Risparmio energetico e trasformazione
Il concetto di risparmio energetico
Una legge fondamentale che è stata osservata per tutti i fenomeni naturali richiede la conservazione dell'energia, ovvero che l'energia totale non cambia in tutti i molti cambiamenti che si verificano in natura. La conservazione dell'energia non è una descrizione di alcun processo in corso in natura, ma piuttosto è un'affermazione che la quantità chiamata energia rimane costante indipendentemente da quando viene valutata o da quali processi - possibilmente includendo trasformazioni di energia da una forma all'altra— andare avanti tra valutazioni successive.
La legge di conservazione dell'energia si applica non solo alla natura nel suo insieme, ma anche ai sistemi chiusi o isolati all'interno della natura. Pertanto, se i confini di un sistema possono essere definiti in modo tale che nessuna energia sia aggiunta o rimossa dal sistema, allora l'energia deve essere conservata all'interno di quel sistema indipendentemente dai dettagli dei processi che avvengono all'interno dei confini del sistema. Un corollario di questa affermazione del sistema chiuso è che ogni volta che l'energia di un sistema determinata in due valutazioni successive non è la stessa, la differenza è una misura della quantità di energia che è stata aggiunta o rimossa dal sistema nel intervallo di tempo che intercorre tra le due valutazioni.
L'energia può esistere in molte forme all'interno di un sistema e può essere convertita da una forma all'altra nel vincolo della legge sulla conservazione. Queste diverse forme includono energia gravitazionale, cinetica, termica, elastica, elettrica, chimica, radiante, nucleare e di massa. È l'applicabilità universale del concetto di energia, nonché la completezza della legge della sua conservazione in diverse forme, che la rende così attraente e utile.
Trasformazione di energia
Un sistema ideale
Un semplice esempio di un sistema in cui l'energia viene convertita da una forma all'altra è fornito dal lancio di una palla con massa m in aria. Quando la palla viene lanciata verticalmente da terra, la sua velocità e quindi la sua energia cinetica diminuiscono costantemente fino a quando non si ferma momentaneamente nel suo punto più alto. Quindi si inverte, e la sua velocità e energia cinetica aumentano costantemente mentre ritorna a terra. L'energia cinetica E k della palla nell'istante ha lasciato la terra (punto 1) era la metà del prodotto della massa e il quadrato della velocità, o 1 / 2 mv 1 2, e diminuita costantemente a zero nel punto più alto (punto 2). Mentre la palla si alzava in aria, guadagnava energia potenziale gravitazionale E p. Il potenziale in questo senso non significa che l'energia non sia reale, ma piuttosto che sia immagazzinata in una forma latente e può essere attinta per fare il lavoro. L'energia potenziale gravitazionale è l'energia che viene immagazzinata in un corpo in virtù della sua posizione nel campo gravitazionale. Si osserva che l'energia potenziale gravitazionale di una massa m è data dal prodotto della massa, l'altezza raggiunta rispetto ad una certa altezza di riferimento e l'accelerazione g di un corpo derivante dalla gravità terrestre che la attira, o mgh. Nel momento in cui la palla ha lasciato il terreno all'altezza h 1 la sua energia potenziale E p1 è mgh 1. Nel suo punto più alto, la sua energia potenziale E p2 è mgh 2. Applicando la legge di conservazione dell'energia e non assumendo attrito nell'aria, queste si sommano per formare le seguenti equazioni:
In questo esempio idealizzato l'energia cinetica della palla a livello del suolo viene convertita in lavoro nel sollevare la palla a h 2 dove la sua energia potenziale gravitazionale è stata aumentata di mg (h 2 - h 1). Mentre la palla ricade al livello del suolo h 1, questa energia potenziale gravitazionale è tornato convertita in energia cinetica e la sua energia totale nel h 1 è di nuovo 1 / 2 mv 1 2 + mgh 1. In questa catena di eventi l'energia cinetica della palla rimane invariata in h 1; quindi il lavoro svolto sulla palla dalla forza di gravità che agisce su di essa in questo ciclo di eventi è zero. Si dice che questo sistema sia conservativo.
