F42 - Ha davvero senso qualificare l’energia?

sarete d'accordo che non ha senso parlare di diverse forme di uova distinguendo ad esempio le uova automobile trasportate da un'automobile dalle uova biciclette trasportate da una bicicletta Ma perché allora distinguiamo diverse forme di energia ha davvero senso qualificare l'energia esistono davvero diverse forme di energia oppure esiste una sola ed unica energia e di questo che parliamo in questo video rimanete sintonizzati e sicuramente un'abitudine da parte di noi fisici distinguere tra diverse forme di energia questa suddivisione dell'energia in diverse forme è però un po' fuorviante e forse sarebbe meglio evitarla anche se riconosco che non sia facile farlo Considerando che le abitudini sono dure a morire storicamente la distinzione tra diverse forme di energia ha seguito essenzialmente due criteri Il primo è relativo a come l'energia può essere immagazzinata cioè contenuta in un sistema fisico Il secondo è relativo a come l'energia può essere scambiata tra i diversi sistemi fisici il primo criterio ha portato alla distinzione tra forme di energia quali l'energia cinetica l'energia potenziale l'energia elastica e l'energia interna per fare alcuni esempi il secondo criterio ha dato vita invece alla distinzione tra forme di energia quali il calore il lavoro l'energia elettrica l'energia chimica anche qui solo per citarne alcune il primo criterio viene solitamente applicato quando il sistema studiato può essere suddiviso in sottosistemi facciamo un esempio semplice Considerando un piccolo corpo di massa M in caduta libera nel campo gravitazionale terrestre diciamo vicino alla superficie in questo caso è abitudine affermare che il corpo possieda una certa quantità di energia cinetica K trasportata dalla sua quantità di moto P secondo la famosa formula K è uguale P al quadrato fratto 2M e altresì abitudine affermare che il corpo in questione possiede una certa quantità di energia gravitazionale potenziale V data dalla formula V = mgh dove Ge l'accelerazione del campo gravitazionale terrestre e h l'altezza del corpo rispetto al suolo se riflettiamo attentamente questa descrizione però impropria Infatti l'energia potenziale gravitazionale non è posseduta dal corpo ma da quelle entità detta campo gravitazionale in cui il corpo si trova immerso quello che accade quando il corpo cade e che il campo gravitazionale cede parte della sua energia al corpo trasferendogli della quantità di moto reciprocamente il campo gravitazionale in quanto contenitore riceverà energia da un corpo quando questo verrà sollevato verso l'alto In altre parole non esiste un'energia cinetica e un'energia potenziale cioè due diverse forme di energia possedute da un corpo di massa M esiste un'unica sostanza immateriale denominata semplicemente energia posseduta da due sistemi fisici differenti il corpo materiale e il campo gravitazionale apro qui una parentesi per osservare che il termine energia potenziale potrebbe anche essere ritenuto corretto se venisse inteso non come una forma di energia posseduta dal corpo di massa M ma come l'energia che questo corpo potrebbe potenzialmente ricevere dal campo gravitazionale in cui si trova immerso ma vediamo l'altro criterio solitamente applicato nel distinguere le diverse forme di energia che è quello della modalità di scambio solitamente si usa dire che l'energia viene ceduta da un sistema all'altro sotto forma di calore di lavoro di energia chimica elettrica e via discorrendo queste forme però non hanno a che fare con l'energia in quanto tale ma piuttosto con i suoi portatori una volta che è ben chiara la distinzione tra il concetto di energia e il concetto di portatore di energia diventa altresì chiaro che esiste una unica forma di energia Sebbene questa possa essere trasportata portata da un sistema a un altro sistema con modalità del tutto differenti quello che è utile osservare e che cercherò di evidenziare adesso con alcuni esempi è che l'energia fluisce sempre con almeno un'altra sostanza Intesa qui come grandezza estensiva che potrà essere sia materiale sia immateriale nel senso di astratta queste sostanze che accompagnano il flusso di energia sono per definizione i suoi portatori i portatori possono cambiare Certamente ma questo non significa che cambi la forma dell'energia cambia unicamente la modalità del suo trasporto all'inizio del video menzionato la metafora delle uova posso trasportare delle uova in diversi modi usando diversi mezzi cioè diversi portatori Ma le uova non cambiano di forma nel corso del trasporto restano sempre le stesse uova lo stesso vale per l'energia questo significa ad esempio che i cosiddetti trasduttori non omogenei come i trasduttori elettromeccanici elettroottici magnetoelettrici peso elettrici eccetera eccetera non vanno considerati dispositivi dove l'energia di ingresso sarebbe di forma differente rispetto all'energia di uscita l'energia è sempre e solo una quello che invece il trasduttore fa è cambiare il tipo di portatore che la porta e la trasporta se seguiamo questa logica possiamo osservare che parlare di diverse