Energia e Potenza, conosci la differenza?

Ci sono dei momenti chiave nella vita di una persona, che rappresentano la crescita e la nostra capacità di evolverci. La prima parola che si pronuncia da bambini, la prima verifica a scuola, il primo viaggio senza i genitori.

Ma forse, anzi sicuramente, il momento di crescita maggiore è il momento in cui si ha ben chiara la differenza tra energia e potenza. Ebbene sì, il concetto di energia e potenza rimane sempre all’interno di una nube di incertezza.

Ma non abbiate paura, oggi siamo qui proprio per dissipare ogni dubbio e per, finalmente, fare le giuste specifiche. Capiremo insieme che cosa è l’energia e quanti tipi ce ne sono, e cosa è la potenza. Ma prima, considerando che stiamo parlando di fisica, è importantissimo capire cosa sono energia e potenza in termini di grandezze fisiche. Iniziamo!

Grandezze fisiche, le fondamentali e le derivate

Quando cerchiamo di imparare una nuova lingua, è necessario conoscerne i caratteri e le regole grammaticali.

La fisica non fa eccezione e, essendo la disciplina che studia i fenomeni naturali (dal greco φυσικά [physiká], “cose naturali”), i suoi caratteri sono le grandezze fisiche e le regole sono le leggi che le mettono in relazione.

Ma che cos’è una grandezza fisica? Si può definire come la caratteristica fisica misurabile di un evento o un corpo. La misurabilità è la possibilità di essere espressa quantitativamente tramite un numero e un riferimento. Ma facciamo un esempio, citando le sette grandezze fisiche fondamentali.

Il Sistema Internazionale, che è il più diffuso sistema di unità di misura, stabilisce che esistono sette grandezze fisiche che sono il punto di partenza di ogni analisi dimensionale (ossia il processo di scomposizione di tutte le grandezze fisiche). Come esempio, tre di queste grandezze sono:

• lunghezza [l], misurata i metri (m), che indica l’estensione nello spazio di un oggetto e la distanza tra due punti nello spazio. Nel 11.791 EU (1791 d.C.), durante l’Assemblea nazionale costituente francese, definirono il metro come la misura di 1/10 000 000 dell’arco di meridiano che passava per Parigi, compreso tra polo nord e l’equatore. Nel 11.899 EU (1899 d.C.), crearono il primo campione standard in platino iridio, conservato presso l’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure, a Sèvres. Attualmente, per fare riferimento a valori costanti fondamentali, è stato definito in relazione alla velocità della luce.
• massa [m], misurata in chilogrammi (kg), che determina le proprietà dinamiche di un oggetto una volta sottoposto a forze esterne. Nel 11.793 EU in Francia, definirono il chilogrammo come massa di un centimetro cubo d’acqua, a pressione atmosferica standard e alla temperatura di 3,98 °C. Nel 11.875 EU realizzarono il primo campione standard, sempre in platino iridio, sempre conservato a Sèvres. Attualmente, per fare riferimento a valori costanti fondamentali, è stato definito in relazione alla costante di Planck.
• tempo [t], misurato in secondi (s), che indica la distanza tra gli eventi fisici. Storicamente, il secondo si calcolava in termini di rotazione terrestre, come 1/86.400 del giorno solare. Nel ’56, il Comitato internazionale dei pesi e delle misure, cambiò riferimento dalla rotazione terrestre alla rotazione attorno al Sole. Attualmente si fa riferimento all’orologio atomico, che si basa sulla frequenza di risonanza degli atomi, sulla base degli stati dell’atomo di cesio-133. Piccola nota campanilista, in Italia il secondo è misurato a Torino, in base al campione dell’Istituto elettrotecnico nazionale “Galileo Ferraris” (qui puoi trovare altro sul nostro amato fisico torinese).

Si chiude la lista con l’intensità di corrente elettrica [I], misurata in ampere (A), la temperatura [T], misurata in kelvin (K), la quantità di sostanza [n], misurata in moli (mol) e l’intensità luminosa [I_v], misurata in candele (cd).

Ma se queste sono le grandezze fondamentali, energia e potenza cosa sono? Energia e potenza entrano nella lunga lista di grandezze fisiche derivate, ossia che possono essere espresse in relazione alle grandezze fondamentali.

Alcuni esempi più comuni includono la velocità [v], grandezza cinematica che esprime la variazione di posizione di un corpo nello spazio in funzione del tempo e si misura in metri al secondo (m·s^-1) , ma anche la frequenza [f], che riguarda il numero di ripetizioni nel tempo di un evento periodico e si misura in hertz (Hz) che sono uguali all’inverso del secondo (s^-1).

Ma prima di energia, è necessario parlare di lavoro.

