Che cosa è l energia?

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1 Che cosa è l energia? Noi viviamo la nostra quotidianità in continuo e stretto contatto con l energia. Utilizziamo energia per riscaldare e illuminare la casa, per produrre e trasportare beni. Ciascuna delle nostre attività è collegata all uso di energia. Energia viene prodotta, trasformata, trasportata, accumulata e consumata. Senza energia va niente va e niente si muove, ma sappiamo dire esattamente che cosa è l energia? Nella vita quotidiana incontriamo varie forme d energia: il calore del fuoco, la luce del sole, il movimento del vento. L energia è però invisibile, non si può vederla, udirla, assaggiarla o toccarla. Quando vediamo un fulmine o sudiamo nella sauna, avvertiamo solo gli effetti dell energia. L energia vera e propria rimane nascosta e si rivela solo attraverso questi fenomeni. Che cosa è dunque l energia? Dell energia si occupa la scienza della fisica, ma non è un corpo o una sostanza. Dal punto di vista della fisica l energia è una capacità, la capacità di compiere lavoro che viene sfruttata sotto forma di forza motrice, calore o luce. Si distinguono varie forme di energia: meccanica (cinetica o potenziale), termica, elettrica, chimica, nucleare e così via. Quando mettiamo in moto un auto, il motore compie un lavoro meccanico. Nel cilindro del motore avviene la combustione di una miscela di benzina e di aria sviluppando un gas. Il gas in espansione esercita una pressione che spinge il pistone e questo mette in movimento altri componenti del motore e, infine, l intero veicolo. Si tratta quindi di una trasformazione di energia chimica (benzina) in energia meccanica, detta anche energia cinetica. Il calore (energia termica) è il movimento caotico delle particelle molecolari dei corpi. La quantità di energia termica contenuta in un corpo è indicata dalla sua temperatura. Più è alta la temperatura, più è elevato il contenuto di energia. L elettricità è invece una corrente lineare creata da particelle cariche d energia e la luce è una radiazione elettromagnetica che si propaga sotto forma di onde. La luce solare viene generata per fusione nucleare all interno dell astro e irradiata nell universo. In Europa, un metro quadrato di terra riceve ogni anno una quantità di energia di circa 1000 kwh. La radiazione solare può essere utilizzata per produrre calore o energia elettrica. Gli impianti solari termici, con l ausilio di assorbitori, trasformano la radiazione solare in calore utilizzato per riscaldare acqua o abitazioni. La produzione di energia elettrica dalla radiazione solare richiede l uso di celle fotovoltaiche. Queste celle sono costruite con materiali, detti semiconduttori, normalmente ottenuti dal silicio. I fotoni (luce), che penetrano nelle celle, liberano degli elettroni e così si forma una corrente elettrica. 1

2 L energia chimica e l energia nucleare, prima di poterle utilizzare, devono essere trasformate in energia meccanica, termica o elettrica. Le singole forme di energia, non tutte però, possono essere convertite in altre forme. Un motore a combustione interna trasforma energia chimica in energia meccanica e una cella fotovoltaica trasforma la luce del sole in energia elettrica. L energia non si può né produrre, né consumare, ma solo convertire. La quantità di energia rimane sempre la stessa, ma non tutta l energia che risulta da una trasformazione è utilizzabile. Ciò che chiamiamo consumo di energia è solamente una svalutazione dell energia. Ogni trasformazione e ogni trasporto riduce l utilizzabilità dell energia. Con una caldaia trasformiamo l energia chimica contenuta nel gas metano o nel gasolio in calore e con questo riscaldiamo la casa e l acqua. Quando il calore ha riscaldato la casa, non è più utile, è stato svalutato o, come comunemente diciamo, consumato. Energie rinnovabili Molte fonti energetiche presenti sulla Terra non sono altro che energia solare conservata. Il carbone si è creato nel corso di alcuni milioni di anni dai resti di piante e foreste sommerse. Il petrolio e il gas naturale si sono formati dalla decomposizione di microrganismi degli oceani di una volta. Queste fonti (fossili) non possono essere considerate rinnovabili, perché si sono generate in ere geologiche. Quando sono state bruciate non sono più disponibili, non si rigenerano e pertanto sono consumate e