forme di energia è altrettanto inappropriato che parlare di diverse forme di carica elettrica a seconda che questa sia portata da elettroni protoni muoni eccetera o di diverse forme di quantità di moto bene Visto che siamo in tema di chiarificazione concettuali parlando di portatori di energia è importante poter operare una chiara distinzione ontologica tra due diverse categorie di sostanze che ho già evocato quelle materiali e quelle immateriali nel senso di astratte questa distinzione tra sostanze materiali e sostanze immateriali che sia ben chiaro non la troverete nei libri di fisica si tratta quindi una mia scelta terminologica personale Ebbene questa distinzione si rifà alla distinzione tra sostanze materiali e proprietà delle sostanze materiali Mi spiego meglio generalmente possiamo dire che è una sostanza possiede o non possiede una determinata proprietà Ad esempio la sostanza materiale legno Possiede la proprietà di essere bruciabile mentre non possiede la proprietà di condurre bene l'elettricità vi sono però delle classi particolari di proprietà che determinate sostanze possono possedere non solo qualitativamente Nel senso che le possiedono o non le possiedono ma anche quantitativamente Nel senso che ne possono possedere un determinato quantitativo che potrà variare a seconda delle circostanze in altre parole si tratta di proprietà che hanno la caratteristica di essere descri sensibili In termini di contenuto e che Pertanto si comportano a loro volta come se fossero delle sostanze materiali sebbene di fatto non lo siano essendo invece delle proprietà di sostanze materiali si potrebbe dire che sono delle proprietà simil sostanziali poiché si comportano similmente alle sostanze materiali Sebbene non siano delle sostanze materiali l'energia è forse l'esempio più tipico di sostanza immateriale similmente a una sostanza materiale è in grado di fluire cioè di scorrere di essere trasferita da una regione dello spazio un'altra e più generalmente da un entità fisica a un'altra entità fisica lo stesso vale Ben inteso per numerose altre proprietà oltre all'energia che in fisica sono solitamente definite grandezze fisiche come ad esempio la quantità di moto sia essa traslazionale o angolare la carica elettrica l'entropia solo per citare le più note In altre parole così come è possibile parlare del fluire di una sostanza materiale come l'acqua ad esempio da un recipiente a un altro recipiente allo stesso modo è possibile parlare del fluire dell'energia da un sistema a un altro sistema o del fluire della quantità di moto della carica elettrica dell'entropia questi flussi corrispondono però lo ripeto ancora una volta ha delle sostanze immateriali Cioè a flussi di proprietà di sostanze materiali e non afflussi di sostanze materiali ora alcune sostanze immateriali come l'energia la quantità di moto traslazionale la quantità di moto angolare e la carica elettrica sono delle grandezze conservate Questo significa che non possono essere né create né distrutte ma solo trasferite da un'entità all'altra oltre che bene inteso immagazzinate nelle diverse entità fisiche non tutte le sostanze materiali sono però conservate l'entropia Ad esempio può essere creata dal nulla in un sistema fisico sebbene fino a prova del contrario non possa mai essere distrutta le diverse sostanze materiali invece a seconda delle circostanze possono sia conservarsi sia distruggersi sia crearsi un esempio tipico è quello delle reazioni chimiche o nucleari dove certe sostanze materiali si trasformano in altre sostanze e si assiste pertanto nel corso seconda reazione a un doppio processo di creazione di istruzione In altre parole la quantità di una specifica sostanza materiale non è in generale conservata e potrà sia crescere sia diminuire nel corso di uno specifico processo tornando alla sostanza immateriale energia sappiamo che è sempre conservata nei processi fisici Nel senso che il quantitativo di energia contenuto di una regione dello spazio Può variare se e solamente se Una corrente di energia fluisce attraverso la superficie della Regione in questione allo stesso modo il quantitativo di energia portato da un'entità fisica può aumentare o diminuire se solo se tale entità assorbe o emette energia in uno scambio con il suo ambiente esteriore l'intensità della corrente di energia solitamente simboleggiata dalla lettera maiuscola P corrisponde a ciò che convenzionalmente viene indicato con il termine di Potenza quindi la potenza per definizione e la variazione dell'energia rispetto al tempo in generale l'intensità della corrente di una determinata sostanza si è essa materiale o immateriale equivale alla quantità di sostanza che scorre attraverso una determinata regione per unità di tempo quando la corrente è nulla ciò significa semplicemente che la sostanza rimane ferma rispetto ovviamente a un determinato referenziale cioè che non fluisce ma vediamo ora Quali sono le modalità con cui l'energia fluisce in generale da un'entità fisica a un'altra entità fisica per fare questo è importante distinguere cinque concetti fondamentali Innanzitutto l'entità fisica