Il principio della conservazione dell’energia

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Il principio della conservazione dell’energia era familiare anche nell’antica Grecia dove Aristotele, Eraclito ed altri filosofi affermavano ciò che poi venne divulgato da da Antoine-Laurent de Lavoisier come  “nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma” .

Cosa sia veramente l’energia rimane ancora poco chiaro, ma ciò che è di più facile osservazione sono le sue manifestazioni e trasformazioni. Infatti l’energia appare sotto molte forme.

Oscillating_pendulumGalileo diede un buon contributo alla ricerca su questo campo con il suo esperimento dell’oscillazione del pendolo. Egli capì che tramite l’oscillazione l’energia cambiava forma passando da energia potenziale gravitazionale a energia cinetica. Il matematico Leibniz definiva l’energia vis viva o “forza vitale”. Questi e molti altri studi lasciano intendere quindi che una proprietà fondamentale dell’energia è quella di cambiare forma.

Un altro importante contributo sul concetto di energia è stato fornito da Albert Einstein con la sua famosa teoria della relatività in cui E=mc2 ovvero l’energia è uguale alla massa moltiplicata ad una costante (la velocità di propagazione della luce nel vuoto). Ciò ha portato alla conclusione che la massa e l’energia sono interscambiabili. Ovvero che la materia è anch’essa energia, o può comunque conservarla. Se pensiamo quanta energia produce una scissione atomica ci rendiamo bene conto di quanta energia possa essere contenuta in un nucleo di un atomo di massa pressoché infinitesima… figuriamoci in un corpo umano!

Facciamo un esempio pratico, quando spingiamo un carrello al supermercato, possiamo sentire bene la differenza tra un carrello vuoto ed uno pieno. Quando è pieno la nostra spinta iniziale dovrà essere maggiore, ma una volta in moto il carrello tenderà a conservare quell’energia al punto che per riuscire a fermarlo ci vorrà una energia notevole. In questo esempio la nostra energia potenziale, definita in termini chimici dalle molecole presenti nei nostri muscoli, si trasforma in energia cinetica producendo una spinta al carrello. Se consideriamo ora un sistema in cui siamo presenti noi ed il carrello, possiamo capire che l’energia si è trasformata ed è stata trasferita ma la sua quantità non è cambiata.

Questo esempio riassume bene il primo principio della termodinamica afferma infatti che:

Dato un sistema chiuso la quantità di energia in essa contenuto non cambia”

(*realisticamente un sistema chiuso non è riproducibile mai del tutto in natura in quanto possiamo solo tentare di considerare e di isolare solo i tipi di energia finora studiati e conosciuti.)

In sostanza l’energia può cambiare forma e stato, passare da energia cinetica ad energia potenziale, può trasformarsi in calore attrito o qualsiasi altra forma di energia ma la quantità totale non cambia.

Il secondo principio della termodinamica dice invece che, all’interno di un ipotetico sistema chiuso, l’entropia aumenta sempre. Si è notato infatti ad esempio che il calore si diffonde sempre da corpi caldi verso corpi freddi. In parole povere, se mettiamo un corpo caldo all’interno di un liquido freddo, avviene sempre che il calore passa dal corpo caldo a quello freddo e non viceversa. Il corpo freddo in un certo senso non è predisposto per cedere il suo freddo ma per assorbire il calore. In modo tale che i due corpi alla fine si equilibrino. Dato che un corpo più è caldo più le sue molecole tendono a disporsi in maniera “disordinata”, questo passaggio comporta un aumento del disordine all’interno del sistema. Se osserviamo il nostro frigorifero ad esempio, ci accorgiamo che sì, al suo interno è freddo, ma se mettiamo una mano dietro troviamo calore. E se consideriamo un sistema in cui è presente anche l’aria intorno scopriamo che in media l’aria scaldata è più dell’aria raffreddata.

Molti scienziati, nel corso degli anni, hanno tentato di eludere il secondo principio della termodinamica senza però grandi risultati. Il riuscire a smentire il secondo principio equivale a creare il moto perpetuo, significa riuscire a progettare un motore che si auto-alimenti senza avere bisogno di carburanti, energia elettrica o idrogeno che si voglia e che sia in grado sia di cedere energia all’esterno sia di mantenere l’energia per il suo funzionamento. Purtroppo per noi ancora nessuno è riuscito in questa epica impresa ma molti sono riusciti a creare dei moti che consumano così poca energia tali da poter sembrare perpetui.

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