Se ci fermassimo un attimo a guardare tutto ciò che ci circonda, ci potremmo accorgere dell’esistenza di cose che sono costantemente presenti nella vita quotidiana e a cui non prestiamo la dovuta attenzione. Uno di questi è l’energia!
Essa è costantemente presente nelle nostre vite: quando ci muoviamo consumiamo continuamente energia, la utilizziamo per riscaldare le nostre case, per accendere una lampadina, per comunicare, noi stessi  e la nostra vita biologica dipendiamo da scambi energetici.

Tutto ha bisogno di energia!                                

L’energia è alla base di tutte le attività umane, al punto che se il rifornimento energetico cessasse, la nostra vita cambierebbe profondamente.  Ma che cos’è l’energia ? L’energia è la grandezza fisica che serve necessariamente ad un corpo per compiere un lavoro. Secondo il SI  (Sistema Internazionale di Misura) si misura in Joule (J), ma anche nella nostra quotidianità abbiamo familiarità con questa grandezza: ad esempio dietro le bustine degli alimenti, essa è espressa in kilocalorie (kcal). 

N.B. Una caloria è la quantità di energia termica necessaria ad innalzare la temperatura di un grammo di H2O distillata da 14,5 C° a 15,5 C° alla pressione di 1 atm. Più spesso troviamo la Kcal (1 kcal equivale a 4136 J) usata a livello nutrizionale.

L’energia è una grandezza fisica estensiva, quindi dipende dalla massa,  e ha un’importanza fondamentale nella formulazione di teorie, in particolare in ambito fisico; dalla meccanica alla termodinamica, dalla teoria della relatività alla meccanica quantistica. Oggi siamo abituati a parlare di “fonti di energia”, di “energia immagazzinata” o di “trasformazione dell’energia” come se l’energia fosse una sostanza, sia pure invisibile e immateriale, facente parte di ogni cosa nel mondo, capace di assumere forme diverse e di essere trasferita da un corpo a un altro.

Esistono diverse forme di energia:

ENERGIA MECCANICA

In fisica la si considera sotto varie forme: energia cinetica, che corrisponde al lavoro che un corpo in movimento può compiere sull’esterno; energia potenziale (cioè di posizione), che dipende da dove il corpo si trova rispetto agli altri e dal tipo di forza (gravitazionale, elettrica, magnetica…) attraverso la quale interagisce con essi. Per esempio: un corpo sopra la superficie terrestre ha un’energia di posizione gravitazionale rispetto alla Terra, perché si trova nel suo campo gravità.

• ENERGIA POTENZIALE

  

Se in una regione di spazio sono presenti una  forza ed un oggetto che è sensibile alla presenza della forza, l’energia potenziale (associata alla forza) posseduta dall’oggetto è definita come la differenza tra l’energia che esso possiede a causa della forza in una data posizione nello spazio e l’energia posseduta in una posizione scelta come riferimento. Spesso nella posizione scelta come riferimento l’energia potenziale è nulla. L’energia potenziale è definibile come il lavoro necessario a portare a distanza infinita due molecole, ed è pari a zero quando la distanza è infinita. La figura rappresenta il pendolo di Newton è costituito da un insieme di sferette metalliche di massa uguale sospese con fili a due aste di metallo orizzontali e parallele. Le sferette, a riposo, si toccano, sono alla stessa altezza e sono equidistanti dalle aste. Al museo del Balì si possono trovare queste sfere che sono  al soffitto. Se si lascia cadere una o più sferette contro le altre, quella situata all’estremità opposta si mette in moto con la stessa velocità, mentre quella lanciata si ferma e le intermedie non si muovono. Se le sferette sono più di tre e se ne lasciano cadere due, si metteranno in moto le due situate all’estremità opposta, e così via. La sua espressione matematica è uguale a Ep=m*g*h, dove m è la massa, g è l’accelerazione di gravità e h l’altezza del corpo.

• ENERGIA CINETICA 

L’energia cinetica è l’energia che possiede un corpo per il movimento che ha o che acquista: equivale al lavoro necessario per portare un corpo da una velocità nulla a una velocità nota. Quando un corpo di massa m varia la sua velocità, con questa varia anche la sua energia cinetica. Il lavoro equivale a questa variazione di energia cinetica. L’energia cinetica quindi è associata alla massa e alla velocità di un corpo in movimento. L’energia cinetica che possiede un corpo di massa m nel suo moto di caduta è uguale al lavoro compiuto per fermarsi. La sua espressione matematica è: Ec=1/2 m*V2, dove m è la massa del corpo e V la velocità al quadrato.

ENERGIA CHIMICA

L’energia Chimica è prodotta durante il corso di reazioni chimiche. Si può attribuire ad una forma di energia potenziale racchiusa nei legami tra gli atomi ; essa è correlata alla tendenza degli elementi chimici di reagire fra loro, per migliorare il loro assetto elettronico. L’energia chimica può essere anche considerata come energia di movimento, perché comunque questa energia è provocata dal movimento delle particelle subatomiche di carica negativa (elettrone). Un esempio molto importante in natura di energia chimica è l’energia messa in gioco durante la fotosintesi . Infatti, l’energia luminosa trasportata dai fotoni viene trasferita attraverso urti agli elettroni della clorofilla. Questi elettroni non sono strettamente legati alla molecola, ma sono “dislocati” e liberi di fare dei salti trasforando l’energia ricevuta in energia cinetica utilizzabile per la “macchina fotosinteica” che  trasforma tale energia in energia chimica caricandola attraverso complicati passaggi e due fasi ben precise, luminosa ed oscura, nella molecola del glucosio. Questa decreta l’ingresso del carbonio inorganico nel mondo organico e della energia solare in energia chimica fruibile da tutti gli organismi viventi

Lettura consigliata: Carbonio nel Sistema Periodico di Primo Levi.

