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...)