L era delle grandi civiltà L età medioevale

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1 Capitolo I L ENERGIA L'energia è la capacità di un sistema fisico di compiere un lavoro. Esistono numerose forme in cui si presenta l'energia, ed è sempre possibile trasformare l'energia da una forma all'altra, ma tutte le trasformazioni energetiche sono regolate da due principi fisici fondamentali: - Primo principio della termodinamica: l'energia non si crea, non si distrugge ma può solo passare da una forma all'altra. - Secondo principio della termodinamica: ogni trasformazione dell'energia comporta una dissipazione di una quota di essa sotto forma di calore a bassa temperatura, non più utilizzabile. Tutte le trasformazioni possono essere classificate in due gruppi: - Le trasformazioni esoergoniche, che sviluppano energia - Le trasformazioni endoergoniche, che richiedono energia Per compiere un lavoro è indispensabile possedere un sistema in grado di sfruttare l'energia di una trasformazione esoergonica; questo vuol dire che per compiere un lavoro è sempre necessaria una fonte di energia. 1.1 STORIA DELL ENERGIA Da sempre l'uomo, per la sua stessa sopravvivenza, ha avuto bisogno di un'enorme quantità di energia. Questa, inizialmente, serviva solo a soddisfare le sue esigenze vitali, ma nel corso della storia i bisogni dell'uomo sono diventati sempre più numerosi e, di conseguenza, sono aumentate anche le richieste di energia per altri scopi: costruzione di case e strade, costruzione ed uso di mezzi di trasporto, illuminazione e riscaldamento dei luoghi in cui si vive, costruzione ed uso di macchine industriali e di mezzi di comunicazione. Preistoria Le fonti di energia utilizzate dall'uomo primitivo (esattamente nel Paleolitico) erano l'energia chimica degli alimenti, quella muscolare e quella del fuoco. L'invenzione più importante nelle storia dell'umanità è stata proprio la 17

2 scoperta del fuoco attraverso la combustione del legno. L'utilità del fuoco si esprimeva come mezzo di riscaldamento, di difesa e di illuminazione. Nel corso dell'evoluzione l'uomo ha continuato a sviluppare le tecniche della combustione imparando a cuocere l'argilla e fondere i metalli, producendo utensili sempre più sofisticati. Il legno rimaneva comunque la materia prima più utilizzata. Il fabbisogno energetico degli uomini primitivi fino a anni fa si limitava a poco più di quello necessario alla loro sopravvivenza. Nel periodo successivo (Neolitico), l'uomo imparò ad utilizzare la forza muscolare degli animali riuscendo a sottometterli alla propria volontà pur non sfruttando subito a pieno la loro energia, poiché solo nel Medioevo si scoprirono nuove tecniche (come ad esempio la bardatura) che permisero di sfruttare maggiormente la forza degli animali. L era delle grandi civiltà Per diversi secoli le fonti di energia utilizzate dall'uomo sono rimaste quasi sempre le stesse, legate alla scoperta del fuoco e alla capacità di sfruttare la forza muscolare umana ed animale. Le grandi civiltà (Assiro-Babilonese, Egiziana, Greca e Romana) raggiunsero un alto grado di sviluppo impiegando ampiamente l'energia muscolare degli schiavi e degli animali, ma senza ulteriori scoperte, dal punto di vista energetico, rispetto alle conoscenze dell'uomo primitivo. Per disporre di più importanti fonti di energia occorreva ricorrere alle immense forze che la natura metteva a disposizione: il vento e i corsi d'acqua. I primi mulini ad acqua si basavano su una ruota orizzontale, poi i Romani sperimentarono la ruota verticale che pur essendo più vantaggiosa, verrà utilizzata in modo più intenso e diffuso solo nell'ottocento. Più limitato fu l'uso del mulino a vento in quanto dipendente da una sorgente energetica non sempre disponibile. L età medioevale Con la caduta dell'impero Romano d'occidente e con le invasioni barbariche venne a mancare la manodopera degli schiavi. Questo diede luogo alla realizzazione di nuovi sistemi in grado di utilizzare con maggiore efficacia le risorse offerte dalla natura. 18

