Comprendere la Fisica: Cos’è l’energia?

“Energia” è un termine familiare a chiunque, ogni giorno lo utilizziamo e lo sentiamo utilizzare di continuo, eppure solo in pochi sanno darne una definizione; ad essere precisi nessuno sa cosa sia davvero.

Il termine energia è relativamente recente, venne utilizzato per la prima volta in ambito scientifico da Keplero nel suo Harmonice Mundi del 1619, ma non venne adottato sistematicamente fino al XIX secolo. Prima di allora vennero utilizzate quasi indistintamente i termini vis vivaforza e lavoro. Al giorno d’oggi forza e lavoro  vengono utilizzati in modo completamente diverso, mentre vis viva ha mantenuto lo stesso significato.

Energia è una parola che deriva dal greco e significa “che è attivo”; consultando vari dizionari e enciclopedie non si riescono ad ottenere definizioni molto più chiare, in genere viene descritta come la capacità di agire di un corpo o di un sistema. Il problema è che queste definizioni suonano più come spiegazioni di “cosa fa” piuttosto che di “cosa è”. Wikipedia dice:

L’energia è la grandezza fisica che misura la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro, a prescindere dal fatto che tale lavoro sia o possa essere effettivamente svolto.

Sebbene quest’ultima sia formalmente corretta è decisamente poco esplicativa: una precisa definizione di energia non è semplice da fornire perché essa non ha alcuna realtà materiale ma è piuttosto un concetto matematico astrattonon esiste nessuna sostanza corrispondente all’energia pura.

Per scavare a fondo la questione dobbiamo essere sistematici, in particolare, abbiamo bisogno di dividere e categorizzare il concetto di energia. Per riuscirci un buon punto di partenza è elencare tutte le forme di energia che conosciamo e capire da cosa sono accomunate, iniziamo:

  • Energia cinetica: la possiedono tutti i corpi dotati di massa in movimento.
  • Energia potenziale: non è un concetto immediato da comprendere, per questo farò un esempio. Immaginate di essere sulle montagne russe, raggiungendo il fondo di una discesa avrete acquisito la massima velocità ed energia cinetica, iniziando una salita rallenterete e la vostra energia cinetica si trasformerà in energia potenziale. Perché potenziale? Perché la vostra posizione nel campo di forza gravitazionale determina che in qualunque momento possedete l’energia necessaria a raggiungere il suolo. Questo concetto è applicabile anche a campi di forze diversi da quello gravitazionale.
  • Energia elettromagnetica: è quella che caratterizza la luce, le microonde, le onde radio, i raggi X, ecc…
  • Energia termica (calore): la possiedono tutti i corpi con una temperatura al di sopra dello zero assoluto Kelvin, -273,15°C.
  • Energia nucleare/chimica: sono forme d’energia differenti, ma normalmente le associamo allo stesso tipo di fenomeno, le esplosioni.
Un albero concettuale che rappresenta le varie forme di energia, è evidenziato come ognuna di queste può essere ridotta ad energia cinetica(KE) o potenziale(PE)
Un albero concettuale che rappresenta le varie forme di energia, è evidenziato come ognuna di queste può essere ridotta ad energia cinetica(KE) o potenziale(PE)

L’immagine qui sopra mostra come le principali forme di energia siano relazionate fra loro. Sono parecchie, come può l’energia avere tutte queste facce? L’universo è davvero così complicato?

Fino al 1905 tutti pensavano che la massa e l’energia fossero due realtà fisiche molto diverse, completamente separate e senza punti di contatto. Ma Einstein in quell’anno (passato alla storia come il suo annus mirabilis) comprese che queste due realtà fisiche, apparentemente così diverse, sono in verità strettamente legate da un valore numerico molto preciso: il quadrato della velocità della luce (c²). Qualsiasi corpo a riposo possiede un'energia per il solo fatto di avere una massa; questa energia di riposo si indica con la formula E = mc² ed è posseduta sia dalle particelle atomiche e subatomiche sia dai corpi macroscopici.
Fino al 1905 tutti pensavano che la massa e l’energia fossero due realtà fisiche molto diverse, completamente separate e senza punti di contatto. Ma Einstein in quell’anno (passato alla storia come il suo annus mirabilis) comprese che queste due realtà fisiche, apparentemente così diverse, sono in verità strettamente legate da un valore numerico molto preciso: il quadrato della velocità della luce (c²). Qualsiasi corpo a riposo possiede un’energia per il solo fatto di avere una massa; questa energia di riposo si indica con la formula E = mc² ed è posseduta sia dalle particelle atomiche e subatomiche sia dai corpi macroscopici.

