Analizzando l’esperimento del sasso lasciato cadere da una certa altezza hai scoperto che l’energia potenziale di un corpo può trasformarsi in energia cinetica. Quando il corpo è fermo possiede solo energia potenziale e l’energia cinetica è nulla; durante la caduta avviene la trasformazione graduale da energia potenziale a cinetica; toccato il punto più basso, tutta l’energia potenziale si è trasformata in cinetica. La somma delle due forme di energia è l’energia meccanica (Em):
Em = Ep + Ec
Ciò accade, se non c’è attrito , in ogni momento del moto; l’energia meccanica posseduta dal corpo è sempre la stessa.
Quello che succede per l’energia potenziale e per quella cinetica, è valido per tutte le altre forme di energia?
Come si trasforma l’energia?
Le fotografie illustrano alcune trasformazioni di energia:
Nello schema della pagina precedente, l’evaporazione dell’acqua e la risalita verso l’alto della massa di aria calda e umida che forma le nuvole sono dovute all’energia termica della radiazione solare. Il vapore acqueo delle nuvole possiede energia potenziale, che deriva dalla trasformazione dell’energia termica.Quando piove l’energia potenziale si trasforma nell’energia cinetica dell’acqua che cade e questa di nuovo in energia potenziale dell’acqua raccolta nei bacini delle dighe. Nelle condotte, mentre l’acqua scorre in discesa, avviene la trasformazione dell’energia potenziale in energia cinetica, che mette in moto la turbina. La turbina è collegata a una macchina elettrica, l’alternatore, che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica.Durante i passaggi descritti, parte dell’energia si trasforma in calore, ossia in energia termica, a causa dell’attrito dell’aria, dell’acqua e dei vari materiali. Passando da una forma all’altra, dunque, l’energia cambia aspetto ma non scompare. Il principio di conservazione dell’energia afferma che l’energia non si crea e non si distrugge ma si trasforma, mantenendo costante la sua quantità.
In tutte le trasformazioni di energia si forma calore?
Prova ora a pensare a che cosa accade quando si accende una lampadina: l’energia elettrica si trasforma in energia luminosa. Se si misurano queste due forme di energia in Joule per il tempo di 1 secondo si nota che:
- energia elettrica = 100 J
- energia luminosa = 70 J
Può sembrare che l’energia in entrata non si sia conservata del tutto, poiché solo il 70% si è trasformata in energia utile per l’illuminazione. Se però sfiori la lampadina ti accorgerai che è calda: il 30% dell’energia si è trasformata in energia termica, che si disperde nell’ambiente. Lo stesso fenomeno accade durante le trasformazioni energetiche che avvengono nel motore a scoppio di un’automobile. L’energia chimica della benzina viene trasformata attraverso una combustione in energia termica e poi in energia meccanica che mette in moto le ruote. Durante i passaggi si ha una dispersione dell’energia fornita del 75%, sotto forma di calore.
In qualsiasi trasformazione energetica dunque, l’energia termica si disperde nell’ambiente, andando ad aumentarne, anche se in modo irrilevante, la temperatura. Sotto questa forma, l’energia non può più essere utilizzata. La percentuale di energia utile rispetto al totale dell’energia fornita a un apparecchio o a una macchina si chiama efficienza energetica o rendimento.
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Massa ed energia
Secondo il principio di Lavoisier (1743- 1794), in ogni trasformazione chimica la massa delle sostanze reagenti corrisponde alla massa delle sostanze che si sono formate. Anche l’energia, come la massa, si conserva. Per molto tempo gli scienziati hanno considerato massa ed energia come grandezze indipendenti una dall’altra. Nei primi anni del Novecento, Albert Einstein (1879-1955) formulò un’ipotesi del tutto nuova e rivoluzionaria, secondo la quale massa ed energia erano due aspetti di una stessa grandezza: la massa può produrre energia e l’energia può, a sua volta, produrre materia; il rapporto tra la quantità di materia che scompare e la quantità di energia che viene prodotta (o viceversa) in un fenomeno naturale è costante. Il principio di conservazione della massa e quello di conservazione dell’energia sono stati unificati da Einstein nel principio di conservazione della massa-energia espresso dalla formula:
E = mc2
Dove: E = energia;
m = massa
c = velocità della luce (300.000 km/s)
La scomparsa di un grammo di massa sviluppa 21 miliardi e 470 milioni di chilocalorie, pari all’energia liberata dall’esplosione di 20 mila tonnellate di tritolo. Il principio di conservazione della massa- energia fu a lungo osteggiato anche perché contraddetto dai fenomeni fino ad allora conosciuti. Dopo alcuni anni vennero scoperte le reazioni nucleari, grazie alle quali, da una piccola quantità di materia, si produceva una grande quantità di energia. L’ipotesi di Einstein ottenne allora una conferma sperimentale e venne universalmente riconosciuta come valida.
