L’energia si esprime in Joule ed ha come equazione dimensionale [Kg m2 s-2]. L’energia si può presentare in diverse forme: essa può essere immagazzinata o trasferita. Tra le più importanti forme di energia si hanno:
Energia cinetica
Rappresenta, tra le forme di energia, quella correlata al moto; essa può essere espressa come:
K = ½ mv2
dove m è la massa dell’oggetto e v è la sua velocità. L’energia cinetica, che è una quantità scalare, è quindi proporzionale al quadrato della sua velocità: ciò implica che se la velocità raddoppia, l’energia cinetica quadruplica.
Energia potenziale
Rappresenta l’energia che possiede un corpo a causa della sua posizione in un campo di forze ovvero è l’energia immagazzinata dal sistema che può essere convertita in energia cinetica o altre forme di energia.
Il corpo possiede quindi una quantità di energia, dovuta al fatto che può compiere un lavoro: se per esempio un corpo di massa m è fermo a una altezza h1, sotto l’azione della forza di gravità, e viene lasciato cadere fino all’altezza h2 la forza di gravità compie un lavoro. Il lavoro compiuto dalla forza gravitazionale per spostarlo da una posizione iniziale a una posizione finale:
L = mg(h1 – h2)
Si definisce energia potenziale gravitazionale la grandezza:
Ep = mgh
posseduta da un corpo di massa m che si trova a un’altezza h dal suolo.
Energia potenziale elastica
Rappresenta l’energia potenziale immagazzinata da un oggetto a seguito della sua deformazione, come, ad esempio, la compressione di una molla. Infatti, una molla compressa o allungata di una certa quantità x è in grado a sua volta di compiere un lavoro pari al lavoro che è stato compiuto per comprimerla o allungarla. Applicando una forza F ad una molla e misurandone la deformazione di può verificare la legge di Hooke: la deformazione s è direttamente proporzionale alla forza F tramite la relazione:
F/s = k
dove k è il coefficiente elastico della molla
L’energia potenziale elastica vale E = ½ k (x-xo)2
dove xo è la posizione di equilibrio della molla e x è relativa a quanto la molla è stata compressa o allungata.
La formula trovata è interessante poiché l’energia potenziale accumulata da una molla dipende dal quadrato della deformazione: quindi l’energia quadruplica se raddoppiamo la deformazione, diventa nove volte se triplichiamo la deformazione e così via.
Energia termica
E’ dovuta al moto casuale delle molecole ed è quindi correlata alla loro energia cinetica che può essere di tipo vibrazionale, rotazionale o traslazionale. L’energia termica di un sistema dipende dalla temperatura del sistema che è a sua volta dipendente dal moto delle molecole del sistema. In un sistema gassoso l’energia cinetica può essere correlata alla temperatura dall’equazione:
½ mv2 = 3/2 kB T
dove m è la massa della molecola gassosa, v è la sua velocità media, kB è la costante di Boltzmann che vale 1.38 x 10-23 J/K e T è la temperatura espressa in gradi Kelvin.
Per un solido o un liquido di massa m, la variazione di calore può essere relazionata alla variazione di temperatura tramite l’equazione:
ΔQ = m c ΔT
dove c è il calore specifico della specie che ha come unità di misura J/Kg K
Energia chimica
Quando avviene una reazione chimica si rompono i legami presenti nei reagenti e si formano nuovi legami nei prodotti di reazione. l’energia chimica di un sistema è l’energia prodotta o assorbita in tale processo. Poiché la rottura di legami chimici richiede energia, mentre la formazione di legami chimici prevede uno svolgimento di energia, complessivamente la reazione è endoergonica (ΔG < 0) o esoergonica (ΔG > 0) a seconda se l’energia richiesta per la rottura dei legami è minore rispetto a quella sviluppata nella formazione dei nuovi legami o viceversa. L’energia chimica è quindi il potenziale che ha un sistema che subisce una trasformazione.
Calore latente
Rappresenta l’energia necessaria, caratteristica di ogni sostanza, per far fondere un solido o per far bollire un liquido ed è quindi associata a un passaggio di stato. Durante il passaggio dallo stato solido a quello liquido o dallo stato liquido a quello gassoso non vi è variazione di temperatura, ma il calore fornito detto rispettivamente calore di fusione e calore di vaporizzazione agisce sulla forza dei legami intramolecolari. Il calore necessario al passaggio di fase è:
Q = λ m
cioè il calore Q fornito o sottratto al sistema non influisce sulla temperatura, ma è proporzionale alla quantità di sostanza m che ha cambiato fase, e continua fino a che tutta la sostanza non cambia fase.
Energia del campo elettromagnetico
Rappresenta l’energia immagazzinata in una determinata regione dello spazio dal campo elettromagnetico generato localmente da una qualunque distribuzione di carica elettrica variabile nel tempo e si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche. L’energia del campo elettromagnetico è data dalla somma delle energie associate al campo elettrico e al campo magnetico. Poiché una radiazione elettromagnetica può essere considerata come un flusso di fotoni l’energia radiante è l’energia trasportata da questi fotoni. La quantità di energia sviluppata come energia radiante
Energia nucleare
E’ correlata a processi nucleari ed è generata dalla conversione massa-energia che avviene quando si verifica la frammentazione di atomi. La quantità di massa persa è correlata all’energia dall’equazione di Einstein E = mc2 dove c è la velocità della luce. Da tale relazione si comprende che, in questi casi, la massa è un’altra forma di energia.