INTRODUZIONE (...un po' di fisica)

     L'energia viene definita come la capacità di compiere un lavoro.
    Esistono numerose forme in cui si presenta l'energia, ed è sempre possibile trasformare l'energia da una forma all'altra, ma tutte le trasformazioni energetiche sono regolate da due principi fondamentali:

• Primo principio della termodinamica: l'energia non si crea, non si distrugge ma può solo passare da una forma all'altra.
• Secondo principio della termodinamica: ogni trasformazione dell'energia comporta una dissipazione di una quota di essa sotto forma di calore a bassa temperatura, non più utilizzabile.

 Tutte le trasformazioni possono essere classificate in due gruppi:

• le trasformazioni esoergoniche, che sviluppano energia,
• le trasformazioni endoergoniche, che richiedono energia.

    Per compiere un lavoro è indispensabile possedere un sistema in grado di sfruttare l'energia di una trasformazione esoergonica; questo vuol dire che per compiere un lavoro è sempre necessaria una fonte di energia.

ENERGIA MECCANICA 

    Esistono due forme principali di energia meccanica: l'energia potenziale e l'energia cinetica (o di movimento). L'energia potenziale dipende dall'altezza che un corpo ha dal suolo: se il corpo si muove verso il suolo, progressivamente l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica. Per esempio, l'acqua che si trova sulla sommità di una cascata possiede energia potenziale; via via che l'acqua precipita, l'energia si trasforma da potenziale in cinetica (una parte, ovviamente, sarà dissipata sotto forma di calore). Questa energia può essere trasformata in energia elettrica mediante una turbina nelle centrali idroelettriche. L'energia cinetica posseduta dal vento (massa d'aria in movimento da un'area di alta pressione verso un'area di bassa pressione) può essere utilizzata direttamente nella navigazione a vela, ma anche per mettere in moto le pale di un mulino ed essere convertita in lavoro meccanico o in energia elettrica nelle centrali eoliche. L'energia cinetica posseduta dal vapore acqueo ad alta pressione (prodotto scaldando acqua grazie a una combustione) può essere anch'essa utilizzata per azionare una turbina nelle centrali termoelettriche o sfruttata per azionare le macchine a vapore.

ENERGIA TERMICA 

    Se due corpi si trovano a temperature differenti, si verificherà un flusso di energia dal corpo a temperatura maggiore verso il corpo a temperatura minore. Questa energia è denominata energia termica, o calore. Essa può essere prodotta in grande quantità semplicemente attraverso le combustioni, oppure per mezzo di reazioni nucleari, o anche attraverso il passaggio di corrente elettrica attraverso un filo ad alta resistenza, come avviene nelle stufe elettriche, e in tutti gli elettrodomestici che sviluppano calore (lavatrice, forno elettrico, ecc). Due sono le fonti naturali di calore: il Sole e il sottosuolo.

ENERGIA CHIMICA 

    Gli atomi sono legati fra loro mediante legami chimici: le reazioni chimiche sono delle trasformazioni che comportano la rottura di alcuni legami e la formazione nuovi; in questo modo si ha un cambiamento nella composizione della materia. Se una reazione è esotermica la sua energia può essere sfruttata per produrre calore, il quale, a sua volta, può essere usato come tale (nei camini, nelle stufe a cherosene, ecc.), o essere utilizzato per produrre vapore acqueo sotto pressione (nelle macchine a vapore, nelle centrali termoelettriche, ecc.) o essere trasformato in energia meccanica (per esempio, nelle automobili).
 Le reazioni più utilizzate per questo scopo sono le combustioni:

• un combustibile (carbone, petrolio, gas naturale) reagisce con un comburente (ossigeno) e si ottengono prodotti di scarto (anidride carbonica,  vapore acqueo e altre impurità) ed energia termica.

    Alcune reazioni chimiche possono essere sfruttate per produrre direttamente energia elettrica. Questo avviene nelle batterie elettriche e negli accumulatori.

ENERGIA ELETTRICA

    L'energia elettrica in natura si presenta sotto forma di scariche elettriche dei fulmini, e come tale non è sfruttabile per le attività umane, ma viene prodotta secondariariamente, e poiché il trasporto e la distribuzione sono particolarmente semplici, è la forma di energia più utilizzata.
    La corrente elettrica può essere continua o alternata, ma in ogni caso consiste in un flusso di elettroni che viaggiano attraverso un conduttore, da un potenziale elettrico maggiore verso un potenziale elettrico minore. La pila genera corrente continua, la dinamo corrente alternata.
 L'elettricità erogata nelle nostre case è a corrente alternata ed è prodotta nelle centrali che, a seconda della fonte primaria sfruttata, si chiamano idroelettriche, eoliche, termoelettriche, termonucleari,  ecc.
    Gli elementi essenziali di una centrale sono:

• la turbina: costituita da pale fissate su un centro e disposte a raggera;
• l'alternatore: un sistema di magneti collegati alla turbina, posti nelle vicinanze di un conduttore.

