Energia: cos’è, proprietà quantitativa

In fisica , l’energia (dal greco antico : ἐνέργεια , enérgeia , “attività”) è la proprietà quantitativa che si trasferisce ad un corpo o ad un sistema fisico , riconoscibile nello svolgimento del lavoro e sotto forma di calore e luce . L’energia è una quantità conservata : la legge di conservazione dell’energia afferma che l’energia può essere convertita in forma, ma non creata o distrutta. L’unità di misura dell’energia inIl Sistema Internazionale di Unità (SI) è il joule (J).

Forme comuni di energia includono l’energia cinetica di un oggetto in movimento, l’ energia potenziale immagazzinata da un oggetto (ad esempio a causa della sua posizione in un campo ), l’ energia elastica immagazzinata in un oggetto solido, l’energia chimica associata a reazioni chimiche , l’ energia radiante l’energia trasportata dalla radiazione elettromagnetica e l’ energia interna contenuta in un sistema termodinamico . Tutti gli organismi viventi assorbono e rilasciano costantemente energia.

A causa dell’equivalenza massa-energia , qualsiasi oggetto che ha massa quando stazionario (chiamato massa a riposo ) ha anche una quantità equivalente di energia la cui forma è chiamata energia a riposo , e qualsiasi energia aggiuntiva (di qualsiasi forma) acquisita dall’oggetto al di sopra di tale energia a riposo aumenterà la massa totale dell’oggetto così come aumenta la sua energia totale.

La civiltà umana richiede energia per funzionare, che ottiene da risorse energetiche come combustibili fossili , combustibile nucleare o energia rinnovabile . I climi e gli ecosistemi della Terra hanno processi guidati dall’energia che il pianeta riceve dal Sole o dall’energia geotermica .

Energy Arc (elettrodo centrale di una lampada al plasma).jpg

Una lampada al plasma , che utilizza l’energia elettrica per creare plasma , luce , calore , movimento e un debole suono

Le forme

In un tipico fulmine , 500 megajoule di energia potenziale elettrica vengono convertiti nella stessa quantità di energia in altre forme, principalmente energia luminosa , energia sonora ed energia termica .

L’energia termica è l’energia dei costituenti microscopici della materia, che può includere sia l’energia cinetica che quella potenziale .

L’energia totale di un sistema può essere suddivisa e classificata in energia potenziale, energia cinetica o combinazioni delle due in vari modi. L’energia cinetica è determinata dal movimento di un oggetto – o dal movimento composito dei componenti di un oggetto – e l’energia potenziale riflette il potenziale di un oggetto di avere movimento, e generalmente è una funzione della posizione di un oggetto all’interno di un campo o può essere memorizzato nel campo stesso.

Sebbene queste due categorie siano sufficienti per descrivere tutte le forme di energia, è spesso conveniente riferirsi a particolari combinazioni di energia potenziale e cinetica come alla propria forma. Ad esempio, la somma dell’energia cinetica e potenziale traslazionale e rotazionale all’interno di un sistema è indicata come energia meccanica , mentre l’energia nucleare si riferisce ai potenziali combinati all’interno di un nucleo atomico dalla forza nucleare o dalla forza debole , tra gli altri esempi. [1]

Alcune forme di energia (che un oggetto o sistema può avere come proprietà misurabile)
Tipo di energia Descrizione
Meccanico la somma delle energie cinetiche e potenziali macroscopiche traslazionali e rotazionali
Elettrico energia potenziale dovuta o immagazzinata nei campi elettrici
Magnetico energia potenziale dovuta o immagazzinata nei campi magnetici
Gravitazionale energia potenziale dovuta o immagazzinata nei campi gravitazionali
Chimico energia potenziale dovuta ai legami chimici
Ionizzazione energia potenziale che lega un elettrone al suo atomo o molecola
Nucleare energia potenziale che lega i nucleoni per formare il nucleo atomico (e le reazioni nucleari)
Cromodinamico energia potenziale che lega i quark per formare adroni
Elastico energia potenziale dovuta alla deformazione di un materiale (o del suo contenitore) che esibisce una forza riparatrice mentre ritorna alla sua forma originale
Onda meccanica energia cinetica e potenziale in un materiale elastico dovuta a un’oscillazione propagante della materia
Onda sonora energia cinetica e potenziale in un materiale dovuta a un’onda sonora propagata (un particolare tipo di onda meccanica)
Radiante energia potenziale immagazzinata nei campi di onde propagate dalla radiazione elettromagnetica , compresa la luce
riposo energia potenziale dovuta alla massa a riposo di un oggetto
Termico energia cinetica del movimento microscopico delle particelle, una sorta di equivalente disordinato dell’energia meccanica

Storia

Thomas Young , la prima persona ad usare il termine “energia” in senso moderno.

La parola energia deriva dal greco antico : ἐνέργεια , romanizzato :  energeia , lett ‘attività, operazione’, [2] che appare forse per la prima volta nell’opera di Aristotele nel IV secolo aC. In contrasto con la definizione moderna, energeia era un concetto filosofico qualitativo, abbastanza ampio da includere idee come felicità e piacere.

