Fisica: il principio di conservazione dell'energia

In fisica, un principio fondamentale è quello di conservazione dell'energia. Secondo questo principio, in un sistema isolato (cioè dove non esistono forze esterne) l'energia totale si mantiene sempre quantitativamente uguale, anche se avvengono trasformazioni al suo interno (per esempio il passaggio da energia elastica in energia cinetica, in energia potenziale, in energia termica, ecc.). Il principio di conservazione si applica in tutti i sistemi in cui non ci sono forze dissipative. In questa guida tenteremo di spiegarvi, in una forma narrativa, il principio di conservazione dell'energia.

• Manuale di termodinamica

Cerchiamo con un esempio figurato di capire la trasformazione dell'energia. Immaginate di aver disposto in modo ordinato delle biglie nella vostra stanza. Se, a vostra insaputa, un vostro amico entra nella stanza e si mette a giocare, può spargere le biglie. Al vostro rientro, andrete a raccogliere le biglie che avranno cambiato posizione. Poiché voi conoscete il numero iniziale delle biglie, se quelle che avete raccolto non corrispondono al numero iniziale, non dovrete fare altro che cercare con attenzione dove siano andate a finire le biglie mancanti. Questo esempio vuole dimostrare che, quando si determina l'energia a disposizione di un sistema fisico (nell'esempio del passo precedente, la stanza), essa può trasformarsi in altre forme di energia. Il suo valore totale, però, rimane costante. Questo a condizione che, come accaduto alle biglie, riusciamo ad individuare le trasformazioni subite dall'energia. Questo è uno dei più importanti principi della fisica, anzi uno dei pilastri su cui poggia tutta la fisica (sia classica che relativistica). In pratica, quando sembra che il principio di conservazione dell'energia non sia rispettato, significa che siamo noi a dover ricercare le possibili trasformazioni che l'energia ha subito. Quando il sistema in cui operiamo è chiuso, cioè non può comunicare con "l'esterno" in nessuna maniera, non ci sono vie di fuga per l'energia, ma non è detto che si mantenga sempre uguale a se stessa. Se una pallina lanciata a velocità costante su un piano infinito e senza attriti proseguirà all'infinito, la stessa pallina in un sistema chiuso su un piano con attrito si fermerà, ma solo perché una parte della sua energia viene dispersa in calore, che però resta sempre nell'ambiente chiuso in cui stiamo operando.

Prendiamo in considerazione un altro esempio: una molla carica che cede la sua energia ad un blocco che corre su un piano orizzontale. Nel momento in cui liberiamo la molla, l'energia del sistema coincide con quella elastica che possiede la molla carica. La molla agisce sul blocco che, a causa della forza elastica, aumenta di velocità acquistando energia cinetica. L'energia elastica della molla si trasforma quindi in energia cinetica del blocco, che inizia la sua corsa lungo il piano. Alla fine della corsa, l'energia meccanica è svanita e l'energia inizialmente posseduta dalla molla sembra scomparsa nel nulla. Il principio di conservazione dell'energia, nel caso specifico, indica chiaramente che l'energia meccanica si può trasformare in altre forme di energia e siamo noi che dobbiamo essere in grado di individuarle. L'energia elastica della molla è mutata, attraverso l'attrito del blocco con il piano, in calore assorbito dal sistema. Il sistema, quindi, complessivamente possiede sempre la stessa energia totale.

In un sistema conservativo l'energia viene ceduta da un elemento all'altro e trasformata. Per esempio uno spostamento da una posizione A ad una B che si trovino ad altezze differenti, è una trasformazione di energia, in questo caso potenziale. In generale possiamo quindi affermare che l'energia di un sistema non diminuisce o aumenta nel corso della sua trasformazione, ma semplicemente modifica la sua forma in un'altra. Il principio di trasformazione dell'energia vale anche per i fenomeni termici in base al primo principio della termodinamica. Se poi i fenomeni fisici avvengono a livello atomico o subatomico, il principio della conservazione dell'energia rimane comunque valido. Semplicemente assume una forma più generale che contempla la trasformazione della materia in energia (o viceversa) in base alla teoria della relatività. Un sistema invece è non conservativo quando si ha un flusso di energia verso l'esterno. Ad esempio la Terra è un sistema non conservativo, perché riceve energia dal Sole e disperde nello spazio, ma anche un automobile è non conservativa, perché cede energia per muoversi, e tale energia deve essere reintrodotta una volta che il serbatoio si è svuotato. Un sistema perfettamente conservativo non è fisicamente realizzabile così come il moto perpetuo.

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