Tema gratis Energia

L'energia è definita come la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro.

L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale, per l'energia e il lavoro è il joule (simbolo: J), chiamata così in onore di James Prescott Joule e dei suoi esperimenti sull'equivalente meccanico del calore. 1 joule esprime l'energia usata (o il lavoro effettuato) per imprimere ad una massa di 1 kg una forza di 1 newton, cioè un'accelerazione di 1 m × s -2. 1 joule equivale quindi a 1 newton metro, e in termini di unità base SI, 1 J è pari a 1 kg × m2 × s-2 (in unità CGS l'unità base è l'erg ovvero 1 g × cm2 × s-2).
La parola energia deriva da tardo latino energīa, a sua volta dal greco energheia, usata da Aristotele nel senso di azione efficace, composta da en, particella intensiva, ed ergon, capacità di agire. Fu durante l'epoca del Rinascimento che, ispirandosi alla poesia aristotelica, il termine fu associato all'idea di forza espressiva. Ma fu solo nel 1619 che Keplero usò il termine nell'accezione moderna di energia fisica.
Dal punto di vista della fisica, ogni sistema fisico contiene (o immagazzina) un determinato quantitativo, di una proprietà scalare continua, chiamata energia; per determinare la quantità di energia di un sistema si devono sommare una serie di equazioni specifiche, ognuna delle quali è designata a quantificare l'energia conservata in un determinato modo (vedi l'elenco delle forme di energia) . Non esiste una maniera uniforme di visualizzare l'energia; è meglio pensarla come una quantità astratta, utile per fare delle previsioni.
Il primo tipo di previsioni che l'energia permette di fare, sono legate a quanto lavoro un sistema è in grado di compiere. Svolgere un lavoro richiede energia, e quindi la quantità di energia presente in un sistema limita la quantità massima di lavoro che detto sistema può svolgere. Nel caso unidimensionale, l'applicazione di una forza per una distanza richiede un'energia pari al prodotto del modulo della forza per lo spostamento.
Si noti, comunque, che non tutta l'energia di un sistema è immagazzinata in forma utilizzabile; quindi, in pratica, la quantità di energia di un sistema, disponibile per produrre lavoro, può essere molto meno di quella totale del sistema.
L'energia permette anche di fare altre previsioni. Infatti, grazie alla legge di conservazione dell'energia valida per sistemi chiusi, si può determinare lo stato cinetico di un sistema sottoposto ad una sollecitazione quantificabile. Ad esempio si può prevedere quanto velocemente si muoverà un determinato corpo a riposo, se una determinata quantità di calore viene completamente trasformata in movimento di quel corpo. Similarmente, sarà possibile anche prevedere quanto calore si può ottenere spezzando determinati legami chimici.
Forme di energia [modifica]
L'energia esiste in varie forme, ognuna delle quali possiede una propria equazione dell'energia. Alcune delle più comuni forme di energia sono le seguenti:
• Energia meccanica, definita classicamente come somma di potenziale e cinetica
• Energia cinetica
• Energia termica
• Energia potenziale
• Energia potenziale gravitazionale
• Energia elettrica
• Energia chimica
• Energia nucleare
• Energia libera
• Radiazione elettromagnetica
• Energia di massa
• Energia geotermica
• Energia eolica
• Energia solare
Fusione nucleare
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Diagramma della reazione D-T
La fusione è il processo nucleare che alimenta il sole e le stelle consistente nell'unione di due atomi leggeri in uno più pesante. In questo tipo di reazione il nuovo nucleo costituito ha massa totale minore della somma delle masse reagenti con conseguente liberazione di alta energia che conferisce al processo caratteristiche fortemente esotermiche.
Affinché avvenga una fusione tra due nuclei, questi devono essere sufficientemente vicini in modo da lasciare che forza nucleare forte predomini sulla repulsione coulombiana (i due nuclei hanno carica elettrica positiva quindi si respingono): ciò avviene a distanze molto piccole, dell'ordine di qualche femtometro (10-15 metri). L'energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita alle particelle portandole in condizioni di altissima pressione (altissima temperatura e/o altissima densità).