Alla fine del XVII secolo, Gottfried Leibniz propose l’idea del latino : vis viva , o forza vivente, che definiva come il prodotto della massa di un oggetto e la sua velocità al quadrato; credeva che la vis viva totale fosse conservata. Per spiegare il rallentamento dovuto all’attrito, Leibniz teorizzò che l’energia termica consistesse nei moti delle parti costitutive della materia, anche se sarebbe passato più di un secolo prima che ciò fosse generalmente accettato. L’analogo moderno di questa proprietà, l’energia cinetica , differisce dalla vis viva solo per un fattore due. Scrivendo all’inizio del XVIII secolo, Émilie du Châtelet propose il concetto di conservazione dell’energiaai margini della sua traduzione in lingua francese dei Principia Mathematica di Newton , che rappresentava la prima formulazione di una quantità misurabile conservata distinta dalla quantità di moto , e che in seguito sarebbe stata chiamata “energia”.

Nel 1807, Thomas Young fu forse il primo a usare il termine “energia” invece di vis viva , nel suo senso moderno. [3] Gustave-Gaspard Coriolis descrisse l'” energia cinetica ” nel 1829 nel suo senso moderno, e nel 1853 William Rankine coniò il termine ” energia potenziale “. Anche la legge di conservazione dell’energia fu postulata per la prima volta all’inizio del XIX secolo e si applica a qualsiasi sistema isolato . Per alcuni anni si è discusso se il calore fosse una sostanza fisica, soprannominata il calorico , o semplicemente una quantità fisica, come la quantità di moto . Nel 1845 James Prescott Joulescoprì il legame tra il lavoro meccanico e la generazione di calore.

Questi sviluppi portarono alla teoria della conservazione dell’energia, formalizzata in gran parte da William Thomson ( Lord Kelvin ) come campo della termodinamica . La termodinamica ha aiutato il rapido sviluppo delle spiegazioni dei processi chimici di Rudolf Clausius , Josiah Willard Gibbs e Walther Nernst . Ha anche portato a una formulazione matematica del concetto di entropia da parte di Clausius e all’introduzione delle leggi dell’energia radiante da parte di Jožef Stefan . Secondo il teorema di Noether , la conservazione dell’energia è una conseguenza del fatto che le leggi della fisica non cambiano nel tempo. [4]Così, dal 1918, i teorici hanno capito che la legge di conservazione dell’energia è la diretta conseguenza matematica della simmetria traslazionale della quantità coniugata all’energia, cioè il tempo.

Unità di misura

Apparecchio di Joule per misurare l’equivalente meccanico del calore. Un peso discendente attaccato a una corda fa ruotare una pagaia immersa nell’acqua.

Nel 1843, James Prescott Joule scoprì indipendentemente l’equivalente meccanico in una serie di esperimenti. I più famosi utilizzavano l'”apparato Joule”: un peso discendente, attaccato ad una corda, faceva ruotare una paletta immersa nell’acqua, praticamente isolata dal trasferimento di calore. Ha dimostrato che l’ energia potenziale gravitazionale persa dal peso nella discesa era uguale all’energia interna acquisita dall’acqua attraverso l’ attrito con la pagaia.

Nel Sistema Internazionale di Unità (SI), l’unità di misura dell’energia è il joule, che prende il nome da Joule. È un’unità derivata . È uguale all’energia spesa (o lavoro svolto) nell’applicare una forza di un newton attraverso una distanza di un metro. Tuttavia l’energia è espressa anche in molte altre unità non facenti parte del SI, come erg , calorie , unità termiche britanniche , chilowattora e kilocalorie , che richiedono un fattore di conversione se espresse in unità SI.

L’unità SI del tasso di energia (energia per unità di tempo) è il watt , che è un joule al secondo. Pertanto, un joule è un watt-secondo e 3600 joule equivalgono a un watt-ora. L’ unità di energia CGS è l’ erg e l’ unità consueta imperiale e statunitense è il piede per libbra . Altre unità di energia come l’ elettronvolt , la caloria alimentare o la kcal termodinamica (basata sulla variazione di temperatura dell’acqua in un processo di riscaldamento) e il BTU sono utilizzate in aree specifiche della scienza e del commercio.

Uso scientifico

Meccanica classica

Nella meccanica classica, l’energia è una proprietà concettualmente e matematicamente utile, in quanto è una quantità conservata . Diverse formulazioni della meccanica sono state sviluppate utilizzando l’energia come concetto centrale.

Il lavoro , una funzione dell’energia, è la forza per la distanza.

Questo dice che il lavoro ( ) è uguale all’integrale di linea della forza F lungo un percorso C ; per i dettagli consultare l’ articolo lavorazioni meccaniche . Il lavoro e quindi l’energia dipendono dal frame . Ad esempio, considera una palla colpita da una mazza. Nel sistema di riferimento del centro di massa, la mazza non funziona sulla palla. Ma, nel quadro di riferimento della persona che fa oscillare la mazza, viene svolto un lavoro considerevole sulla palla.

L’energia totale di un sistema è talvolta chiamata hamiltoniana , da William Rowan Hamilton . Le classiche equazioni del moto possono essere scritte in termini di Hamiltoniano, anche per sistemi altamente complessi o astratti. Queste equazioni classiche hanno analoghi notevolmente diretti nella meccanica quantistica non relativistica. [5]

Un altro concetto relativo all’energia è chiamato lagrangiana , da Joseph-Louis Lagrange . Questo formalismo è fondamentale quanto l’Hamiltoniano, ed entrambi possono essere usati per derivare le equazioni del moto o essere derivate da esse. È stato inventato nel contesto della meccanica classica , ma è generalmente utile nella fisica moderna. La Lagrangiana è definita come l’energia cinetica meno l’energia potenziale. Di solito, il formalismo di Lagrange è matematicamente più conveniente dell’Hamiltoniano per i sistemi non conservativi (come i sistemi con attrito).