    Per il fenomeno dell'induzione elettrica, i magneti in movimento generano nel conduttore un flusso di elettroni. Pertanto, per generare la corrente elettrica è sufficiente disporre dell'energia per far ruotare la turbina.
 Un caso a parte è rappresentato dalle centrali solari fotovoltaiche: il flusso di elettroni è continuo, ed è prodotto direttamente dai fotoni, i quali, colpendo gli atomi di semiconduttori purissimi (di norma al silicio), li estraggono dalle loro orbite provocando dei "salti" unidirezionali; l'eccesso di elettroni, viene convogliato in un circuito. La capacità dei fotoni di estrarre elettroni dagli atomi è detto effetto fotoelettrico.

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ENERGIA RADIANTE

    La luce che ci giunge dal Sole e dalle stelle più lontane è solo una parte della radiazione che questi corpi emettono: l'insieme di tutte le radiazioni è lo spettro elettromagnetico, e comprende le onde radio, le micro onde, i raggi infrarossi, lo spettro visibile (rosso, arancio, giallo, verde, blu, indaco, violetto), i raggi ultravioletti,  i raggi X, i raggi g. La loro energia (E) dipende dalla lunghezza d'onda (l):

E=h/l

dove h è la costante di Plank, pari a 6,63*10-34 J*s; quindi, maggiore è la lunghezza d'onda, minore è l'energia posseduta dalla radiazione. Nella sequenza precedente le radiazioni sono state disposte secondo l'ordine decrescente di lunghezza d'onda.

La radiazione elettromagnetica, a dire il vero, possiede una duplice natura: si comporta sia come un'onda (infatti come un'onda si riflette, rifrange, si diffonde e presenta il fenomeno dell'interferenza), sia come una particella (si propaga nel vuoto ed è responsabile dell'effetto fotoelettrico). Le particelle elementari che costituiscono la luce sono dette fotoni, e risultano prive di massa.

ENERGIA DI MASSA

    La Teoria della relatività fu formulata da Albert Einstein per via teorica: la corrispondenza fra teoria e realtà arrivò solo in un secondo tempo. Il famoso principio di equivalenza, secondo il quale la liberazione di energia  provoca un deficit della massa, e viceversa, l'assorbimento di energia provoca un incremento della massa, secondo l'equazione

E = m*c²

(dove E è l'energia, m la massa e c è la velocità della luce, pari a 300000km/s), potè essere dimostrato solo quando le energie in gioco furono sufficientemente elevate da consentire la misurazione delle piccolissime variazioni della massa, e cioè, con la sperimentazione delle reazioni nucleari.
  Vi sono due tipi principali di reazioni nucleari che possono essere impiegate per la produzione di energia elettrica:
 

• la fissione nucleare; essa consiste nella scissione del nucleo atomico di alcuni elementi, come l'uranio-235 o il plutonio-239, a seguito del bombardamento con neutroni; la reazione, una volta innescata, si propaga autonomamente perché, in seguito alla scissione di un nucleo, si liberano alcuni neutroni, che, a loro volta, bombardano altri nuclei, e così via; e ciò avviene tanto rapidamente da causare un'esplosione. Nelle centrali nucleari la reazione a catena viene controllata sottraendo i neutroni in eccesso, in modo da poter immagazinare l'energia liberata;

• la fusione nucleare; è il processo inverso di quello della fissione: consiste, infatti, nell'unione di nuclei di atomi leggeri per dar luogo a nuclei più pesanti. Le stelle sono "accese" proprio da reazioni di questo tipo (nel Sole i nuclei degli atomi di idrogeno si fondono producendo elio). L'interesse per questa tecnologia è molto alto, visto che, quando e se si riuscirà ad applicarla in maniera controllata, fornirà enormi quantità di energia a basso costo e relativamente pulita. La ricerca in questo campo è ancora lontana da una soluzione e molti Paesi si sono consorziati per realizzare alcuni impianti sperimentali. La difficoltà principale consiste nel realizzare all'interno del reattore una temperatura di 100.000.000 °C, indispensabile per innescare le reazioni di fusione.