7. Uscita di Raffreddamento

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1 7. Uscita di Raffreddamento 7.1. L uscita di raffreddamento La figura 1 mostra due apparecchi molto simili. Si tratta di motori elettrici ai quali si possono allacciare diversi utensili. Uno trova ut i- lizzo in cucina, l altro in officina. Entrambi i motori trasferiscono energia dal portatore elettricità al portatore quantità di rotazione. Guardiamo ora i due apparecchi un po più da vicino. 2 Motore elettrico Motore elettrico 3 In entrambi possiamo osservare delle aperture sui lati del telaio. Se mettiamo in funzione gli apparecchi, possiamo notare che da una parte esce dell aria dalle fessure e dall altra invece entra. Puoi chiederti a cosa serve questa aria. Il motore elettrico deve essere raffreddato. Se le aperture vengono chiuse, il motore si surriscalda e può anche rompersi. L aria in uscita è anche leggermente più calda di quella in entrata. L aria porta via energia dall apparecchio. Nella figura 2 trovi il diagramma di flusso dell energia per il motore elettrico così come lo abbiamo disegnato fino ad ora. Tale rappresentazione però è incompleta alla luce di quanto discusso prima. Manca infatti una seconda uscita per l energia. Chiamiamo questo secondo sbocco uscita di raffreddamento. La figura 3 mostra il diagramma di flusso dell energia completo per il nostro motore e- lettrico. Lo spessore delle frecce dell energia lascia intendere l intensità di corrente dei rispettivi flussi di energia. L energia che giunge in entrata si suddivide in uscita tra i due flussi. Il sistema di raffreddamento è un male necessario. L energia che esce attraverso questo dispositivo, non viene utilizzata per compiere il lavoro che vogliamo: dal nostro punto di vista va semplicemente persa. Ciononostante non possiamo rinunciare al sistema di raffreddamento (senza di esso l apparecchio si romperebbe). Non solo il motore elettrico, ma anche molti altri trasferitori di energia sono provvisti di un sistema di raffreddamento. Il motore dell automobile ha un sistema di raffreddamento ben visibile: attraverso un tubo l acqua calda scorre dal motore verso il radiatore, figura 4, da dove l acqua raffreddata ritorna al motore. Motociclette e motorini si raffreddano cedendo direttamente all aria che incontrano l energia: le alette metalliche sulla testa del motore agevolano lo scambio di energia con l aria (figura 6). Il sistema di raffreddamento del motore dell automobile Maggiore è la quantità di energia che una macchina riesce a trasferire, e maggiore è il sistema di raffreddamento. Le centrali nucleari necessitano di un grosso fiume per il siste Uscita di Raffreddamento

2 ma di raffreddamento. Se non vi è un fiume o se questo è troppo piccolo, bisogna ricorrere a delle torri di raffreddamento (figura 5). In questi casi l energia viene fatta defluire tramite aria o vapore acqueo. I trasferitori di energia non hanno una sola uscita per l energia, bensì due. L energia che esce dalla seconda uscita non viene però generalmente utilizzata. Esercizi: 1. Elenca alcuni apparecchi che hanno un sistema di raffreddamento. Dove si trova il sistema di raffreddamento? 2. Nell aspirapolvere dove si trova il sistema di raffreddamento? 3. Cosa succede se si tappa l uscita dell aria del retroproiettore? Il sistema di raffreddamento del motore dell automobile Radiatore Aria Ventilatore Acqua Pompa di raffreddamento Motore Cambio Un motore a benzina deve essere raffreddato. Se non lo si raffredda, si riscalda e l olio di lubrificazione diventa così viscoso che non lubrifica più. I pistoni del motore si bloccherebbero. Il motore dell automobile si romperebbe. Per evitare ciò sul cruscotto dell automobile si trova un termometro o una spia rossa che si accende quando la temperatura del motore diventa troppo elevata. La figura mostra le componenti del sistema di raffreddamento di un motore di un automobile. Nel motore l energia viene caricata sull acqua che così si riscalda. L acqua viene pompata nel sistema di raffreddamento. Qui scarica la sua energia sull aria. Fintanto che l automobile viaggia adagio o sta ferma, non vi è un flusso di aria sufficiente attraverso il radiatore. Per ovviare a questo problema, dietro il radiatore si trova un ventilatore. Vi sono più possibilità per mettere fuori uso il sistema di raffreddamento: nel radiatore c è un buco, così che l acqua di raffreddamento va persa, la pompa dell acqua non funziona in modo corretto. In ogni caso bisogna assolutamente spegnere il motore e riparare il sistema di raffreddamento! 7. Uscita di Raffreddamento 39