Il teorema di Noether (1918) afferma che ogni simmetria differenziabile dell’azione di un sistema fisico ha una corrispondente legge di conservazione. Il teorema di Noether è diventato uno strumento fondamentale della moderna fisica teorica e del calcolo delle variazioni. Una generalizzazione delle formulazioni seminali sulle costanti del moto nella meccanica lagrangiana e hamiltoniana (rispettivamente 1788 e 1833), non si applica ai sistemi che non possono essere modellati con una lagrangiana; ad esempio, i sistemi dissipativi con simmetrie continue non devono avere una corrispondente legge di conservazione.

Chimica

Nel contesto della chimica , l’energia è un attributo di una sostanza come conseguenza della sua struttura atomica, molecolare o aggregata. Poiché una trasformazione chimica è accompagnata da un cambiamento in uno o più di questi tipi di struttura, è solitamente accompagnata da una diminuzione, e talvolta da un aumento, dell’energia totale delle sostanze coinvolte. Una certa energia può essere trasferita tra l’ambiente circostante ei reagenti sotto forma di calore o luce; quindi i prodotti di una reazione hanno a volte più ma di solito meno energia dei reagenti. Una reazione si dice esotermica o esergonica se lo stato finale è inferiore sulla scala dell’energia rispetto allo stato iniziale; nel caso meno comune di endotermicoreazioni la situazione è l’opposto. Le reazioni chimiche di solito non sono possibili a meno che i reagenti non superino una barriera energetica nota come energia di attivazione . La velocità di una reazione chimica (a una data temperatura  T ) è correlata all’energia di attivazione  E dal fattore di popolazione di Boltzmann e − E / kT ; cioè la probabilità che una molecola abbia energia maggiore o uguale a  E a una data temperatura  T . Questa dipendenza esponenziale di una velocità di reazione dalla temperatura è nota come equazione di Arrhenius. L’energia di attivazione necessaria per una reazione chimica può essere fornita sotto forma di energia termica.

Biologia

Panoramica di base dell’energia e della vita umana .

In biologia l’energia è un attributo di tutti i sistemi biologici, dalla biosfera al più piccolo organismo vivente. All’interno di un organismo è responsabile della crescita e dello sviluppo di una cellula biologica o organello di un organismo biologico. L’energia utilizzata nella respirazione è immagazzinata in sostanze come carboidrati (compresi gli zuccheri), lipidi e proteine ​​immagazzinate dalle cellule . In termini umani, l’ equivalente umano (He) (Human energy conversion) indica, per una data quantità di dispendio energetico, la quantità relativa di energia necessaria per il metabolismo umano, utilizzando come standard un dispendio energetico umano medio di 12.500 kJ al giorno e un tasso metabolico basale di 80 watt. Ad esempio, se i nostri corpi funzionano (in media) a 80 watt, allora una lampadina che funziona a 100 watt funziona a 1,25 equivalenti umani (100 ÷ 80) cioè 1,25 He. Per un compito difficile della durata di pochi secondi, una persona può emettere migliaia di watt, molte volte i 746 watt in un cavallo vapore ufficiale. Per compiti che durano pochi minuti, un essere umano in forma può generare forse 1.000 watt. Per un’attività che deve essere sostenuta per un’ora, la produzione scende a circa 300; per un’attività continuata tutto il giorno, 150 watt è circa il massimo. [6]L’equivalente umano aiuta la comprensione dei flussi di energia nei sistemi fisici e biologici esprimendo unità di energia in termini umani: fornisce una “sensazione” per l’uso di una data quantità di energia. [7]

L’energia radiante della luce solare viene anche catturata dalle piante come energia potenziale chimica nella fotosintesi , quando l’anidride carbonica e l’acqua (due composti a bassa energia) vengono convertiti in carboidrati, lipidi, proteine ​​e ossigeno. Il rilascio dell’energia immagazzinata durante la fotosintesi sotto forma di calore o luce può essere innescato improvvisamente da una scintilla in un incendio boschivo, oppure può essere reso disponibile più lentamente per il metabolismo animale o umano quando le molecole organiche vengono ingerite e il catabolismo è innescato dall’azione enzimatica .

Tutte le creature viventi fanno affidamento su una fonte esterna di energia per poter crescere e riprodursi: energia radiante dal Sole nel caso delle piante verdi ed energia chimica (in qualche forma) nel caso degli animali. Le 1500–2000  Calorie giornaliere (6–8 MJ) raccomandate per un essere umano adulto sono assunte come molecole alimentari, principalmente carboidrati e grassi, di cui glucosio (C 6 H 12 O 6 ) e stearina (C 57 H 110 O 6 ) sono esempi convenienti. Le molecole del cibo sono ossidate in anidride carbonica e acqua nei mitocondri

e parte dell’energia viene utilizzata per convertire l’ ADP in ATP : 

ADP + HPO 2− → ATP + H 2 O

Il resto dell’energia chimica del carboidrato o del grasso viene convertito in calore: l’ATP viene utilizzato come una sorta di “moneta energetica”, e parte dell’energia chimica che contiene viene utilizzata per altri processi metabolici quando l’ATP reagisce con i gruppi OH e alla fine si divide in ADP e fosfato (ad ogni stadio di una via metabolica , parte dell’energia chimica viene convertita in calore). Solo una piccola frazione dell’energia chimica originaria viene utilizzata per il lavoro : [nota 1]

guadagno di energia cinetica di un velocista durante una corsa di 100 m: 4 kJ
guadagno di energia potenziale gravitazionale di un peso di 150 kg sollevato di 2 metri: 3 kJ
Assunzione giornaliera di cibo di un adulto normale: 6-8 MJ

Sembrerebbe che gli organismi viventi siano notevolmente inefficienti (in senso fisico) nell’uso dell’energia che ricevono (energia chimica o radiante); la maggior parte delle macchine gestisce efficienze più elevate. Negli organismi in crescita l’energia che viene convertita in calore ha uno scopo vitale, poiché consente al tessuto dell’organismo di essere altamente ordinato rispetto alle molecole di cui è costituito. La seconda legge della termodinamica afferma che l’energia (e la materia) tende a diffondersi in modo più uniforme nell’universo: per concentrare l’energia (o la materia) in un luogo specifico, è necessario diffondere una maggiore quantità di energia (come calore) attraverso il resto dell’universo (“i dintorni”). [nota 2]Gli organismi più semplici possono raggiungere efficienze energetiche più elevate rispetto a quelli più complessi, ma gli organismi complessi possono occupare nicchie ecologiche che non sono disponibili per i loro fratelli più semplici. La conversione di una parte dell’energia chimica in calore ad ogni passaggio di un percorso metabolico è la ragione fisica dietro la piramide della biomassa osservata in ecologia . Ad esempio, per fare solo il primo passo nella catena alimentare : dei 124,7 Pg/a stimati di carbonio fissati dalla fotosintesi , 64,3 Pg/a (52%) sono utilizzati per il metabolismo delle piante verdi, [8] cioè riconvertito in anidride carbonica e calore.

Scienze della Terra

In geologia , la deriva dei continenti , le catene montuose , i vulcani e i terremoti sono fenomeni che possono essere spiegati in termini di trasformazioni energetiche all’interno della Terra, [9] mentre i fenomeni meteorologici come vento, pioggia, grandine , neve, fulmini, tornado e uragani sono tutto il risultato di trasformazioni energetiche nella nostra atmosfera provocate dall’energia solare .

La luce solare è l’input principale per il bilancio energetico della Terra che spiega la sua temperatura e la stabilità climatica. La luce solare può essere immagazzinata come energia potenziale gravitazionale dopo che ha colpito la Terra, come (per esempio quando) l’acqua evapora dagli oceani e si deposita sulle montagne (dove, dopo essere stata rilasciata da una diga idroelettrica, può essere usata per azionare turbine o generatori per produrre energia elettrica). La luce solare guida anche la maggior parte dei fenomeni meteorologici, salvo poche eccezioni, come ad esempio quelli generati da eventi vulcanici. Un esempio di evento meteorologico mediato dal sole è un uragano, che si verifica quando vaste aree instabili di oceano caldo, riscaldate per mesi, improvvisamente cedono parte della loro energia termica per alimentare alcuni giorni di violento movimento d’aria.

In un processo più lento, il decadimento radioattivo degli atomi nel nucleo della Terra rilascia calore. Questa energia termica spinge la tettonica a placche e può sollevare le montagne, attraverso l’ orogenesi . Questo sollevamento lento rappresenta una sorta di accumulo di energia potenziale gravitazionaledell’energia termica, che può essere successivamente trasformata in energia cinetica attiva durante le frane, a seguito di un evento scatenante. I terremoti rilasciano anche l’energia potenziale elastica immagazzinata nelle rocce, una riserva che è stata prodotta in ultima analisi dalle stesse fonti di calore radioattivo. Pertanto, secondo la comprensione attuale, eventi familiari come frane e terremoti rilasciano energia che è stata immagazzinata come energia potenziale nel campo gravitazionale terrestre o deformazione elastica (energia potenziale meccanica) nelle rocce. Prima di questo, rappresentano il rilascio di energia che è stata immagazzinata in atomi pesanti dal collasso di stelle di supernova a lungo distrutte (che hanno creato questi atomi).

Cosmologia

In cosmologia e astronomia i fenomeni di stelle , nova , supernova , quasar e lampi di raggi gamma sono le trasformazioni energetiche della materia a più alto rendimento dell’universo. Tutti i fenomeni stellari (compresa l’attività solare) sono guidati da vari tipi di trasformazioni energetiche. L’energia in tali trasformazioni proviene dal collasso gravitazionale della materia (solitamente idrogeno molecolare) in varie classi di oggetti astronomici (stelle, buchi neri, ecc.), o dalla fusione nucleare (di elementi più leggeri, principalmente idrogeno). La fusione nuclearedi idrogeno nel Sole rilascia anche un’altra riserva di energia potenziale che è stata creata al tempo del Big Bang . A quel tempo, secondo la teoria, lo spazio si espanse e l’universo si raffreddò troppo rapidamente perché l’idrogeno si fondesse completamente in elementi più pesanti. Ciò significava che l’idrogeno rappresenta una riserva di energia potenziale che può essere rilasciata dalla fusione. Tale processo di fusione è innescato dal calore e dalla pressione generati dal collasso gravitazionale delle nubi di idrogeno quando producono stelle, e parte dell’energia di fusione viene quindi trasformata in luce solare.

 

Meccanica quantistica

Nella meccanica quantistica , l’energia è definita in termini di operatore energetico (hamiltoniano) come derivata temporale della funzione d’onda . L’ equazione di Schrödinger equipara l’operatore energetico all’energia totale di una particella o di un sistema. I suoi risultati possono essere considerati come una definizione di misurazione dell’energia nella meccanica quantistica. L’equazione di Schrödinger descrive la dipendenza dallo spazio e dal tempo di una funzione d’onda che cambia lentamente (non relativistica) dei sistemi quantistici. La soluzione di questa equazione per un sistema vincolato è discreta (un insieme di stati consentiti, ciascuno caratterizzato da un livello di energia ) che risulta nel concetto di quanti. Nella soluzione dell’equazione di Schrödinger per qualsiasi oscillatore (vibratore) e per le onde elettromagnetiche nel vuoto, gli stati energetici risultanti sono legati alla frequenza dalla relazione di Planck (dove è la costante di Planck la frequenza). Nel caso di un’onda elettromagnetica questi stati energetici sono chiamati quanti di luce o fotoni .