perdute. Le energie rinnovabili invece sono quasi inesauribili, perché il sistema Terra riceve permanentemente nuova energia sotto la forma di radiazione solare. L energia solare genera anche il vento e il movimento delle acque (energia eolica e idrica) e fa crescere le piante (biomassa). Visto che la vita del sole durerà circa altri 5 miliardi di anni, anche queste fonti saranno disponibili ancora a lungo. La fonte originaria dell energia idraulica è l energia solare che genera il ciclo delle acque. L irradiazione del sole fa evaporare le acque superficiali, il vapore forma le nuvole e sotto forma di pioggia l acqua torna sulla superficie terrestre. Nelle centrali idroelettriche l energia cinetica dell acqua viene trasformata in energia elettrica. Anche il vento deriva dall energia solare. Il sole riscalda la superficie terrestre e l aria sovrastante. Si generano così zone di alta e di bassa pressione. Il vento è nient altro che l aria che si sposta da una zona di alta ad una di bassa pressione. All origine della biomassa sta la fotosintesi delle piante, di alcuni microrganismi e di batteri che producono glucosio a partire da acqua e biossido di carbonio (CO2) in presenza di energia solare. Bruciando biomassa si libera il CO2 che viene poi assorbito da altre piante. Non di origine solare sono il calore dell interno della Terra (energia geotermica), l energia nucleare e l energia delle maree. 2

3 Accumulo e trasporto dell energia L energia può essere immagazzinata e anche trasportata. Trasportatori di energia sono le materie in grado di accumularla. L immagazzinamento rende l energia trasportabile e disponibile. Per esempio, l energia elettrica può essere immagazzinata in batterie o accumulatori (energia chimica). L accumulo dell energia consente il suo uso in telefoni cellulari, PC portatili ecc. L energia elettrica può essere anche immagazzinata in un altro modo. Molte centrali idroelettriche possiedono due bacini d acqua, uno posto in alto e uno in basso. Nei periodi di poca richiesta, l energia elettrica viene utilizzata per pompare l acqua dal bacino inferiore a quello superiore e così l acqua può essere utilizzata un altra volta per produrre corrente elettrica Il calore si deve invece immagazzinarlo in altra maniera, per esempio in acqua o in materiali pesanti (pietre) che sono ottimi accumulatori. Il calore ottenuto da un collettore solare viene normalmente immagazzinato nell acqua, così si ha acqua calda anche quando non c è sole. Il calore contenuto in un accumulatore si disperde rapidamente nell ambiente circostante e per questo motivo gli accumulatori di calore vengono rivestiti con un isolamento termico che impedisce il loro rapido raffreddamento. Gli accumulatori di questo genere sono detti sensibili perché l accumulo di calore si fa sentire tramite l aumento della temperatura, ciò che non avviene negli accumulatori latenti che sfruttano il fenomeno della transizione di fase di certi materiali. Uno di questi materiali è la paraffina. Un accumulatore latente, che, raggiunta una certa temperatura, comincia fondersi e, anche aggiungendo altro calore, non aumenta più la sua temperatura fino alla totale fusione del materiale. Il vantaggio degli accumulatori latenti consiste nel fatto che, nello stesso volume, può essere accumulato il doppio di energia rispetto agli accumulatori sensibili. A questo proposito si parla di densità energetica. Foto: Viessmann L acqua è l accumulatore preferito: non è tossica, è chimicamente stabile e possiede un elevata capacità termica. Il serbatoio d acqua calda deve avere un efficace isolamento termico. La capacità di accumulare calore può essere illustrata con l esempio dell acqua. Per trasformare ghiaccio di 0 C in acqua della stessa temperatura bisogna fornire la stessa quantità di calore che occorre per riscaldare l acqua da 0 C a 80 C. Ancora più energia richiede la transizione di fase da acqua a vapore. In questo caso occorre una quantità di energia 5,4 volte maggiore di quella che occorre per riscaldare acqua da 0 C a 100 C. Riscaldando il ghiaccio fino al punto in cui si trasforma in vapore, solo il 14% dell energia impiegata viene accumulata come calore sensibile, il 76% come calore latente. 3

