L ENERGIA. L energia si trasforma. L energia compie lavoro. A cura di M. Aliberti

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1 A cura di M. Aliberti L ENERGIA Spunti per la ricerca Che cos è l energia? Come si manifesta concretamente l energia? Quali forme può assumere? E possibile passare da una forma di energia all altra? Con quali mezzi si può realizzare la trasformazione? L energia non è un entità visibile, per cui risulta difficile comprendere la natura attraverso una spiegazione data a parole. Invece sono visibili, e quindi comprensibili, gli effetti che accompagnano ogni manifestazione energetica, quali ad esempio, un uomo che taglia la legna, un ragazzo che va in bicicletta, una lampada accesa, il legno che brucia nel caminetto, un uccello in volo, lo scorrere dell acqua in un ruscello, un motore che fa muovere un automobile. L uomo, il ragazzo, l uccello, infatti, utilizzano l energia chimica del cibo che hanno ingerito e la trasformano in movimento, la lampada trasforma l energia elettrica in energia luminosa. Nel legno che brucia l energia chimica del combustibile si trasforma in calore; nel motore il calore prodotto dalla combustione si trasforma in movimento. L energia si trasforma Il concetto di trasformazione è più corretto di quello più comune di consumo in quanto, di fatto, l energia non si può né creare né distruggere, ma solamente trasformare passando, cioè, da una forma all altra. Quindi, ogni forma di energia deve sempre essere interpretata come un processo di trasformazione. L energia compie lavoro Osservando un uomo che taglia la legna è evidente che sta svolgendo un lavoro, ma sul piano fisico anche un ragazzo che va in bicicletta per divertimento svolge un lavoro perchè fa muovere il proprio corpo. Allo stesso modo ogni trasformazione di energia può essere considerato come un lavoro svolto. Quindi svolgono un lavoro sia il legno che produce calore nel caminetto, sia il motore che fa muovere l automobile. In conclusione si può affermare che: l energia è la grandezza fisica capace di compiere un qualsiasi lavoro. 1

2 Il consumo di energia nella storia dell uomo Uomo primitivo 2. Uomo cacciatore fino al 3000 a.c. 3. Agricoltore primitivo fino al 1000 a.c. 4. Agricoltore progredito nel Uomo industriale nel Uomo di OGGI 2

3 VARIE FORME DI ENERGIA Esaminando le diverse forme di energia si può notare come il lavoro che questa è capace di compiere può essere di diverso tipo. Lo spostare un corpo, sia esso di un ragazzo in corsa o di un uccello in volo, è infatti diverso dal produrre calore o luce. Per ciascuno di questo esempi di lavoro è necessario che l energia in gioco si manifesti nel modo adatto allo scopo, cioè in una delle forme seguenti: Energia termica ( o calore ; Energia luminosa ( o luce ) Energia meccanica;energia chimica Energia elettro-magnetica Energia nucleare. Per capire come possa essere individuata e utilizzata opportunamente ognuna di queste forme di energia è necessario conoscere: Il modo di manifestarsi Le possibilità di trasformazione I metodi di trasporto o trasmissione Energia termica o calore L energia termica, comunemente conosciuta come calore, si può individuare con la variazione di temperatura nei corpi o nell ambiente. Infatti quando si riscalda un oggetto in pratica gli si fornisce energia termica. Analogamente quando lo si raffredda gli si sottrae parte dell energia termica che possiede. Se si potessero osservare le molecole, cioè le particelle elementari che formano tutti i materiali, si potrebbe vedere che nel momento in cui si somministra calore ad un oggetto le molecole dello stesso aumentano il loro movimento (detto agitazione molecolare). Trasmissione del calore Il calore può essere trasmesso in tre modi: Per conduzione; Per convezione; Per irraggiamento. Si ha conduzione quando il calore si trasmette attraverso i materiali. Se, ad esempio, si prende una bacchetta di metallo e la si riscalda ad un estremo si può notare come il calore a poco a poco si trasmette fino all altro estremo. Ciò avviene quando le molecole della zona riscaldata, aumentano il loro moto agitatorio e riescono a trasmetterlo tramite urti ripetuti alle molecole vicine. 3