La risposta è no. L’universo è incredibilmente elegante e, dato che l’energia costituisce pressoché qualunque cosa gli appartenga, è anch’essa semplice e armoniosa. L’intero insieme di energie qui rappresentato può essere ridotto a due sole forme di energia, ovvero cinetica(KE) e potenziale(PE).  Ecco una rapida spiegazione del perché.

L’energia termica sensibile si manifesta a livello macroscopico attraverso i cambiamenti di temperatura, ma a livello microscopico corrisponde semplicemente ad una maggiore (o minore) agitazione molecolare, e quindi a energia cinetica. L’energia termica latente agisce sui legami inter-molecolari che si formano nei diversi stati di aggregazione della materia (solido, liquido, gas) spezzandoli o creandolil’energia chimica è quella che costituisce i legami intra-molecolari, mentre quella nucleare (vedi forza nucleare forte) agisce sui nuclei atomici mantenendo tutti i protoni e i neutroni aggregati, sono quindi tutte energie potenziali. Ultima, ma non per importanza, compare la massa; Albert Einstein formulando la teoria della relatività trovò la relazione che lega l’energia alla massa e scopri che essa non è nient’altro che l’ennesima faccia della stessa medaglia, e, ancora una volta, si tratta di energia potenziale.

Nonostante tutti i miei sforzi nello scrivere (e i vostri nel leggere) ancora non abbiamo dato una risposta definitiva alla domanda iniziale, che cos’è l’energia?

« C’è un fatto, o se volete una legge, che governa i fenomeni naturali sinora noti. Non ci sono eccezioni a questa legge, per quanto ne sappiamo è esatta. La legge si chiama “conservazione dell’energia”, ed è veramente una idea molto astratta, perché è un principio matematico: dice che c’è una grandezza numerica, che non cambia qualsiasi cosa accada. Non descrive un meccanismo, o qualcosa di concreto: è solo un fatto un po’ strano: possiamo calcolare un certo numero, e quando finiamo di osservare la natura che esegue i suoi giochi, e ricalcoliamo il numero, troviamo che non è cambiato... » Richard Feynman
« C’è un fatto, o se volete una legge, che governa i fenomeni naturali sinora noti. Non ci sono eccezioni a questa legge, per quanto ne sappiamo è esatta. La legge si chiama “conservazione dell’energia”, ed è veramente una idea molto astratta, perché è un principio matematico: dice che c’è una grandezza numerica, che non cambia qualsiasi cosa accada. Non descrive un meccanismo, o qualcosa di concreto: è solo un fatto un po’ strano: possiamo calcolare un certo numero, e quando finiamo di osservare la natura che esegue i suoi giochi, e ricalcoliamo il numero, troviamo che non è cambiato… »
Richard Feynman

Ciò che abbiamo appreso finora è che l’energia è in ogni cosa e in ogni fenomeno ma l’imbarazzante verità è che non abbiamo idea di cosa sia davvero. Per quanto ne sappiamo l’energia è solo una strana proprietà astratta dell’universo; un numero, la cui somma totale non cambia in nessuna circostanza. L’energia si converte nelle sue mille forme, ma non scompare mai, né si genera. Questo fenomeno prende il nome di “principio di conservazione” ed è fra le più importanti leggi mai osservate in natura. Sicuramente vi sarà capitato di sentir dire “Nulla si crea e nulla si distrugge, tutto si trasforma”, ora sapete il perché.

Pietro Sottile

Rispondi

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: