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L’energia non può essere creata o distrutta, il che significa che la quantità totale di energia nell’universo è sempre stata e sarà sempre costante. Tuttavia, questo non significa che l’energia sia immutabile; può cambiare forma e persino trasferire tra gli oggetti.
Un esempio comune di trasferimento di energia che vediamo nella vita di tutti i giorni è il trasferimento di energia cinetica—l’energia associata al movimento—da un oggetto in movimento a un oggetto stazionario attraverso il lavoro. In fisica, il lavoro è una misura del trasferimento di energia e si riferisce alla forza applicata da un oggetto su una distanza. Quando un club di golf è oscillato e colpisce una pallina da golf stazionaria, alcuni dei trasferimenti di energia cinetica del club alla palla come il club fa “lavoro” sulla palla. In un trasferimento di energia come questo, l’energia si sposta da un oggetto all’altro, ma rimane nella stessa forma. Un trasferimento di energia cinetica è facile da osservare e capire, ma altri trasferimenti importanti non sono così facili da visualizzare.
L’energia termica ha a che fare con l’energia interna di un sistema a causa della sua temperatura. Quando una sostanza viene riscaldata, la sua temperatura aumenta perché le molecole di cui è composta si muovono più velocemente e guadagnano energia termica attraverso il trasferimento di calore. La temperatura viene utilizzata come misura del grado di “calore” o “freddezza” di un oggetto e il termine calore viene utilizzato per riferirsi all’energia termica trasferita da un sistema più caldo a uno più freddo. I trasferimenti di energia termica avvengono in tre modi: attraverso conduzione, convezione e radiazione.
Quando l’energia termica viene trasferita tra molecole vicine che sono in contatto l’una con l’altra, questa è chiamata conduzione. Se un cucchiaio di metallo viene posto in una pentola di acqua bollente, anche la fine non tocca l’acqua diventa molto calda. Questo accade perché il metallo è un conduttore efficiente, il che significa che il calore viaggia attraverso il materiale con facilità. Le vibrazioni delle molecole all’estremità del cucchiaio che toccano l’acqua si diffondono in tutto il cucchiaio, fino a quando tutte le molecole vibrano più velocemente (cioè, l’intero cucchiaio si scalda). Alcuni materiali, come il legno e la plastica, non sono buoni conduttori—il calore non viaggia facilmente attraverso questi materiali—e sono invece noti come isolanti.
La convezione si verifica solo nei fluidi, come liquidi e gas. Quando l’acqua viene bollita su una stufa, le molecole d’acqua sul fondo della pentola sono più vicine alla fonte di calore e guadagnano prima energia termica. Iniziano a muoversi più velocemente e si diffondono, creando una densità inferiore di molecole sul fondo del vaso. Queste molecole poi salgono alla cima della pentola e sono sostituite nella parte inferiore dall’acqua più fresca e più densa. Il processo si ripete, creando una corrente di molecole che affondano, si riscaldano, si alzano, si raffreddano e affondano di nuovo.
Il terzo tipo di trasferimento di calore—la radiazione—è fondamentale per la vita sulla Terra ed è importante per il riscaldamento dei corpi idrici. Con la radiazione, una fonte di calore non deve toccare l’oggetto che viene riscaldato; la radiazione può trasferire calore anche attraverso il vuoto dello spazio. Quasi tutta l’energia termica sulla Terra proviene dal sole e si irradia sulla superficie del nostro pianeta, viaggiando sotto forma di onde elettromagnetiche, come la luce visibile. I materiali sulla Terra assorbono quindi queste onde per essere utilizzate per l’energia o per rifletterle nello spazio.
In una trasformazione energetica, l’energia cambia forma. Una palla seduta in cima a una collina ha energia potenziale gravitazionale, che è il potenziale di un oggetto per fare lavoro a causa della sua posizione in un campo gravitazionale. In generale, più in alto sulla collina questa palla è, più energia potenziale gravitazionale ha. Quando una forza la spinge giù per la collina, quell’energia potenziale si trasforma in energia cinetica. La palla continua a perdere energia potenziale e guadagnando energia cinetica fino a raggiungere il fondo della collina.
In un universo senza attrito, la palla continuerebbe a rotolare per sempre dopo aver raggiunto il fondo, poiché avrebbe solo energia cinetica. Sulla Terra, tuttavia, la palla si ferma sul fondo della collina a causa dell’energia cinetica trasformata in calore dalla forza opposta di attrito. Proprio come con i trasferimenti di energia, l’energia è conservata nelle trasformazioni.
In natura, i trasferimenti e le trasformazioni di energia avvengono costantemente, come ad esempio in un ambiente dunale costiero.
Quando l’energia termica irradia dal sole, riscalda sia la terra che l’oceano, ma l’acqua ha una specifica capacità termica elevata, quindi si riscalda più lentamente della terra. Questa differenza di temperatura crea una corrente di convezione, che poi si manifesta come vento.
Questo vento possiede energia cinetica, che può trasferire ai granelli di sabbia sulla spiaggia trasportandoli a breve distanza. Se la sabbia in movimento colpisce un ostacolo, si ferma a causa dell’attrito creato dal contatto e la sua energia cinetica viene poi trasformata in energia termica, o calore. Una volta che abbastanza sabbia si accumula nel tempo, queste collisioni possono creare dune di sabbia, e forse anche un intero campo di dune.
Queste dune di sabbia appena formate offrono un ambiente unico per piante e animali. Una pianta può crescere in queste dune utilizzando l’energia luminosa irradiata dal sole per trasformare l’acqua e l’anidride carbonica in energia chimica, che viene immagazzinata nello zucchero. Quando un animale mangia la pianta, usa l’energia immagazzinata in quello zucchero per riscaldare il suo corpo e muoversi, trasformando l’energia chimica in energia cinetica e termica.
Anche se potrebbe non essere sempre ovvio, i trasferimenti di energia e le trasformazioni avvengono costantemente intorno a noi e sono ciò che consente alla vita come la conosciamo di esistere.