L’energia termica è una delle forme di energia più diffuse e utilizzate nella vita quotidiana e nei processi industriali.
Dalla produzione di energia elettrica al riscaldamento domestico, questa forma di energia gioca un ruolo fondamentale nella transizione ecologica e nella riduzione dell’impatto ambientale dei sistemi energetici.
Che cos’è l’energia termica
In fisica, l’energia termica è la forma di energia posseduta da qualsiasi corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto (−273,15 °C o 0 Kelvin). Si tratta dell’energia generata dal movimento casuale e incessante delle molecole e degli atomi che costituiscono un sistema.
A livello microscopico, l’energia termica rappresenta la somma dell’energia cinetica di tutte le particelle presenti in un corpo. Quando la temperatura di un oggetto aumenta, le sue molecole si muovono più rapidamente, incrementando l’energia cinetica media e quindi l’energia termica complessiva del sistema. Nei solidi, le molecole oscillano attorno a posizioni di equilibrio; nei liquidi e nei gas, il movimento è più libero e caotico.
È importante distinguere l’energia termica dal calore: mentre l’energia termica è una proprietà intrinseca del corpo, il calore rappresenta il trasferimento di energia termica tra due sistemi a temperature diverse. Il calore fluisce spontaneamente dal corpo più caldo verso quello più freddo fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.
Caratteristiche e concetti correlati
L’energia termica presenta diverse caratteristiche fondamentali che la distinguono da altre forme di energia.
- Energia degradata – Secondo il secondo principio della termodinamica, l’energia termica è considerata una forma di “energia degradata”. Questo significa che non tutta l’energia termica può essere convertita in energia meccanica o elettrica, mentre tutte le altre forme di energia tendono spontaneamente a trasformarsi in energia termica. L’energia meccanica si converte in energia termica attraverso l’attrito, l’energia elettrica attraverso la dissipazione resistiva (effetto Joule), l’energia elettromagnetica tramite l’assorbimento della radiazione.
- Temperatura ed energia interna – La temperatura è strettamente correlata all’energia termica ma non coincide con essa. La temperatura misura l’energia cinetica media delle particelle, mentre l’energia termica dipende anche dalla massa del corpo. Due oggetti possono avere la stessa temperatura ma energia termica differente se hanno masse diverse.
- Capacità termica e calore specifico – La capacità termica (C) indica la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un corpo di 1 K, mentre il calore specifico (c) rappresenta la quantità di calore necessaria per aumentare di 1 K la temperatura di 1 kg di una sostanza. Queste proprietà variano da materiale a materiale: l’acqua, ad esempio, ha un calore specifico molto elevato (4.186 J/kg·K), il che spiega perché serve molta energia per scaldarla e perché mantiene a lungo il calore accumulato.
- Irreversibilità – I processi che coinvolgono trasferimenti di energia termica sono generalmente irreversibili. L’energia termica tende a disperdersi nell’ambiente e non può essere recuperata completamente per compiere lavoro utile, a causa dell’aumento dell’entropia del sistema.
Produzione e fonti dell’energia termica
L’energia termica può essere prodotta attraverso diversi processi e da molteplici fonti, sia naturali che artificiali.
- Reazioni di combustione – La combustione di combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale) o biomasse produce grandi quantità di energia termica. Questo è il metodo più utilizzato storicamente, anche se altamente impattante dal punto di vista delle emissioni di CO2. Le centrali termoelettriche tradizionali si basano proprio su questo principio.
- Reazioni nucleari – Le centrali nucleari sfruttano il calore generato dalla fissione nucleare per produrre vapore ad alta pressione. Sebbene non producano emissioni di gas serra durante il funzionamento, presentano problematiche legate alla gestione delle scorie radioattive e alla sicurezza.
- Effetto Joule – Il passaggio di corrente elettrica attraverso un conduttore con resistenza genera calore per dissipazione resistiva. Questo fenomeno è alla base del funzionamento di stufe elettriche, scaldabagni, forni elettrici, asciugacapelli e numerosi elettrodomestici.
- Fonti naturali rinnovabili – Il Sole rappresenta la fonte primaria di energia termica attraverso la radiazione solare. L’energia solare termica viene sfruttata per il riscaldamento di fluidi in applicazioni domestiche e industriali. Un’altra fonte naturale è l’energia geotermica, che sfrutta il calore proveniente dal sottosuolo e dalla crosta terrestre.
- Energie rinnovabili – Le moderne tecnologie permettono di produrre energia termica anche da energie rinnovabili come le biomasse, che rappresentano un’alternativa più sostenibile ai combustibili fossili tradizionali, contribuendo alla decarbonizzazione del sistema energetico.