Il concetto di lavoro in fisica

Parlare di lavoro è fondamentale, perché in fisica il lavoro è proprio l’energia scambiata tra due sistemi, a causa di spostamenti dovuti all’azione di forze. Inizialmente, e forse anche per semplificare l’approccio, conviene parlare di lavoro meccanico.

Il lavoro meccanico esercitato su un corpo, che ad esempio è dovuto allo spostamento nello spazio a causa di una risultante di forze, è pari alla variazione della sua energia.

Il lavoro [L] (o work [W]) è una grandezza fisica derivata che si misura in joule (J). Avrete notato che le unità di misura hanno spesso nomi di fisici famosi, in questo caso prende il nome da James Prescott Joule, fisico inglese dell’800 famoso per il suo contributo alla fisica generale, soprattutto in relazione a termodinamica, elettricità e meccanica (abbiamo parlato qui, ad esempio, dell’effetto Joule).

Abbiamo quindi una grandezza derivata con un’unità di misura specifica. La domanda è: a quali grandezze fondamentali si può arrivare se volessimo fare una analisi dimensionale? La risposta non è così semplice, anche se ci possiamo lavorare.

Partiamo con la formula base del lavoro, forza misurata in newton (N) per spostamento misurato in metri (m). Quindi:

J = N · m

Spesso, infatti, si fa riferimento al joule come newton metro. Ma la forza non è altro che massa per accelerazione, come ci ricorda proprio la legge di Newton. Quindi possiamo scomporre il newton in:

J = (kg · m · s^-2) · m = kg · m² · s^-2

Troviamo quindi, massa, tempo e lunghezza. Tuttavia, potreste trovare su qualche testo che il joule equivale anche a pascal metro cubo, considerando che il pascal (Pa) è l’unità di misura per misurare la pressione, ossia l’effetto di una forza su una superfice (N m^-2). Facciamo quindi un gioco di calcoli per vedere che:

J = N · m = N · m · m² · m^-2 = (N · m^-2) · m³ = Pa · m³

Ma quindi è tutto collegato? La risposta è sì, e possiamo dirlo due volte. Super sì.

E non c’è modo migliore di introdurre l’energia.

I tipi di energia, gotta catch ’em all

L’energia, che è la grandezza fisica che descrive la capacità di un sistema di compiere lavoro, implica, quindi, la presenza di attività (da greco ἐνέργεια [enérgeia], attività, efficacia). L’energia esiste, in fisica, in varie forme e, a seconda del campo di analisi, ha una propria espressione. Di seguito, in breve, i dettagli delle sei forme di energia principali:

• Energia meccanica, comprende sia l’energia cinetica che l’energia potenziale. L’energia cinetica è l’energia che è posseduta da un corpo considerato in movimento, dipende sia dalla massa del corpo che dalla velocità dello stesso ed è pari al lavoro necessario per portare il corpo nuovamente allo stato di quiete. L’energia potenziale, invece, è caratteristica dei corpi in quiete e rappresenta la loro capacità di trasformare l’energia in altre forme.
• Energia gravitazionale, un particolare tipo di energia potenziale che rappresenta l’energia associata all’attrazione gravitazionale tra i corpi (ne sa qualcosa chi cerca di far decollare gli aerei, ne abbiamo parlato qui).
• Energia termica, l’energia associata a tutti i corpi che hanno una temperatura superiore allo zero assoluto pari a 0 K.
• Energia chimica, che è l’energia dei legami chimici degli elementi. Nelle reazioni chimiche l’energia chimica varia sotto forma di emissione o assorbimento di calore (che è la grandezza associata allo scambio di energia tra corpi a temperatura diversa, ne abbiamo parlato qui) . Ad esempio, nelle combustioni si sviluppa calore (principio alla base del motore a vapore).
• Energia atomica, che rappresenta è l’energia liberata dalle reazioni nucleari e dal decadimento radioattivo degli atomi (ne abbiamo parlato qui).
• Energia elettromagnetica, che è l’energia accumulata nello spazio da campi elettrici o magnetici. Nello specifico, l’energia elettrica è pari al lavoro necessario per spostare le cariche nello spazio.

Dobbiamo tenere in conto, tuttavia, un dettaglio fondamentale. L’energia, in tutte le forme appena esposte, tende a trasformare la sua natura sulla base del fenomeno fisico descritto. Ad esempio, l’energia meccanica tende naturalmente a trasformarsi in calore (a causa dell’attrito).

Tramite un motore elettrico si può trasformare energia elettrica in energia meccanica, tramite un generatore, invece, si può fare l’inverso.

Il rendimento di una trasformazione energetica indica la percentuale di energia iniziale che viene effettivamente convertita nella forma di energia desiderata. Nelle trasformazioni spontanee, il rendimento è sempre del 100%, poiché l’energia si trasforma senza perdite. Nelle trasformazioni indotte, invece, il rendimento varia in base allo strumento impiegato e alle specifiche forme di energia coinvolte.

