L'energia è una grandezza fondamentale nella vita quotidiana, percepita attraverso varie sensazioni come il moto, il calore, la luce, l'elettricità e l'energia muscolare. L'ottenere un risultato utile è una caratteristica chiave dell'energia, che ne sottolinea l'importanza nella vita di tutti i giorni.
Principi Fondamentali dell'Energia
- Trasformazione dell'Energia: L'energia si presenta in diverse forme e può trasformarsi da una forma all'altra. La trasformazione può avvenire tramite dispositivi come motori elettrici o ferri da stiro, o tramite forze che compiono lavoro, come la forza di gravità su un pallone in volo.
- Trasferimento dell'Energia: L'energia può trasferirsi da un corpo all'altro, generalmente per contatto a distanze molto piccole.
- Immagazzinamento dell'Energia: L'energia può essere accumulata per essere utilizzata in seguito. Essendo una variabile di stato che si conserva in un sistema isolato, l'energia, una volta acquisita, resta nel corpo.
- Conservazione dell'Energia: L'energia si conserva in un sistema isolato. Dimostrazioni rigorose si possono fare solo a livello microscopico.
- Degradazione dell'Energia: L'energia tende spontaneamente a distribuirsi su molti corpi, secondo il secondo principio della termodinamica.
- Costi Energetici: Per produrre energia utile, è necessario partire da una quantità di energia molto maggiore e trasformarla gradualmente fino alla forma desiderata.
Temperatura e Calore: Concetti Chiave
La temperatura è una grandezza fisica caratteristica del corpo, dipendente dallo stato del sistema in un dato istante. Il concetto di "quantità di calore" è spesso fonte di confusione. La quantità di calore è uno dei modi per misurare quanta energia è entrata o uscita dal corpo; non è una caratteristica del corpo, ma di un processo di scambio di energia.
Quando un corpo viene posto a contatto con un altro corpo relativamente più freddo, avviene una trasformazione che porta a uno stato di equilibrio, in cui sono uguali le temperature dei due corpi.
Calore Specifico
Il calore specifico (c) è una caratteristica di ogni corpo e corrisponde alla quantità di calore che si deve fornire all'unità di massa di una sostanza per elevare di 1°C la sua temperatura. È una grandezza fisica derivata e quindi si deve misurare sperimentalmente per ogni sostanza.
La quantità di calore è direttamente proporzionale alla massa e alla temperatura, secondo la "legge fondamentale della calorimetria". La quantità di calore è positiva se Tf > Ti (la quantità di calore "entra" nel corpo), ed è negativa se Tf < Ti (la quantità di calore "esce" nel corpo).
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Misurazione del Calore: Il Calorimetro
Per misurare la quantità di calore si utilizza uno strumento chiamato calorimetro. Il calorimetro è costituito da un recipiente di vetro con pareti doppie, inserito dentro un contenitore di plastica per protezione. Le pareti sono sottilissime per minimizzare la propagazione termica per conduzione diretta e impedire la propagazione del calore attraverso i raggi infrarossi.
Unità di Misura del Calore
In fisica, si adotta per il calore la stessa unità di misura valida per il lavoro e l'energia, cioè il Joule. Spesso tuttavia si fa uso di un'altra unità, detta caloria, che è definita come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di 1 g di acqua da 14,5 °C a 15,5 °C in condizioni di pressione ordinarie, e vale 4,185 Joule.
James Prescott Joule definì per primo il concetto di caloria nel 1850, in base a un esperimento chiamato "mulinello di Joule".
Il dispositivo sperimentale era composto da un recipiente contenente un kg di acqua alla temperatura di 14,5°, in cui vi era immerso un dispositivo costituito da delle "palette", fissate a un "albero" centrale capace di ruotare attorno al proprio asse. Attorno all'albero erano avvolti due fili passanti ciascuno per una carrucola, e a ciascuna estremità vi era un peso.
Energia Interna
È l'energia che "sta dentro" il corpo, in virtù della sua temperatura (energia termica), composizione chimica (energia chimica), stato fisico (energia di legame degli stati condensati), struttura nucleare (energia nucleare), ecc. È una grandezza di stato, non dipende cioè dal processo attraverso il quale il corpo ha raggiunto quello stato, e in genere non si misura il valore assoluto dell'energia interna ma solo di quanto varia (assumendo la conservazione dell'energia).
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L'energia chimica, nucleare e quella del legame degli stati condensati sono in genere descritte come "energie negative". Ad esempio in una reazione chimica "esotermica", come quella che avviene quando si accende il fornello del gas, le molecole iniziali sono "meno legate" di quelle finali (acqua e anidride carbonica sono molto stabili perché molto più legate di metano e ossigeno) e quindi si libera energia sotto forma di energia cinetica delle molecole.
Calore come Energia: Il Primo Principio della Termodinamica
Il primo principio della termodinamica identifica il calore come una forma di energia che può essere convertita in lavoro meccanico ed essere immagazzinata, ma che non è una sostanza materiale. È stato dimostrato sperimentalmente che il calore, misurato originariamente in calorie, e il lavoro o l'energia, misurati in joule, sono assolutamente equivalenti. Il primo principio è dunque un principio di conservazione dell'energia. In ogni macchina termica una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro: non può esistere nessuna macchina che produca lavoro senza consumare energia.
Il Secondo Principio della Termodinamica
Esistono diversi enunciati del secondo principio, tutti equivalenti, e ciascuna delle formulazioni ne mette in risalto un particolare aspetto. Esso afferma che è impossibile realizzare una macchina ciclica che abbia come unico risultato il trasferimento di calore da un corpo freddo a uno caldo (enunciato di Clausius) o, equivalentemente, che è impossibile costruire una macchina ciclica che operi producendo lavoro a spese del calore sottratto a una sola sorgente (enunciato di Kelvin). Quest'ultima limitazione nega la possibilità di realizzare il cosiddetto moto perpetuo di seconda specie.
In termodinamica l'entropia è una funzione di stato che si introduce insieme al secondo principio della termodinamica e che viene interpretata come una misura del disordine di un sistema fisico o più in generale dell'universo.
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