Energia: significato e forme di energia

Energia: significato e forme di energia A cura di Redazione Studenti.

Cos’è l’energia? Scopri qual è il significato, la formula e i tipi di energia che si utilizzano nella vita di tutti i giorni

1Cos’è l’energia?

Centrale idroelettrica sul fiume Drina. le centrali idroelettriche sfruttano l'energia potenziale (e poi cinetica) dell'acqua incanalata attraverso le dighe per produrre elettricità.
Centrale idroelettrica sul fiume Drina. le centrali idroelettriche sfruttano l'energia potenziale (e poi cinetica) dell'acqua incanalata attraverso le dighe per produrre elettricità. — Fonte: istock

La disponibilità delle risorse energetiche è un fattore fondamentale per lo sviluppo di un paese, sia sul piano economico che sociale. L’energia si presenta in forme diverse che come vedremo sono convertibili l’una nell’altra. Ad esempio, l’energia chimica che si ottiene per combustione della nafta è usata nelle centrali termoelettriche per produrre vapore che aziona le turbine. La loro energia cinetica viene a sua volta convertita dagli alternatori in energia elettrica e questa, nelle case e nelle industrie, convertita di nuovo in altre forme come energia luminosa, termica e meccanica

Nella società moderna per svolgere qualsiasi attività si necessita di qualche forma di energia e tra tutte le forme esistenti, l'energia elettrica è sicuramente quella più versatile poiché può essere trasformata e trasportata in maniera abbastanza semplice. 

Le enormi quantità di energia elettrica richieste ne determinano la produzione in grandi quantità: la potenza  (unità di misura: watt) è proprio una misura della quantità di energia prodotta. 

La produzione di energia elettrica in Italia avviene in gran parte sfruttando fonti di energia non rinnovabile (es. petrolio, carbone e gas naturale) e, in percentuale minore, fonti di energia rinnovabile e tutto ciò verrà dettagliato meglio nei paragrafi dedicati alle fonti di energia e alle energie rinnovabili. 

La generazione, il trasporto e la distribuzione di energia elettrica fanno sì che la stessa arrivi fino all'utilizzatore finale. La produzione dell'energia elettrica avviene nelle centrali elettriche con tecniche basate principalmente sull'utilizzo di vapore in pressione: l'acqua pressurizzata viene scaldata a temperature molto elevate, il vapore generato si espande in una turbina collegata ad un alternatore. 

A seconda della fonte energetica sfruttata, le centrali possono essere distinte ad esempio in termoelettriche, idroelettriche, eoliche, geotermiche, solari, nucleari. Nelle centrali termoelettriche un elemento combustibile (es. derivati del petrolio, biomassa) viene bruciato sviluppando calore che viene trasmesso a una caldaia, nella quale circola acqua ad alta pressione che viene così convertita in vapore raggiungendo temperature elevate. 

Le centrali idroelettriche utilizzano l’energia cinetica dell’acqua al fine di produrre energia elettrica (minore impatto ambientale rispetto alle centrali termoelettriche). Analogamente, le centrali eoliche sfruttano l’energia cinetica del vento per la produzione di energia elettrica attraverso un generatore eolico.  

Le centrali geotermiche sono centrali termiche che sfruttano però il calore naturale dei vapori geotermici contenuti nel sottosuolo (energia geotermica) senza bisogno di alcun processo di combustione. 

Le centrali basate su pannelli fotovoltaici convertono direttamente l’energia solare in corrente elettrica mentre in quelle nucleari il calore necessario viene ottenuto da un processo controllato di fissione nucleare a catena all'interno del reattore.  