Stiamo quindi introducendo il concetto di trasferimento di energia. Quindi, è arrivato il momento giusto di parlare di potenza.

Definire l’energia in base alla potenza, passando per il lavoro

La potenza è la grandezza fisica derivata associata al trasferimento di energia. Si definisce anche come lavoro nell’unità di tempo, e si misura in watt (W), la cui analisi dimensionale è, appunto, W = J · s^-1.

Dobbiamo però fare una specifica importante. Come per l’energia, esistono vari tipi di potenza a seconda del tipo di energia trasferita. I principali sono tre:

• Potenza meccanica, associata al trasferimento di lavoro meccanico.
• Potenza termica, associata al trasferimento di calore.
• Potenza elettrica, associata al trasferimento di energia elettrica.

In generale, un fenomeno fisico è caratterizzato da alta potenza se, in poco tempo, riesce a trasferire una grande quantità di energia. Non per caso, infatti, il joule si può anche scrivere come watt al secondo, infatti J = W · s.

Da qui possiamo dedurre l’unità di misura dell’energia, specificamente elettrica, di cui sentiamo più spesso parlare: il kilowattora [kWh]. Con un po’ di calcoli (sapendo che un’ora sono sessanta minuti, ossia 3 600 secondi) possiamo anche sapere a quanti joule corrisponde un kWh:

kWh = 1000 Wh = 1000 W · 3600 s = 3.600.000 W · s = 3.600.000 J

Nello specifico, la definizione del kWh è proprio nel suo nome. Infatti, è l’energia sviluppata da 1 kW per un’ora. Ma facciamo un’esempio.

Supponiamo che un phon abbia una potenza di 1,5 kWh. Supponiamo di utilizzare il suddetto phon per 12 minuti. Quanta energia avrà assorbito il nostro elettrodomestico per funzionare a dovere? Niente di più facile.

L’energia sarà pari alla potenza moltiplicata per il tempo di utilizzo, ossia un quinto di un’ora. Quindi, avremo consumato complessivamente 1,5 kW · 0,2 h = 0,3 kWh (o anche 300 Wh).

I consumi elettrici: tu di che classe sei?

Parlando di elettrodotti avevamo ribadito l’importanza di riuscire a trasportare energia elettrica con efficienza, perché l’elettrificazione oggi rappresenta una delle soluzioni a molti problemi dell’essere umano. Abbiamo imparato oggi che trasmettere energia elettrica, in realtà, significa trasmettere ogni tipo di energia. Questo proprio perché l’energia si trasforma in molti modi e ci permette di riscaldarci tramite stufe elettriche (energia elettrica diventa energia termica), lavare i nostri indumenti nelle lavatrici (energia elettrica diventa energia meccanica), o di illuminare le nostre case (energia elettrica diventa energia luminosa).

Migliorare l’efficienza di questi elettrodomestici, quindi, è un obiettivo importante.

Su tutti gli elettrodomestici è presente, sull’etichetta, una classificazione energetica che, secondo una scala prestabilita dalle normative europee, distingue i prodotti sulla base dell’efficienza. Questo consente di poter valutare, prima dell’acquisto, le caratteristiche energetiche e le prestazioni del prodotto, soprattutto per ridurre i costi e l’impatto dell’utilizzo dello stesso.

Ogni elettrodomestico è valutato sulla base del suo funzionamento, ad esempio le lavatrici sono valutate sulla base delle prestazioni di cento cicli di lavaggio, mentre lampadine e schermi per mille ore di accensione.

Ma la riduzione dei consumi è un processo che sta davvero funzionando? Per nostra fortuna possiamo verificarlo. Terna offre sul suo sito la possibilità di controllare i consumi a partire dal primo gennaio 12.019 EU (2019 d.C.).

Possiamo quindi monitorare quanto consuma il paese, anche focalizzandosi su specifiche aree regionali. Ad esempio, il 17 ottobre 12.019 EU, l’Italia ha consumato complessivamente 898,4 GWh (che sarebbero gigawattora, ossia un multiplo dei kWh), con un picco di potenza in prelievo di 45,46 GW alle 19:30. Lo stesso giorno di 4 anni dopo, l’Italia ha consumato invece 871,6 GWh, con un picco di 42,96 GW alle 10:30.

Fonti

“Guide for the Use o the International System of Units (SI)”, National Istitute of Standards and Technology, U.S. Department of Commerce [link]
“Elementi di Fisica – Meccanica e Termodinamica” – P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci
“Fisica I (Meccanica e Termodinamica)” – C. Mencuccini, V. Silvestrini
“Transparency Report” del Sistema Elettrico Nazionale, Terna S.p.a.