Lavoro, Potenza, Energia

Lavoro✓ Il LAVORO quantifica la capacità delle forze di muovere gli oggetti

✓ Se si applica una forza ad un oggetto e lo si muove per una certa distanza, si afferma che si è compiuto un LAVORO. Se si trascina un oggetto lungo una superficie che fa resistenza si esegue un LAVORO

✓ Il LAVORO è dunque il prodotto di una forza applicata su un corpo per lo spostamento provocato dalla forza

✓ In tutte le macchine inventate dall’uomo per compiere lavoro vi sono forze che producono spostamenti

Nel mulino lo spostamento di

una mola trasforma il

grano in farina.

Il moto dei pistoni del

motorefa muovere

l’automobile.

Lavoro positivo o motore

Poiché F e S hanno stesso segno, L è positivo; in questo caso il lavoro si definisce MOTORE poiché è a favore dello spostamento

Quando spingiamo

un’automobile, forza e

spostamento sono orizzontali

e concordi

In ascensore la forza del motore e lo spostamento della cabina sono verticali e verso l’alto.

Se F e S sono paralleli il lavoro è la Forza per lo Spostamento

SFL

Nel Sistema Internazionale L si misura in Newton x metri, anche detto Joule (J): 1 J= 1 N x 1 m

Lavoro negativo o resistente

Ora F e S hanno segno opposto, per cui L è negativo; il lavoro si definisce RESISTENTE, nel senso che la forza applicata si oppone

al moto del corpo considerato.

In frenata l’auto procede in avanti, ma

le forze di attrito con

l’asfalto sonorivolte

all’indietro.

Quando il guantone

ferma la palla, la forza del guantoneha verso opposto

rispetto allospostamento della palla

Se F e S sono antiparalleli il lavoro è meno la Forza per lo Spostamento

SFL

Lavoro nullo

Consideriamo la forza peso applicata al carro che si muove su un binario: essa è bilanciata dalla rigidità delle rotaie, per cui non

favorisce né ostacola lo spostamento

Se F e S sono perpendicolari il lavoro è nullo

0L

Esempio: trasporto della valigia

Fermo con la valigia in mano:

la forza del braccio è diretta verticalmente, lo

spostamento della valigia è

nullo, S=0

In cammino: la forza è sempre

diretta verticalmente, lo spostamento della valigia è

orizzontale

Sollevo la valigia:

spostamento e forza sono entrambe verticali e orientate

verso l’alto

Freno la valigia in caduta:

spostamento e forza sono entrambe

verticali, ma di verso opposto

0L 0L 0L 0L

F

F

F

S

S

S

F

Lavoro e Fatica

0L

S

F

✓ In genere il LAVORO è associato al concetto di FATICA.Se compiamo un lavoro ci sentiamo affaticati.

✓ Nel caso della valigia trasportata orizzontalmente, illavoro è nullo. Ciò può sembrare in contrasto col sensocomune, perché il trasporto di una valigia anche inorizzontale è normalmente associato ad un senso di fatica

✓ La contraddizione è soltanto apparente: i nostri muscolistriati non sono in grado di «bloccarsi» e rimanereimmobili per sostenere la valigia; mentre la trasportiamo,essa ci piega verso il basso e noi continuiamo arispondere, senza accorgercene, con microscopici macontinui movimenti verso l’alto dei muscoli del braccio.

✓ In ognuno di questi spostamenti la forza cheesercitiamo e lo spostamento sono paralleli, per cui illavoro che compiamo è positivo. È la somma di questilavori che noi avvertiamo come fatica.