Relatività

Nel calcolare relativisticamente l’energia cinetica ( lavoro per accelerare un corpo massiccio dalla velocità zero a una velocità finita) – usando le trasformazioni di Lorentz invece della meccanica newtoniana – Einstein scoprì che un sottoprodotto inaspettato di questi calcoli era un termine energetico che non svanisce a zero velocità. La chiamò energia di riposo : energia che ogni corpo massiccio deve possedere anche quando è a riposo. La quantità di energia è direttamente proporzionale alla massa del corpo:

 

dove 

  • 0 è la massa a riposo del corpo,
  • c è la velocità della luce nel vuoto,
  •   è l’energia a riposo.

Ad esempio, si consideri l’annichilazione elettrone – positrone , in cui l’energia a riposo di queste due singole particelle (equivalente alla loro massa a riposo) viene convertita nell’energia radiante dei fotoni prodotti nel processo. In questo sistema la materia e l’ antimateria (elettroni e positroni) vengono distrutte e trasformate in non materia (i fotoni). Tuttavia, la massa totale e l’energia totale non cambiano durante questa interazione. Ciascuno dei fotoni non ha massa a riposo ma ha comunque energia radiante che mostra la stessa inerzia delle due particelle originali. Questo è un processo reversibile: il processo inverso è chiamato creazione di coppie– in cui la massa a riposo delle particelle è creata dall’energia radiante di due (o più) fotoni annichilanti.

Nella relatività generale, il tensore stress-energia funge da termine sorgente per il campo gravitazionale, in analogia grossolana al modo in cui la massa funge da termine sorgente nell’approssimazione newtoniana non relativistica. [10]

L’energia e la massa sono manifestazioni di un’unica e stessa proprietà fisica sottostante di un sistema. Questa proprietà è responsabile dell’inerzia e della forza dell’interazione gravitazionale del sistema (“manifestazioni di massa”), ed è anche responsabile della potenziale capacità del sistema di eseguire lavoro o riscaldamento (“manifestazioni di energia”), fatte salve le limitazioni di altre leggi fisiche.

Nella fisica classica , l’energia è una quantità scalare, la canonica coniugata al tempo. Nella relatività ristretta anche l’energia è uno scalare (sebbene non uno scalare di Lorentz ma una componente temporale del quadrivettore energia-impulso ). [10] In altre parole, l’energia è invariante rispetto alle rotazioni dello spazio , ma non invariante rispetto alle rotazioni dello spaziotempo (= boost ).

Trasformazione

Alcune forme di trasferimento di energia (“energia in transito”) da un oggetto o sistema a un altro
Tipo di processo di trasferimento Descrizione
Calore uguale quantità di energia termica in transito spontaneamente verso un oggetto a temperatura inferiore
Opera pari quantità di energia in transito a causa di uno spostamento nella direzione di una forza applicata
Trasferimento di materiale pari quantità di energia trasportata dalla materia che si sposta da un sistema all’altro

Un turbogeneratore trasforma l’energia del vapore in pressione in energia elettrica

L’energia può essere trasformata in diverse forme a vari rendimenti . Gli elementi che si trasformano tra queste forme sono chiamati trasduttori . Esempi di trasduttori includono una batteria ( dall’energia chimica all’energia elettrica ) , una diga ( dall’energia potenziale gravitazionale all’energia cinetica dell’acqua in movimento (e delle pale di una turbina ) e infine all’energia elettrica attraverso un generatore elettrico ), e un generatore di calore motore (dal calore al lavoro).

Esempi di trasformazione dell’energia includono la generazione di energia elettrica dall’energia termica tramite una turbina a vapore o il sollevamento di un oggetto contro la gravità utilizzando l’energia elettrica che aziona il motore di una gru. Il sollevamento contro la gravità esegue un lavoro meccanico sull’oggetto e immagazzina l’energia potenziale gravitazionale nell’oggetto. Se l’oggetto cade a terra, la gravità compie un lavoro meccanico sull’oggetto che trasforma l’energia potenziale nel campo gravitazionale in energia cinetica rilasciata sotto forma di calore all’impatto con il suolo. Il nostro Sole trasforma l’energia potenziale nuclearead altre forme di energia; la sua massa totale non diminuisce a causa di ciò stesso (poiché contiene ancora la stessa energia totale anche in forme diverse) ma la sua massa diminuisce quando l’energia fuoriesce nell’ambiente circostante, in gran parte come energia radiante .

Esistono limiti rigorosi all’efficienza con cui il calore può essere convertito in lavoro in un processo ciclico, ad esempio in un motore termico, come descritto dal teorema di Carnot e dalla seconda legge della termodinamica . Tuttavia, alcune trasformazioni energetiche possono essere abbastanza efficienti. La direzione delle trasformazioni in energia (quale tipo di energia viene trasformata in quale altro tipo) è spesso determinata da considerazioni relative all’entropia (uguale energia distribuita tra tutti i gradi di libertà disponibili ). In pratica tutte le trasformazioni di energia sono consentite su piccola scala, ma alcune trasformazioni più grandi non sono consentite perché è statisticamente improbabile che l’energia o la materia si spostino casualmente in forme più concentrate o spazi più piccoli.

