egregia energia - Dipartimento di Fisica

EGREGIA ENERGIA
Tutti parlano di energia, ma io ne so ben poco. Mi potrebbe dare qualche idea?
Grazie
Clelia Francone
Cosa sappiamo sull’energia? Riflettendo un momento forse troviamo la nostra risposta fra le seguenti
possibili: l’energia costa (la bolletta arriva inesorabilmente nelle nostre caselle postali), rovina l’ambiente
(così accade, un po’ più ed un po’ meno per ogni tipo di centrale elettrica), non ce n’è abbastanza (è quasi
quotidiano il dibattito sulle nuove fonti energetiche)… . Oppure: c’è l’energia del vento, del sole, del mare,
del cibo, elettrica, nucleare, e chi ha qualche ricordo scolastico aggiungerà l’energia potenziale, cinetica,
termica, od anche la celeberrima formula einsteiniana E = mc2. L’elenco è lungo e questo dettagliare rischia
di aumentare anziché ridurre la confusione. Proviamo dunque a fare un po’ d’ordine. Spesso, quando i fisici
decidono di riordinare danno delle definizioni, in modo che quando una persona utilizza un termine tutta la
comunità lo interpreti allo stesso modo. Non è un modo troppo originale di procedere, perché tutto il nostro
linguaggio si basa su delle definizioni, ma la differenza è che nel linguaggio comune una parola può avere
più di un significato (ad esempio: collo del corpo umano, collo di bottiglia, collo da spedire…), oppure
essere interpretata in modi differenti (si pensi a tutti sostantivi astratti, come felicità, bellezza, forza…). In
fisica questo non succede: ogni termine possiede un significato ben preciso e quando si nomina, ad esempio,
il “lavoro”, ogni fisico intende la stessa cosa (che, nel caso specifico, non ha nulla a che vedere con il lavoro
inteso come mestiere, o con il lavoro fisico o mentale…). Non è qui la sede per raccontare di come si giunga
a queste definizioni e di come esse possano evolvere nel tempo. Ma torniamo all’energia. Il termine energia
viene dal greco e significa “dentro il lavoro”), ma contrariamente a quanto detto più sopra, non la si riesce a
definire. Quando in alcuni testi se ne trova una definizione, essa è sempre approssimata. Un mio stimato
professore di fisica, conscio dell’insoddisfazione dei suoi studenti nel non avere a disposizione una
definizione dell’energia, amava dire che energia è tutto ciò che può riscaldare una pentola d’acqua. E’ la
miglior definizione che abbia mai sentito.
Nonostante questa “difficoltà”, quando i fisici fanno
i fisici e parlano di energia, è sicuro che tutti
intendono la stessa cosa. Come è possibile? C’è una
via diversa per precisare una grandezza fisica ed è
considerare le sue proprietà. Vediamo quali sono le
proprietà dell’energia.