Forza e spostamento non paralleli✓ Caso del cane a guinzaglio: il cane compie lavoro per spostarsi in orizzontale applicando una forza diretta lungo il guinzaglio. Calcoliamo il lavoro compiuto dal cane

✓ Notiamo che lo spostamento del cane è orizzontale, mentre la forza del cane è applicata in direzione del guinzaglio, dunque non è parallela al suo spostamento

✓ Per calcolare il lavoro compiuto dal cane scomponiamo la forza nelle componenti parallela F|| e perpendicolare F alla direzione dello spostamento; soltanto la prima di queste due componenti compie lavoro

S

||F

F

F

Forza e spostamento non paralleli

Se chiamo l’angolo compreso la tra forza totale F e la componente parallela F||, le componenti sono:

✓ Se per esempio =45°, cos(45°) = 0.7 dunque solo il 70% della forza del cane è effettivamente impiegata per fare lavoro motore

✓ Tanto più alto è il cane tanto più grande è la componente parallela della forza e quindi il lavoro del cane. Un cane basso invece avrà il guinzaglio più in verticale, e dunque sprecherà molta della sua forza per tendere il guinzaglio verticalmente, il ché non produce alcun lavoro utile allo spostamento

cos|| FSSFL

FFF

||

sin

cos||

FF

FF

S

||F

F

F

Poiché solo la componente parallela allo spostamento compie lavoro, il lavoro compiuto dal cane per muoversi in orizzontale è:

componente parallela:

componente perpendicolare:

Lavoro: espressione generaleIl LAVORO è il PRODOTTO SCALARE dei vettori FORZA e

SPOSTAMENTO:

Dicesi prodotto scalare di due vettori il prodotto dei loro moduli per il coseno dell’angolo formato dai due vettori. Tutti i casi visti in precedenza sono racchiusi in questa espressione. Eccoli elencati in tabella:

cosSFSFL

SFL

SFL

0L

cos

S

||F

F

F

La PotenzaUn Lavoro può essere compiuto più o meno rapidamente.

Il lavoro è lo stesso perché in entrambi i casi la forza verso l’alto è uguale alla forza-peso del secchio; lo spostamento è identico.Il montacarichi compie lo stesso lavoro più rapidamente, perché lo fa in meno tempo. La rapidità con cui una forza compie un lavoro è misurata dalla potenza.

La Potenza

La potenza è il rapporto tra lavoro compiuto e tempo impiegato a compierlo, ovvero il lavoro

compiuto per unità di tempo

t

LP

La potenza si misura in Watt:

s

mN

s

JW 1

1

11

1 Watt è la potenza di una macchina che compie il lavoro di 1 Joule al secondo

EsercizioCalcolare la potenza necessaria a sollevare di un metro un mattoncino di 100 grammi nel tempo di 1 secondo

Ns

mKg

s

mKgMgF 198.08.91.0

22

JmNSFL 111

Ws

J

t

LP 1

1

1

Per sollevare il mattoncino devo vincere la forza di gravità che lo attira verso il basso, dunque devo applicare una forza:

Dalla forza calcolo il Lavoro:

Dal Lavoro la Potenza:

Da questo esercizio imparo che:✓ 1 Newton corrisponde alla forza di gravità a cui è sottoposta una massa di 100 grammi✓ 1 Joule corrisponde al lavoro necessario per sollevare di 1 metro una massa di 100 grammi✓ 1 Watt corrisponde alla potenza necessaria a sollevare di 1 metro una massa di 100 grammi nel tempo di 1 secondo

Esercizio

Calcolare la potenza del montacarichi necessaria per sollevare una massa di 100 Kg da terra fino alla cima ad un palazzo alto 10 m nel tempo di 10 secondi

Ns

mKg

s

mKgMgF 9809808.9100

22

JmNSFL 980010980

Ws

J

t

LP 980

10

9800

dunque, per sollevare 100 Kg di 10 m nel tempo di 10 secondi ho bisogno di un

montacarichi di almeno 1000 W di potenza

La Potenza

ENERGIA e LAVORO

Un corpo dotato di energia può compiere lavoro, ovvero spendere (convertire) la sua energia in lavoro; viceversa, compiere un lavoro equivale a TRASFERIRE energia; il lavoro è un TRASFERIMENTO di ENERGIA tra la forza che compie il lavoro all’oggetto su cui il lavoro è compiuto; dunque, lavoro ed energia si convertono l’una nell’altra:

Un lavoro POSITIVO trasferisce energia dalla forza che compie il lavoro all’oggetto In caso di lavoro NEGATIVO, l’energia viene sottratta all’oggetto, ovvero la forza che compie lavoro negativo assorbe energia dal corpo

L E

Si definisce ENERGIA MECCANICA (o semplicemente ENERGIA) la capacità dei corpi di compiere LAVORO. Un corpo possiede energia quando è in grado di effettuare un lavoro.

ENERGIA CINETICA e POTENZIALE

Esistono due tipi fondamentali di energia:

Energia cinetica K (o energia di moto): un martello urta contro il chiodo e lo pianta nel legno. Il martello in movimento possiede un'energia cinetica che compie lavoro al momento dell'urto

Energia potenziale U: un oggetto fermo possiede energia per il fatto di essere interno ad un campo di forze, ad esempio la gravità terrestre: l’oggetto precipita e l’energia potenziale si trasforma in energia cinetica

Un esempio è la palla demolitrice usata dalle imprese di costruzioni

Energia cinetica e potenziale possono trasformarsi l’una nell’altra L’energia totale E di un corpo è la somma della sua energia cinetica e potenziale:

E K U

Forme di Energia in Natura Le forme specifiche di energia sono molteplici; ognuna delle forze fondamentali della Natura può compiere lavoro e dunque possiede una specifica forma di energia:

energia nucleare: energia potenziale liberata durante la fusione dei nuclei di elio, come avviene nelle stelle

energia gravitazionale

luce

energia elettrica: il campo elettrico della pila muove gli elettroni nel filo conduttore

energia magnetica: il campo magnetico generato dalla calamita muove un corpo metallico interno al campo

energia termica (calore): energia cinetica delle molecole d’acqua

energia chimica: energia liberata durante una reazione chimica (energia potenziale contenuta nei legami atomici delle molecole)

Energia Cinetica Consideriamo un corpo di massa M inizialmente fermo Compiendo un lavoro sul corpo, lo mettiamo in movimento con una

velocità in modulo uguale a v L’energia cinetica (indichiamola con K) posseduta dal corpo in

movimento è pari al lavoro compiuto per metterlo in moto:

K L F S

21

2K M v

Si dimostra che (diamo il risultato senza dimostrazione):

La forza, mettendo in moto l’oggetto, ha compiuto un lavoro L’energia spesa da questa forza è trasferita all’oggetto in

movimento sotto forma di energia cinetica. L'energia cinetica è direttamente proporzionale alla MASSA e al

quadrato della VELOCITA’: per una data massa, maggiore è lavelocità, maggiore l’energia cinetica del corpo; viceversa, per unadata velocità, tanto maggiore è la massa tanto più grande l’energiacinetica del corpo

Energia Cinetica: automobile

Calcoliamo l’energia cinetica di un’automobile di Massa M=1 ton=1000 Kg, che viaggia a v=100 Km/h:

Trasformiamo Km/h in m/s

2 22 3 4 7

2 2

1 1 110 10 10

2 2 2

Km KmK M v Kg Kg

h h

2 6 2 2 2 2 2 6 210 3600 3.6 10Km m h s s

6 2 27 7 7 5

2 6 2 2 2

1 10 1 110 10 0.04 10 4 10

2 3.6 10 2 3.6

m mK Kg Kg J J

s s

L’automobile possiede un’energia cinetica di 400 mila J: in caso di urto, questa energia viene spesa in lavoro (distruttivo!!) sugli oggetti contro cui urta

Energia Cinetica: palla da bowling

Come il lavoro, anche l’energia cinetica si misura in Joule = N m

Esempio: calcoliamo l’energia cinetica di una palla da bowling con M=1 Kg che si muove con una velocità v =10 m/s

Js

mKg

s

mKgMvK 5050101

2

1

2

12

2

2

222

Relazione tra Lavoro ed Energia Cinetica

il lavoro compiuto dalla forza è uguale alla VARIAZIONE dienergia cinetica prodotta nel corpo:

Dalla definizione fondamentale vediamo che l’energia cinetica è sempre positiva, mentre il lavoro può essere positivo (motore) o negativo (resistente). Questo perché il lavoro NON è uguale all’energia cinetica, ma alla variazione di energia cinetica del corpo sul quale la forza agisce

Consideriamo un corpo che ad un dato istante iniziale ha velocità vi; su questo corpo agisce una forza per un certo intervallo di tempo; all’istante finale il corpo avrà velocità vf :

if KKL

21

2f fK M v ENERGIA CINETICA FINALE

21

2i iK M v ENERGIA CINETICA INIZIALE

Relazione tra Lavoro ed Energia Cinetica

Dunque il lavoro coincide con l’energia cinetica finale; in tal caso illavoro è positivo, poiché il corpo è stato accelerato; un lavoropositivo trasferisce energia cinetica al corpo.

Se l’oggetto in questione inizialmente è fermo (vi =0) come nell’esempio della palla da bowling visto in precedenza, si ha:

21

2f fL K M v

0fK

0iK

Se l’oggetto è inizialmente in movimento, e all’istante finale è fermo (vf =0) si ha:

21

2i iL K M v

Dunque il lavoro è uguale all’energia cinetica iniziale, ma col segnocambiato: l’energia cinetica è sempre positiva, mentre in questo casoil lavoro è negativo, poiché il corpo è stato FRENATO dalla forzaapplicata; il lavoro negativo assorbe energia cinetica dal corpo

Esempio: in bicicletta

Supponiamo di essere inizialmente fermi: Ki=0; poi ACCELERIAMO: la forza delle nostre gambe ci mette in moto, causando un aumento (VARIAZIONE POSITIVA) dell’energia cinetica, che ovviamente corrisponde ad un LAVORO POSITIVO, perché ci siamo mossi nella direzione della forza applicata.

2

2

1ff MvK

0iK

F

S

Inizialmente siamo fermi:

Iniziamo a pedalare; nell’istante in cui la bici viaggia a velocità vf la nostra energia cinetica è

210

2f fL K Mv

In quell’istante, il lavoro compiuto dalle nostre gambe dal momento in cui siamo partiti è dato dalla variazione di energia cinetica, ovvero:

Esempio: in bicicletta

Supponiamo di essere inizialmente in moto: Ki >0; poi FRENIAMO: la forza di attrito delle ruote bloccate dai freni con il suolo ci frena, causando una diminuzione (VARIAZIONE NEGATIVA) dell’energia cinetica, che corrisponde ad un LAVORO NEGATIVO delle forze di attrito, perché diretta in opposizione al moto della bici

2

2

1ii MvK

0fK

F

S

Inizialmente siamo in moto:

Iniziamo a frenare; nell’istante in cui la bici si ferma la nostra energia cinetica è

210

2i iL K Mv

In quell’istante, il lavoro compiuto dai freni per fermare la bici è dato dalla variazione di energia cinetica, ovvero:

Energia potenziale gravitazionale

Teniamo in mano un oggetto, sollevatodal suolo. L’oggetto è fermo, per cui lasua ENERGIA CINETICA è zero.Quest’oggetto può compiere lavoro? Certamente, grazie al fatto di essere all’interno del campo gravitazionale terrestre

Quindi un oggetto fermo possiede un’energia per il semplice fatto di occupare una certa posizione rispetto al suolo. La capacità di un oggetto FERMO di compiere lavoro, grazie al fatto di essere soggetto ad un campo di forze è detta ENERGIA POTENZIALE

Se lasciamo libero l’oggetto nel vuoto, il lavoro del campo gravitazionale lo spinge verso il suolo, trasformando l’energia potenziale in energia cinetica in grado di compiere lavoro, per esempio urtando il pavimento oppure un altro oggetto. La palla demolitrice usata nelle costruzioni è un esempio perfetto di energia potenziale gravitazionale

Energia potenziale gravitazionale

Definiamo ENERGIA POTENZIALE (siindica con U) di un oggetto in un campodi forze il lavoro massimo che la forzapuò compiere sull’oggetto. Nel caso delcampo gravitazionale, il massimo dellavoro possibile corrisponde al lavorofatto per portare la sfera dal punto dipartenza al suolo. Se h è l’altezzadell’oggetto dal suolo:

✓ Quando l’oggetto è poggiato al suolo si dice che è a potenziale zero✓ L’energia potenziale, come l’energia cinetica si misura in Joule

U FS Mg h

Esercizio

Uno scalatore di 80 Kg di peso è appesoad una parete a 50 m dal suolo.Calcoliamo la sua energia potenzialedovuta al campo gravitazionale terrestre:

Jms

mKgMghU 4

21092.3508.980

Relazione tra lavoro ed energia potenziale

Consideriamo un corpo di massa M sospeso inizialmente ad altezza h dal suolo. La sua energia potenziale è data da:

MghU i

Lasciamo poi precipitare il corpo fino ad una quota h’; in quell’istante l’energia potenziale è:

'MghU f

MghU i 'MghU f

h’

stato iniziale stato finale

hF Mg

'h h h

La variazione di quota, ovvero lo spostamento del corpo tra i due istanti iniziale e finale è:

Relazione tra lavoro ed energia potenziale

i fL U U

Dunque il lavoro compiuto dal campo gravitazionale è uguale alladifferenza di energia potenziale tra stato iniziale e stato finale,ovvero alla differenza di energia potenziale tra le quote h ed h’

' 'i fU U Mgh Mgh Mg h h Mg h

Calcoliamo la differenza di energia potenziale tra lo stato iniziale e finale:

Calcoliamo il lavoro compiuto dalla forza di gravità per spostare l’oggettodallo stato iniziale a quello finale:

L F S Mg h

Dalla relazione precedente si vede che se il lavoro del campo è positivol’energia potenziale diminuisce (il corpo precipita al suolo), mentre se illavoro è negativo l’energia potenziale aumenta (il corpo è sollevato dalsuolo)

Trasformazione di energia potenziale in cinetica: corpo in caduta

i f fL U U K

Dunque il campo ha speso lavoro positivo sul corpo, quantificato dalla riduzione di energia potenziale; ma dove finisce questa energia potenziale persa dal corpo ? Si trasforma in energia cinetica: precipitando, il corpo aumenta progressivamente la sua velocità e quindi l’energia cinetica; nello stato finale, l’energia cinetica è uguale al lavoro compiuto dal campo:

0i iK U Mgh

Consideriamo un corpo inizialmente fermo, sospeso ad altezza h dal suolo; la sua energia cinetica e potenziale sono:

Da cui si ha che la somma dell’energia cinetica e potenziale del corpo agli istanti iniziale e finali è la stessa:

i f fU K U

'f i fU Mg h L U U Mg h

Lasciamo precipitare il corpo di una quota h; ciò determina una riduzione dell’energia potenzialeche equivale al lavoro speso dal campo:

h

stato iniziale

stato finale

h

'h

F

Trasformazione di energia cinetica in potenziale: corpo sollevato

Muovendosi verso l’alto, il corpo è frenato dalla gravità, fino a fermarsi nel punto più alto, corrispondente alla quota h; l’energia potenziale è quindi aumentata, mentre il lavoro del campo è negativo:

Il lavoro negativo del campo sull’oggetto è quantificato dall’aumento di energia potenziale; questo aumento è avvenuto a spese dell’energia cinetica, che è diminuita; se nello stato finale l’oggetto è fermo, si ha:

0iU

Consideriamo un corpo appoggiato al suolo; diamo al corpo una velocità iniziale verso l’alto, in modo che si sollevi da terra:

i f iL U U K

i i fK U U

Anche in questo caso l’energia totale si conserva:

f i fU Mg h L U U Mg h

h

stato iniziale

stato finale

F

S

Conservazione dell’energia meccanica

Dagli esempi precedenti, si evince il seguente principio di conservazione dell’energia meccanica:

Se un corpo è all’interno di un campo di forze (come il campo gravitazionale) e l’unica forza presente è quella del campo*, la somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale del corpo rimane COSTANTE durante il moto: quando una diminuisce, l’altra aumenta, cosicché la loro somma non cambia nel tempo:

E=K+U COSTANTE durante il moto

*Dunque non si considerano forze di attrito tra il corpo e l’aria o qualsiasi altro mezzo con cui il corpo è in contatto

Esempio: LE MONTAGNE RUSSENelle montagne russe un carrello continua ad andare su e giù. Quando scende, l’energia potenziale gravitazionale si trasforma in energia cinetica; quando sale avviene il contrario, cioè l’energia cinetica si trasforma in energia potenziale. Se non ci sono attriti (tra il carrello e le rotaie, con l’aria), la somma di queste due energie è COSTANTE

UEK 0 KEU 0UKE

In cima: se il carrello è fermo l’energia cinetica è nulla e tutta l’energia

è POTENZIALE

In discesa: parte dell’energia potenziale

si è trasformata in cinetica

A valle: il carrello ha la massima velocità ed il potenziale è allo zero:

tutta l’energia è cinetica

LE MONTAGNE RUSSE

MghUEK 0

MghKEU 0

A MONTE: l’energia cinetica K è nulla, l’energia potenziale U è il lavoro massimo

A VALLE: l’energia potenziale U è nulla e interamente trasformata in energia cinetica K uguale al lavoro fatto dalla forza peso per

portare il carrello a valle

PUNTO INTERMEDIO: l’energia cinetica K è il lavoro fatto dalla forza peso per portare il carrello dalla cima al punto considerato; l’energia potenziale U è il lavoro massimo ottenibile da quel punto: la loro somma E è uguale all’energia dei casi precedenti

MghhhMgUKEMghUMghK )( 2121

h

2h

1h

h

LE MONTAGNE RUSSEQUIZ: due carrelli identici scendono da due montagne russe alte uguali, una molto più ripida dell’altra. A valle, chi avrà la velocità maggiore ?

MghUE

2

2

1MvK

A monte, per entrambe i carrelli tutta l’energia è potenziale; avendo massa e altezza dal suolo uguali, anche la loro energia potenziale è la stessa:

A valle, tutta l’energia iniziale si è convertita in cinetica; anche questa dovrà essere la stessa per entrambi i carrelli; ma se l’energia e le masse sono le stesse, anche la velocità deve essere la stessa:

Il salto in alto

Fase di stacco dal suolo: l’energia potenziale è nulla, l’energia cinetica iniziale è data dalla spinta muscolare che genera una velocità verticale (trascuriamo la componente della velocità parallela al suolo)

Fase di attraversamento dell’asticella: l’energia potenziale è massima, l’energia cinetica dovuta alla velocità verticale è nulla

Fase di caduta al suolo: l’energia potenziale è nulla, l’energia cinetica è di nuovo quella impressa in fase di stacco

La forza elastica: forza conservativa

Una molla compressa o allungata è in grado di compiere lavoro quando viene lasciata andare. Per esempio, nel campanello della bicicletta il suono è causato dal ritorno di una molla che è stata allungata.

Quindi una molla deformata possiede un’energia potenziale elastica, esattamente come un oggetto sollevato rispetto alla quota di riferimento possiede un’energia potenziale gravitazionale. Lo zero dell’energia potenziale della molla corrisponde alla situazione di riposo. L’energia potenziale elastica di una molla deformata è uguale al lavoro compiuto dalla forza elastica quando la molla si riporta nella sua posizione di riposo (livello di zero).

Il pallone e la molla

La relazione Lavoro-Energia e la capacità di trasformarsi l’uno nell’altra è ben illustrata nell’esempio in figura:

In A la forza della molla compie lavoro mettendo in moto la palla; in B la palla si muove grazie all’energia cinetica acquisita dalla molla. In C la palla arriva all’altro lato del muro dove comprime un’altra molla, restituendo così alla molla la propria energia cinetica.

