Che cos’è l’energia? Qual è la sua unità di misura? Sotto quali forme si manifesta? Da quali fonti si può ricavare?
Un breve video del Canale Youtube Tecnologia Duepuntozero introduce in modo semplice questo tema.
Video interattivo
Presentazione
Forme e fonti di energia – presentazione di Martina Baldini
Schemi
Se può esserti utile, scarica gli schemi in formato pdf:
L ENERGIA schema cos è unità misura
FORME_DI_ENERGIA
FONTI_DI_ENERGIA
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Trasformazioni energetiche
Rinnovabile o esauribile?
Cruciverba
L’energia
Occorre energia ogni volta che si compie un lavoro. Ad esempio, una macchina si muove grazie all’energia fornita dal carburante; o le pale di un mulino a vento girano grazie all’energia dell’aria.
Gli scienziati definiscono l’energia come la capacità di un corpo o di un sistema di compiere un lavoro.
Anche la parola lavoro in fisica ha un significato ben preciso, legato allo spostamento di un corpo e alla forza necessaria a provocarlo. Si compie un lavoro se l’azione di una forza provoca lo spostamento di un corpo.
Ad esempio: un ciclista che si trovi in cima a un monte possiede energia, in quanto la forza di gravità è in grado di provocarne uno spostamento verso il basso.
L’energia nel Sistema Internazionale si misura in Joule (J), che è la principale unità di misura anche di lavoro e calore.
1 joule è definito come il lavoro compiuto da una forza di 1 newton per provocare uno spostamento di 1 metro nella stessa direzione della forza:
1 J = 1 (N ⋅ m)
Per avere un’idea concreta di quanto valgano queste unità di misura, possiamo dire che
- su una massa di 1kg agisce una forza peso di 10 N; quindi, su una mela di circa 200 g agisce una forza peso di 2 N
- 1 joule equivale al lavoro che compie ad esempio la forza peso nel far cadere la mela di 200g, quando si trovi a 1/2 metro da terra
Possiamo dire che l’energia di una mela di 200g, che si trovi a 1/2 metro da terra, sia pari a 1 joule.
Esistono anche altre unità di misura per l’energia. Alcuni esempi sono la caloria e il chilowattora.
1 joule ≃ 0,239 cal (calorie)
1 joule ≃ 2,78 10 ^-7 kWh (chilowattora)
Forme di energia
L’energia si manifesta in diverse forme, vediamo quali sono le principali.
Energia termica
L’energia termica, detta anche calore, è l’energia legata al movimento delle particelle di un corpo. Infatti, la materia è costituita di particelle dette atomi, o aggregati di atomi detti molecole. Queste particelle sono in continuo movimento. Possiamo valutare il calore posseduto da un corpo misurandone la temperatura, che rappresenta l’indice del grado di agitazione delle sue particelle costituenti.
Energia meccanica
L’energia meccanica si suddivide in:
- energia potenziale gravitazionale o energia di posizione: dipende dalla posizione di un corpo nello spazio
- energia cinetica: legata alla velocità di un corpo
Per illustrare la differenza tra energia potenziale e cinetica, consideriamo un pendolo. Possiamo ipotizzare che nella posizione di riposo la sua energia potenziale sia nulla: in questa posizione, infatti, la forza di gravità non ne provoca alcuno spostamento. Se spostiamo la sua massa da un lato, facciamo acquistare alla massa una certa energia potenziale, legata alla sua nuova posizione. Infatti se ora lasciassimo andare la massa, la forza di gravità sarebbe in grado di provocarne uno spostamento, quindi di compiere un lavoro.
Lasciata andare la massa, il pendolo inizia a oscillare: nel momento in cui arriva nel punto più basso, la sua energia potenziale gravitazionale è di nuovo nulla, ma non è scomparsa, si è trasformata. Infatti, il pendolo risale di nuovo. Ciò che fa risalire il pendolo è il suo moto: allora posso dire che l’energia potenziale, nel punto più basso, si è trasformata in energia cinetica, che proprio in questo punto raggiunge il valore massimo. Quando la massa risale ai lati, invece, l’energia potenziale aumenta nuovamente e l’energia cinetica diminuisce, fino ad annullarsi nei due punti estremi, in cui, per un attimo, la massa si ferma.
L’osservazione di questo fenomeno, ci permette di intuire che l’energia di un sistema può trasformarsi da una forma ad un’altra.
Vediamo adesso altre forme di energia.
Energia chimica
L’energia chimica è l’energia immagazzinata nei legami molecolari, e si può liberare attraverso reazioni chimiche, come conseguenza della rottura dei legami esistenti tra gli atomi delle molecole. Ad esempio, dalla reazione chimica di combustione si libera energia termica, cioè calore. Alcune sostanze, come ad esempio i carburanti, sono particolarmente ricche di energia chimica.