In primo luogo l’energia è caratterizzata da un
principio di una semplicità estrema (ricordo che un
principio è un’affermazione non dimostrabile):
l’energia si conserva. Ciò significa che se si osserva
un qualsiasi fenomeno, per un tempo lungo quanto
si vuole e per quanto strano esso possa essere, si
toverà sempre che c’è una quantità che rimane
invariata: l’energia, appunto. Nessuna osservazione
ha finora rilevato il contrario: tutta l’energia che si
trova in un dato momento e in un dato sistema
(comprendendo anche l’ambiente con cui il sistema
interagisce), la si trova anche in un altro momento,
magari sotto un’altra forma, come preciseremo di
seguito. Si usa dire che l’energia non si crea e non si
distrugge. Viene allora subito da chiedersi dove sta
quindi il problema dell’energia (costa, bisogna
“produrla”, non ce n’è abbastanza…)? La risposta risiede nella seconda sorprendente proprietà dell’energia:
essa ama “travestirsi”, apparire in forme diverse, pur rimanendo sempre se stessa, cioè energia. E’ una
grande attrice. La questione è che se si ha a disposizione Rosaura, ma ci serve Colombina, di Rosaura non ce
se ne fa nulla. Le molte maschere dell’energia non sono ovviamente le maschere di Goldoni, ma quelle
elencate all’inizio: energia elettrica, eolica, solare, termica, ecc. Quando assistiamo ad un qualsiasi
fenomeno, in generale assistiamo contemporaneamente ad una trasformazione di energia da una forma in
un’altra. Per capirci meglio, faccio un esempio: se accendete una lampadina perché la stanza è buia,
desiderate avere luce (ovvero energia elettromagnetica), ma la lampadina mentre funziona si scalda, quindi
parte dell’energia si è trasformata in energia termica che a voi in quel momento non serve affatto. Ecco che
avete “buttato via” dell’energia, nel senso che l’avete trasformata in una forma a voi inutile. In questo caso
volevate solo Colombina (energia elettromagnetica) e avete avuto anche Rosaura (energia termica). Il costo
dell’energia è dovuto anche a questo, al fatto che non è possibile sfruttare al 100% l’energia nella forma di
cui ho bisogno. Ma non si era detto che l’energia si conserva? Sì, ma il fatto è che quando “utilizziamo”
energia, una parte di essa non solo non viene utilizzata, ma non è più recuperabile: il calore emesso dalla mia
lampadina andrà a riscaldare l’aria, ma non potrò più “riacchiapparlo” per far accendere un’altra lampadina.
Questo è un fatto ben noto alla comunità scientifica e tecnicamente va sotto il nome di secondo principio
della termodinamica. In parole semplici, questo principio dice che quando l’energia si trasforma, essa in
parte si “degrada”, cioè non è più riutilizzabile; quando si paga la bolletta, si paga, ovviamente, anche
l’energia che non si può sfruttare. Un’altra proprietà dell’energia è che la si può utilizzare in due soli modi:
per ottenere lavoro (nel senso fisico del termine) e per ottenere calore.
Ma ritorniamo ora all’elenco da cui siamo partiti: c’è l’energia eolica, solare, chimica, elettrica,
atomica, nucleare, potenziale, cinetica, termica, …. Ci siamo ripromessi di fare un po’ d’ordine in questo
mare magnum e abbiamo tentato di capire cos’è l’energia dalle sue caratteristiche: l’energia si conserva e
l’energia può presentarsi e trasformarsi in diversi modi. Cerchiamo ora di capire se tutte le forme di energia
hanno davvero una natura diversa una dall’altra. Le cose risultano semplici se consideriamo che sono pochi i
sistemi “tipo” che possiedono energia. Eccoli: due cariche elettriche, due masse, un nucleo atomico. Questi
sistemi possiedono rispettivamente, energia elettrica (o, più in generale, se le cariche si muovono, si parlerà
di energia elettromagnetica), energia potenziale gravitazionale, energia nucleare. Tutte le energie che
abbiamo sopra elencato appartengono a una di questi tre tipi. Così, quando mangiamo, estraiamo energia
chimica dal cibo, ma questa energia è di tipo elettromagnetico; quando utilizziamo un panello solare, stiamo
sfruttando l’energia nucleare fornita dai nuclei presenti nella nostra stella; l’energia rubata al vento è dovuta
alle masse d’aria che si muovono grazie alle diverse temperature presenti in zone diverse: ma le diverse
temperature sono dovute al riscaldamento solare e dunque, in ultima analisi, la sorgente di energia è la stessa
di prima: l’energia fornita dai nuclei del Sole; l’acqua che cade da una cascata o da una diga possiede energia
potenziale gravitazionale, ecc…Insomma, se un qualcosa è davvero “energia” essa deve essere riconducibile
ad una dei tre tipi di cui sopra. In caso contrario, non è energia. Questo può essere un buon modo per riuscire
ad evitare dispendiosi e inutili acquisti da venditori di energia finta.
[a cura di Silvia Defrancesco]