Per la conservazione dell’energia il processo dovrebbe continuare all’infinito con la palla che viaggia avanti e indietro; in pratica non succede perché le forze di attrito col pavimento ‘consumano’ l’energia cinetica della palla, che dopo un pò si ferma

Forze conservative e dissipative✓ Le forze non sono tutte uguali: si dividono in CONSERVATIVE e DISSIPATIVE

✓ Una forza si dice conservativa se il lavoro compiuto dalla forza che agisce sul corpo si trasforma interamente in energia del corpo; mediante il lavoro, la forza trasferisce la sua energia all’oggetto, ma l’energia totale del sistema (corpo più forza) si conserva

✓ Una forza si dice dissipativa se parte del lavoro compiuto su un corpo viene perso, ovvero dissipato in calore. In tal caso l’energia totale del sistema non si conserva

✓ I concetti di “campo di forze” e di “energia potenziale” sono validi soltanto per le forze conservative; le forze dissipative compiono lavoro (generalmente negativo), ma per esse non può essere definito un campo di forze, e dunque non ha senso parlare di energia potenziale

Forze conservative e dissipativeSono esempi di forze conservative:

✓ La forza gravitazionale✓ La forza elastica (ad esempio la forza di una molla)✓ La forza elettrostatica

Sono invece non conservative:

✓ Le forze di attrito: il lavoro compiuto per trascinare il baule sul pavimento in parte si trasforma in energia cinetica del baule, in parte è perso in calore, che si sviluppa a causa dell’attrito tra pavimento e baule in contatto✓ Le forze di resistenza (viscosità): un corpo che precipita in aria viene frenato dalla resistenza dell’aria, che risulta riscaldata dal corpo che lo attraversa.

Conservazione e trasformazione dell’energia

In presenza di attriti (dunque quasi sempre nei casi reali) l’energia totale del sistema non si conserva:

a) Un sasso che cade diminuisce la propria energia potenziale e aumenta l’energia cinetica. Ma quando si ferma sul terreno perde l’una e l’altra

b) Un’automobile che viaggia ha un’energia cinetica. Frenando però, la perde.

In questi casi, abbiamo l’impressione che una certa quantità di energia scompaia e vada persa. In realtà l’energia mancante non può scomparire: si è trasformata in energia interna dei corpi, ovvero in calore, di solito percepito attraverso un aumento di temperatura

Conservazione e trasformazione dell’energia

Se nel bilancio teniamo conto di tutte le altre forme di energia, possiamo affermare che l’energia totale (meccanica, elettrica, nucleare) si conserva.

L’energia interna di un corpo è la somma delle energie dei suoi atomi e delle sue molecole. L’energia cinetica del meteorite si è trasformata in energia delle sue molecole e di quelle del terreno su cui è avvenuto l’impatto. L’aumento di agitazione molecolare è percepito come aumento di temperatura e ha l’effetto di liquefare il terreno. L’energia cinetica dell’automobile si è trasformata in energia interna dei freni e dell’aria vicina.

Energia interna dei corpiPer energia interna di un corpo intendiamo l’energia totale che il corpo possiede per il fatto che gli atomi e le molecole di cui è formato sono in continuo movimento

Come quantifichiamo l’energia interna? In linea di principio dovremmo misurare istante per istante l’energia cinetica di ciascun atomo o molecola, e ciò è ovviamente impossibile: una MOLE di una sostanza (equivalente a 12 grammi di carbonio) contiene un numero NA = 61023 atomi; NA atomi è detto numero di Avogadro.

Ci affidiamo alla STATISTICA: se riusciamo a stimare l’energia media di una molecola, l’energia totale sarà il prodotto di questa energia media per il numero di molecole

L’energia media delle molecole è associata alla TEMPERATURA: la temperatura ci dice se le molecole sono in media molto o poco agitate. L’effetto della temperatura sui corpi è studiato dalla TERMODINAMICA.