Il mondo dell’energia è forse il più affascinante e quello con cui ogni persona, dal comune cittadino allo scienziato si confronta abitualmente ogni giorno della vita.
Sentiamo infatti spesso parlare di consumi, fonti rinnovabili, fabbisogno energetico, risparmio e quant’altro senza però essere in grado di dare una definizione razionale e soddisfacente di energia.
Come ci suggerisce lo scrittore Leonardo Maugeri, docente di economia e geopolitica dell’energia all’Università di Harvard, nonché ex Direttore Strategie e Sviluppo dell’Eni: “Il mondo dell’energia è complesso e difficile da penetrare, da capire, da padroneggiare. Gli esperti tendono a spiegare le cose in modo poco chiaro, rimanendo vittime del loro bagaglio tecnico. I politici tendono a semplificare e “vendere” gli argomenti più in voga senza preoccuparsi di studiare a fondo ciò di cui parlano. I media tendono a gonfiare ogni notizia alla disperata ricerca di attrarre il lettore svogliato.”(Leonardo Maugeri – Con tutta l’energia possibile)
Inoltre spesso proprio gli esperti e gli scienziati al di fuori del loro linguaggio tecnico e spesso poco intuitivo non saprebbero esprimere un concetto fisico così fondamentale. Immaginatevi di piazzarvi davanti all’ingresso di una prestigiosa università tecnico-scientifica provate ad intervistare tutti gli studenti che passano: alla domanda “che cos’è l’energia”, tolti coloro che si guardano intorno in cerca di una telecamera nascosta e quelli che alzano le spalle come se si parlasse di verità mistiche, state certi che la maggioranza vi risponderà senza esitare che “l’energia è la capacità di un corpo di compiere lavoro”. Tale definizione è più che corretta ed asserisce fondamentalmente che l’energia è una grandezza che misura quantitativamente le trasformazioni che un corpo può subire oppure indurre su altri corpi interagendo con essi.Tuttavia davanti a questa definizione non si può non storcere il naso: essa ci lascia ancora perplessi e insoddisfatti. Inoltre è una definizione che tenta di spiegare l’energia con il concetto di “lavoro” che è sua volta una forma di energia; ha insomma il vago sapore di una tautologia, qualcosa di vero a priori per cui non si può far altro che “prenderla per buona”.
In verità nessuno sa esattamente cosa sia l’energia. O meglio, nessuno può dare una risposta unica e assoluta poiché l’energia stessa non si presenta in maniera univoca. E’ una pietra di cui possiamo apprezzare le diverse sfaccettature e i multipli bagliori di luce, senza però poter descrivere con esattezza la sua forma complessiva. Persino il celeberrimo premio Nobel per la fisica Richard Feynman ammetteva senza timore che “E’ importante tener presente che nella fisica odierna, noi non abbiamo cognizione di ciò che l’energia è”.
Sappiamo solo che nozioni come l’energia e se vogliamo anche lo spazio e il tempo non solo sono le fondamenta su cui poggia tutto il nostro sapere, dalla scienza alla filosofia, ma sono anche le fibre che costituiscono il tessuto della realtà stessa.
Persino gli scienziati preferiscono aggirare l’argomento scegliendo piuttosto di definire, con sempre maggiore precisione, col progredire della tecnica e della scienza, cosa fa l’energia, come si comporta, a cosa serve e quali sono i suoi effetti.
E’ comunque importante chiarire che l’energia non è una sostanza, anche se spesso si parla di consumi, produzione di energia, fonti di energia come se essa fosse qualcosa di concreto, anche se invisibile e intangibile. Questa affermazione non è però così scontata se si pensa che fino a due secoli fa gli scienziati definivano il calore, la più comune forma di energia, come una sostanza reale, chiamata fluido calorico. L’ipotesi calorica supponeva, per esempio, che il riscaldamento di una pentola d’acqua per effetto della combustione di un combustibile fosse dovuto al trasferimento di questo invisibile fluido calorico dal combustibile all’acqua; si credeva che la combustione liberasse il fluido calorico e che la temperatura dell’acqua aumentasse man mano che il fluido calorico veniva assorbito. Nonostante fu poi dimostrata l’erroneità di questa teoria, alcune espressioni attuali conservano l’influenza di questa vecchia teoria, come per esempio quando si parla di flusso di calore come se fosse un fluido.
Se da una parte l’energia non è propriamente una sostanza, essa è intimamente legata alla materia. La straordinaria teoria della relatività di Einstein infatti di fatto afferma l’equivalenza materiale tra energia meccanica e massa di un corpo. La spesso troppo abusata e banalizzata equazione (clamoroso il caso di Mariah Carey che nel 2008 mise a dura prova il mondo della fisica chiamando così un suo album!) ci vuole spiegare che un corpo a riposo possiede la capacità di liberare energia trasmutando tutta la sua massa o una parte in radiazione elettromagnetica. In breve si può quindi pensare che la materia non sia altro che una sorta di energia fortemente condensata, il che troverebbe anche riscontro nella fisica subatomica: man mano che si osserva sempre più in profondità la struttura dell’atomo e tutte le sue più piccole particelle, diventa sempre più difficile stabilire il confine tra ciò che ha massa ed è concreto e la pura energia. Viceversa, leggendo al contrario l’equazione, la massa può scomparire e tramutarsi in una quantità equivalente di energia.