3 Il sistema di raffreddamento nell uomo Un uomo che viaggia in bicicletta libera energia con il portatore quantità di rotazione. Nel caso di un professionista si può arrivare a liberare fino a 200 J in un secondo (cioè 200 watt). Nel contempo però il ciclista suda; perde energia attraverso la pelle, e più precisamente circa 600 watt. La pelle rappresenta quindi il sistema di raffreddamento del ciclista L inversione del motore elettrico Alcuni motori elettrici possono essere utilizzati anche come dinamo. Il diagramma di flusso della dinamo può quindi esser facilmente ricavato da quello del motore elettrico: basta capovolgere tutte le frecce. Nel capitolo precedente abbiamo migliorato il diagramma di flusso dell energia del motore elettrico (figura 3). Vogliamo ora cercare di costruire il diagramma di flusso dell energia della dinamo secondo la solita procedura basandoci su questo nuovo schema: rovesciamo le frecce del disegno 3 ed otteniamo il disegno 7. Osserva attentamente il disegno. Una dinamo di questo tipo libererebbe con il portatore elettricità più energia di quanta ne riceverebbe dal portatore quantità di rotazione. Supponiamo che liberi 3 J al secondo con l elettricità, mentre ne riceve solo 2 J al secondo con il portatore quantità di rotazione. In tal caso dovrebbe ricevere 1 J al secondo dall aria tramite il sistema di raffreddamento. L aria dovrebbe quindi abbandonare la dinamo più fredda di prima. Una dinamo di questo tipo, ovviamente, non esiste! Dalle aperture di ventilazione di una dinamo esce aria calda, così come dai motori. Il corretto diagramma di flusso dell energia della dinamo è raffigurato nella figura 8. Durante il processo di trasferimento, anche in questo caso, dell energia va persa.? 7 Dinamo 8 Sia nel motore elettrico sia nella dinamo una parte di energia non è direttamente utilizzabile. Defluisce nell ambiente attraverso il sistema di raffreddamento. Esercizio: Disegna i diagrammi di flusso dell energia di una lampadina e di una cella solare tenendo in considerazione il sistema di raffreddamento Uscita di Raffreddamento

4 7.3. La perdita di energia in un trasferitore Durante il trasferimento dell energia da un portatore all altro una parte di essa va persa. Ovviamente si vorrebbe ridurre al minimo questa perdita. Se in un motore elettrico entrano 4 kw con il portatore elettricità e 1 kw esce dal sistema di raffreddamento, rimangono ancora solo 3 kw per il portatore di energia quantità di rotazione. Un quarto dell energia ricevuta viene persa nel sistema di raffreddamento e non viene più utilizzata. Noi diciamo che la perdita di energia del motore è di 1/4. Quando nel motore fluiscono 100 W e 50 W si perdono nel sistema di raffreddamento, allora la perdita sarà di 1/2. La perdita rappresenta quindi la parte di energia che defluisce nel sistema di raffreddame n- to. La seguente tabella riporta le perdite di energia di alcuni trasferitori. Trasferitore Perdita di energia Grande turbina ad acqua Sotto 1/10 Grande motore elettrico 1/10 Generatore 1/10 Motore a benzina 7/10 Motore diesel 6/10 Centrale elettrica a carbone 6/10 Centrale nucleare 7/10 Cella solare 9/10 Lampadina 19/20 Forse ti sorprende il fatto che alcuni trasferitori di energia abbiano delle perdite così grosse. La situazione comunque peggiora ulteriormente se si collegano tra di loro diversi trasferitori. In tal caso può facilmente capitare che solo una piccolissima parte dell energia presente all inizio fuoriesca dall ultimo trasferitore. La maggior parte viene persa nei sistemi di raffreddamento dei vari trasferitori. Nel caso in cui i percorsi sono molto lunghi, a queste perdite si aggiungono quelle dovute alle condotte. La perdita di energia di un trasferitore rappresenta la frazione dell energia che viene persa nel sistema di raffreddamento. Esercizi: 1. Elenca alcuni apparecchi che hanno basse perdite di energia. 2. Elenca alcuni apparecchi che hanno alte perdite di energia. Spreco di energia con le stufe elettriche La figura riportata a lato rappresenta quattro differenti stufe elettriche. Queste stufe non hanno apparentemente perdite di energia. Tutta l energia che l elettricità trasporta nelle stufe esce con il portatore aria calda. In altre parole si potrebbe dire che queste stufe hanno un unico sistema di raffreddamento. In via eccezionale, in questo caso, siamo interessati all energia che esce dal sistema di raffreddamento. Si sarebbe quindi portati a credere che le stufe elettriche siano dei sistemi di riscaldamento ideali. 7. Uscita di Raffreddamento 41