4 Trasformazione dell energia L energia usata dal consumatore è detta energia finale che può essere carbone, gas metano, gasolio, benzina o elettricità. L energia finale è il risultato della trasformazione di energia primaria. Le raffinerie trasformano il petrolio, il greggio, in gasolio, benzina e altri derivati e le centrali elettriche trasformano carbone, gasolio e gas naturale in corrente elettrica. Per essere utile al consumatore, l energia primaria deve essere quasi sempre trasformata. L energia finale è quella direttamente utilizzabile, come per esempio la benzina o la corrente elettrica, e deriva dalla trasformazione di energia primaria. La benzina è un derivato del petrolio e la corrente elettrica deriva da centrali che la generano sfruttando carbone, petrolio, gas naturale o energia idraulica e geotermica. Durante la trasformazione e il trasporto dell energia, una parte di quella iniziale va persa. Per esempio, per produrre 1 kwh di corrente elettrica occorrono circa 3 kwh di energia primaria (carbone, gasolio, metano). L energia finale elettrica è cara e di alta qualità, ma anche inquinante se prodotta da fonti fossili. Molta energia elettrica serve per l illuminazione. Le lampade convenzionali trasformano solo il 5% dell energia elettrica in luce. Ciò significa che la luce artificiale usata corrisponde solamente al 2-4% dell energia primaria, il resto è andato perso sotto forma di calore. Nessuna macchina funziona senza perdite d energia; ciò vuol dire che una macchina assorbe più energia di quella utile che fornisce. Una parte delle perdite è inevitabile, ma la maggior parte è causata da effetti indesiderati quali attrito e resistenza elettrica dai quali risulta calore. L obiettivo della ricerca energetica è pertanto quello di sviluppare tecnologie che forniscono, come risultato, lo stesso servizio con un minore impiego di energia. L efficienza della trasformazione energetica viene indicata dal rendimento che descrive il rapporto tra energia utile ed energia impiegata. Il rendimento è sempre inferiore a 1. Un motore elettrico trasforma la corrente elettrica non solo in energia meccanica utile, ma una piccola parte anche in calore: il motore si riscalda. Per esempio, i grandi motori elettrici hanno un rendimento tra 0,7 e 0,95. Svalutazione dell energia Solo la trasformazione di energia rende la Terra vivibile. La luce solare alimenta la fotosintesi alla quale dobbiamo la crescita delle piante (biomassa) e, infine, il petrolio, il gas naturale e il carbone. Bruciando l energia chimica, accumulata nella legna e nel gas naturale, essa si trasforma in calore (energia termica) utile per il riscaldamento delle case. Riscaldando una casa non si consuma energia. Si ha però ugualmente una perdita di energia, perché la trasformazione dell energia chimica non è completa, anche per il fatto che un edificio non accumula a lungo il calore, ma lo cede, più o meno in maniera rapida, all ambiente freddo; la rapidità dipende dall isolamento termico dell edificio. Il calore è andato perso; l energia è stata svalutata, cioè consumata. I moderni edifici possiedono un efficace isolamento termico che rallenta il deflusso del calore. Un edificio a basso consumo energetico consuma meno di 7 litri di gasolio al metro quadrato di superficie riscaldata e un edificio passivo ne consuma solamente 1,5 litri. Per fare un confronto: il riscaldamento di una casa senza isolamento termico richiede più di 20 litri gasolio al metro quadrato e anno. 4

5 Anche l efficienza energetica dei vecchi edifici può essere migliorata tramite l isolamento delle pareti esterne, la sostituzione dei vetri con altri termoisolanti e una caldaia più efficiente (per esempio a condensazione). Tramite questi accorgimenti si risparmia energia senza rinunciare al comfort, al contrario: le superfici interne delle pareti esterne sono più calde anche in inverno. Un edificio a basso consumo energetico richiede solo un quarto dell energia che occorre per riscaldare un edificio convenzionale. Energia e ordine Viaggiare nel tempo è una cosa fantastica e molti romanzi fantascientifici si occupano di questo argomento. Per molto tempo la fisica non è stata in grado di dimostrare l impossibilità di questi viaggi. Stando alla meccanica ideata da Isaak Newton, il tempo non ha nessuna direzione e quindi tutti i processi sono reversibili e viaggiare nel tempo poteva essere possibile. Il secondo enunciato della termodinamica, riconducibile a Rudolf Clausius, ha posto fine a questo sogno e ha dato ai