2Fonti di energia

Una piattaforma petrolifera in mare. Il petrolio è una delle fonti di energia primaria ancora maggiormente usate.
Una piattaforma petrolifera in mare. Il petrolio è una delle fonti di energia primaria ancora maggiormente usate. — Fonte: istock

2.1Fonti di energia primaria

Le fonti di energia primaria sono quelle il cui contenuto energetico può essere usato direttamente (prodotti energetici allo stato naturale quali il carbone fossile, il petrolio greggio, i combustibili nucleari, l’energia idraulica e geotermica) e dalla cui trasformazione in altra forma derivano le fonti energetiche secondarie

Dopo le trasformazioni operate dal settore energetico, l’energia può essere consegnata agli utilizzatori per gli usi finali (es. civili, industriali) e la domanda di energia può essere distinta in relazione a questi (calore, illuminazione, movimento meccanico ecc.) o alla forma energetica (energia meccanica, energia elettrica, energia termica). 

A partire dalla Rivoluzione industriale lo sviluppo economico e il progresso tecnologico dell'uomo si basano sull’uso massiccio delle fonti fossili. Circa l’80% dell’energia consumata dall’uomo – dall’elettricità al calore usato per riscaldare le case e per i processi industriali – è infatti prodotta attraverso la combustione di petrolio, carbone e metano, combustibili fossili che rappresentano fonti non rinnovabili, che tendono cioè ad esaurirsi con il consumo.  

Questo, come sottolinea anche l’ENEA (Agenzia nazionale per le tecnologie, l'energia e lo sviluppo economico sostenibile) rappresenta una delle cause principali di pressione ambientale sul nostro Pianeta ed è pertanto fondamentale indirizzare le scelte del futuro sulla strada del “sostenibile”.

2.2Le fonti energetiche rinnovabili

Le fonti energetiche rinnovabili sono fonti energetiche non fossili che si rigenerano naturalmente almeno alla stessa velocità con cui vengono consumate, sono disponibili in natura e non sono soggette all’esaurimento causato dall’uso umano.

Le fonti rinnovabili inoltre sono quelle per le quali esiste una tecnologia che consente il loro utilizzo a fini energetici. Come accennato prima, gli impianti alimentati da fonti rinnovabili sono quelli che per produrre energia elettrica utilizzano il sole, il vento, l’acqua, le risorse geotermiche, le maree, il moto ondoso e la trasformazione dei rifiuti organici e inorganici o di biomasse

Impianto di biogas: le biomasse sono la fonte energetica rinnovabile che, si stima, verrà maggiormente usata nei prossimi anni
Impianto di biogas: le biomasse sono la fonte energetica rinnovabile che, si stima, verrà maggiormente usata nei prossimi anni — Fonte: istock

Molti studi sono attualmente finalizzati alla messa a punto di tecnologie e reazioni per ricavare energia dai rifiuti, alcuni dei quali possono trasformarsi in un ottimo combustibile. Un modo per generare energia dai rifiuti è ad esempio il recupero del biogas, ovvero di gas derivanti da processi di decomposizione di materiale organico (es. frazione umida dei rifiuti solidi urbani). 

L'azione dei batteri e dei microrganismi, contenuti nella materia organica stessa, consente di avviare la fermentazione

2.3Fonti energetiche assimilate

Le fonti energetiche assimilate sono risorse energetiche di origine fossile che vengono assimilate alle fonti rinnovabili in virtù degli elevati rendimenti energetici. Impianti alimentati da fonti assimilate sono ad esempio quelli che utilizzano calore di recupero, fumi di scarico ed altre forme di energia recuperabile in processi produttivi e in impianti, nonché quelli che utilizzano gli scarti di lavorazione e quelli che utilizzano fonti fossili prodotte da giacimenti minori isolati. 

3Energie rinnovabili: potenzialità

Pale eoliche e pannelli solari come fonti di energie rinnovabili
Pale eoliche e pannelli solari come fonti di energie rinnovabili — Fonte: istock

A proposito delle energie rinnovabili Legambiente sottolinea che “a differenza dei combustibili fossili e nucleari, fonti di energia inquinanti e obsolete, le fonti rinnovabili – sole, vento, mare, calore della Terra – sono inesauribili, pulite, sicure. Attualmente in Italia le fonti rinnovabili garantiscono oltre il 37% dei consumi elettrici. Un futuro 100% rinnovabile non è utopia ma una grande opportunità in Italia, in Europa e nel mondo. Una risposta piena di speranza ai drammi determinati dal clima, dalle guerre per il petrolio, dalla crisi economica”. 