4 Sono buoni conduttori termici quei materiali, come i metalli, le cui molecole trasmettono più facilmente il moto vibratorio. Sono invece isolanti termici, cioè cattivi conduttori di calore, materiali come il legno secco, il vetro, le materie plastiche, la ceramica, l aria. La trasmissione per convezione avviene nelle sostanze fluide come liquidi o gas e consiste nello spostamento di masse della sostanza stessa aventi una temperatura più elevata all interno di altre a temperatura più bassa. Ad esempio, in una pentola piena d acqua posta sul fuoco, il liquido vicino al fondo si riscalda per primo e aumenta il proprio volume. Ciò corrisponde ad un diminuzione della densità: in pratica l acqua calde risulta più leggera di quella fredda e tende a salire. Muovendosi verso l alto cede il suo calore al resto dell acqua miscelandosi ad essa. Se si spegna il fuoco dopo poco tempo, tutta l acqua della pentola avrà raggiunto la stessa temperatura. Il movimento di una massa fluida come quella descritta si chiama moto convettivo. Il vento rappresenta un altro esempio di moto convettivo dell aria. Il calore si trasmette per irraggiamento quando passa da un copro caldo ad uno più freddo, anche se i due corpi non sono a contatto fra loro. Irraggiare significa emettere radiazioni elettromagnetiche, cioè onde che trasportano energia. Quando urtano un corpo, questo le assorbe, aumentando il movimento delle proprie molecole e quindi la propria temperatura. Più un corpo è caldo, più radiazioni emette. Invece la quantità di radiazioni elettromagnetiche (cioè energia radiante) assorbita da un corpo dipende dalla sua superficie: se è chiara e lucida l assorbimento è minimo, se è nera e opaca è massimo. Per questo le case nei paesi caldi sono spesso dipinte di bianco. 4

5 L ENERGIA LUMINOSA L energia luminosa, chiamata comunemente luce, è un entità fisica che permette a noi e agli animali di percepire con la vista tutto ciò che ci circonda. Le piante possono vivere e crescere solo in presenza di luce. Nel passato si è pensato che la luce fosse composta da particelle piccolissime proiettate dai corpi luminosi; poi la si è intesa come una vibrazione rapida del campo elettromagnetico. Ultimamente, con la scoperta di nuovi fenomeni, la teoria elettromagnetica si è rivelata inadeguata. Si ripensa, quindi, alla luce come all emissione di unità di energia dette fotoni che hanno alcune caratteristiche proprie dei corpuscoli e altre proprie delle onde. Trasmissione della luce Si propaga per irraggiamento e, come già si è osservato relativamente al calore, può essere considerata una forma di energia radiante. L ENERGIA ELETTRICA L energia elettrica si manifesta normalmente con il movimento ordinato di cariche elettriche elementari chiamate elettroni. I materiali conduttori (i migliori sono i metalli) hanno un elevato numero di elettroni liberi di muoversi da un punto all altro del conduttore ( elettroni di conduzione ). Quando il movimento degli elettroni, cioè la corrente elettrica, avviene sempre nello stesso verso si parla di corrente continua; quando il movimento avviene per metà del tempo in un verso e per l altra metà nel verso opposto, in un rapido alternarsi, si ha la corrente alternata. In un generatore elettrico gli elettroni vengono spinti tutti in una direzione creando un abbondanza di cariche negative su uno dei due poli, che diventa quindi il polo negativo, mentre l altro polo in cui vengono a prelevare le cariche positive, diventa il polo positivo. Fra i due poli si stabilisce una differenza di potenziale elettrico per cui gli elettroni ammassati sul polo negativo tendono a ritornare al polo positivo. Ciò si verifica quando ai poli del generatore si collega un circuito conduttore esterno che permette agli elettroni di ritornare al polo d origine. In questo circuito esterno può essere inserito un utilizzatore di energia che sfrutta il passaggio del flusso di elettroni, cioè della corrente elettrica. 5

