81 N

Risolutore interattivo: inserisci la massa del corpo e l'accelerazione gravitazionale del pianeta desiderato, utilizzando il punto per i numeri decimali, esempio: 9,81

Massa	kg
Accelerazione di gravit&agrave	m/sec^2

Il peso del corpo sul tuo pianeta è N.

Se poi volete il valore in kg (cioé kgf!):

utilizziamo la relazione 1 kgf = 9,81 N per cui

peso in kgf = peso ottenuto / 9,81 N

Controlliamo

Inserisci il peso in Newton

Newton	N

Il peso in kgf è kgf.

a questo punto potrete andare in giro a dire che su vostro pianeta preferito pesate ... kg (kgf!)

Per concludere, qui trovate alcuni problemi.

Cos'è la materia?

La materia è tutto ciò che è dotato di massa e di volume.

Quando ci guardiamo intorno spesso ci chiediamo cosa è quello che vediamo. E' materia? Non si sa, perché tutto ciò che percepiamo dipende dai nostri sensi. In particolare, se parliamo del concetto di materia, ci viene da pensare che sia un aspetto da verificare col senso del tatto. Se tocchiamo qualcosa quella è materia, ha una consistenza che ci fa chiamare quella cosa "materia". Ma ancora non sappiamo nulla di preciso.

Possiamo approcciarci alla "materia" in due modi:

1) constatando le sue caratteristiche e quindi affidare a tali caratteristiche la sua descrizione;

2) esplorando la natura più profonda di ogni singola particella che la compone per scoprire dove sta il suo "frammento" più piccolo.

Nel secondo caso ci troviamo di fronte ad un situazione complicata, perché molte particelle dimostrano di non avere le caratteristiche della materia, in particolare quella che definiamo come "massa", mentre altre parrebbero possederla. Ma ancora non è del tutto chiaro cosa sia esattamente questa “materia”. Sembrerebbe che la materia non sia altro che la nostra percezione del comportamento di particelle che interagiscono fra di loro tramite energia.

Se questa cosa vi confonde non dovete preoccuparvi, ci sono fior di fisici che si stanno scervellando su queste cose cercando di conquistare, giorno dopo giorno qualche conoscenza in più, frutto di grande studio e lavoro, e noi comuni mortali cerchiamo di recepire quel che riusciamo e di ragionarci sopra: se avete voglia e curiosità c’è ancora tutto da scoprire.

Nel primo caso invece assumiamo una posizione più semplice, non ci poniamo domande al momenti irrisolvibili, ma consideriamo la materia per come si comporta.

Caratteristiche della materia

Chilogrammo campione

Le sue caratteristiche fondamentali sono due:

- la materia è dotata di una massa, la quale è espressa in chilogrammi (Kg); (approfondisci)

- la materia possiede un volume, espresso in metri cubi (m³) o in litri.

La massa di un corpo è data dalla somma delle masse di tutte le sue particelle. Quindi prendiamo in esame una sostanza qualsiasi e contiamo tutte le sue particelle moltiplicandole per la loro massa. Se vogliamo conoscere la massa di un atomo di idrogeno (H) dobbiamo considerare solo le due uniche particelle che lo compongono: un protone e un elettrone. Non consideriamo le particelle che compongono il protone (quark) perché è già conosciuta la massa complessiva del protone. L’elettrone ha una massa di circa 1000 volte inferiore a quella del protone, perciò la trascuriamo.

Il protone ha una massa di 1,6726231 × 10^-27 kg, quindi con 27 zeri davanti alla prima cifra significativa.: 0,0000000000000000000000000016726231 kg.

Questa è approssimativamente la massa di un atomo di idrogeno.
In tutti gli altri atomi che non siano idrogeno, sono presenti anche i neutroni, in genere in numero uguale a quello dei protoni. Essi hanno approssimativamente la stessa massa dei protoni. 

Il volume è la parte di spazio occupata da una qualsiasi entità che ci circonda.

Nella foto il chilogrammo campione: la massa di un particolare cilindro la cui altezza e diametro misurano 0,039 m, e composto di una lega di platino-iridio. Questo campione è depositato in Francia, a Sèvres, presso l'Ufficio internazionale dei pesi e delle misure (Bureau International des Poids et Mesures).