Il principio fondamentale che governa non solo l’energia e le sue trasformazioni, ma tutti i fenomeni che avvengono nell’universo è il cosiddetto Principio di conservazione dell’energia che non è altro che l’equivalente energetico del principio di conservazione della massa “nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma” di Antoine-Laurent de Lavoisier. Sebbene possa essere trasformata e convertita da una forma all’altra, la quantità totale di energiadi un sistema solare non varia nel tempo, ovvero il suo valore rimane costante nel tempo. O se vogliamo usare le parole di Richard Feynman:
“Esiste una proprietà, o se preferite una legge, che governa tutti i fenomeni naturali conosciuti fino ad oggi. Non si conosce eccezione a questa legge : essa è esatta nel limite delle nostre conoscenze. La legge è chiamata conservazione dell’energia. Essa stabilisce che vi è una certa quantità, che chiamiamo energia, che non cambia nei molteplici mutamenti subiti dalla natura. Il concetto è astratto, poiché si tratta di un principio matematico; esso afferma che esiste una quantità numerica che non cambia qualsiasi cosa accada. Non è la descrizione di un meccanismo o di un fenomeno concreto, è soltanto il fatto singolare di poter calcolare un numero e dopo aver osservato i mutamenti capricciosi della natura, ricalcolarlo ottenendo sempre lo stesso risultato. (Qualcosa di simile al movimento di un alfiere sui quadrati rossi della scacchiera, qualunque sia il numero delle mosse – ignoriamo i dettagli – esso si trova sempre sul rosso. E’ una legge di questo tipo.)” Richard Feynman – La Fisica di Feynman, vol. I
Bisogna poi aggiungere che non solo l’energia non può essere tirata fuori dal nulla, ma presenta anche dei limiti nelle sue trasformazioni. Il Secondo Principio della Termodinamica (Il Primo principio non è altro che la conservazione dell’energia) ci insegna infatti che mentre è possibile convertire lavoro (che è chiamato anche energia “nobile” perché organizzata e preziosa) completamente in calore (al contrario dell’energia “vile” perché di seconda specie), in pratica, è impossibile convertire calore completamente in lavoro senza produrre delle modifiche nell’ambiente circostante. Se ciò fosse possibile infatti, potremmo sottrarre calore da un corpo freddo e comunicarlo a uno caldo senza spendere niente in termini energetici; potremmo per esempio creare un frigorifero che non richiede energia elettrica e che quindi conserva “da sé” i nostri cibi giorno per giorno, senza doverci preoccupare di pagare la bolletta a fine mese e mandando in bancarotta l’azienda fornitrice! Purtroppo ciò non accade e non potrà mai accadere, poiché è la natura stessa a impedircelo. Il secondo principio della termodinamica, stabilisce quali processi possano o non possano avvenire in natura. Di tutti i processi permessi dal primo principio, solo certi tipi di trasformazioni di energia possono avere luogo e sono quelli che rispettano il secondo principio.
Prendiamo ad esempio una tradizionale centrale a vapore che utilizza come energia primaria, ovvero come fonte di calore da cui ricavare successivamente lavoro utile (energia elettrica), quella derivante dalla combustione del carbone. Questa energia viene utilizzata per trasformare acqua in vapore ad elevatissime pressioni, il quale viene poi diretto sulle pale di una turbina trasferendo ad esse la sua quantità di moto e mettendo così in rotazione la turbina. Infine, l’energia meccanica associata a questa rotazione è usata per azionare un generatore di corrente. Se fosse possibile trasformare illimitatamente e completamente calore in lavoro, tutta l’energia termica ottenuta dal carbone verrebbe convertita in energia elettrica! In questo mondo ipotetico e perfetto, quindi, le macchine avrebbero un rendimento del 100%.
Invece questo non accade non solo perché non siamo in grado di farlo, ma anche perché non è possibile farlo.
Infatti questa limitazione al rendimento di una qualsiasi macchina termica non deriva soltanto da difficoltà tecniche rimediabili, da tecnologie obsolete e neppure dal fatto che è impossibile isolare termicamente una macchina rispetto all’ambiente; anche nelle migliori delle ipotesi ci sarebbe sempre a priori la natura a metterci i bastoni fra le ruote attraverso fenomeni di irreversibilità; la trattazione di tali fenomeni richiede tuttavia l’introduzione di una grandezza chiamata entropia la quale è ancora più complicata da intuire e che comunque esula dall’argomento principale di questo articolo. Possiamo però dire brevemente che l’entropia di un sistema isolato, al contrario dell’energia, necessariamente cresce oppure rimane costante nel tempo, ed è proprio il suo incremento che causa, fra le altre cose, l’impossibilità di raggiungere rendimenti unitari.
Ritornando alla centrale a carbone, allo stato attuale si ottengono al massimo rendimenti del 40-45%. Ciò significa sostanzialmente che un buon 60% dell’energia spesa viene irrimediabilmente persa, in parte per impefezioni nelle macchine e in parte per le limitazioni del secondo principio della termodinamica.
Non sarà quindi mai possibile, ahimè per il genere umano, né produrre energia dal nulla né sfruttare al 100% una fonte di energia.
Sappiamo però per certo che se un giorno bussasse alla nostra porta qualcuno che volesse venderci la sua ultima scoperta, per esempio una macchina capace in qualche oscuro modo di erogare più potenza di quella fornita dalla sua batteria, dopo averlo paziententemente ascoltato lo condurremmo con cortesia verso l’uscita.“L’ignoranza è il miglior terreno per i truffatori di ogni razza” (Leonardo Maugeri – Con tutta l’energia possibile).
di Corinne Nsangwe Businge
