sabato 15 agosto 2015

L'Energia e la sua Conservazione

Energia

Ciao a tutti amanti della fisica!
In quest'articolo cercheremo di farci un'idea di cosa si intende in fisica quando si parla di energia. Prima di iniziare, però, vorrei fare una precisazione: non abbiamo la più pallida idea di cosa sia l'energia. Ma cerchiamo di fare un po' di chiarezza...


Un fatto curioso: l'energia si conserva
  Quello che voglio dire è che l'energia non è una cosa che possiamo percepire: non è un liquido presente da qualche parte, non interagisce con nulla, non possiamo toccarla,... Si tratta piuttosto di un concetto matematico, il ché non significa che sia priva di un significato fisico. Solamente, non si tratta di una grandezza come le altre dal momento che non possiamo rapportarci direttamente con essa. Perché un concetto matematico? Su questo ci sarebbe da perderci la testa, ma fondamentalmente quello che facciamo quando stimiamo l'energia di un sistema è un procedimento matematico. Ma sta proprio qui la magia dell'energia. Seguiamo questo ragionamento per chiarire il concetto:

PASSO 1
consideriamo un sistema isolato, ovvero un sistema che non può scambiare energia con l'esterno.
PASSO 2
eseguiamo questo procedimento matematico, che coinvolge diverse caratteristiche fisiche del sistema, come massa delle particelle, presenza di onde, presenza di molle, interazioni di ogni tipo,...
Questo procedimento matematico produce un numero, al quale noi diamo il nome di energia del sistema.
PASSO 3
facciamo evolvere il sistema: facciamo scattare le molle, fondiamo insieme due corpi, liberiamo calore (sempre all'interno del sistema),...
PASSO 4
eseguiamo nuovamente lo stesso procedimento matematico di prima e ricalcoliamo l'energia del sistema. Cosa troviamo? Che il risultato non è cambiato!

Questo risultato – detto conservazione dell'energia – ha radici molto profonde, e si può dimostrare che è strettamente legato al fatto che le leggi fisiche non cambiano nel tempo. Vale a dire che, se le leggi fisiche che descrivono l'evoluzione di un sistema isolato continuassero a variare nel tempo, il valore dell'energia di quel sistema prima e dopo la sua evoluzione potrebbe non essere lo stesso. Dubito che ci torneremo a breve, perché si tratta di sviluppare dei conti abbastanza elaborati, ma è comunque interessante saperlo!

Insomma, possiamo definire l'energia di un sistema *(che può anche essere costituito da un'unica particella) in un preciso istante come il risultato di un particolare procedimento matematico. É bene specificare che a priori non è detto che l'energia di un sistema si conservi nel tempo perché non è detto che stiamo considerando un sistema isolato. Resta allora da discutere di quale sia il significato fisico di questa grandezza, e quindi di farci un'idea di come possiamo calcolarla in vari casi.

Diamo una definizione di energia
  Definire il significato fisico dell'energia non è mai semplice. Intuitivamente possiamo pensarla come una misura della capacità che ha un sistema di esercitare delle forze. Maggiore è l'energia di un sistema, maggiori (o più prolungate) saranno le forze che questo può generare. Si tratta di una buona definizione perché un sistema che esercita forze sull'esterno (ovvero non le esercita su se stesso) pian piano perde la sua capacità di generare altre forze. Funziona proprio in questo modo: un sistema che genera forze vedrà diminuire la sua energia, con ritmi e modalità che dipendono ovviamente dalle forze esercitate. Ma di fatto cosa succede? Dove va a finire l'energia che il sistema spende per esercitare delle forze? E' semplice: viene trasferita al sistema su cui viene esercitata la forza! In parole povere, se un sistema esercita una certa forza su un altro sistema, questo secondo sistema sarà poi in grado di esercitare la stessa forza su chi vorrà.
Ciò non è del tutto vero, ma vale solo in alcuni regimi, detti non dissipativi **(detti anche sistemi conservativi) .
 Quello che invece accade praticamente sempre è che il secondo sistema non sarà in grado di esercitare tutta la forza che il primo sistema ha applicato su di lui, ma solo una parte di essa. In altre parole, durante il trasferimento di energia, parte dell'energia viene dissipata e non è più utilizzabile, anche se sempre presente all'interno del sistema. È come se il passaggio di energia da un sistema a un altro avesse un costo. Un po' come se dovessimo pagare una commissione ogni volta che effettuiamo questo trasferimento. È evidente quindi che prima o poi l'energia disponibile nell'Universo finirà! Torneremo certamente su questo perché si tratta di un argomento molto profondo, ma che richiede come minimo un articolo intero. Per il momento, per chi fosse interessato, suggerisco di leggere un racconto di Isaac Asimov intitolato “L'ultima Domanda”, che tratta proprio di questa questione.