Energia nucleare
L’energia nucleare è l’energia associata alla disposizione delle particelle all’interno dei nuclei atomici. Si può liberare durante trasformazioni che coinvolgono i nuclei di particolari atomi (es: Uranio, Idrogeno). Tali trasformazioni sono accompagnate dalla “perdita” di una piccolissima parte della massa iniziale dei nuclei: parte della massa infatti si trasforma in una grandissima quantità di energia, secondo l’equazione E=mc², enunciata da Albert Einstein, dove E è l’energia, m è la massa scomparsa e c è la velocità della luce nel vuoto (c=300000 km/s).
Energia radiante
L’energia radiante è l’energia emessa dai corpi, spontaneamente o in particolari condizioni, e si propaga tramite onde.
Le radiazioni luminose (luce, infrarosso, ultravioletto), le onde radio, i raggi X e i raggi gamma sono tutti esempi di energia radiante. In particolare, la luce del sole può essere sfruttata per il riscaldamento domestico attraverso i pannelli solari termici, oppure per produrre energia elettrica, ad esempio attraverso pannelli fotovoltaici.
Energia elettrica
L’energia elettrica è legata all’attrazione e alla repulsione tra cariche elettriche presenti negli atomi, che sono costituiti da un nucleo centrale, carico positivamente, attorno a cui ruotano degli elettroni, che hanno carica negativa. In certi materiali, detti conduttori, gli elettroni riescono a muoversi da un atomo all’altro: il movimento degli elettroni genera l’elettricità.
In natura l’energia elettrica si manifesta nei fulmini, ma noi non siamo in grado di sfruttarla. Invece riusciamo a produrla a partire da altre forme di energia, attraverso macchine dette generatori. Può essere prodotta a partire da fonti esauribili e fonti rinnovabili di energia.
Perché l’ energia elettrica è così importante? Innanzitutto è facilmente trasportabile e distribuibile; inoltre, non produce polveri o emissioni nel luogo di consumo, ed è comoda da usare (basta premere un interruttore). Tuttavia, la sua produzione a partire dall’utilizzo di fonti esauribili, come i combustibili fossili e il nucleare, pone problemi ambientali e di sicurezza.
Il principio di conservazione dell’energia
Nell’esempio del pendolo, abbiamo visto che l’energia di un sistema si può trasformare da una forma ad un’altra. Un importante legge della fisica, il principio di conservazione dell’energia, ci dice che l’energia totale di un sistema resta costante nelle trasformazioni energetiche che lo riguardano.
Tornando all’esempio del ciclista, quando si trova fermo in cima al monte possiede una certa energia potenziale, legata alla propria posizione; scendendo dal monte, la sua energia potenziale diminuisce, in quanto diminuisce di quota, fino ad annullarsi ai piedi del monte, mentre acquista energia cinetica, in quanto è un corpo in movimento. Supponiamo che, arrivato ai piedi del monte, freni e si fermi. A questo punto sia la sua energia potenziale che la sua energia cinetica valgono zero. Che fine ha fatto l’energia che possedeva inizialmente? Prova a fare qualche ipostesi…
L’energia che il ciclista possedeva inizialmente si è trasformata in energia termica, a causa dell’attrito (tra gli ingranaggi della bici, tra la ruota e la strada, tra i freni e le ruote…).
A completamento del principio di conservazione dell’energia, aggiungiamo che nelle trasformazioni energetiche parte dell’energia si trasforma in calore a bassa temperatura, che non si può più utilizzare.
Fonti di energia
Quali sono le fonti di energia? Da dove si ricava? Le fonti da cui ricaviamo energia possono essere classificate in:
- Rinnovabili. Sono fonti che si rigenerano almeno alla velocità con cui vengono consumate. Il loro utilizzo non ne pregiudica l’uso anche da parte delle generazioni future.
Alcuni esempi: Energia idrica, solare, eolica, geotermica, dalle biomasse. - Non rinnovabili (o esauribili). Vengono consumate a velocità maggiore di quella necessaria alla loro rigenerazione.
Alcuni esempi: combustibili fossili (carbone, gas naturale, petrolio) e l’Uranio delle centrali nucleari.
Fonti:
“Sei pezzi facili”, Richard Feynman, Adephi
“TecnoMEDIA PLUS” – Arduino – Lattes
“Tecnologia.verde” – Paci, Paci, Bernardini – Zanichelli
https://it.wikipedia.org/wiki/Energia
https://www.focus.it/tecnologia/innovazione/che-cos-e-l-energia-201011301519
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