Gli atomi e le molecole che compongono una sostanza sono in costante movimento. Questo movimento è ciò che dà a un materiale la sua temperatura: più le molecole si muovono, più alta è la temperatura. L’energia termica è semplicemente l’energia posseduta da una sostanza a causa del movimento dei suoi atomi o molecole. È importante non confonderlo con il calore, che è energia che viene trasferita da un luogo all’altro. L’energia termica è stata a lungo sfruttata dall’uomo per cucinare, riscaldare, produrre energia e nell’industria.
Radiazione, conduzione e convezione
Il calore è definito come energia che viene trasferita da una regione all’altra, fluendo sempre da una zona a temperatura più alta a una zona a temperatura più bassa. Può essere trasferito tramite radiazione infrarossa, una forma di radiazione elettromagnetica con una gamma di lunghezze d’onda che si trovano tra le onde radio e la luce visibile. Questo interagisce con la materia per far sì che le molecole si muovano a velocità maggiori, il che è visto come un aumento della temperatura: il materiale diventa caldo o caldo, perché l’energia è stata trasferita dalla sorgente della radiazione al materiale che la assorbe. Ad esempio, se un oggetto viene tenuto vicino a una fiamma, diventa caldo a causa della radiazione infrarossa della fiamma.
Il trasferimento può avvenire anche con altre due modalità. Nella conduzione, il movimento delle molecole in una regione calda provoca un aumento del movimento nelle aree più fredde quando le molecole si scontrano l’una con l’altra. Ad esempio, se un cucchiaio di metallo viene tenuto in una fiamma, l’altra estremità del cucchiaio alla fine diventerà calda.
La convezione comporta il movimento di una regione di gas o liquido che è più calda dell’ambiente circostante. Ad esempio, il sole riscalda il terreno, che a sua volta riscalda l’aria, che poi si sposta verso l’alto, poiché l’aria calda è meno densa dell’aria più fresca sopra. È la convezione che guida i sistemi meteorologici del mondo, poiché l’aria calda dai tropici sale e fluisce verso l’esterno.
Energia Termica e Materia
L’energia termica può provocare un cambiamento nello stato della materia. Se le molecole in un solido aumentano sufficientemente il loro movimento, si scioglierà per diventare un liquido. Un ulteriore aumento farà bollire il liquido e diventerà un gas, sebbene anche i liquidi tendano ad evaporare a temperature ben al di sotto dei loro punti di ebollizione, poiché alcune molecole si muoveranno abbastanza velocemente da sfuggire al liquido. Poiché le molecole in un gas si muovono più rapidamente di quelle in un liquido, un gas ha più energia. Questo è il motivo per cui sudare raffredda le persone: quando il sudore evapora, toglie calore al corpo.
Sfruttare l’energia termica
L’uso dell’energia termica, direttamente o per generare elettricità, ha guidato la rivoluzione industriale. Ha permesso la produzione su larga scala di ferro e acciaio e ha prodotto il vapore per azionare le turbine utilizzate per generare elettricità. L’umanità è da tempo fortemente dipendente dalla combustione di combustibili fossili, come petrolio, carbone e gas naturale, come fonti di energia termica. Le preoccupazioni per l’inquinamento, il cambiamento climatico e la non rinnovabilità, tuttavia, hanno generato molto interesse per le alternative.
Una delle fonti sfruttate è l’energia geotermica. La Terra ha un nucleo fuso, che si pensa abbia una temperatura di 5,432-9,032°F (3,000-5,000°C). Questa temperatura elevata deriva in parte dal calore residuo della formazione della Terra, intrappolato sotto strati isolanti di roccia nella crosta, e in parte dal decadimento degli elementi radioattivi. Tra il nucleo e la crosta si trova il mantello, una regione calda e semiliquida che guida la tettonica delle placche e le eruzioni vulcaniche. Ci sono molti “punti caldi” sulla crosta terrestre dove questo calore è vicino alla superficie e può essere sfruttato in vari modi.
Il calore geotermico può essere utilizzato direttamente, per riscaldare le abitazioni o per generare elettricità. I geyser sono una fonte pronta di acqua calda, ma la maggior parte dei progetti geotermici prevede la perforazione di fori e il pompaggio di acqua al loro interno. L’acqua viene riscaldata sotto la superficie e pompata nuovamente per fornire energia. L’energia geotermica non è, in senso stretto, una fonte di energia rinnovabile, ma c’è un’enorme quantità di calore dal nucleo che non si esaurirà nel prossimo futuro.
Sebbene l’energia solare possa essere sfruttata per produrre elettricità direttamente attraverso i pannelli solari, un’altra area esplorata è quella del solare termico. Ciò comporta la cattura del calore dal sole per fornire energia o acqua calda. Questo può essere utilizzato per il riscaldamento centralizzato nelle abitazioni, dove l’acqua, o un altro fluido, viene pompata attraverso un contenitore che riceve la luce solare, aumentandone la temperatura. In alternativa, il calore del sole può essere utilizzato per azionare dispositivi meccanici che generano elettricità o può essere focalizzato da specchi convessi in modo tale da fornire calore per cucinare o per altri scopi. Questa idea può essere adottata anche su larga scala per far bollire l’acqua che aziona una turbina o per costruire un “forno solare” in grado di raggiungere le temperature estreme richieste per alcuni processi industriali.