0317. Esiste una definizione generale e complessiva della grandezza fisica energia?

Esiste una definizione generale e complessiva della grandezza fisica energia oppure è inevitabile parlare sempre di energia termica, energia cinetica, energia chimica, energia potenziale, energia elettrica, e chi più ne ha più ne metta ? (Vincenzo) ( 2200_3126_5268)

L’aspirazione del nostro web-nauta a un certo riduzionismo, cioè alla semplificazione delle conoscenze fino a ridurle a pochi concetti semplici, è indubbiamente condivisa nel mondo della scienza, senza peraltro rinunziare ai molteplici aspetti che la realtà ci offre. Il concetto di energia pervade tutta la fisica, la chimica e l’ingegneria, e quindi si ritrova ad ogni piè sospinto: in meccanica, in termodinamica  , in elettromagnetismo, eccetera. Si può tentare di darne una definizione “generale”: i libri di testo la descrivono come la grandezza che misura la capacità di produrre lavoro. Essa ha le stesse “dimensioni” del lavoro, e quindi ha le stesse unità di misura, ad esempio lo “erg” o il “joule” (unità di misura nel Sistema Internazionale che prende il nome dal fisico inglese James Prescott Joule ) o l’elettronvolt (eV) . Uno dei modi in cui il pensiero scientifico attua la sua aspirazione al riduzionismo consiste nello stabilire “principi” che abbiano la funzione di collegare le varie sfaccettature di un concetto. Questo è ciò che fa nel nostro caso uno dei principi fondamentali della fisica, che va sotto il nome di principio di conservazione dell’energia. Questo principio esprime proprio il fatto che si può trasformare energia di un certo tipo in una di tipo diverso, ma alla fine la somma totale delle energie in gioco deve rimanere costante. Oltretutto, questo principio fornisce un comodo metodo di calcolo illustrato nei due esempi che seguono:

- Una massa m si trova a un’altezza h dal pavimento, e quindi ha un’energia potenziale pari a mgh, dove g è l’accelerazione di gravità [102] ; se la si lascia cadere, nel momento in cui essa raggiunge il pavimento avrà un’energia cinetica pari a (½)mv² [270] , dove v è la velocità. Le due energie devono essere uguali, e questo permette di calcolare la velocità conoscendo massa e altezza.

- Una delle conquiste del XIX secolo è stata l’identificazione del calore come una forma di energia, culminata con la misura del coefficiente di trasformazione tra le rispettive unità di misura caloria e joule pari a: 1 caloria = 4.184 joule. La termodinamica spazia su questo argomento, mostrando che è facile trasformare qualsiasi tipo di energia in calore, mentre il processo inverso non è altrettanto semplice (vedi secondo principio della termodinamica). Naturalmente, quando all’inizio del XX secolo Albert Einstein , (del quale si è festeggiato  il centenario dell’annus mirabilis nel 2005  proclamandolo Anno Mondiale della Fisica icona_wy2005-) propose la sua famosa formula E = mc² , che fa intravedere la possibilità di trasformare energia E in massa m e viceversa, la formulazione tradizionale del principio di conservazione dell’energia andò in crisi. Fu necessario  aggiornarlo con un più generale principio che assicura che  è  costante lasomma della massa e dell’energia di un sistema.

Peraltro, questo meccanismo di trasformazione di energia in massa diventa rilevante solo per sistemi di piccolissime dimensione, come i nuclei (o meglio, quando intervengano forze molto intense, come quelle nucleari), ma nella vita di ogni giorno si può ancora accettare il “vecchio” principio di conservazione dell’energia. Proviamo comunque a dare un esempio pratico di questo problema, prendendo in considerazione quei fenomeni che vanno sotto il nome di “reazioni”, che consistono nell’interazione tra due (o più) sistemi che ha come risultato la realizzazione di un terzo sistema diverso. In particolare, per restare in tema, consideriamo le reazioni deputate a produrre energia, come quelle chimiche che si hanno quando si fanno reagire combustibili (benzina, gas, carbone, idrogeno) con l’ossigeno, o quelle nucleari di fissione [79] o di fusione [279] . In queste reazioni si “crea” dell’energia che prima non esisteva: per rispettare il più generale principio di conservazione dell’energia e della massa, occorre che un poco di massa scompaia, cioè la massa dei “composti” ottenuti dovrà essere minore di quella somma dei “componenti”. Un semplice calcolo ci dà un’idea dell’entità del fenomeno: viene fuori che in una reazione nucleare la massa mancante all’appello è dell’ordine dell’uno per mille della massa originaria, e che per le reazioni chimiche è dell’ordine del miliardesimo. Si tratta comunque di variazioni molto piccole.

Queste considerazioni sui vari tipi di energia e sulla possibilità di trasformarla da un tipo all’altro ci portano con naturalezza a un tema di grande attualità, quello dell’energia di cui l’umanità si serve per vivere più comodamente, ad esempio quella prodotta dal gas e dall’elettricità, che ci permette di riscaldare e raffreddare le nostre case, di far funzionare i nostri elettrodomestici, e quella prodotta dal petrolio, che alimenta automobili, navi, aerei. Su questo tema c’è un crescente allarme, perché – così si dice – le fonti di energia si stanno esaurendo e fra un poco, se non avremo imparato a produrre altri tipi di energia da sostituire a petrolio, gas e carbone, avremo la vita molto più difficile. Non c’è dubbio che queste preoccupazioni siano reali, e che dovremmo darci da fare per trovare soluzioni alternative per il futuro. Questo è un tema enorme e meriterebbe una trattazione a parte (*). Quello che ci riguarda nel contesto della domanda posta dal nostro navigatore è che l’affermazione “l’energia sta finendo” è impropria. La Terra vive in un quasi perfetto equilibrio di scambi termici: tanta energia riceviamo dal Sole, tanta energia restituiamo, prevalentemente come radiazione infrarossa , diretta genericamente allo spazio vuoto. Le cosiddette “fonti tradizionali di energia” (gas, petrolio, carbone) sono una ricchezza che la Terra ha accumulato in miliardi di anni e che noi uomini moderni stiamo allegramente sperperando nell’ultimo secolo. Ma non stiamo “consumando” energia: la stiamo ancora una volta trasformando da un tipo più “nobile” a un tipo meno nobile, il calore. E qui si potrebbe introdurre il concetto di entropia  , che permetterebbe di inquadrare meglio questo problema. Ma anche questa è un’altra storia.

Franco Scaramuzzi – Fisico

(*) Nota redazionale SxT

Il tema delle energie “alternative” è trattato rapidamente in altre risposte dei nostri esperti [168] , [172] alle quali rimandiamo i lettori interessati.