Qualche esempio non guasta mai
Vediamo infine come possiamo immaginare l'energia di un sistema in alcuni casi semplici. Va detto fin da subito che l'energia si può manifestare in diverse forme, ma che può senza (quasi) nessun problema passare da una forma all'altra a seguito di un trasferimento. Analizziamo quindi solo alcuni dei moltissimi tipi di energia:

ENERGIA CINETICA
Si tratta semplicemente dell'energia di un corpo in movimento. La si vede praticamente sempre. Volendo fare un esempio potete immaginare di giocare a Bowling! Durante il tiro voi cedete un po' della vostra energia alla palla, che si mette in moto (acquisisce quindi un'energia cinetica) e trasferirà parte di quest'energia cinetica ai birilli, che verranno spinti a loro volta. Niente di complicato!

ENERGIA TERMICA
Sostanzialmente è l'energia di un qualunque oggetto che abbia una certa temperatura.
Senza l'energia termica le stelle collasserebbero

Si tratta di un caso particolare (generalmente rappresenta tutta l'energia persa per dissipazione) perché non è sempre possibile utilizzare il solo calore per generare una forza. Più precisamente, non è mai possibile convertire tutto il calore ***(o energia termica) di un sistema in energia cinetica. Un esempio di passaggio da cinetica a calore si può osservare strofinando una gomma per cancellare su una superficie ruvida. Noi cediamo una certa energia, di tipo cinetico, alla gomma (energia presente per il solo fatto che la gomma si sta muovendo). La gomma poi  ne cede una parte sotto forma di calore alla superficie ruvida, che infatti si scalda. Il processo inverso invece si può vedere nei motori a vapore: il calore porta l'acqua a evaporare, e quindi viene ceduta dell'energia cinetica alle molecole d'acqua.

ENERGIA POTENZIALE GRAVITAZIONALE
  Anche questa la vediamo tutti i giorni. È l'energia che ha un corpo prima di cadere a terra. Immaginiamo di sollevare un sasso. Sappiamo che se lo lasciassimo questo cadrebbe a terra, e quindi si muoverebbe, pertanto siamo portati a concludere che questo sasso otterrebbe da qualche parte una certa energia cinetica. Ma dato che non siamo stati noi a spingerlo quest'energia deve venire da qualche altra parte. Ed ecco che salta fuori l'energia gravitazionale! Riassumendo, quando solleviamo il sasso stiamo trasferendo parte della nostra energia ad esso sotto forma di energia cinetica, il sasso quindi immagazzina quest'energia cinetica sotto forma di energia potenziale gravitazionale. Quando poi lo lasciamo cadere, l'energia gravitazionale del sasso ritorna cinetica, e quindi questo comincia a muoversi mano a mano che l'energia viene convertita. E quando il sasso tocca terra? Dove finisce l'energia cinetica? Sorprendentemente, diventa energia termica! Si può rilevare infatti che sia il terreno che il sasso si scaldano subito dopo l'urto.

ENERGIA A RIPOSO
  Non basterebbe un mese per elencare tutti i tipi di energia, a noi basta farci un'idea. Ma questo tipo di energia è davvero molto interessante, per cui mi sarebbe dispiaciuto non citarla nemmeno. In breve, la Teoria della Relatività Speciale prevede che i corpi abbiano un'energia intrinseca per il solo fatto di avere una massa. Il fatto è che quest'energia è davvero difficile da convertire in altre forme, tant'è che noi non vediamo spesso questo processo. Alcuni esempi di tale trasformazione si verificano all'interno delle stelle (o in qualunque processo che coinvolga la fusione nucleare) o nelle esplosioni atomiche (o nei reattori nucleari, insomma ovunque si verifichi la fissione nucleare). Ciò dovrebbe bastare per farci un'idea di quanta energia sia presente nei corpi dotati di massa! Il valore di tale energia è previsto dalla celebre formula



 Ricordate che c è la velocità della luce nel vuoto, e quindi è un numero elevatissimo. Se poi considerate che in questa formula compare il suo quadrato potete farvi un'idea di quanta energia sia immagazzinata nei corpi dotati di massa!
Ad ogni modo, ho voluto citare quest'argomento solo per completezza, ma ci torneremo sicuramente per approfondirlo.

Conclusioni
In definitiva, l'energia è un concetto largamente utilizzato in fisica, quindi ho pensato che fosse opportuno affrontarlo fin dall'inizio, in modo da rendere più comprensibili i successivi articoli! Ultima cosa: ricordate il procedimento matematico con cui calcolavamo l'energia di un sistema? Tale processo consiste semplicemente nel calcolare il valore delle singole forme dell'energia di un sistema e quindi di sommarle per arrivare a un valore totale. Il fatto è che, dato che quest'energia non fa altro che cambiare forma, è evidente che la somma delle varie manifestazioni dell'energia dev'essere sempre la stessa!


A presto e grazie per l'attenzione,
Giulio


P.S. questo post serviva anche per poter cominciare a parlare di fisica quantistica, in cui questa grandezza svolge un ruolo fondamentale. Nel prossimo articolo cominceremo infatti a parlare di questa branca della fisica dai risultati davvero interessanti!
  




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