Le trasformazioni energetiche nell’universo nel corso del tempo sono caratterizzate da vari tipi di energia potenziale, disponibile sin dal Big Bang , che vengono “rilasciati” (trasformati in tipi di energia più attivi come l’energia cinetica o radiante) quando è disponibile un meccanismo di attivazione . Esempi familiari di tali processi includono la nucleosintesi , un processo che alla fine utilizza l’energia potenziale gravitazionale rilasciata dal collasso gravitazionale delle supernove per “immagazzinare” energia nella creazione di isotopi pesanti (come l’ uranio e il torio ) e il decadimento nucleare, un processo in cui viene rilasciata l’energia originariamente immagazzinata in questi elementi pesanti, prima che venissero incorporati nel sistema solare e nella Terra. Questa energia viene innescata e rilasciata nelle bombe a fissione nucleare o nella generazione di energia nucleare civile. Allo stesso modo, nel caso di un’esplosione chimica , l’energia potenziale chimica si trasforma in energia cinetica e termica in brevissimo tempo.

Ancora un altro esempio è quello di un pendolo . Nei suoi punti più alti l’energia cinetica è zero e l’ energia potenziale gravitazionale è al suo massimo. Nel suo punto più basso l’energia cinetica è al suo massimo ed è pari alla diminuzione dell’energia potenziale . Se si presume (irrealisticamente) che non ci siano attriti o altre perdite, la conversione di energia tra questi processi sarebbe perfetta e il pendolo continuerebbe a oscillare per sempre.

L’energia viene trasferita anche dall’energia potenziale ( ) all’energia cinetica ( ) e poi di nuovo all’energia potenziale costantemente. Questo è indicato come conservazione dell’energia. In questo sistema isolato , l’energia non può essere creata o distrutta; quindi, l’energia iniziale e l’energia finale saranno uguali tra loro. Ciò può essere dimostrato da quanto segue:

     
 
4 )

L’equazione può quindi essere semplificata ulteriormente poiché (la massa per l’accelerazione di gravità per l’altezza) e (metà massa per velocità al quadrato). Quindi la quantità totale di energia può essere trovata aggiungendo .

Conservazione dell’energia e della massa in trasformazione

L’energia dà origine al peso quando è intrappolata in un sistema con quantità di moto nulla, dove può essere pesata. È anche equivalente alla massa e questa massa è sempre associata ad essa. La massa è anche equivalente a una certa quantità di energia, e allo stesso modo appare sempre associata ad essa, come descritto nell’equivalenza massa-energia . La formula E  =  mc ², derivata da Albert Einstein (1905) quantifica la relazione tra massa relativistica ed energia all’interno del concetto di relatività ristretta. In diversi quadri teorici, formule simili furono derivate da JJ Thomson (1881), Henri Poincaré (1900), Friedrich Hasenöhrl(1904) e altri (vedi Equivalenza massa-energia#Storia per ulteriori informazioni).

Parte dell’energia a riposo (equivalente alla massa a riposo) della materia può essere convertita in altre forme di energia (che presentano ancora massa), ma né l’energia né la massa possono essere distrutte; piuttosto, entrambi rimangono costanti durante qualsiasi processo. Tuttavia, da quando  è estremamente grande rispetto alle ordinarie scale umane, la conversione di una quantità giornaliera di massa a riposo (ad esempio, 1 kg) da energia a riposo ad altre forme di energia (come l’energia cinetica, l’energia termica o l’energia radiante trasportata dalla luce e altre radiazioni) possono liberare enormi quantità di energia (~ joule = 21 megatoni di TNT), come si può vedere nei reattori nucleari e nelle armi nucleari. Al contrario, l’equivalente in massa di una quantità di energia giornaliera è minuscolo, motivo per cui una perdita di energia (perdita di massa) dalla maggior parte dei sistemi è difficile da misurare su una bilancia, a meno che la perdita di energia non sia molto grande. Esempi di grandi trasformazioni tra l’energia a riposo (della materia) e altre forme di energia (ad esempio, l’energia cinetica in particelle con massa a riposo) si trovano nella fisica nucleare e nella fisica delle particelle . Spesso, tuttavia, la conversione completa della materia (come gli atomi) in non materia (come i fotoni) è vietata dalle leggi di conservazione .

Trasformazioni reversibili e non reversibili

La termodinamica divide la trasformazione dell’energia in due tipi: processi reversibili e processi irreversibili. Un processo irreversibile è quello in cui l’energia viene dissipata (diffusa) in stati energetici vuoti disponibili in un volume, da cui non può essere recuperata in forme più concentrate (meno stati quantistici), senza degradazione di ancora più energia. Un processo reversibile è quello in cui questo tipo di dissipazione non avviene. Ad esempio, la conversione di energia da un tipo di campo potenziale a un altro è reversibile, come nel sistema a pendolo sopra descritto. Nei processi in cui si genera calore, stati quantistici di minore energia, presenti come possibili eccitazioni nei campi tra gli atomi, fungono da riserva per parte dell’energia, dalla quale non può essere recuperata, per essere convertita con il 100% di efficienza in altra forme di energia. In questo caso l’energia deve rimanere in parte come energia termica e non può essere completamente recuperata come energia utilizzabile,

Man mano che l’universo si evolve nel tempo, una parte sempre maggiore della sua energia rimane intrappolata in stati irreversibili (ad esempio, sotto forma di calore o di altri tipi di aumento del disordine). Ciò ha portato all’ipotesi dell’inevitabile morte termica termodinamica dell’universo . In questa morte termica non cambia l’energia dell’universo, ma la frazione di energia che è disponibile per compiere lavoro attraverso un motore termico , o essere trasformata in altre forme utilizzabili di energia (attraverso l’uso di generatori collegati a motori termici), continua a diminuire.