Trasferimenti di energia termica
L’energia termica si trasferisce da un corpo all’altro attraverso tre meccanismi fondamentali, che possono agire singolarmente o contemporaneamente.
- Conduzione – È il trasferimento di energia termica attraverso il contatto diretto tra molecole di sostanze solide, liquide o gassose. Quando si riscalda un’estremità di una sbarra metallica, il calore si propaga verso l’altra estremità per conduzione. I materiali con alta conducibilità termica (come i metalli) trasferiscono rapidamente il calore, mentre gli isolanti termici (come legno, plastica, lana) lo trasferiscono lentamente.
- Convezione – Avviene nei fluidi (liquidi e gas) quando porzioni di fluido a temperature diverse si muovono, trasportando con sé l’energia termica. La convezione naturale è causata dalle differenze di densità dovute alle variazioni di temperatura: l’aria calda sale perché meno densa, mentre quella fredda scende. Questo principio è alla base del funzionamento dei termosifoni e dei sistemi di riscaldamento. La convezione forzata utilizza ventilatori o pompe per accelerare il processo.
- Irraggiamento – È il trasferimento di energia termica attraverso onde elettromagnetiche (radiazione termica), che può avvenire anche nel vuoto senza necessità di un mezzo materiale. Il Sole riscalda la Terra per irraggiamento, e anche un caminetto acceso emette calore per radiazione. Tutti i corpi con temperatura superiore allo zero assoluto emettono radiazione termica, con intensità proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta (legge di Stefan-Boltzmann).
Formula e calcolo dell’energia termica
Il calcolo dell’energia termica scambiata durante una variazione di temperatura si basa sulla formula fondamentale della calorimetria:
Q = m × c × ΔT
Dove:
- Q è la quantità di calore scambiata, misurata in Joule (J) nel Sistema Internazionale
- m è la massa del corpo, espressa in chilogrammi (kg)
- c è il calore specifico della sostanza, espresso in J/(kg·K)
- ΔT è la variazione di temperatura, calcolata come temperatura finale meno temperatura iniziale (Tf − Ti), espressa in Kelvin (K) o gradi Celsius (°C)
- Interpretazione della formula – La formula indica che la quantità di calore necessaria per variare la temperatura di un corpo è direttamente proporzionale alla sua massa, al calore specifico del materiale e alla variazione di temperatura desiderata. Se Q è positivo, il corpo assorbe calore e la temperatura aumenta; se Q è negativo, il corpo cede calore e la temperatura diminuisce.
- Capacità termica – Un’altra grandezza utile è la capacità termica C = m × c, che permette di riscrivere la formula come Q = C × ΔT. La capacità termica indica quanto calore serve per aumentare di 1 K la temperatura di un corpo specifico.
- Unità di misura alternative – Oltre al Joule, un’unità di misura del calore ancora utilizzata è la caloria (cal), definita come la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 °C la temperatura di 1 grammo di acqua. La relazione tra le due unità è: 1 cal = 4,186 J. La kilocaloria (kcal), usata per indicare il valore energetico degli alimenti, vale 1.000 calorie.
Esempi di calcolo – Per riscaldare 2 kg di acqua da 20 °C a 100 °C serve: Q = 2 kg × 4.186 J/(kg·K) × 80 K = 669.760 J ≈ 670 kJ. Per riscaldare 0,5 kg di ferro (calore specifico 450 J/(kg·K)) di 50 °C serve: Q = 0,5 × 450 × 50 = 11.250 J ≈ 11,3 kJ.
| Materiale | Calore specifico (c) | Cosa significa in pratica |
|---|---|---|
| Acqua | 4.186 J/(kg·K) | Richiede molta energia per scaldarsi, mantiene a lungo il calore. Ideale per accumulo termico |
| Legno | ~1.700 J/(kg·K) | Alta capacità termica, buon isolante naturale |
| Aria | 1.005 J/(kg·K) | Bassa capacità, ma ottima per isolamento termico (intercapedini) |
| Alluminio | 897 J/(kg·K) | Si scalda velocemente, usato in pentole e dissipatori di calore |
| Cemento | 880 J/(kg·K) | Buon accumulo termico, importante in edilizia sostenibile |
| Vetro | 840 J/(kg·K) | Moderata capacità termica, usato in finestre isolanti |
| Ferro/Acciaio | 450 J/(kg·K) | Si riscalda rapidamente, perfetto per piastre e strutture |
| Rame | 385 J/(kg·K) | Ottimo conduttore, si scalda facilmente. Usato in tubature e scambiatori |
Utilizzi principali dell’energia termica
L’energia termica trova innumerevoli applicazioni nella vita quotidiana e nei processi industriali.