A livello globale, secondo le stime dell’International Energy Agency al 2013, il 40% della crescita della domanda totale di energia da qui al 2035 sarà soddisfatto con le rinnovabili.

L’ISPRA (Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale) sottolinea che un ruolo chiave sarà giocato dal solare e dall'eolico, che conteranno per il 45% del totale di energia prodotta da rinnovabili ma che malgrado ciò, i combustibili fossili resteranno essenziali per alimentare la nostra sete di energia (spingendo il mondo verso un aumento della temperatura di 3,6° C rispetto ai livelli preindustriali)

Citando lo stesso documento: 

L'energia è indispensabile alla vita quotidiana ed è perciò doveroso, in un contesto di forte dipendenza economica dai combustibili fossili, affrontare le grandi sfide energetiche rappresentate dai cambiamenti climatici, dalla lotta all’inquinamento atmosferico, dalla dipendenza crescente dalle importazioni, dalla pressione esercitata sulle risorse energetiche e dalla fornitura a tutti i consumatori di energia sicura a prezzi accessibili.

L'attuazione di una politica europea ambiziosa in materia di energia, che abbracci tutte le fonti di energia, siano esse fossili (petrolio, gas, carbone), nucleare o rinnovabili (solare, eolica, da biomassa, geotermica, idraulica) mira a dare avvio ad una nuova rivoluzione industriale, che trasformerà l'UE in un'economia a basso consumo di energia più sicura, più competitiva e più sostenibile”. (Rapporto ISPRA 189/2013 Produzione di energia elettrica da impianti a fonte rinnovabile in Italia) 

Per capire meglio di cosa si parla quando si parla di energia e di forme di energia dobbiamo però andare a scoprire il suo significato a livello fisico.

4I concetti di energia e lavoro in fisica

L’energia è uno dei concetti chiave in fisica e viene definita come la capacità di un corpo o, più in generale, di un sistema fisico di compiere un lavoro e la misura di questo lavoro è anche una misura dell’energia. Un corpo che possiede energia è quindi in grado di compiere lavoro e il lavoro di una forza permette di trasformare una parte dell’energia da una forma a un’altra. 

Il lavoro di una forza (W) è una grandezza che misura l’effetto della combinazione di una forza con uno spostamento. Quando la forza (F) e lo spostamento (s) hanno la stessa direzione e lo stesso verso (paralleli) il lavoro può essere espresso come: W=F x s.  

Nel Sistema Internazionale (SI) l’unità di misura del lavoro è il joule(J), equivalente a newton (N, l’unità di misura della forza) x metro (m, l’unità di misura dello spostamento): 1 joule è il lavoro compiuto da una forza di 1 newton quando il suo punto di applicazione si sposta di 1 metro.  

5La termodinamica

Anche il gas che esce da una bomboletta spray risponde ai principi della termodinamica: uscendo si spande molto rapidamente e si raffredda, facendo diminuire l'energia interna.
Anche il gas che esce da una bomboletta spray risponde ai principi della termodinamica: uscendo si spande molto rapidamente e si raffredda, facendo diminuire l'energia interna. — Fonte: istock

La termodinamica è un settore della fisica che studia gli scambi di energia che avvengono tra il sistema termodinamico (porzioni di materia idealmente isolate da tutto il resto) e l’ambiente. Lo studio degli scambi di energia che si verificano durante una trasformazione fisica o chimica, ha lo scopo di individuare le condizioni di equilibrio o di spontanea evoluzione del sistema stesso. 

Un sistema termodinamico tenderà spontaneamente a raggiungere la condizione di equilibrio, quella cioè in cui i parametri pressione, temperatura e volume si mantengono costanti nel tempo. 

