Trasformazioni della materia, energia e ambiente
Energia e particelle della materia
La materia, per il solo fatto di essere costituita da particelle (atomi, molecole o ioni), si comporta come un magazzino di diverse forme di energia (cinetica e potenziale). In tutte le trasformazioni della materia avvengono sempre trasformazioni dell’energia che seguono il principio di conservazione dell’energia.
Energia e materia
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.
Nelle centrali elettriche sono presenti due grandi macchine, la turbina e l’alternatore, cioè due dispositivi che trasformano energia da una forma all’altra. La turbina, che può essere messa in movimento in vari modi, è collegata all’alternatore, una macchina elettrica che trasforma l’energia cinetica della rotazione della turbina in energia elettrica. Nelle centrali termoelettriche, come quella schematizzata nella figura, il movimento della turbina è ottenuto dalla pressione del vapore che si ottiene dall’acqua riscaldata nella caldaia bruciando i combustibili fossili.
Le lucciole sono dei veri e propri laboratori chimici in cui avvengono complesse reazioni che producono energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche la cui frequenza cade nella regione del visibile.
Un thermos, nome divenuto comune per definire un vaso Dewar (dal nome del suo inventore, il fisico e chimico britannico James Dewar), è costituito essenzialmente da un contenitore a doppia parete in vetro riflettente, nella cui intercapedine vi è il vuoto.Un sistema di questo tipo, che riduce notevolmente gli scambi di calore, è un sistema adiabatico, termine che deriva dal greco adiábatos (che non si può attraversare).