La fusione nucleare, nei processi terrestri, è usata in forma incontrollata per le bombe ad idrogeno, ed in forma controllata nei reattori a fusione termonucleare, ancora sperimentali.
L'energia potenziale totale di un nucleo è notevolmente superiore all'energia che, ad esempio, lega gli elettroni al nucleo. Pertanto l'energia rilasciata nella maggior parte delle reazioni nucleari è notevolmente maggiore di quella delle reazioni chimiche. Ad esempio l'energia di legame dell'elettrone al nucleo di idrogeno è di 13.6 eV mentre l'energia che viene rilasciata dalla reazione D-T mostrata in seguito è pari a 17 MeV, cioè un milione di volte superiore. Con un grammo di deuterio e trizio si potrebbe produrre tanta energia quanta con 11 tonnellate di carbone.
Le tipologie di atomi interessati dal processo di fusione nucleare, in natura ed in ingegneria, sono isotopi dell'atomo di idrogeno, caratterizzati da minimo numero atomico a cui corrisponde la minima energia di innesco. Tuttavia all'interno delle stelle più grandi è possibile anche la fusione di elementi più pesanti, si ritiene fino all'ossigeno.
La fusione nucleare se controllata potrebbe risolvere la maggior parte dei problemi energetici sulla terra, perché potrebbe produrre quantità pressoché illimitate di energia senza emissioni di gas nocivi o gas serra, e senza la produzione di scorie radioattive: la piccola quantità di radioattività residua interesserebbe solo alcuni componenti del reattore a fusione, peraltro facilmente rimpiazzabili; i tempi di dimezzamento della radioattività residua sarebbero però confrontabili con la vita media della centrale (decine d'anni). La quantità di deuterio e trizio ricavabile da tre bicchieri di acqua di mare e due sassi di medie dimensioni potrebbe supplire al consumo medio di energia di una famiglia di 4 persone. Purtroppo oggi non siamo ancora in grado di sfruttare la fusione nucleare per produrre energia in modo commerciale.
Scissione (chimica)
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Per scissione si intende in chimica la rottura di un legame. A seconda che questa sia seguita da una equipartizione degli elettroni per tra i due atomi o che questi siano trattenuti da uno solo degli atomi, si avrà una scissione omolitica (spesso detta anche radicalica) o una scissione eterolitica (spesso detta anche ionica).
La scissione di un legame richiede sempre il compimento di un certo lavoro, quindi un'energia maggiore o uguale la forza del legame da scindere, una qualsiasi scissione di un legame stabile è sempre un processo endotermico.
In una reazione chimica, combinando, tramite somma algebrica secondo la prassi della termochimica, le entalpie di scissione di legame (negative) dei reagenti con le entalpie di formazione di legame (positive) dei prodotti è possibile effettuare il calcolo approssimato dell'entalpia di reazione.
Scissione omolitica [modifica]
Una scissione omolitica porta generalmente alla formazione di due radicali. Ad esempio nella molecola di cloro:
Cl-Cl → 2 Cl•
Scissioni di tale tipo stanno alla base dei meccanismi radicalici e sono generalmente favorite dal calore o, più frequentemente dall'irraggiamento con radiazione UV.
Scissione eterolitica [modifica]
Una scissione eterolitica porta invece alla formazione di due ioni, ad esempio per il cloruro di sodio
Na-Cl → Na+ + :Cl-
L'atomo di sodio cede uno dei due elettroni di legame, divenendo un catione, all'atomo di cloro che diventa un anione: entrambi gli atomi hanno raggiunto l'ottetto. In generale, nel caso di due atomi di diversa natura sarà quello con maggiore elettronegatività ad acquisire gli elettroni di legame. Questo genere di scissioni è importante per descrivere reazioni quali quelle di addizione elettrofila o di sostituzione elettrofila aromatica, o reazioni di ionizzazione più in generale. La scissione eterolitica può essere favorita da alcuni fattori quali l'elevata costante dielettrica del solvente (che favorisce la stabilizzazione tramite solvatazione), il calore e l'irraggiamento con radiazioni ionizzanti.