Conservazione dell’energia

Il fatto che l’energia non può essere né creata né distrutta è chiamata legge di conservazione dell’energia . Nella forma della prima legge della termodinamica , questa afferma che l’energia di un sistema chiuso è costante a meno che l’energia non venga trasferita dentro o fuori come lavoro o calore , e che nessuna energia venga persa durante il trasferimento. L’afflusso totale di energia in un sistema deve essere uguale al deflusso totale di energia dal sistema, più la variazione dell’energia contenuta all’interno del sistema. Ogni volta che si misura (o si calcola) l’energia totale di un sistema di particelle le cui interazioni non dipendono esplicitamente dal tempo, si trova che l’energia totale del sistema rimane sempre costante. [11]

Mentre il calore può sempre essere completamente convertito in lavoro in un’espansione isotermica reversibile di un gas ideale, per i processi ciclici di interesse pratico nei motori termici la seconda legge della termodinamica afferma che il sistema che compie lavoro perde sempre energia sotto forma di calore disperso . Questo crea un limite alla quantità di energia termica che può compiere lavoro in un processo ciclico, un limite chiamato energia disponibile . L’energia meccanica e di altro tipo può essere trasformata nella direzione opposta in energia termica senza tali limitazioni. [12] L’energia totale di un sistema può essere calcolata sommando tutte le forme di energia nel sistema.

Richard Feynman disse durante una conferenza del 1961: [13]

C’è un dato di fatto, o se si vuole una legge , che regola tutti i fenomeni naturali fino ad oggi conosciuti. Non vi è alcuna eccezione nota a questa legge: è esatta per quanto ne sappiamo. La legge si chiama conservazione dell’energia . Afferma che c’è una certa quantità, che chiamiamo energia, che non cambia nei molteplici cambiamenti che la natura subisce. Questa è un’idea molto astratta, perché è un principio matematico; dice che c’è una quantità numerica che non cambia quando succede qualcosa. Non è una descrizione di un meccanismo, o qualcosa di concreto; è solo un fatto strano che possiamo calcolare un numero e quando finiamo di guardare la natura che esegue i suoi trucchi e calcola di nuovo il numero, è lo stesso.

-  Le lezioni di Feynman sulla fisica

La maggior parte dei tipi di energia (con l’energia gravitazionale è una notevole eccezione) [14] sono anch’essi soggetti a rigide leggi di conservazione locali. In questo caso, l’energia può essere scambiata solo tra regioni adiacenti dello spazio e tutti gli osservatori concordano sulla densità volumetrica dell’energia in un dato spazio. Esiste anche una legge globale di conservazione dell’energia, che afferma che l’energia totale dell’universo non può cambiare; questo è un corollario della legge locale, ma non viceversa. [12] [13]

Questa legge è un principio fondamentale della fisica. Come mostra rigorosamente il teorema di Noether , la conservazione dell’energia è una conseguenza matematica della simmetria traslazionale del tempo, [15] una proprietà della maggior parte dei fenomeni al di sotto della scala cosmica che li rende indipendenti dalla loro collocazione sulla coordinata temporale. In altre parole, ieri, oggi e domani sono fisicamente indistinguibili. Questo perché l’energia è la quantità che è coniugata canonicaal tempo. Questo intreccio matematico di energia e tempo si traduce anche nel principio di indeterminazione: è impossibile definire l’esatta quantità di energia durante un intervallo di tempo definito (sebbene questo sia praticamente significativo solo per intervalli di tempo molto brevi). Il principio di indeterminazione non deve essere confuso con la conservazione dell’energia, piuttosto fornisce limiti matematici entro i quali l’energia può essere definita e misurata in linea di principio.

Ciascuna delle forze fondamentali della natura è associata a un diverso tipo di energia potenziale, e tutti i tipi di energia potenziale (come tutti gli altri tipi di energia) appaiono come massa del sistema , quando presenti. Ad esempio, una molla compressa sarà leggermente più massiccia rispetto a prima che fosse compressa. Allo stesso modo, ogni volta che l’energia viene trasferita tra i sistemi da qualsiasi meccanismo, una massa associata viene trasferita con essa.

Nella meccanica quantistica l’ energia è espressa usando l’ operatore hamiltoniano . Su qualsiasi scala temporale, l’incertezza nell’energia passa

 

che è simile nella forma al Principio di indeterminazione di Heisenberg (ma non realmente equivalente matematicamente ad esso, poiché H e t non sono variabili coniugate dinamicamente, né nella meccanica classica né in quella quantistica).

Nella fisica delle particelle , questa disuguaglianza permette una comprensione qualitativa delle particelle virtuali , che trasportano quantità di moto . Lo scambio di particelle virtuali con particelle reali è responsabile della creazione di tutte le forze fondamentali conosciute (più precisamente conosciute come interazioni fondamentali ). I fotoni virtuali sono anche responsabili dell’interazione elettrostatica tra cariche elettriche (che si traduce nella legge di Coulomb ), del decadimento radiativo spontaneo di stati atomici e nucleari eccitati, della forza di Casimir , della forza di Van der Waalse alcuni altri fenomeni osservabili.