Il primo principio della termodinamica definisce il principio di conservazione dell’energia ma non fornisce informazioni sulla “direzione” che i processi prendono spontaneamente.  

Ad esempio possiamo osservare sperimentalmente che un cubetto di acciaio freddo posto in un bicchiere di acqua calda si scalda mentre l’acqua si raffredda. Il primo principio della termodinamica ci dice in pratica che la quantità complessiva di energia non cambia (l’energia ceduta è uguale a quella assorbita) ma non ci indica la direzione del trasferimento di calore.                              

Il secondo principio della termodinamica chiarisce che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo, senza l’apporto di lavoro esterno.  

Il terzo principio della termodinamica ci dice che “l'entropia di un cristallo perfettamente puro alla temperatura dello zero assoluto è nulla” ed è interpretabile anche come l’impossibilità di raffreddare i corpi naturali alla temperatura dello zero assoluto in un tempo finito.  

L’energia interna di un sistema termodinamico è data dalla somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale delle particelle che lo compongono.  

L’energia cinetica (dal greco, energia di movimento) di una molecola è legata ai diversi tipi di movimento che la molecola stessa è in grado di compiere. Analogamente, l’energia cinetica di un sistema è data dalla somma delle energie cinetiche delle molecole che lo costituiscono ed è direttamente proporzionale alla temperatura del sistema stesso (viene perciò definita energia termica). 

L’energia potenziale di una molecola è invece determinata dalla posizione reciproca degli atomi che formano la molecola e dalle forze dei legami intramolecolari e, in un sistema costituito da più molecole, anche dalle forze intermolecolari (si definisce quindi energia chimica). 

Nelle reazioni chimiche si ha sempre uno scambio tra l’energia termica e l’energia chimica. I prodotti di tali reazioni sono molecole che si formano in seguito alla rottura dei legami delle molecole dei reagenti di partenza con conseguente formazione di nuovi legami. 

Le reazioni chimiche avvengono attraverso uno scambio fra energia termica ed energia chimica
Le reazioni chimiche avvengono attraverso uno scambio fra energia termica ed energia chimica — Fonte: istock

Una reazione chimica può procedere spontaneamente se l’energia libera dei prodotti è inferiore all’energia libera dei reagenti. Se i prodotti contengono complessivamente una minore quantità di energia potenziale (energia chimica), quella in eccesso si trasforma in energia cinetica ovvero in energia termica (calore), che il sistema cede all’ambiente (reazioni esotermiche). 

Il calore rappresenta quindi il trasferimento di energia tra i vari corpi o, più semplicemente, è definibile proprio come una forma d’energia che può passare da un corpo verso l’esterno (reazioni esotermiche) o viceversa (reazioni endotermiche). La così detta legge zero della termodinamica afferma che “tra due corpi alla stessa temperatura non si verifica nessun passaggio di calore” poiché in generale, come possiamo sperimentare noi stessi, il passaggio di calore avviene dal corpo più caldo a quello più freddo. 

Nei paragrafi successivi cercheremo di spiegare il significato macroscopico dell’energia cinetica e dell’energia potenziale. 

6Energia cinetica: definizione, esempi, formula

La differenza fra energia potenziale e cinetica si spiega bene con il tiro con l'arco: l'energia potenziale si manifesta nel momento di tensione, quella cinetica quando viene scoccata la freccia.
La differenza fra energia potenziale e cinetica si spiega bene con il tiro con l'arco: l'energia potenziale si manifesta nel momento di tensione, quella cinetica quando viene scoccata la freccia. — Fonte: istock

L’energia cinetica è l’energia posseduta da un corpo di massa m che si muove ad una velocità v e misura la capacità di un oggetto di compiere un lavoro per il fatto di essere in movimento. E’ espressa dalla formula: K=1/2 mv2 [B1] dove K, m e v indicano rispettivamente l’energia cinetica (J), la massa (Kg) e la velocità (m/s) del corpo. 

