Lenergia è la grandezza fisica che misura la capacità di un corpo o di un sistema fisico di compiere lavoro, a prescindere dal fatto che tale lavoro sia o possa essere effettivamente attuato.
Il concetto di energia può emergere intuitivamente dall'osservazione sperimentale che la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro diminuisce a mano a mano che questo viene prodotto. In questo senso l'energia può essere definita come una proprietà posseduta dal sistema che può essere scambiata per trasferimento fra i corpi attraverso il lavoro.
In base alla legge di conservazione dell'energia, può essere trasformata ma non creata né distrutta; l'unità di misura dell'energia nel Sistema internazionale di unità di misura (SI) è il joule (J). L'energia si presenta sotto diverse forme come, ad esempio, l'energia cinetica di un oggetto in movimento, l'energia potenziale associata alla sua posizione (come in un campo gravitazionale), l'energia di massa contenuta nella materia stessa, ecc.Altre forme sono l'energia elastica immagazzinata in un corpo elastico deformato (come una molla), l'energia chimica associata alle reazioni chimiche, l'energia radiante trasportata dalla radiazione elettromagnetica, l'energia interna posseduta da un sistema termodinamico, l'energia a riposo associata alla massa a riposo di un oggetto, ecc. In ogni caso queste diverse forme di energia non si escludono a vicenda.
Tutti gli organismi viventi assorbono e rilasciano costantemente energia. I processi climatici ed ecosistemici della Terra sono guidati principalmente dall'energia radiante del Sole.
Tentativi di definizione
L'energia è una grandezza fisica estensiva, nel senso che l'energia di due corpi è semplicemente la somma delle energie dei corpi presi singolarmente. Essa ha un'importanza centrale nella formulazione di molte teorie, dalla meccanica classica alla termodinamica, dalla teoria della relatività alla meccanica quantistica.
Una precisa definizione di energia non è semplice da fornire, l'energia non ha alcuna realtà materiale ma è piuttosto un concetto matematico astratto che esprime un vincolo rispetto ai processi possibili e una simmetria temporale delle leggi fisiche. Non esiste quindi nessuna sostanza o fluido corrispondente all'energia pura. Come scrisse Richard Feynman:
Un corpo può incrementare o diminuire la sua energia interagendo con altri corpi: la variazione di energia riflette quindi i cambiamenti occorsi nelle sue proprietà microscopiche. A livello fenomenico esistono numerose possibili modalità di interazione, dalla meccanica,con ad esempio urti fra corpi rigidi o forze fra particelle puntiformi, alla termodinamica,dove si considerano ad esempio le reazioni fra gas a temperature differenti. mentre su un piano elementare le forze di interazione si riducono a quella gravitazionale, quella nucleare e quella elettrica. Tutti questi processi lasciano tuttavia invariata la quantità totale di energia, che quindi resta la grandezza fisica costante per sistemi chiusi o isolati.
Etimologia Nella lingua italiana il termine energia è ripreso nel XVI secolo dal francese énergieDaniele Gambarara e Domenico La medica in Rai educational. , parola usata nel senso di "forza in azione". Questa è direttamente derivata dal tardo latino energīa, a sua volta tratto dal greco antico ἐνέργεια enérgheia, parola già usata dal filosofo greco Aristotele, che deriva da ἐνεργής energhés (o l'equivalente ἐνεργός energós), «che ha forza di fare», «che opera», «attivo»; questi termini derivano dalla composizione della particella ἐν en («dentro») con il termine ἔργον érgon («vigore fisico», «opera», «lavoro»), che dà il significato complessivo di «forza interiore».
In Inghilterra nel 1599 energy è sinonimo di "forza" o "vigore di espressione". Thomas Young è il primo a usare, nel 1807, il termine energy in senso moderno.Ferdinando Abbri, Storia delle scienze, Volume 5, 1995, p. 245.
Storia del concetto Aristotele introdusse il termine in ambito filosofico per distinguere la δύναμις (dýnamis), ossia la possibilità, la "potenza" propria della materia informe, dalla reale condizione in atto (appunto ἐνέργεια, enérgheia) che fa assumere una forma compiuta alle cose. Tale nozione proveniva da una visione qualitativa e ilozoista della realtà in analogia agli esseri viventi, secondo cui l'energia era sostanzialmente una forza interiore (chiamata anche entelechìa) che spingeva gli organismi ad evolversi per realizzare la loro essenza.Ad esempio, un seme è una pianta in dynamis (potenza), mentre la pianta adulta che cresce è la sua energeia (atto) ()
Lenérgheia tuttavia fu in seguito identificata dai neoplatonici con la potenza stessa, della quale venne capovolto il significato, ora inteso come forza dinamica che emana da Dio. In tal senso essa non era solo l'atto compiuto, ma una sorta di energia spirituale mai esaurita, connotata da un principio di continuo movimento pur restando perennemente se stessa, secondo una prospettiva più vicina a quella odierna.
Agli aspetti qualitativi del concetto venne progressivamente affiancato, in età moderna, lo studio di quelli quantitativi volti alla sua misurazione. In particolare, il termine "energia" fu usato per la prima volta per indicare una grandezza fisica da Keplero nel suo Harmonices Mundi del 1619, sebbene il termine "energia" fu introdotto sistematicamente nella letteratura scientifica col significato odierno solo a partire dalla fine del XIX secolo.
Prima di allora si alternarono a seconda del contesto e dell'autore anche i termini vis viva, "forza" o "lavoro". Il primo si conserva come tradizione storica ancora oggi nel nome di alcuni teoremi, mentre gli ultimi due termini hanno acquisito nella fisica moderna un significato completamente differente da quello dell'energia.