 

ENERGIA NUCLEARE

Con energia nucleare (detta anche energia atomica), si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici: tali trasformazioni sono dette reazioni nucleari. L’energia nucleare è una forma di energia che deriva da profonde modifiche della struttura stessa della materia. Insieme alle fonti rinnovabili e le fonti fossili, è una fonte di energia primaria, ovvero è presente in natura e non deriva dalla trasformazione di un’altra forma di energia. La Commissione europea si è espressa chiarendo che il nucleare non è da considerarsi come rinnovabile. Benché inoltre rappresenti in gran parte una forma di energia pulita dal punto di vista delle emissioni di anidride carbonica (CO₂) in atmosfera, presenta diversi altri problemi ambientali e di pubblica sicurezza per quanto riguarda i fenomeni connessi alla radioattività attraverso le scorie radioattive.

Le reazioni che coinvolgono l’energia nucleare sono principalmente quelle di fissione nucleare, di fusione nucleare e quelle legate alla radioattività:

• Nelle reazioni di fissione nucleare (sia spontanea, sia indotta) nuclei di atomi con alto numero atomico (pesanti) come, ad esempio, l’uranio 235 o il plutonio 239, si spezzano producendo nuclei con numero atomico minore, diminuendo la propria massa totale e liberando un neutrone che innesca una reazione a catena, generando una grande quantità di energia. Il processo di fissione indotta viene usato per produrre energia nelle centrali nucleari. Le prime bombe atomiche, del tipo di quelle sganciate su Hiroshima e Nagasaki, erano basate sul principio della fissione. Si deve notare che in questo contesto il termine atomico è inesatto o almeno inappropriato in quanto i processi coinvolti sono viceversa di tipo nucleare, coinvolgendo i nuclei degli atomi e non gli atomi stessi.
  
• Nelle reazioni di fusione nucleare i nuclei di atomi con basso numero atomico, come l’idrogeno, il deuterio o il trizio, si fondono dando origine a nuclei più pesanti e rilasciando una notevole quantità di energia (molto superiore a quella rilasciata nella fissione, a parità di numero di reazioni nucleari coinvolte). In natura le reazioni di fusione sono quelle che producono l’energia proveniente dalle stelle. Finora, malgrado decenni di sforzi da parte dei ricercatori di tutto il mondo, non è ancora stato possibile realizzare, in modo stabile, reazioni di fusione controllata sul nostro pianeta anche se è in sviluppo il progetto ITER, un progetto che con il successore DEMO darà vita alla prima centrale nucleare a fusione del mondo. È invece attualmente possibile ottenere grandi quantità di energia attraverso reazioni di fusione incontrollate come, ad esempio, nella bomba all’idrogeno.
• Le reazioni di decadimento radioattivo coinvolgono i nuclei di atomi instabili che, tramite processi di emissione/cattura di particelle subatomiche (radioattività), tendono a raggiungere uno stato di maggior equilibrio in conseguenza della diminuzione della massa totale del sistema. Quelle in cui si ha la maggiore quantità di energia liberata sono i processi di diseccitazione gamma: le particelle interessate sono fotoni generalmente ad alta energia, ovvero radiazioni elettromagnetiche alle frequenze più alte (anche se più precisamente si ha sovrapposizione fra le frequenze delle emissioni X di origine atomica e gamma di origine nucleare).

Attualmente il dibattito tecnico e mediatico sull’energia nucleare verte in gran parte sulla fissione nucleare, l’unica reazione nucleare ad avere un’applicazione energetica a scopo civile funzionante e matura a livello commerciale tramite le omonime centrali nucleari a fissione, mentre l’energia prodotta da fusione nucleare è ancora in uno stato sperimentale-prototipale di ricerca.

ENERGIA TERMICA

L’energia termica è il calore che viene generato dal moto degli atomi e delle molecole all’interno di un corpo. Quando un corpo viene scaldato aumenta il moto, le vibrazioni e le collisioni degli atomi. L’eccitazione degli atomi è fonte di energia termica. L’energia termica è posseduta da qualsiasi corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto. L’energia termica può essere utilizzata direttamente (es. fuoco) oppure trasformata in altre fonti di energia (es. energia elettrica) nelle centrali termoelettriche. L’energia termica è attualmente alla base di tutte le fonti di energia.

ENERGIA ELETTRICA

Col termine elettricità si fa riferimento genericamente a tutti i fenomeni fisici su scala macroscopica che coinvolgono una delle interazioni fondamentali, la forza elettromagnetica, con particolare riferimento all’elettrostatica. A livello microscopico, tali fenomeni sono riconducibili all’interazione tra particelle cariche su scala molecolare: i protoni nel nucleo di atomi o molecole ionizzate, e gli elettroni. I tipici effetti macroscopici di tali interazioni sono le correnti elettriche e l’attrazione o repulsione di corpi elettricamente carichi. L’elettricità è responsabile di ben noti fenomeni fisici come il fulmine o l’elettrizzazione, e rappresenta l’elemento essenziale di alcune applicazioni industriali come l’elettronica e l’elettrotecnica attraverso segnali elettrici. Divenuta contemporaneamente il più diffuso mezzo di trasporto per l’energia nelle reti elettriche e uno dei più diffusi mezzi di trasporto per l’informazione nelle telecomunicazioni, l’elettricità è diventata il simbolo del mondo moderno: illumina le abitazioni, fa funzionare le fabbriche e rende vicini i popoli più lontani.