Probabilmente usi sempre la parola energia nella tua vita quotidiana, ma cosa significa veramente? A quale quantità fisica stai arrivando quando dici cose come "Non ho energia oggi" o "Quei ragazzi hanno bisogno di bruciare un po' di energia"?
L'uso colloquiale della parola potrebbe darti un'idea iniziale di cosa sia l'energia, ma in questo articolo lo farai impara come i fisici definiscono l'energia, impara quali sono i diversi tipi di energia e guarda alcuni esempi lungo il modo.
Definizione di energia
L'energia è la capacità di svolgere un lavoro o di provocare un cambiamento. È diverso da una forza. Una forza è la cosa che causa il cambiamento, mentre l'energia può essere pensata come l'impulso dietro la forza. Ci vuole energia per applicare una forza e l'applicazione di una forza a un oggetto spesso trasferisce energia ad esso.
L'unità SI dell'energia è il joule dove 1 joule = 1 newton × 1 metro o 1 kg⋅m2/S2. Altre unità includono calorie, chilocalorie e chilowattora.
Tipi di energia
Le due forme fondamentali di energia sono
Gli scienziati di solito distinguono tra versioni macroscopiche e microscopiche di questi tipi di energia. Per esempio, energia potenziale che viene immagazzinato per gravità o a causa di una molla compressa si chiama ismeccanicoenergia potenziale. Ma gli oggetti possono anche avere un diverso tipo di energia potenziale immagazzinata nei legami tra le molecole e tra i nucleoni in un nucleo atomico.
L'energia cinetica meccanica è l'energia dovuta al movimento di un oggetto macroscopico. Ma all'interno di ogni oggetto, le molecole stesse hanno le proprie energie cinetiche di tipo diverso.
La somma del potenziale meccanico e dell'energia cinetica di un oggetto si chiama suoenergia meccanica totale. Questa non è la stessa dell'energia totale dell'oggetto, che sarebbe la somma di tutte le forme della sua energia, comprese quelle termiche, chimiche e così via.
Il tipo di energia potenziale immagazzinata nei legami molecolari è una forma di energia chiamatachimicoenergia. L'energia immagazzinata nei legami atomici o nei legami nucleari è chiamataatomicoenergia onucleareenergia.
L'energia cinetica che esiste a livello molecolare a causa delle vibrazioni e dei movimenti delle molecole è chiamatatermicoenergia ocaloreenergia. Quando misuri la temperatura, stai misurando la quantità media di questo tipo di energia.
Energia potenziale meccanica più in dettaglio
I tipi più comuni di energia potenziale meccanica che potresti conoscere includono:
- Energia potenziale gravitazionale:L'energia immagazzinata in un oggetto in base alla sua posizione in un campo gravitazionale. Ad esempio, una palla tenuta in alto sopra la terra ha energia potenziale gravitazionale. Quando viene rilasciato, di conseguenza diminuirà.
- Energia potenziale elettrica:Questa è l'energia immagazzinata in un oggetto carico a causa della sua posizione in un campo elettrico. Ad esempio, gli elettroni di un circuito saranno dotati di una certa quantità di energia potenziale elettrica dovuta alla batteria. Quando il circuito è collegato, questo fa fluire gli elettroni.
- Energia potenziale magnetica:Questa è l'energia immagazzinata in un oggetto con momento magnetico dovuto alla sua posizione in un campo magnetico. Considera quando tieni due magneti a bottone uno vicino all'altro e li senti tirare; questo è dovuto all'energia potenziale magnetica.
- Energia potenziale elastica:Questa è l'energia immagazzinata in un materiale elastico. Ad esempio, un elastico allungato ha immagazzinato energia, così come una molla compressa. Quando entrambi vengono rilasciati, si muoveranno.
Energia cinetica meccanica in dettaglio
L'energia cinetica meccanica differisce dall'energia potenziale in quanto è associata al movimento ed è disponibile in una sola varietà. Una semplice equazione fornisce l'energia cinetica di qualsiasi oggetto di massammuoversi con velocitàv. Questo è:
KE = \frac{1}{2}mv^2
Più velocemente un oggetto si muove o più è pesante, più energia cinetica ha.
Quando un oggetto dotato di energia potenziale viene rilasciato e lasciato libero di muoversi, inizierà ad accelerare. Di conseguenza, la sua energia cinetica aumenta. Allo stesso tempo, l'energia potenziale diminuisce. In rete, l'energia meccanica totale dell'oggetto rimane costante (supponendo che non agiscano attriti o forze simili), è solo che l'energia cambia forma.
Equazioni per l'energia
Nell'ultima sezione è stata introdotta l'equazione per l'energia cinetica meccanica. Esistono anche formule per diversi tipi di energie potenziali, nonché equazioni che descrivono la relazione tra energia e altre grandezze fisiche.
L'energia potenziale gravitazionale della massamin altezzahsopra la Terra è:
PE_{grav} = mgh
Doveg= 9,8 m/s2 è l'accelerazione di gravità.
L'energia potenziale elettrica di una caricaqa tensioneVè semplicemente:
PE_{elec} = qV
Il energia potenziale immagazzinata in una molla è dato da:
PE_{molla} = \frac{1}{2}k\Delta x^2
DoveKè il costante di primavera (una costante che dipende dalla rigidezza della molla) exè la quantità di compressione o allungamento della molla.
