Come viene conservata l'energia all'interno di un sistema chiuso?

La legge di conservazione dell'energia è un'importante legge della fisica. Fondamentalmente, dice che mentre l'energia può trasformarsi da un tipo all'altro, la quantità totale di energia non cambia. Questa legge si applica solo ai sistemi chiusi, cioè sistemi che non possono scambiare energia con il loro ambiente. L'universo, ad esempio, è un sistema chiuso, mentre una tazza di caffè che si raffredda lentamente su un piano di lavoro non lo è.

Se un sistema può scambiare energia con l'ambiente circostante, non è un sistema chiuso e la conservazione dell'energia non si applica. La Terra, ad esempio, non è un sistema chiuso perché può sia ricevere calore dal sole che irradiare calore nello spazio. Poiché è un sistema aperto, la sua energia totale può cambiare. L'universo nel suo insieme è un sistema chiuso perché, per quanto ne sappiamo, non è in contatto con nessun altro sistema o universo. Di conseguenza l'energia totale dell'universo rimane invariata.

L'energia può assumere molte forme diverse. Un oggetto che si muove, per esempio, ha energia cinetica o energia di movimento. Un oggetto sollevato in alto dal suolo ha energia potenziale gravitazionale perché la gravità sta tirando l'oggetto e facendolo "volere" cadere. La luce del sole è energia sotto forma di radiazione. Le molecole nel tuo cibo hanno energia potenziale chimica che puoi estrarre attraverso la digestione e il tuo corpo ha energia nella forma più ovvia di tutte: il calore.

Nell'universo nel suo insieme, l'energia non viene mai distrutta, cambia solo forma. Quando un sasso cade, ad esempio, il potenziale gravitazionale che possedeva in virtù della sua altezza si trasforma in energia cinetica, e quando colpisce il suolo tale energia cinetica si trasforma in calore. Le piante prendono le radiazioni e convertono l'energia che contengono in energia potenziale chimica che a sua volta estrai quando mangi il cibo. Una centrale elettrica prende l'energia potenziale chimica nel carbone e la trasforma in energia elettrica. In tutti questi scenari, l'energia sta solo cambiando forma.

La Prima Legge della Termodinamica è un altro modo per enunciare la legge di conservazione dell'energia. Dice che per ogni sistema, la variazione della sua energia totale è uguale alla quantità di lavoro che fa meno la quantità di energia trasferita ad esso come calore. Questo è semplicemente un altro modo per spiegare la stessa idea, perché l'energia del sistema rimane costante a meno che non riceva energia sotto forma di lavoro o di calore.