Trasferimento di energia

Sistemi chiusi

Il trasferimento di energia può essere considerato per il caso particolare di sistemi chiusi ai trasferimenti di materia. La parte dell’energia che viene trasferita da forze conservative su una distanza viene misurata come il lavoro svolto dal sistema sorgente sul sistema ricevente. La parte dell’energia che non compie lavoro durante il trasferimento si chiama calore . [nota 3] L’energia può essere trasferita tra i sistemi in vari modi. Gli esempi includono la trasmissione di energia elettromagnetica tramite fotoni, collisioni fisiche che trasferiscono energia cinetica , [nota 4] interazioni di marea , [16]e il trasferimento conduttivo di energia termica .

L’energia è rigorosamente conservata ed è anche localmente conservata ovunque possa essere definita. In termodinamica, per i sistemi chiusi, il processo di trasferimento dell’energia è descritto dalla prima legge : [nota 5]

 
     
 
1 )

dove è la quantità di energia trasferita,   rappresenta il lavoro svolto su o dal sistema, e rappresenta il flusso di calore in entrata o in uscita dal sistema. Per semplificare, il termine calore, , a volte può essere ignorato, soprattutto per processi veloci che coinvolgono gas, che sono cattivi conduttori di calore, o quando l’ efficienza termica del trasferimento è elevata. Per tali processi adiabatici ,

 
     
 
2 )

Questa equazione semplificata è quella usata per definire il joule , per esempio.

Sistemi aperti

Al di là dei vincoli dei sistemi chiusi, i sistemi aperti possono guadagnare o perdere energia in associazione con il trasferimento di materia (questo processo è illustrato dall’iniezione di una miscela aria-carburante nel motore di un’auto, un sistema che guadagna energia in tal modo, senza l’aggiunta di alcun lavoro o calore). Denotando questa energia con , si potrebbe scrivere

 
     
 
3 )

Termodinamica

Energia interna

L’energia interna è la somma di tutte le forme microscopiche di energia di un sistema. È l’energia necessaria per creare il sistema. È correlato all’energia potenziale, ad esempio, struttura molecolare, struttura cristallina e altri aspetti geometrici, nonché al movimento delle particelle, sotto forma di energia cinetica. La termodinamica si occupa principalmente dei cambiamenti nell’energia interna e non del suo valore assoluto, che è impossibile determinare con la sola termodinamica. [17]

Prima legge della termodinamica

La prima legge della termodinamica afferma che l’energia totale di un sistema e del suo ambiente (ma non necessariamente l’energia libera termodinamica ) è sempre conservata [18] e che il flusso di calore è una forma di trasferimento di energia. Per sistemi omogenei, con temperatura e pressione ben definite, un corollario comunemente usato della prima legge è che, per un sistema soggetto solo a forze di pressione e trasferimento di calore (ad esempio, una bombola piena di gas) senza cambiamenti chimici, il variazione differenziale nell’energia interna del sistema (con un guadagno di energia indicato da una quantità positiva) è data come

 ,

dove il primo termine a destra è il calore trasferito nel sistema, espresso in termini di temperatura T ed entropia S (in cui l’entropia aumenta e la sua variazione dS è positiva quando si aggiunge calore al sistema), e l’ultimo termine su la parte destra è identificata come lavoro svolto sul sistema, dove la pressione è P e il volume V (il segno negativo risulta poiché la compressione del sistema richiede lavoro su di esso e quindi la variazione di volume, d V , è negativa quando il lavoro è fatto sul sistema).

Questa equazione è altamente specifica, ignorando tutte le forze chimiche, elettriche, nucleari e gravitazionali, effetti come l’ avvezione di qualsiasi forma di energia diversa dal calore e dal lavoro fotovoltaico . La formulazione generale della prima legge (cioè conservazione dell’energia) è valida anche in situazioni in cui il sistema non è omogeneo. Per questi casi la variazione di energia interna di un sistema chiuso è espressa in forma generale da

 

dove è il calore fornito al sistema e è il lavoro applicato al sistema.

Equipartizione dell’energia

L’energia di un oscillatore armonico meccanico (una massa su una molla) è alternativamente energia cinetica e potenziale . In due punti del ciclo di oscillazione è interamente cinetico e in due punti è interamente potenziale. Su un intero ciclo, o su molti cicli, l’energia media è equamente suddivisa tra cinetica e potenziale. Questo è un esempio del principio di equipartizione : l’energia totale di un sistema con molti gradi di libertà è equamente suddivisa tra tutti i gradi di libertà disponibili, in media.

Questo principio è di vitale importanza per comprendere il comportamento di una quantità strettamente correlata all’energia, chiamata entropia . L’entropia è una misura dell’uniformità di una distribuzione di energia tra le parti di un sistema. Quando a un sistema isolato vengono dati più gradi di libertà (cioè, dati nuovi stati di energia disponibili che sono gli stessi degli stati esistenti), allora l’energia totale si distribuisce su tutti i gradi disponibili equamente senza distinzione tra gradi “nuovi” e “vecchi”. Questo risultato matematico fa parte della seconda legge della termodinamica . La seconda legge della termodinamica è semplice solo per i sistemi che sono vicini o in uno stato di equilibrio fisico. Per i sistemi di non equilibrio, le leggi che governano il comportamento dei sistemi sono ancora discutibili. Uno dei principi guida di questi sistemi è il principio della massima produzione di entropia . [19] [20] Afferma che i sistemi di non equilibrio si comportano in modo tale da massimizzare la loro produzione di entropia. [21]


https://en.wikipedia.org/wiki/Energy

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