- Produzione di energia elettrica – Le centrali termoelettriche convertono energia termica in energia elettrica. Il calore prodotto dalla combustione o da reazioni nucleari trasforma l’acqua in vapore ad alta pressione, che aziona turbine collegate ad alternatori. Anche le centrali solari termodinamiche utilizzano questo principio, concentrando la radiazione solare per generare vapore. Le centrali geotermiche sfruttano il calore naturale del sottosuolo per lo stesso scopo.
- Riscaldamento e climatizzazione – Il riscaldamento domestico e industriale rappresenta uno dei principali utilizzi dell’energia termica. Caldaie, stufe, termosifoni e sistemi di riscaldamento a pavimento forniscono comfort abitativo. L’efficientamento energetico degli edifici passa anche attraverso l’ottimizzazione dei sistemi di riscaldamento e la riduzione delle dispersioni termiche.
- Processi industriali – Numerosi settori industriali richiedono energia termica: lavorazione dei metalli (forgiatura, fusione, trattamenti termici), industria chimica (reazioni che richiedono calore), industria alimentare (cottura, pastorizzazione, sterilizzazione), produzione di cemento, carta e vetro. Questi settori sono considerati “hard to abate” perché difficili da decarbonizzare.
- Cottura degli alimenti – Forni, fornelli, microonde e altri dispositivi di cottura utilizzano energia termica per preparare i cibi, modificandone le proprietà chimiche e fisiche attraverso il calore.
- Macchine termiche – I motori a combustione interna delle automobili convertono l’energia termica prodotta dalla combustione del carburante in energia meccanica per il movimento. Anche turbine a gas e motori a vapore sono macchine termiche che sfruttano l’espansione di fluidi riscaldati per produrre lavoro meccanico.
- Teleriscaldamento – Sistemi di teleriscaldamento distribuiscono energia termica da una centrale di produzione agli edifici attraverso reti di tubazioni con acqua calda o vapore, ottimizzando l’efficienza energetica a livello urbano.
Esempi e applicazioni nella sostenibilità
Nel contesto della sostenibilità ambientale, l’energia termica gioca un ruolo cruciale nella transizione ecologica verso sistemi energetici a basse emissioni.
- Solare termico – I pannelli solari termici catturano la radiazione solare per riscaldare acqua destinata a uso sanitario o al riscaldamento degli ambienti. Questa tecnologia riduce significativamente il consumo di combustibili fossili e le relative emissioni di CO2. Gli impianti solari termici a concentrazione utilizzano specchi per concentrare la luce solare su un punto focale, raggiungendo temperature elevate per produrre energia elettrica.
- Geotermia – Lo sfruttamento dell’energia geotermica permette di produrre calore ed elettricità con emissioni minime. Le pompe di calore geotermiche sfruttano la temperatura costante del sottosuolo per riscaldare o raffrescare gli edifici con elevata efficienza energetica.
- Cogenerazione – Gli impianti di cogenerazione producono simultaneamente energia elettrica ed energia termica dalla stessa fonte primaria, raggiungendo efficienze complessive superiori all’80%. Il calore di scarto dalla produzione elettrica viene recuperato per riscaldamento o processi industriali, riducendo gli sprechi energetici.
- Accumulo termico – I sistemi di accumulo di energia termica permettono di immagazzinare il calore quando è disponibile (ad esempio durante il giorno con il solare termico) per utilizzarlo successivamente. Questo migliora l’integrazione delle energie rinnovabili nella rete energetica.
- Efficienza negli edifici – L’isolamento termico degli edifici riduce le dispersioni di calore, diminuendo il fabbisogno energetico per il riscaldamento. Questo intervento è fondamentale nell’efficientamento energetico aziendale e residenziale, contribuendo agli obiettivi di riduzione delle emissioni.
- Biomasse sostenibili – L’utilizzo di biomasse da fonti gestite in modo sostenibile (scarti agricoli, forestali, rifiuti organici) per produrre energia termica rappresenta un’alternativa rinnovabile ai combustibili fossili, purché la combustione avvenga in impianti ad alta efficienza con sistemi di abbattimento delle emissioni inquinanti.
Comprendere i principi dell’energia termica e le sue applicazioni è essenziale per sviluppare strategie efficaci di sostenibilità e decarbonizzazione, contribuendo agli obiettivi di sviluppo sostenibile e alla lotta ai cambiamenti climatici.