5 Questa conclusione è però errata in quanto qui abbiamo considerato solo l ultimo anello di una catena di trasferitori. L energia per le stufe ele t- triche proviene magari da una centrale elettrica a carbone, che funziona con una perdita di energia di almeno 6/10. Nel caso si bruciasse direttamente il carbone in una stufa che riscalda direttamente la camera, la perdita di energia sarebbe minore: circa 3/10. Stufetta elettrica Le perdite del motore a benzina Il radiatore rappresenta un sistema di raffreddamento del motore dell automobile. Non è comunque il solo. L energia non utilizzata viene dispersa anche attraverso il tubo di scarico: i gas di scarico sono caldi e trasportano ancora molta energia. In generale: 1/3 dell energia della benzina fluisce nelle ruote, 1/3 dell energia della benzina fluisce nel radiatore, 1/3 dell energia della benzina fluisce nei gas di scarico. Benzina Motore a benzina Quantità di rotazione 7.4. Il moto perpetuo Con il termine moto perpetuo si pensa a una macchina che fornisce energia, senza riceverne. Un numero incredibile di scienziati di o- gni epoca ha cercato di costruire una macchina di questo tipo senza però mai riuscirvi. A questo fatto vi è una semplice spiegazione: se nella macchina non entra energia, non può nemmeno uscirne. Spesso le macchine che pretendono di generare un moto perpetuo consistono di alcuni trasferitori di energia collegati tra di loro in un circuito chiuso. Considera l esempio della figura 9. Un motore elettrico fa funzionare una dinamo. Il motore stesso poi riceve l energia che ha bisogno per funzionare dalla stessa dinamo. Cerchiamo ora di capire perché una macchina di questo tipo non può funzionare. Nel caso in cui sia la dinamo che il motore sono fermi, non succede nulla: la macchina non può fornire energia. Mettiamo ora in funzione la macchina facendo girare l albero di trasmissione che collega la dinamo al motorino. Questo significa che noi diamo alla macchina un po di energia, nella speranza che in seguito possiamo ricavare dalla macchina più energia di quanta ne abbiamo immessa. Immagina che abbiamo immesso 10 J nella macchina per farla partire. La dinamo carica ora questi 10 J sul portatore elettricità. Durante questo processo una parte dell energia fuoriesce dal sistema di raffreddamento della dinamo. Supponiamo che se ne perda 1 J. I rimanenti 9 J giungono al motorino elettrico. Questo li trasferisce sul portatore quantità di rotazione. Se anche durante questo passaggio 1 J viene perso dal sistema di raffreddamento del motori Uscita di Raffreddamento

6 no, rimangono 8 J. Questi arrivano alla dinamo. Sette di questi arriveranno al motorino e quindi 6 alla dinamo e così via. L energia circola in cerchio e ad ogni passaggio una parte viene persa nel sistema di raffreddamento. Alla fine la macchina si fermerà! Avremo così perso tutti i 10 J che abbiamo investito all i- nizio. Questa macchina fornisce energia? Non c è nessuna macchina che fornisca energia senza riceverne. Non esiste nessun moto perpetuo. Esercizio: Si potrebbe giungere all idea di costruire un moto perpetuo con una lampadina e una cella solare. Riesci a immaginarti come? Movimenti senza fine Una ruota che viene fatta girare, dopo un po di tempo si arresta. Ciò accade per via dell attrito. Se si riduce l attrito, ad esempio con un cuscinetto a sfera, la ruota gira più a lungo. Se si riuscisse a e- liminare completamente l attrito, la ruota girerebbe in eterno. Un ruota di questo tipo non rappresenterebbe comunque un moto perpetuo. Da un moto perpetuo, in questo caso, ci si aspetterebbe che, pur continuando a girare all infinito, fornisca anche energia. E questo non sarebbe possibile nemmeno con la nostra ruota perfetta. La Terra è un esempio di ruota con pochissimo attrito. Ruota da miliardi di anni attorno al suo asse e continuerà a farlo ancora per molto tempo, in ogni caso non all infinito. Il movimento di rotazione della Terra su sé stessa infatti rallenta: sull arco di un anno il tempo che impiega a girare su sé stessa aumenta di 0,00002 secondi. In altre parole i giorni diventano sempre più lunghi. Possiamo quindi dire che la Terra è come una ruota in rotazione, dalla quale fuoriesce lentamente un po di energia. 7. Uscita di Raffreddamento 43