Nel capitolo precedente abbiamo affrontato gli aspetti relativi alla stechiometria delle reazioni chimiche ma non abbiamo sottolineato un altro aspetto assai importante delle trasformazioni della materia: esse sono accompagnate sempre da effetti energetici in quanto in ogni trasformazione si ha sempre trasformazione di energia da una forma a un’altra.

Sappiamo, per esempio, che la reazione di combustione del metano viene realizzata essenzialmente per ottenere energia sotto forma di calore:

Il calore sviluppato da questa reazione, o più in generale dalle reazioni di combustione, può essere utilizzato per riscaldare gli ambienti o per cucinare i cibi. In altri casi viene convertito in lavoro: direttamente come nei motori degli autoveicoli, o indirettamente, nella produzione del vapore ad alta temperatura necessario per il funzionamento delle turbine di una centrale termoelettrica (figura ►1)

Gli esseri umani, nel corso della loro storia, hanno progettato e realizzato vari tipi di macchine capaci di produrre energia o, meglio, di trasformare l’energia nella forma più utile alle loro necessità. Da questo punto di vista noi stessi possiamo essere considerati come macchine che «bruciano combustibili» per ottenere l’energia necessaria per la nostra vita biologica (figura ►2).

Nonostante l’energia si presenti in forme diverse e si trasformi continuamente da una forma all’altra, essa non aumenta né diminuisce; proprio come la massa, non si può creare né distruggere. Questa affermazione corrisponde a un principio di carattere assolutamente generale noto come principio di conservazione dell’energia che può essere enunciato nel seguente modo.

Nell’Universo l’energia si trasforma continuamente da una forma all’altra, ma l’energia totale, del sistema e dell’ambiente, resta costante.

Il termine sistema individua una porzione di spazio che rappresenta l’oggetto dello studio mentre l’ambiente è tutto ciò che sta attorno al sistema: l’insieme di sistema e ambiente costituisce l’Universo.

Ricordiamo qui di seguito le importanti definizioni che si riferiscono alle interazioni sistema/ambiente:.

• un sistema al quale sono consentiti scambi di materia e di energia con l’ambiente viene definito sistema aperto;
• un sistema al quale sono consentiti solo scambi di energia con l’ambiente viene definito sistema chiuso;
• un sistema al quale non sono consentiti scambi né di materia né di energia con l’ambiente viene definito sistema isolato.

Per esempio, il corpo umano interagisce con l’ambiente secondo le modalità del sistema aperto mentre le comuni lampadine sono da considerarsi sistemi chiusi. Un thermos invece costituisce la miglior approssimazione di un sistema isolato (figura ►3).

Il fatto che le trasformazioni della materia e le trasformazioni dell’energia siano strettamente collegate tra loro si spiega considerando che la materia può essere considerata un magazzino di energia.

Per spiegare il significato di questa affermazione occorre considerare le diverse forme di energia connesse alle particelle che costituiscono un sistema.

Come è noto ogni corpo è costituito da particelle (atomi, ioni, molecole) che si muovono incessantemente. Alla velocità di ogni particella, come del resto alla velocità di qualunque corpo, è associata una forma di energia detta energia cinetica.

La somma dell’energia cinetica di tutte le particelle di un sistema costituisce una forma di energia della materia chiamata energia termica.

Come la massa e il volume, anche l’energia termica è una grandezza estensiva, cioè è una proprietà che dipende dalla quantità di materia.

Anche se l’energia cinetica delle singole particelle può aumentare o diminuire continuamente a causa degli urti tra esse, l’energia cinetica complessiva delle numerosissime particelle che costituiscono un sistema, cioè la sua energia termica, non cambia, se la temperatura resta costante.

Al contrario, a un aumento della temperatura corrisponde un aumento della velocità media delle particelle e quindi un aumento del patrimonio di energia termica del sistema (figura ►4).

Vediamo ora in particolare i diversi tipi di movimento che le particelle possono compiere:

• moti di traslazione: questi movimenti determinano lo spostamento di una particella da un punto a un altro, cioè fanno cambiare la sua posizione rispetto alle altre;
• moti di rotazione: questi movimenti fanno sì che l’intera particella (o uno dei suoi atomi) ruoti su se stessa;
• moti di vibrazione: questi movimenti modificano la distanza tra due atomi; nella figura ►5 sono rappresentati due diversi tipi di moto di vibrazione: il moto di stiramento e il moto di piegamento.

Naturalmente le particelle costituite da un solo atomo possono avere soltanto moti di traslazione e di rotazione; se invece le particelle sono formate da tre o più atomi possono manifestarsi tutti i tipi di movimento che abbiamo descritto. Occorre infine tener presente che i tipi di moto delle particelle dipendono anche dal loro grado di libertà che dipende principalmente dallo stato di aggregazione del sistema: nei solidi, per esempio, i legami sono così forti da impedire i moti di traslazione.

Nel capitolo 1, studiando la disposizione degli elettroni attorno al nucleo, abbiamo sottolineato un aspetto importante connesso all’energia, cioè che essa è quantizzata. Questo significa, per esempio, che l’energia associata al moto di vibrazione dei due atomi che costituiscono la molecola di idrogeno non varia con continuità, ma può assumere solo determinati valori. Altrettanto si può dire per l’energia associata ai moti di traslazione e di rotazione di questa molecola e in generale di tutte le particelle.

Come sappiamo, le particelle costituenti una sostanza occupano determinate posizioni reciproche a causa delle molteplici interazioni di tipo elettrico che si stabiliscono tra i nuclei e gli elettroni negli atomi e tra gli atomi stessi. Queste interazioni tra le particelle che costituiscono le sostanze nei diversi stati di aggregazione (legami chimici e forze intermolecolari) sono all’origine di una forma di energia detta energia potenziale.

La forma di energia potenziale presente nella materia che dipende dalla posizione delle particelle che costituiscono una sostanza viene chiamata energia chimica.

Essendo associata al numero delle particelle, e quindi alla massa del sistema, anche l’energia chimica, come l’energia termica, è una grandezza estensiva.

Il patrimonio di energia chimica di un sistema resta definito se è nota la sua composizione chimica e il suo stato di aggregazione. A differenza dell’energia termica, una variazione di temperatura se non causa trasformazioni chimiche o cambiamenti di stato non produce sensibili variazioni dell’energia chimica di un sistema.

Un’altra forma di energia potenziale delle particelle è l’energia nucleare, cioè l’energia associata alle forze che tengono vicini tra loro i protoni e i neutroni nel nucleo degli atomi. Anche l’energia nucleare è una grandezza che dipende dalla massa e dalla composizione del sistema. Dobbiamo tuttavia aggiungere che l’energia nucleare di un sistema cambia soltanto a seguito delle reazioni nucleari e pertanto nelle trasformazioni fisiche e chimiche rimane di norma costante (figura ►6).

Abbiamo capito dunque che un qualsiasi sistema, per il solo fatto di essere costituito da particelle, possiede un patrimonio di energia.

L’insieme delle diverse forme di energia possedute dalle particelle di un determinato sistema costituisce il suo patrimonio di energia interna.

Poiché l’ammontare dell’energia interna di un sistema dipende oltre che dal tipo di particelle che lo costituiscono anche dal loro numero, l’energia interna, così come già visto per le singole forme di energia, è una grandezza estensiva (figura ►7). 

La termodinamica, cioè quella branca della scienza che si occupa della relazione tra energia e trasformazioni della materia, ha stabilito che l’energia interna è una grandezza di stato; questo significa che per ogni sistema, fissate le variabili fisiche che influenzano il suo stato (temperatura e pressione), è definito anche un preciso patrimonio di energia interna.

Se un sistema subisce una trasformazione, cambia il suo stato e quindi anche la sua energia interna. Se però un sistema dopo un ciclo di trasformazioni ha la stessa composizione iniziale e si trova nelle stesse condizioni di temperatura e pressione iniziali, anche il suo patrimonio di energia interna è esattamente uguale a quello che aveva prima delle trasformazioni (figura ►8).

È importante inoltre ricordare che un sistema isolato non può scambiare né massa né energia con l’ambiente e pertanto il suo patrimonio di energia interna non può cambiare. Tuttavia anche in un sistema isolato possono avvenire trasformazioni della materia in seguito alle quali l’energia interna, pur rimanendo costante, si trasforma da una forma all’altra.