fonte di energia denochiamola F poi l'entità fisica ricevitrice di energia denochiamola R quindi la sostanza materiale portatrice di energia denotiamola m e infine la sostanza immateriale portatrice di energia denochiamola i senza dimenticare Ovviamente la sostanza immateriale energia che denoteremo e il diagramma di flusso che potete osservare Alla mia destra descrive in modo schematico un processo di trasferimento di energia e da una fonte F ha un ricevitore R mediante un portatore m indicato con una freccia piena e un portatore i materiali i indicato da una freccia tratteggiata è importante osservare che in un processo di trasferimento di energia tra una fonte F un ricevitore R è sempre presente necessariamente un portatore materiale m possiamo però distinguere le tre seguenti situazioni La prima è quella dove la sostanza materiale m fluisce da F A R Ed è l'unica sostanza a portare l'energia poi c'è la situazione B dove la sostanza materiale m fluisce da F A R ma non è l'unica sostanza a portare l'energia che viene portata anche da una o più sostanze immateriali i poi c'è la situazione C dove la sostanza materiale m non fluisce da FR quindi la sua corrente è nulla e l'energia è portata unicamente da una o più queste vacanze immateriali i per comprendere bene la ragione della distinzione di questi tre casi in particolar modo la distinzione tra la sostanza immateriale energia e i suoi portatori che possono essere delle sostanze sia materiali che immateriali Beh il modo migliore è semplicemente quello di fare degli esempi concreti Cominciamo con un esempio della situazione a dove è presente unicamente un portatore materiale Pensiamo a una fonte F che è semplicemente un serbatoio di benzina il portatore materiale m è la benzina in quanto tale e l'entità ricevitrice R è un motore a scoppio solitamente grazie a una pompa la sostanza materiale benzina viene trasportata fino al motore Dove avviene una reazione chimica di combustione la benzina si combina con l'ossigeno e produce una grande quantità di entropia cedendo in questo modo energia i pistoni che ricevono una spinta cioè della quantità di moto non c'è in questa situazione un portatore immateriale e la benzina stessa che combinandosi con le molecole di ossigeno presente nel pistone si distrugge e nella reazione cede la sua energia alle sostanze prodotte di ossido di carbonio e acqua che Acquisiscono così una notevole quantità di moto parte della quale viene ceduta al pistone A proposito possiamo osservare che la quantità di moto non viene creata dal nulla qui la quantità di moto totale data dalla somma vettoriale della quantità di moto dei diversi prodotti della reazione di combustione Beh ovviamente uguale alla quantità di moto totale posseduta dalla benzina e dall'ossigeno prima della reazione Da notare anche che in questa mia analisi non ho considerato la quantità di moto della benzina che scorre lungo il tubo non essendo tale quantità di moto quella che viene ceduta ai pistoni bene consideriamo ora alcuni esempi della situazione B dove è presente anche un portatore immateriale Pensiamo a una fonte F che è semplicemente una mano mentre l'entità ricevitrice R sono ad esempio dei birilli posizionati su una pista da bowling la sostanza materiale m È allora una palla da bowling e la sostanza immateriale i è la quantità di moto la fonte F cioè la mano comunica la palla una determinata quantità di moto E poiché un corpo in movimento porta energia così facendo trasferisce alla palla anche un certo quantitativo di energia In altre parole tra la fonte f e l'entità ricevente R cioè i birilli fluisce sia una sostanza materiale che è quella di cui è fatta la palla da bowling sia una sostanza immateriale che è la quantità di moto trasportata dalla palla quando la palla entra in contatto coi birilli cede loro parte della quantità di moto che trasporta e in questo modo trasferisce loro anche parte della sua energia mettendoli a loro volta in moto la palla è quindi il portatore materiale della quantità di moto e la quantità di moto è il portatore immateriale dell'energia consideriamo un altro esempio la fonte F è una pompa idraulica a ingranaggi l'entità ricevitrice R un motore idraulico e la sostanza materiale m l'acqua che scorre in un circuito chiuso dalla pompa al motore quanto alla sostanza immateriale i ancora una volta si tratta della quantità di moto più esattamente attraverso la rotazione dei suoi ingranaggi la pompa idraulica comunica quantità di moto all'acqua mettendola in circolo nei tubi l'acqua ad alta pressione scorrendo nei tubi succede parte della sua quantità di moto quindi della sua energia agli ingranaggi del motore che vengono così a loro volta messe in moto l'acqua e quindi il portatore materiale della quantità di moto e la quantità di moto è il portatore immateriale dell'energia facciamo ancora un esempio della situazione di tipo B La fonte F è una pila elettrica l'entità ricevente R è una lampadina il portatore materiale ml elettricità cioè la corrente di elettroni che si muovono lungo i cavi conduttori e i portatori immateriali i sono in questo caso