6 Trasmissione dell energia elettrica Poiché l energia elettrica si manifesta con un movimento di elettroni, si può trasmettere semplicemente prolungando i circuiti che uniscono i generatori agli utilizzatori, mediante linee elettriche, che possono essere sospese in aria attraverso pali e tralicci oppure in cavi sotterranei o subacquei. La facilità di trasporto dai luoghi di produzione a quelli di utilizzo rende questa forma di energia molto adatta per una facile distribuzione agli utenti. L energia elettrica, infatti, arriva in ogni casa, laboratori, industria, ufficio, con un semplice allacciamento di fili. L ENERGIA MECCANICA L energia meccanica è quella che si manifesta muovendo o deformando i corpi solidi e le sostanze fluide come liquidi e gas. E energia meccanica quella sviluppata dai muscoli umani o animali, quella di un fiume o di un oggetto che cade e anche quella fornita dai motori. Essa può presentarsi in due modi: Energia potenziale, quando l energia non agisce, ma è pronta per agire appena le condizioni sono favorevoli. Ad esempio, una pietra posta in alto rispetto al terreno ha un energia potenziale di posizione, che non agisce fino a quando non la si fa cadere a terra. Un altra forma di energia potenziale è quella elastica, come quella che possiede una molla dopo essere stata schiacciata o tirata. Energia cinetica, quando in un sistema meccanico si ha movimento o deformazione: ad esempio, quando l acqua viene lasciata libera di scorrere in una condotta forzata, oppure quando una molla precedentemente schiacciata o tirata viene lasciata libera di tornare alla forma iniziale. Un corpo dotato di energia meccanica allo stato cinetico ( energia cinetica ) può muoversi con: Moto traslatorio: ad esempio un auto che si sposta Moto rotatorio: una ruota che gira Moto armonico: un pendolo che oscilla Trasmissione dell energia meccanica La trasmissione dell energia meccanica avviene per mezzo di organi meccanici: Ingranaggi, cinghie e catene, ruote a frizione, alberi di trasmissione, sistemi biella-manovella. 6

7 L ENERGIA CHIMICA L energia chimica si presenta sempre allo stato potenziale e può essere considerata come la capacità di alcune sostanze di combinarsi con altre sviluppando energia sotto forme diverse come luce, calore, elettricità. Per capire meglio il significato di questa definizione pensiamo al fenomeno della combustione. Questa, infatti, è costituita da una reazione tra la sostanza combustibile e l ossigeno dell aria, durante la quale avviene un emissione di energia sotto forma di luce e calore. Quindi si può affermare che i combustibili hanno una certa quantità di energia allo stato potenziale che può essere trasformata in energia termica e luminosa. Energia potenziale sotto forma chimica si trova anche nelle pile e nelle batterie di accumulatori. In entrambi i casi la combinazione chimica tra varie sostanze dà origine ad energia elettrica. L ENERGIA NUCLEARE L energia nucleare si ha da reazioni che avvengono nei nuclei atomici formati da protoni, cioè particelle a carica elettrica positiva e neutroni, particelle neutre. Tali reazioni permettono di ricavare una grandissima quantità di energia termica e possono essere di due tipi: o La fissione o scissione nucleare; o La fusione nucleare. La fissione nucleare Si ha una reazione di fissione quando, con opportuni sistemi, si riesce a dividere in due parti il nucleo atomico di un elemento molto pesante come l Uranio (U 235, il numero rappresenta la somma dei protoni più i neutroni) ciò può avvenire scagliando, mediante complesse apparecchiature, neutroni contro il nucleo, che è spaccato. Come risultato si ha la creazione di due atomi più piccoli e contemporaneamente l emissione di una grande quantità di energia. Questo è dovuto al fatto che una parte della massa del nucleo diviso si trasforma in energia, in quantità calcolabile con la formula di Einstein 2 E = mc Nella quale: * E energia prodotta, * m massa trasformata, 7