La variazione di energia termica (detta anche energia termica trasferita) è data dalla seguente equazione:
Q = mc\Delta T
DoveQè l'energia,mè la massa,cè la capacità termica specifica eTè la variazione di temperatura in unità di Kelvin.
La grandezza fisica lavoro (definita come il prodotto di forza e spostamento) ha le stesse unità dell'energia (J o Nm). Le due grandezze, lavoro ed energia cinetica, sono messe in relazione tramite il teorema lavoro-energia cinetica, che afferma che il lavoro netto su un oggetto è uguale alla variazione dell'energia cinetica dell'oggetto.
La legge di conservazione dell'energia
Un fatto fondamentale della natura è che l'energia non può essere né creata né distrutta. Questo è riassunto nel legge di conservazione dell'energia. Questa legge afferma che l'energia totale di un sistema isolato rimane costante.
Mentre l'energia totale rimane costante, può cambiare forma e spesso cambia. Il potenziale potrebbe trasformarsi in cinetico, il cinetico potrebbe trasformarsi in energia termica e così via. Ma l'importo totale rimane sempre lo stesso.
È importante notare che questa legge specifica un sistema isolato. Un sistema isolato è quello in cui non può in alcun modo interagire con l'ambiente circostante. L'unico sistema possibilmente perfettamente isolato nell'universo è, beh, l'universo stesso. Tuttavia, è possibile realizzare molti sistemi sulla Terra che sono vicini all'isolamento (così come è possibile rendere trascurabile l'attrito, anche se non è mai 0).
La conversione dell'energia può avvenire in molti modi, di solito dall'energia immagazzinata rilasciata come energia cinetica di qualche tipo o come energia radiante.
L'energia chimica, ad esempio, può essere rilasciata durante le reazioni chimiche. Durante tale reazione cambia da energia potenziale chimica in qualche altra forma, che potrebbe includere energia radiante o energia termica.
L'energia nucleare viene rilasciata durante una reazione nucleare. Qui è dove Einstein è famosoE = mc2entra in gioco l'equazione (l'energia è uguale alla massa per la velocità della luce al quadrato). La massa di un nucleo che si divide per liberare energia sarà alla fine leggermente più leggera di una quantità determinata dalla formula di Einstein. Per quanto folle possa sembrare, la massa stessa può essere considerata una forma di energia potenziale.
Fonti di energia elettrica utilizzabile sulla Terra
Qui sulla Terra, probabilmente usi spesso l'energia elettrica. Ogni volta che accendi una luce in casa o leggi qualcosa su uno schermo elettronico come sei adesso, stai usando energia elettrica. Ma da dove viene questa energia?
La risposta ovvia sono le batterie o la presa a muro, ma qual è la vera fonte primaria?
Quando si tratta di batterie, l'energia viene spesso immagazzinata chimicamente in una cella di batteria, ma molti dispositivi elettronici richiedono che le batterie vengano ricaricate collegandole a una presa a muro.
L'energia che arriva a casa tua attraverso le linee elettriche ha origine in una centrale elettrica da qualche parte. Le centrali elettriche hanno molti modi diversi di raccogliere energia e trasformarla in energia elettrica.
Alcune fonti comuni di energia raccolte dalle centrali elettriche e convertite in elettricità includono:
- Energia solare:Questa è l'energia radiante che proviene dal sole e può essere catturata dalle celle solari.
- Energia geotermica:Questa è l'energia termica trovata in profondità nel terreno che può quindi essere trasferita alla superficie della Terra per l'uso.
- Combustibili fossili:Questi includono carbone e petrolio, che vengono spesso bruciati per rilasciare energia immagazzinata nei legami chimici.
- Energia nucleare:Le centrali nucleari generano energia rompendo i nuclei atomici e sfruttando l'energia immagazzinata nei legami nucleari.
- Energia idroelettrica:Questa è l'energia che deriva dall'energia potenziale gravitazionale e dall'energia cinetica nell'acqua che scorre.
- Energia eolica:Per raccogliere l'energia eolica, vengono utilizzate turbine giganti. Il vento fa girare le turbine, trasferendo loro la sua energia.
Energia nel corpo umano
Ricordi all'inizio di questo articolo dove sono state menzionate le frasi "Non ho energia oggi" e "Quei ragazzi hanno bisogno di bruciare un po' di energia"? Gli esseri umani fanno sempre uso di energia, e non solo dai loro dispositivi elettronici. Sia i grandi movimenti del tuo corpo che i piccoli processi all'interno del tuo corpo richiedono energia.
Ci vuole energia per correre, fare escursioni, nuotare o anche solo lavarsi i denti. Ricordi l'energia cinetica? Quando ti muovi, lo fai tramite l'energia cinetica. Quell'energia deve venire da qualche parte.
Anche molti processi invisibili che avvengono nel tuo corpo richiedono energia, come la respirazione, la circolazione del sangue, la digestione e così via.
Da dove traggono la loro energia gli esseri umani? Il cibo, ovviamente! Il cibo che mangi ha immagazzinato energia chimica al suo interno. Quando quel cibo si fa strada nel tuo stomaco, l'acido dello stomaco scompone il cibo, e certo le molecole del cibo si dirigono verso tutti i diversi punti del corpo di cui potrebbe aver bisogno energia. Quindi, in caso di necessità, l'energia viene ottenuta tramite una piccola reazione chimica.
Ora, se non mangi tutto il giorno e corri molto, spendi molta energia e ti senti "svuotato" fino a quando non mangi e fornisci al tuo corpo più di ciò di cui ha bisogno.