Il teorema dell’energia cinetica dice: “Il lavoro compiuto dalla risultante delle forze applicate ad un punto materiale lungo un tratto AB è uguale alla variazione dell’energia cinetica subita dal punto in questione nel passare da A a B”. 

In pratica, il teorema dell’energia cinetica ci dice che se un corpo possiede un’energia cinetica iniziale Ki e una forza agisce su di esso effettuando un lavoro W, l’energia cinetica finale Kf sarà data dalla somma di Ki e di W (Kf = Ki + W). Quindi: 

  • Se l’energia cinetica iniziale è uguale a zero, Kf = W dove W indica il lavoro che la forza deve compiere per mettere in moto un corpo di massa m fino ad una velocità v.
  • Quando invece l’energia cinetica finale è uguale a zero, Ki = - W ovvero l’energia cinetica iniziale è uguale al lavoro necessario per fermare un corpo di massa m che parte con una velocità v.

Quindi, in generale, un lavoro implica sempre una variazione di energia cinetica che può essere positiva (in caso di lavoro motore) o negativa (in caso di lavoro resistente).  

È importante ricordare che quando si parla di lavoro si intende quello derivato dalla somma dei lavori delle singole forze agenti. Se tale risultante è positiva, si ha un aumento di energia cinetica; viceversa se negativa si avrà una diminuzione di tale energia. 

7Energia potenziale: definizione, caratteristiche, formula

Un corpo fermo possiede energia potenziale per il semplice fatto di occupare una certa posizione rispetto al suolo e, come misura di tale energia, si può assumere quella del lavoro compiuto dalla forza peso. Essendo uguale a un lavoro, anche l’energia potenziale si misura in joule

Per convenzione, l’energia potenziale posseduta da un corpo che si trova ad una certa altezza (h) sulla superficie terrestre, viene detta energia potenziale gravitazionale (o della forza peso) ed è espressa dalla formula: U=mgh dove m indica la massa del corpo (kg), g l’accelerazione di gravità (m/s2) e h l’altezza a cui si trova il corpo (m). 

L’energia potenziale gravitazionale di un corpo è uguale al lavoro compiuto dalla forza-peso quando il corpo stesso si sposta dalla posizione iniziale a quella di riferimento (livello di zero).

Tale forma di energia è indipendente dalla velocità del corpo e varia al variare della sua posizione: cadendo, il corpo perde progressivamente la capacità di compiere lavoro fino ad annullarsi raggiungendo la superficie terrestre dove l’energia potenziale sarà nulla.

Il lavoro compiuto dalla forza peso quando un corpo si sposta da un punto A a un punto B sarà indipendente dalla traiettoria seguita e dato dalla formula W=UA - UB. Da quest’ultima consegue che:

  • Se l’energia potenziale diminuisce, il lavoro è positivo;
  • Se l’energia potenziale aumenta, il lavoro è negativo.

8Conservazione dell’energia meccanica

8.1Caso gravitazionale

Secondo la legge di conservazione dell’energia meccanica, considerando un corpo che si muove sotto l’azione della sola forza peso (attrito trascurabile), la somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale (due forme diverse di energia meccanica) si mantiene costante durante il moto.  

8.2Caso elastico

Considerando un corpo di massa m soggetto a una forza elastica di richiamo, l’energia totale dell’oscillatore sarà data dalla somma dell’energia elastica della molla (massima agli estremi di oscillazione) e dell’energia cinetica del corpo (massima nel centro di oscillazione, dove è massima la velocità).  

Analogamente a quanto abbiamo visto per la forza peso, in un sistema di questo tipo l’energia totale dell’oscillatore è costante durante l’oscillazione, ovvero ci sono conversioni di energia dalla forma cinetica a quella elastica e viceversa ma la loro somma è costante.  

Se si vuole trovare i segreti dell’universo, bisogna pensare in termini di energia, frequenza e vibrazioni. (Nikola Tesla)