0172. Tutte le forme di energia sono dovute al Sole?

Ho letto che sulla Terra qualunque forma di energia, con le sole eccezioni dell’energia nucleare e dell’energia prodotta dal calore delle viscere della Terra, è dovuta al Sole. In altre parole? (Paolo ) (3037)

Dire che qualunque forma di energia (eccettuata quella nucleare e geotermica) derivi da quella del Sole non è del tutto corretto quando, come è richiesto nella domanda, si considerano le varie forme di energia sulla Terra. Così dicendo, infatti, si trascurano almeno altre due forme primarie di energia, quella chimica e quella gravitazionale , che pure hanno un ruolo fondamentale nelle attività umane e che spesso intervengono accanto e indipendentemente da quella solare. L’energia radiante del Sole, dispensatrice di vita, è stata comunque determinante nell’evoluzione dell’ambiente terrestre, dalle prime forme di vita agli organismi viventi attuali. Basta ricordarsi che i primi esseri viventi sono stati organismi fotosintetici che utilizzavano direttamente la luce solare, donde il ruolo della radiazione solare nella formazione di grande masse vegetali - che poi fossilizzate hanno prodotto i carboni fossili - o nella formazione di sostanze organiche - che poi decomposte ad opera di batteri hanno prodotto idrocarburi come petrolio o gas metano.

L’energia solare resta a tutt’oggi una sorgente primaria di energia che, attraverso vari processi, viene impiegata direttamente, o immagazzinata, sempre nel rispetto del I Principio della Termodinamica: l’energia si conserva durante una trasformazione anche se può accadere che si suddivida in più forme, tra cui quasi onnipresente la produzione di calore.

Abbiamo così processi di natura biochimica come, ad esempio, quelli che avvengono negli impianti a gas da biomasse , o di carattere meccanico, come ad esempio, nei generatori di elettricità da energia eolica, o elettrico come ad esempio nelle celle fotovoltaiche per la conversione diretta di energia solare in energia elettrica o puramente termico come nei comuni impianti solari o nei progettati impianti che sfruttano la differenza di temperatura tra gli strati d’acqua superiori degli oceani riscaldati dal sole e quelli freddi più profondi. Se si considera tuttavia sia l’insieme dei fenomeni naturali che si svolgono sul nostro pianeta come il ciclo dell’acqua, la fotosintesi ..., sia il complesso dei processi tecnologici dovuti ad attività umana, si deve riconoscere che l’energia della radiazione solare contribuisce largamente, ma non unicamente, ad alimentare tali processi che coinvolgono anche altre forme di energia e comportano una conversione da una forma all’altra, con un’efficienza che dipende dalla trasformazione considerata. Le maree ad esempio, che l’uomo utilizza laddove è conveniente, per realizzare centrali elettriche, non dipendono dalla radiazione solare, ma sono provocate sul mare dall’azione gravitazionale della Luna e del Sole.

Nelle attività umane è comunque possibile qualunque conversione da una forma di energia ad un’altra anche se con diverse limitazioni più o meno importanti: per esempio, una stazione solare è molto meno compatta di una batteria di accumulatori anche se, a parità di potenza, il flusso di energia solare in watt/m² è confrontabile con il flusso di energia da chimica a elettrica in un normale accumulatore.

La domanda del nostro web-nauta si presta però a una qualche ulteriore riflessione, di carattere generale, sul confronto tra energia gravitazionale, energia chimica ed energia associata alla radiazione solare.

Occorre ricordare che le leggi della Termodinamica impongono che ad ogni forma di energia utilizzata da un sistema fisico sia associato un “fattore di qualità“, a cui i fisici danno il nome di entropia . L’entropia può essere definita come un indicatore del grado di disordine che si accompagna all’utilizzo, a una certa temperatura, di una particolare forma di energia da parte del sistema. Possiamo classificare le varie forme di energia ponendo ai livelli di qualità più alti le forme di energia cui corrisponde una minore entropia (per unità di energia). L’energia in natura fluisce dai livelli più alti (cioè a più bassa entropia) verso quelli più bassi (a entropia più alta) e non viceversa. Ponendo arbitrariamente uguale a 1 il parametro e “entropia per unità di energia” associato alla luce solare possiamo fare una classificazione delle varie forme di energia:

Come si vede l’energia gravitazionale -che è anche la forma di energia più abbondante nell’Universo- è quella di più alta qualità e più facilmente utilizzabile; per questa ragione una centrale idroelettrica che converte l’energia gravitazionale (dovuta alla Terra) di una massa di acqua in energia cinetica e poi in energia elettrica può avere un rendimento che si avvicina anche al 100% cosa che non sarebbe possibile per una centrale nucleare o chimica.

La Natura favorisce, lentamente, ma inesorabilmente la degradazione dell’energia gravitazionale verso le altre forme di energia; anche l’energia nucleare è in definitiva il risultato della formazione degli atomi nel processo di condensazione della materia primordiale per effetto gravitazionale e così pure l’energia chimica che, se ha grande importanza nelle nostre attività sulla Terra, conta poco su larga scala, quella dell’Universo. L’energia a più alta entropia è il calore che si ricava da una sorgente a bassa temperatura; la famosa radiazione cosmica a 3 K (microonde) ne sembra l’ultima degradazione.

Armando Reale – Fisico