3 L'impiego degli animali, per girare ruote e macine, venne pian piano soppiantato dai mulini ad acqua ed a vento che, pur essendo invenzioni più antiche, cominciarono a diffondersi, in maniera più estesa, solo nel Medioevo. L'energia eolica in questo periodo rivestì enorme importanza nel campo della navigazione. Il Rinascimento Nel Rinascimento le condizioni di vita subirono un generale miglioramento dovuto all'incremento della produzione di beni che poté ottenersi grazie all'utilizzo di meccanismi più sofisticati creati dall'ingegno di Leonardo Da Vinci ( ) e da altri scienziati del Cinquecento e del Seicento. In questo periodo sulle rive dei fiumi si concentrarono, per soddisfare i loro bisogni d'acqua, le manifatture e si svilupparono grandi centri urbani. Per rifornire d'acqua le abitazioni vennero costruiti grandi impianti di pompaggio e distribuzione. Come fonti di calore si continuarono ad utilizzare soprattutto la legna e il carbone. La rivoluzione industriale Nel Settecento l'inghilterra era, in assoluto, il paese che vantava le maggiori ricchezze e il più alto progresso. Le numerose colonie, il controllo del commercio e dei trasporti internazionali e lo sviluppo di nuove attività, come le assicurazioni e le banche, le provvedevano grandi ricchezze. La grande disponibilità di ricchezze le consentì di sviluppare per prima l'industria. L'esigenza di sempre maggiori quantità di combustibile spinse l'uomo ad utilizzare le risorse non rinnovabili della terra (carbone, petrolio, ecc.), immagazzinate per milioni di anni nel sottosuolo e ritenute infinite. Sull'utilizzo di queste fonti di energia si è costruita la Rivoluzione industriale. Il lavoro dell'uomo venne sostituito con quello delle macchine: in questo modo venne utilizzata una nuova forza motrice, il vapore. La grande disponibilità di carbone, e quindi di energia, portò al decollo l'industria. 19

4 I settori più sviluppati furono l'industria tessile e siderurgica. Quest'ultima poté disporre di un nuovo combustibile, il carbon coke (carbone cotto derivato da un sistema di cottura del carbon fossile che lo rendeva più puro e quindi più utilizzabile), utilizzato negli altiforni per fondere i metalli. L età moderna Nella seconda metà dell'ottocento cominciò a diffondersi un'altra importante fonte energetica: l'elettricità. Questa era conosciuta sin dall'antichità, tuttavia furono solo le scoperte di Alessandro Volta ( che ideò il primo generatore in grado di erogare corrente elettrica per un tempo abbastanza lungo), di Oersted ( ) e di Faraday ( ) che permisero di realizzare prototipi degli attuali generatori elettrici. In seguito con l'invenzione della lampada elettrica di Edison ( ), si diffuse ampiamente la produzione e la distribuzione di energia elettrica per usi civili. La necessità di quantità sempre maggiori di energia e l'ideazione di un nuovo tipo di motore, ossia quello a scoppio, che sostituì quello a vapore, portarono allo sfruttamento industriale del petrolio. Come il carbone, anche il petrolio era noto sin dall'antichità, tuttavia non si era mai trovato il modo di utilizzarlo, se non per l'illuminazione. Il petrolio si impose così sul carbone per minori rischi e costi, per la facilità di trasporto e per il minore inquinamento ambientale. In più si scoprì il modo di estrarre dal petrolio numerosi carburanti per i motori delle automobili e molti altri distillati. Il gas naturale, ossia il metano, ha assunto importanza solo alla fine dell'ottocento; peraltro, fino alla crisi energetica del 1973, è stato poco commercializzato e usato solo dai paesi che ne disponevano in maggiori quantità. Una delle più recenti fonti di energia sfruttate dall'uomo è l'energia nucleare. Essa ha avuto origine nella prima metà del Novecento e sfrutta particolari reazioni chimiche per la produzione di energia. I primi a studiare tali fenomeni furono Pierre e Marie Curie (inizi del Novecento). In seguito, una svolta decisiva nel campo dell'energia atomica fu data dal fisico italiano Enrico Fermi. Egli, nel 1934, scoprì che l'uranio, bombardato con dei neutroni, dà origine ad energia, sotto forma di luce e calo- 20

5 re. Ideò così, un dispositivo denominato pila atomica in grado di sfruttare razionalmente tale particolare energia. L energia oggi Oggigiorno l'enorme quantità di energia elettrica necessaria allo svolgimento di tutte le attività della società moderna è prodotta per la maggior parte nelle centrali termoelettriche, bruciando petrolio, carbone o metano, ed in piccola parte da centrali idroelettriche o nucleari. In futuro i maggiori contributi dovrebbero arrivare dalle fonti alternative come l'energia eolica, solare-termico, solare-fotovoltaico e da biomassa. 1.2 LE DIVERSE FORME DI ENERGIA Energia meccanica L'energia potenziale dipende dall'altezza che un corpo ha dal suolo: se il corpo si muove verso il suolo, progressivamente l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica. Per esempio, l'acqua che si trova alla sommità di una cascata possiede energia potenziale; via via che l'acqua precipita, l'energia si trasforma da potenziale in cinetica (una parte, ovviamente, sarà dissipata sotto forma di calore). Questa energia può essere trasformata in energia elettrica mediante una turbina nelle centrali idroelettriche. L'energia cinetica posseduta dal vento può essere utilizzata direttamente nella navigazione a vela, ma anche per mettere in moto le pale di un mulino ed essere convertita in lavoro meccanico o in energia elettrica nelle centrali eoliche. L'energia cinetica posseduta dal vapore acqueo ad alta pressione (prodotto scaldando acqua grazie ad una combustione) può essere anch'essa utilizzata per azionare una turbina nelle centrali termoelettriche o sfruttata per azionare le macchine a vapore. Energia termica Se due corpi si trovano a temperature differenti, si verificherà un flusso di energia dal corpo a temperatura maggiore verso il corpo a temperatura minore. Questa energia è denominata energia termica, o calore. Essa può essere prodotta in grande quantità semplicemente attraverso 21