Una connotazione ancora metafisica ricorreva inoltre nel concetto di conatus, inteso da Spinoza come tendenza di ogni essere a conservare la propria energia immanente.
La controversia sulla vis viva
Storicamente, la prima grandezza simile a quella oggi indicata come energia cinetica apparve negli studi di Gottfried Leibniz nel 1686, chiamata con il nome di vis viva ("forza viva")I. Kant, Pensieri sulla vera valutazione delle forze vive, a cura di Stefano Veneroni, Milano-Udine, Mimesis, 2019, 1.567 pp., 4 voll. in contrapposizione alla vis mortua ("forza morta") usata per designare l'inerzia. Il dibattito principale nella fisica del XVII e XVIII secolo era incentrato concettualmente non su un principio di conservazione, dato per scontato, piuttosto sulla ricerca di una grandezza fisica che fosse in grado di misurare gli effetti dell'azione di una forza sui corpi, o in termini moderni di una interazione fra questi. Una forza che agisce su un corpo avrà l'effetto di modificare la sua velocità, così facendo cambieranno sia l'energia cinetica sia la quantità di moto definita come:
A partire da queste due diverse possibilità nacque lo scontro fra Leibniz, che riteneva più adeguata come misura di una forza la "vis viva", e i sostenitori della teoria cartesiana, che utilizzavano invece la quantità di moto.Notare tuttavia che nella definizione di Leibniz di forza viva era assente il fattore 1/2 La questione riguardava anche l'adozione di una prospettiva vitalistica rispetto ad una meccanicistica. Nella formulazione odierna della meccanica classica, entrambe le grandezze hanno la stessa importanza: come fu chiaro a partire da d'Alembert, il problema era unicamente legato all'uso di due punti di vista differenti.Tuttavia nemmeno d'Alembert riuscì a risolvere in modo definitivo la controversia, si veda Infatti è possibile considerare gli effetti di una forza sommati rispetto a intervalli di tempo , da cui si ricava la variazione della quantità di moto direttamente in base al primo principio della dinamica:
Oppure è possibile considerare gli effetti di una forza sommati rispetto allo spazio, avendo in mente come esempio la compressione di una molla che frena un corpo in moto. Il risultato che si ottiene è che il lavoro di una forza compiuto su un corpo è uguale al cambiamento dell'energia cinetica del corpo stesso:
In questo senso la differenza di energia cinetica o della quantità di moto finale e iniziale sono solo due misure diverse degli effetti dell'azione di una forza su di un corpo.
Energia meccanica L'energia meccanica è la somma di energia cinetica ed energia potenziale attinenti allo stesso sistema, da distinguere dall'energia totale del sistema in cui rientra anche l'energia interna.
Energia cinetica
L'energia cinetica è l'energia che dipende unicamente dallo stato di moto del sistema preso in considerazione e da quello delle sue relative componenti. Per un corpo puntiforme l'energia cinetica è uguale alla metà del prodotto della massa del corpo per il quadrato della sua velocità:
L'energia cinetica è una grandezza che può assumere solo valori positivi. Considerando corpi rigidi estesi non puntiformi, l'energia cinetica dipenderà anche dalla velocità angolare attraverso un termine aggiuntivo chiamato energia rotazionale.
La variazione dell'energia cinetica a seguito dell'azione di una forza è legata al lavoro, cioè al prodotto scalare della forza per la distanza dello spostamento effettuato. Il lavoro di una forza compiuto su un corpo è infatti uguale al cambiamento dell'energia cinetica del corpo stesso:
in base al teorema energia-lavoro o teorema delle forze vive.
Energia potenziale
L'energia potenziale è un tipo di energia che dipende unicamente dalla configurazione o dalla posizione dei corpi e delle particelle in interazione.
A seconda del tipo di interazione e di forza considerata esistono numerosi tipi di energia potenziale. L'esempio più semplice di energia potenziale è quella posseduta da un corpo di massa posto a un'altezza nel campo gravitazione terrestre, uguale a:
,
dove è l'accelerazione di gravità. Questo tipo di energia dipende solo dalla posizione di un corpo e quando questo viene lasciato cadere l'energia potenziale cambia durante il tempo la propria forma diventando cinetica. L'energia potenziale è definita a meno di una costante additiva, in questo esempio a meno della possibile scelta del punto rispetto a cui misurare l'altezza .
Energia termica
Calore e lavoro come forme di scambio dell'energia
Il calore e il lavoro non possono essere definiti come "forme di energia", sebbene abbiano le sue stesse unità di misura, dato che non sono proprietà di un singolo sistema ma piuttosto sono proprietà della trasformazione termodinamica presa in considerazione.L'energia in termodinamica è quindi una funzione di stato In altre parole, il calore e il lavoro non sono posseduti da un sistema e non sono quindi una variabile di stato, ma sono invece "trasferimento di energia", che avviene attraverso due sistemi. Il calore e il lavoro possono tuttavia essere misurati e utilizzati nella pratica per prevedere la differenza di energia posseduta da un corpo fra la fine e l'inizio del processo o della trasformazione.
In termodinamica il principio di conservazione dell'energia è contenuto nel primo principio della termodinamica, secondo il quale la variazione di energia di un sistema è uguale alla somma del calore e del lavoro rispettivamente ceduto e compiuto dall'ambiente esterno al sistema:Notazione IUPAC, si veda sezione 2.11 Chemical Thermodynamics
Non tutta l'energia di un sistema è in grado di produrre lavoro in una trasformazione termodinamica, per via del secondo principio della termodinamica. La quantità di energia di un sistema disponibile per produrre lavoro può essere infatti molto minore di quella totale del sistema. Il rapporto tra l'energia utilizzabile e l'energia fornita da una macchina viene chiamato rendimento.
Principio di conservazione dell'energia