processi della natura una direzione. L enunciato dice che il trasferimento di calore avviene sempre da un corpo più caldo ad uno più freddo, e mai nella direzione opposta. Non è possibile estrarre calore da un corpo più freddo e conferirlo ad uno più caldo. L enunciato esclude categoricamente la possibilità di costruire un perpetuum mobile, una macchina che lavora senza fornire sempre nuova energia. Clausius aveva inoltre notato che il lavoro meccanico può essere completamente trasformato in calore, ma non calore in lavoro meccanico. La trasformazione dei due processi di differente direzione non ha la stessa valenza. Dal punto di vista della statistica, l entropia è una misura del disordine. Due sfere in ciascuna delle quali si trova un gas sono collegate da un tubo. Aprendo la valvola i due gas si mischiano. Il processo è irreversibile. Finora nessuno ha potuto osservare che i due gas si separano spontaneamente. Il termine centrale di questa tendenza è l entropia che, in un sistema chiuso, può solo aumentare. L entropia può essere immaginata come una misura del disordine di un sistema. Il principio dell entropia vale anche per la trasformazione dell energia. L energia ben ordinata (meccanica) può essere totalmente trasformata in energia meno ordinata (calore), ma la trasformazione nella direzione opposta funziona solo parzialmente. Il calore (forma disordinata) è solo in parte trasformabile in energia elettrica (forma ordinata) e pertanto l energia contenuta nel carbone non può essere mai completamente trasformata in corrente elettrica. Il secondo enunciato della termodinamica descrive quindi il fatto che le direzioni della trasformazione energetica non hanno la stessa valenza. La porzione dell energia che può essere trasformata in una forma energetica più ordinata è detta exergia. L energia nella storia Il termine energia, nel senso moderno scientifico, è stato coniato solo nell Ottocento. L inglese Thomas Young aveva proposto, già nel 1802, di chiamare energy la capacità delle macchine di compiere un lavoro. La definizione più generale come 5

6 capacità di compiere lavoro è stata poi proposta dal francese Jean. V. Poncelet nel 1829, ma solo in riferimento all energia meccanica. La parola energia risale però al greco energeia, una parola che appare per la prima volta negli scritti di Aristotele ( a.c.) ed indica lo spirito divino o la forza che tramuta il possibile in realtà. Il concetto della termodinamica, formatosi nell Ottocento, è invece di natura materialistica e si è sviluppato insieme alla costruzione e all uso delle macchine a vapore. La scoperta che il calore è una forma di energia ha soppiantato il precedente concetto che il calore sia un fluido chiamato allora calorico. Nel 1847, Hermann Helmholtz formulò il primo enunciato della termodinamica: l energia non può essere né prodotta, né distrutta, ma solo trasformata. Una particolare interpretazione venne data all energia dalla teoria della relatività di Albert Einstein ( ). La famosa formula di Einstein E = m c 2 stabilisce un diretto rapporto tra energia e materia. L energia contenuta in un corpo è uguale alla sua massa (m) moltiplicata con il quadrato della velocità della luce (c). Da allora, materia ed energia sono considerate le due facce della stessa moneta. Forse la creazione dell universo è nient altro che la condensazione di energia, la sua trasformazione in materia. Foto: NASA Quando le stelle muoiono generano spesso immense nuvole di gas Anche il termine entropia, che impone ai processi fisici una direzione, ha dato spunto a molte speculazioni. L entropia può essere interpretata come la misura in cui un sistema si evolve da uno stato ordinato in uno disordinato. Poiché in un sistema chiuso (universo), l entropia (disordine) aumenta continuamente, per l universo si prevede una morte termica. In un universo in espansione la temperatura diminuisce continuamente. L energia concentrata nelle stelle e nei pianeti evapora formando, alla fine, una disordinata zuppa. MiniWatt.it Un servizio d informazione di ASSA sull efficienza energetica, edifici a basso consumo energetico, edifici passivi e risparmio energetico Il bollettino MiniWatt.it che esce mensilmente è riservato ai soci ASSA e distribuito via . Per aderire a ASSA rivolgersi a: info@assa-cee.org ASSA Via Spinosa, 4/C Porto Mantovano (MN) tel.: fax: info@assa-cee.org 6