6 le combustioni, oppure per mezzo di reazioni nucleari, o anche attraverso il passaggio di corrente elettrica attraverso un filo ad alta resistenza, come avviene nelle stufe elettriche e in tutti gli elettrodomestici che sviluppano calore (lavatrice, forno elettrico, ecc.). Due sono le fonti naturali di calore: il sole e il sottosuolo. Energia geotermica E' dovuta al calore interno della Terra, la cui temperatura aumenta con la profondità raggiungendo i C circa. Questo calore interno scalda le acque sotterranee, che poi risalgono in superficie come vapore. Con opportune tubature questo vapore viene convogliato ad azionare generatori a turbina che producono energia elettrica. Energia chimica Gli atomi sono legati fra loro mediante legami chimici: le reazioni chimiche sono delle trasformazioni che comportano la rottura di alcuni legami e la formazione di nuovi; in questo modo si ha un cambiamento nella composizione della materia. Se una reazione è esotermica la sua energia può essere sfruttata per produrre calore, il quale, a sua volta, può essere usato come tale (nei camini, nelle stufe) o essere utilizzato per produrre vapore acqueo sotto pressione (nelle macchine a vapore, nelle centrali termoelettriche, ecc.) o essere trasformato in energia meccanica (per esempio nelle automobili). Le reazioni più usate per questo scopo sono le combustioni: un combustibile (carbone, petrolio, gas naturale, ecc.) reagisce con un comburente (ossigeno) e si ottengono prodotti di scarto (anidride carbonica, vapore acqueo e altre impurità) ed energia termica. Alcune reazioni chimiche possono essere sfruttate per produrre direttamente energia elettrica. Questo avviene nelle batterie elettriche e negli accumulatori. Energia elettrica L'energia elettrica in natura si presenta sotto forma di scariche elettriche dei fulmini e, come tale, non è sfruttabile per le attività umane. Essa viene prodotta secondariamente e, poiché il trasporto e la distribuzione sono particolarmente semplici, è la forma di energia più utilizzata. La corrente elettrica può essere continua o alternata, ma in ogni caso 22

7 consiste in un flusso di elettroni che viaggiano attraverso un conduttore, da un potenziale elettrico maggiore verso un potenziale elettrico minore. La pila genera corrente continua, la dinamo corrente alternata. L'elettricità erogata nelle nostre case è a corrente alternata ed è prodotta nelle centrali che, a seconda della fonte primaria sfruttata, si chiamano idroelettriche, eoliche, termoelettriche, termonucleari, ecc. Energia radiante La luce che ci giunge dal sole e dalle stelle più lontane è solo una parte della radiazione che questi corpi emettono: l'insieme di tutte le radiazioni è lo spettro elettromagnetico, e comprende le onde radio, le microonde, i raggi infrarossi, lo spettro visibile (rosso, arancio, giallo, verde, blu, indaco, violetto), i raggi ultravioletti, i raggi X, i raggi γ. L'energia (E) di queste emissioni dello spettro, è strettamente dipende dalla lunghezza d'onda (λ), secondo l'equazione: E = h/λ (dove h è la costante di Plank, pari a 6,623*10-34 Js); quindi, maggiore è la lunghezza d'onda, minore è l'energia posseduta dalla radiazione. Energia di massa Secondo il famoso principio di equivalenza, la liberazione di energia provoca un deficit della massa, e viceversa, l'assorbimento di energia provoca un incremento della massa, secondo l'equazione: E = m*c 2 (dove E è l'energia, m è la massa e c è la velocità della luce pari a km/s). La dimostrazione di tale principio fu resa possibile solo quando le energie in gioco furono sufficientemente elevate da consentire la misurazione delle piccolissime variazioni di massa, vale a dire, con la sperimentazione delle reazioni nucleari. 23

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