due la quantità di moto e la carica elettrica più esattamente tramite la forza elettromotrice F comunica quantità di moto agli elettroni e di carica negativa che vengono così spinti dal polo negativo al polo positivo della pila apro una parentesi per ricordare che convenzionalmente il verso indicato della corrente elettrica e quello delle cariche positive quindi opposto al verso del moto reale degli elettroni nel filo conduttore bene arrivando nella lampadina dove c'è una forte resistenza a causa dell'attrito viene a crearsi dal nulla entropia cioè calore Questo significa che la lampadina funziona come un trasferitore l'energia entra nella lampadina portata dall'elettricità parte di questa energia viene ceduta la lampadina per mezzo dell'entropia prodotta energia che a sua volta la lampadina trasferirà all'ambiente circostante tramite quella perturbazione elettromagnetica comunemente detta luce gli elettroni sono dunque qui i portatori materiali della quantità di moto e della carica elettrica mentre la quantità di moto e la carica elettrica sono i portatori immateriali dell'energia potrai continuare all'infinito fornire ulteriori esempi ma diventerebbe un po' noioso prima di concludere vi devo però ancora indicare alcuni esempi della situazione di tipo c dove l'energia non fluisce assieme al portatore materiale è importante osservare infatti che l'energia è in grado di fluire indipendentemente dal fluire dei suoi portatori materiali forse l'esempio più emblematico è quello del pendolo di Newton la fonte f e la sferetta Metallica che viene disallineata diciamo Quella a sinistra del pendolo l'entità ricevente r e la sferetta Metallica tutta a destra il portatore materiale m è l'entità fisica formata dall'essere parte intermedie mentre il portatore immateriale i è la quantità di moto più esattamente FC della sua energia am trasferendo la sua quantità di moto alla seconda sferetta con massima efficienza che la comunica alla terza quindi alla quarta e così via fino a quando anche l'ultima scoperta che è il ricevitore viene messa in moto ricevendo così a sua volta energia come noto il processo avviene senza che nessuna delle sferette intermedie che formano la sostanza del portatore materiale si muova In altre parole m non fluisce l'esperienza rimangono immobili la velocità del loro centro di massa è nulla ciò che invece si propaga è un'onda di shock un'onda di compressione e decompressione longitudinale tra le sferette metalliche che sono elastiche cioè si propaga una deformazione un effetto simile al ben noto effetto do Mino l'esperienza intermedie sono Dunque il portatore materiale della quantità di moto e la quantità di moto è il portatore in materiale dell'energia il portatore materiale non fluisce assieme al portatore immateriale e ci troviamo pertanto nella situazione di tipo c Permettetemi di menzionare rapidamente un altro esempio emblematico di questo tipo di situazione quello delle onde acustiche la situazione del pendolo di Newton è Infatti molto simile alla propagazione di un'onda sonora nell'aria ad esempio tra l'altoparlante di una radio che sarebbe quindi la fonte che genera l'onda sonora e il timpano di un orecchio che è l'entità ricevente R con ovviamente le molecole d'aria che svolgono il ruolo di portatore materiale m come nel Pendolo di Newton anche l'onda sonora è una perturbazione longitudinale c'è un'onda di compressione e decompressione delle molecole presenti nell'aria che si propaga senza che vi sia alcuna corrente di materia le molecole d'aria vengono messe in moto solo localmente dall'oscillazione dell'altoparlante e comunicano sempre localmente mediante delle collisioni il loro movimento alle molecole più vicine e così via fino a quando l'oscillazione giunge alla membrana timpanica dell'orecchio che viene a sua volta messa in moto oscillatorio ricevendo Dunque energia facciamo un ultimo esempio di situazione C la fonte F è una mano l'entità ricevente R un carrello il portatore materiale m una corda che da un lato viene tenuta dalla mano e dall'altro è legata al carrello e il portatore in materiale i è la quantità di moto la mano suggerisce energia Al carrello tirando la corda ovviamente il materiale con cui è fatta la corda non fluisce dalla mano al carrello la corda viene semplicemente posta in tensione si parla in questo caso di applicazione di una forza ma la forza come evidenziato dalla seconda legge di Newton altro non è che l'espressione di una corrente di quantità di moto infatti la famosa formula f = ma si può riscrivere anche nella forma F è uguale variazione di B rispetto al tempo dove P è la quantità di moto che è uguale alla massa per la velocità In altre parole una forza F È espressione di una corrente di quel portatore immateriale denominato quantità di moto ci sarebbe molto ancora da aggiungere Tra l'altro quello di cui vi ho parlato riguarda soprattutto le entità classiche resta in buona parte valido anche per le entità quantistiche ma ci sono ovviamente molte sottigliezze in più ma ho già messo tanta roba sul fuoco e penso sia un buon punto dove fermarsi Grazie dell'ascolto