Energia

Etimologia#

Il termine deriva dal greco enérgeia (ἐνέργεια) e fu coniato dal filosofo Aristotele a partire da en (“dentro”) ed ergon (“opera”, “lavoro”, “azione”). Il significato originario era quello di attività, azione o capacità di produrre un effetto, un’idea che conserva ancora oggi un forte legame con il concetto fisico di energia.

Legge di conservazione#

L’energia può trasformarsi da una forma all’altra, e lo fa di continuo, ma deve rispettare un principio cardine, la legge di conservazione: l’energia totale di un sistema isolato rimane costante nel tempo. Non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma a un’altra o trasferita da un corpo a un altro.

Forme di energia#

Tra le varie forme in cui l’energia si manifesta nei fenomeni che riguardano l’astronomia e l’astrofisica, annoveriamo:

• l’energia cinetica. È l’energia legata al movimento di un corpo ed è proporzionale alla sua massa e al quadrato della sua velocità. Ad esempio, l’asteroide che causò l’estinzione dei dinosauri $66$ milioni di anni fa, a seconda delle stime sulla sua grandezza, la massa e la velocità d’impatto, possedeva un’energia cinetica compresa tra $\sim10^{23}\; \mathrm{J}$ e $\sim10^{24}\; \mathrm{J}$. Si tratta di $10$ o $11$ ordini di grandezza più della bomba atomica che devastò Hiroshima.

• L’energia potenziale (gravitazionale). È l’energia immagazzinata da un corpo a causa della sua posizione in un campo di forze. Quando una nube di gas interstellare collassa su se stessa sotto l’effetto della propria gravità, la sua energia potenziale gravitazionale si converte in calore, favorendo l’accensione di una protostella.

• L’energia termica. È generata dal moto caotico e microscopico di atomi e molecole. Più le particelle si muovono velocemente, più la temperatura si alza. Ad esempio, la materia in rotazione nei dischi di accrescimento che circondano i buchi neri può raggiungere temperature nell’ordine dei milioni di gradi.

• L’energia nucleare. È l’energia immagazzinata nei nuclei degli atomi, legata alla forza nucleare forte. È la sorgente di energia che permette alle stelle di brillare attraverso i processi di fusione nucleare, come quelli che avvengono nel nucleo del Sole, in cui nuclei di idrogeno collidono formando atomi di elio e liberando energia sotto forma di fotoni gamma.

• L’energia elettronica (o energia dei livelli atomici). È l’energia degli elettroni che orbitano intorno al nucleo atomico, regolata dalla forza elettromagnetica. È la forma di energia alla base di tutta la chimica, della luce dei laser e delle righe spettrali che gli astronomi usano per capire di cosa sono fatte le stelle¹.

• L’energia di massa (o equivalenza massa-energia). Dimostrata da Albert Einstein con la celebre equazione $E = mc^2$, stabilisce che la massa stessa è una forma di energia estremamente concentrata. Normalmente questa energia rimane “immagazzinata” nella massa e viene liberata solo in particolari processi fisici, come le reazioni nucleari o l’annichilazione materia-antimateria.

• L’energia radiante. È l’energia trasportata dalle onde elettromagnetiche (o dal flusso di fotoni) attraverso lo spazio. È l’unica forma di energia capace di propagarsi anche nel vuoto assoluto, senza la necessità di un mezzo materiale di supporto.

Unità di misura dell’energia#

Nel Sistema Internazionale (SI) l’energia si misura in joule ($\mathrm{J}$); in astrofisica si usano spesso anche l’erg ($1\,\mathrm{erg} = 10^{-7}\,\mathrm{J}$) e l’elettronvolt ($\mathrm{eV}$), quest’ultimo particolarmente adatto per descrivere l’energia di fotoni e particelle subatomiche.

Un joule è il lavoro compiuto da una forza di $1$ newton che sposta il suo punto di applicazione di $1$ metro nella direzione della forza:

Espresso nelle unità fondamentali del SI:

Ecco qualche riferimento concreto per intuire la scala di questa grandezza:

• L’energia necessaria per sollevare una mela ($\approx 100\,\mathrm{g}$) all’altezza di $1$ metro è circa $1\,\mathrm{J}$;
• Una lampadina da $100\,\mathrm{W}$ consuma $100\,\mathrm{J}$ ogni secondo;
• Il calore necessario per scaldare $1\,\mathrm{g}$ di acqua di $0{,}24\,^\circ\mathrm{C}$ è circa $1\,\mathrm{J}$.

L’elettronvolt ($\mathrm{eV}$) è una misura dell’energia enormemente più piccola del joule. Rappresenta l’energia acquisita da un elettrone quando viene accelerato attraverso una differenza di potenziale elettrico di $1$ volt e corrisponde a $1{,}602 \times 10^{-19}\,\mathrm{J}$.

I raggi cosmici più energetici mai rilevati raggiungono energie dell’ordine di $10^{20}\,\mathrm{eV}$, un valore gigantesco per una singola particella subatomica, paragonabile all’energia cinetica di una palla da tennis lanciata a discreta velocità.

Il watt (simbolo $\mathrm{W}$) è l’unità di misura della potenza nel Sistema Internazionale, ovvero della quantità di energia trasferita o convertita nell’unità di tempo. Prende il nome dall’ingegnere e inventore scozzese James Watt (1736–1819). Un watt corrisponde alla potenza di un sistema che trasferisce o converte un joule di energia ogni secondo:

Alcuni esempi concreti#

Per avere qualche riferimento concreto, consideriamo che

• una lampadina a LED efficiente eroga circa $10\,\mathrm{W}$;
• il metabolismo a riposo di un essere umano adulto dissipa intorno agli $80\,\mathrm{W}$;
• la potenza muscolare di un ciclista professionista in gara è sui $400\,\mathrm{W}$.

Se passiamo però ai fenomeni astronomici, ci troviamo di fronte a grandezze incomparabilmente maggiori. La luminosità del Sole, per esempio, è circa $3{,}83 \times 10^{26}\,\mathrm{W}$. Si tratta di una quantità di energia che sorpassa di molti ordini di grandezza qualsiasi paragone con le cose umane. Prendiamo il consumo globale di energia al secondo dell’intera umanità, che è all’incirca di $19\,\mathrm{TW}$ ($1\,\mathrm{TW}$ corrisponde a $10^{12}\,\mathrm{W}$). Per quanto sia un numero enorme, è ben $14$ ordini di grandezza minore della potenza irradiata dal Sole in un solo secondo.