8 2 * c la velocità della luce elevata al quadrato. Poiché la velocità della luce è di Km al secondo il risultato che si ottiene anche solo con un grammo di sostanza è pari a 25 milioni di Kilowattora di energia. Questa energia opportunamente sfruttata, permette di produrre vapore acqueo utilie a far girare le turbine con le quali ottenere energia elettrica. La fusione nucleare La reazione di fusione segue un procedimento inverso: invece di dividere in due parti un atomo pesante si fa in modo di unire due atomi leggeri per formarne uno più pesante. E il tipo di reazione che si sviluppa naturalmente nel Sole e nelle altre stelle: sviluppa una quantità d energia molto più elevata della reazione di fissione e, considerato che l elemento necessario per realizzarla è l idrogeno ( H ) che si trova sulla Terra in quantità virtualmente illimitate, costituisce un sistema che può rappresentare la soluzione di tutti i problemi energetici della Terra. Purtroppo la tecnologia attuale non permette ancora la fusione nucleare controllata a causa delle altissime temperature necessarie per avviare la reazione. Negli ultimi anni alcuni scienziati hanno affermato d essere riusciti a realizzare la fusione a temperatura ambiente: la cosiddetta fusione fredda. Tale affermazione, criticata dalla maggior parte del mondo scientifico, sta ancora aspettando conferma. TRASFORMAZIONE DELL ENERGIA L uomo ha bisogno di energia sotto diverse forme. Innanzi tutto gli serve l energia chimica contenuta nei cibi, che l organismo trasforma in energia termica per mantenere stabile la temperatura corporea, oppure in energia meccanica per muoversi e svolgere azioni. Il corpo umano può quindi essere considerato un convertitore d energia. Inoltre, l uomo ha bisogno di altra energia per riscaldare gli ambienti in cui vive, per spostarsi, per illuminare: energia che gli viene fornita da apparecchiature come stufe, motori, lampade, cioè da altri convertitori. Possiamo quindi definire convertitore un apparecchio capace di utilizzare una forma di energia per trasformarla in un altra. Quando si pongono diversi convertitori in successione e l energia viene trasformata più volte, si ha un sistema di conversione. In ogni trasformazione, non tutta l energia che viene utilizzata dal convertitore viene restituita sotto altra forma, perché una parte di essa viene perduta. Il rendimento di un convertitore è costituito dal rapporto tra la quantità d energia in uscita e quella in entrata. 8

9 ESEMPI DI CONVERTITORI DI ENERGIA FORNO ENERGIA CHIMICA ENERGIA TERMICA (combustibili solidi) PILA ENERGIA CHIMICA ENERGIA ELETTRICA (reazione tra metalli ed elettroliti) LAMPADE ENERGIA ELETTRICA ENERGIA LUMINOSA MOTORI ELETTRICI ENERGIA ELETTRICA ENERGIA MECCANICA ESEMPI DI SISTEMI DI CONVERSIONE DI ENERGIA MOTORRE A SCOPPIO E. CHIMICA E. TERMICA (combustibile liquido) (dalla combustione) E. MECCANICA (espansione dei gas di combustione) CENTRALE IDROELETTRICA E. MECCANICA E. ELETTRICA CENTRALE GEOTERMICA E. TERMICA E. MECCANICA E. ELETTRICA 9

10 CENTRALE EOLICA E. MECCANICA E. ELETTRICA CENTRALE SOLARE E. TERMICA E. MECCANICA E. ELETTRICA CENTRALE TERMOELETTRICA E. CHIMICA E. TERMICA E. ELETTRICA E. MECCANICA 10