La fisica dell energia Ezio Menichetti Dip. di Fisica Universita di Torino
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- Demetrio Mancini
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1 La fisica dell energia Ezio Menichetti Dip. di Fisica Universita di Torino
2 Forza Grandezza fisica che interviene a modificare lo stato di moto dei corpi Diverse forze in natura: Gravitazionali, Elettromagnetiche, Forti, Deboli Ognuna con caratteristiche specifiche e diverse Chiamate anche interazioni Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 2
3 Esempi Forza di gravita Forza elettrica Forza magnetica Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 3
4 Sistema fisico Qualunque oggetto materiale, e anche di piu.. Esempio piu semplice: Gas di molecole Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 4
5 Lavoro Grandezza fisica che misura l effetto cumulativo di una forza su un sistema fra uno stato iniziale e uno finale Lavoro = F bastone xspost palla Effetto: Variazione della velocita Lavoro= F gambe+braccia x Spost corpo Effetto: Variazione della configurazione Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 5
6 Variazioni In taluni casi: Lavoro di una data forza = Variazione di una quantita legata al moto del sistema Energia cinetica In altri casi: Lavoro di una data forza = Variazione di una quantita legata alla configurazione del sistema Energia potenziale Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 6
7 Energia Grandezza fisica che misura (insieme ad altre) lo stato dinamico/configurazionale di un sistema Necessaria, ma non sufficiente, a descrivere in modo completo lo stato del sistema Sufficiente se quel che interessa e misurare: l effetto sul sistema del lavoro eseguito su di esso la capacita del sistema di eseguire lavoro Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 7
8 Unita di misura Lavoro, Energia: Joule Elettronvolt Kilowattora Energia per unita di tempo = Potenza: Watt Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 8
9 Conservazione -I In diversi casi, spesso idealizzati: L, E cin, E pot possono essere scambiati alla pari Come conseguenza, per un sistema isolato: E cin +E pot = costante En. totale conservata Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 9
10 Conservazione -II Tuttavia: Evoluzione dei sistemi fisici reali include processi nei quali la somma E cin +E pot non e costante. Perche? Sistemi fisici reali: spesso costituiti da molte molecole Effetto di una forza esterna sull insieme delle molecole: Dispersione statistica di parte del lavoro eseguito sul sistema nell en. cinetica di molte molecole Sviluppo di Calore En. cinetica disordinata Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 10
11 Conservazione -III Un po piu rigorosamente: Calore = En. cinetica molecolare alla quale non corrisponde quantita di moto del sistema Tenendo conto del calore, per un sistema isolato E totale = costante rigorosamente sempre Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 11
12 Energia e campi Oltre l orizzonte meccanico: Energia trasportata e immagazzinata anche nei campi di forze, p es gravitazionale o elettromagnetico Situazione meno intuitiva, tuttavia: Anche questa puo scambiarsi alla pari con le altre forme di energia, anche propagandosifra sistemi diversi Esempio: Luce Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 12
13 Bilancio energetico umano Sopravvivenza + Attivita fisica 125 W 10 MJ/giorno = 2,8 kwh/giorno per persona In Europa: Lavoro, trasporto, riscaldamento, illuminazione, MJ/giorno = 110 kwh/giorno per persona Media mondiale 60 kwh/giorno per persona Consumo mondiale J/anno = 1, kwh/anno Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 13
14 Il pianeta Terra Sistema chiuso, ma non isolato : Nessun flusso di materia Potenza dal Sole 1, W 1, kwh/anno Tuttavia: Situazione di sostanziale equilibrio termico Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 14
15 Bilancio energetico della Terra Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 15
16 Spostamento dell equilbrio Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 16
17 CO 2 Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 17
18 Mauna Loa, tre giorni fa Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 18
19 e industrializzazione Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 19
20 Global Warming-I Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 20
21 Global Warming-II Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 21
22 Global Warming-III CO 2 vs T negli ultimi 150 anni Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 22
23 Fonti energetiche Combustibili fossili Solare Biocombustibili Vento Onde e maree Idroelettrico Geotermico Nucleare Derivanti direttamente o indirettamente dagli effetti della radiazione solare Indipendenti dagli effetti della radiazione solare Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 23
24 Dove (quasi) tutto comincia: Il Sole Non molto glorioso: Stella di tipo G, nana gialla Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 24
25 Formazione stellare Nuvola interstellare di gas (Idrogeno/Elio) e polvere: Incremento casuale di densita Contrazione gravitazionale Accensione Equilibrio Riscaldamento Reazioni termonucleari E grav Radiazione Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 25
26 La struttura di una protostella 1. Gas della nube in caduta (otticamente trasparente). 2. Fotosfera infrarossa (falsa fotosfera). 3. Guscio di polveri in caduta (otticamente opaco). 4. Fronte d'urto (sublimazione delle polveri). 5. Nucleo idrostatico protostellare. Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 26
27 Evoluzione stellare Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 27
28 Solare -I Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 28
29 Solare -II Effetto altezza del Sole + durata del giorno Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 29
30 Solare -III Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 30
31 Solare -IV Tipi di generatori solari: Solare termico Solare termodinamico Solare fotovoltaico Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 31
32 Solare termico -I Radiazione solare usata per riscaldare un fluido, a scopo principale distribuzione di acqua calda sanitaria tramite scambiatore di calore Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 32
33 Solare termico -II Efficienza vs differenza di T fra fluido e ambiente: Effetto delle perdite per irraggiamento termico Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 33
34 Solare termodinamico Come solare termico, ma con lo scopo principale di produrre energia elettrica Fluido portato ad alta temperatura, grazie ad ottiche specializzate(specchi etc) Vapore utilizzato per energizzare una turbina collegata ad un alternatore Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 34
35 Solare termodinamico -II Progetto Archimede (Siracusa) Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 35
36 Solare fotovoltaico Conversione diretta di energia solare in energia elettrica Meccanismo legato alle proprieta dei materiali semiconduttori (quelli dei circuiti integrati ) Bassa efficienza, scarso inquinamento (solo quello legato alla produzione e allo smaltimento dei pannelli) Costi elevati, ma in notevole diminuzione Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 36
37 Semiconduttori Struttura a bande dei livelli energetici nei cristalli: conseguenza della periodicita cristallina Portatori di carica di due tipi: Elettroni(banda di conduzione), n Lacune(banda di valenza), p Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 37
38 Giunzione pn Possibile realizzare semiconduttori a maggioranza p o n Giunzione fra semiconduttori di tipo diverso: Corrente elettrica a senso unico Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 38
39 Effetto fotovoltaico Concentrazioni di elettroni e lacune nella giunzione incrementate da assorbimento di luce Corrente fotovoltaica Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 39
40 Cella fotovoltaica Bilancio energetico 100% irraggiamento solare - 3 % fenomeni di riflessione, presenza contatti metallici - 23% fotoni troppo poco energetici - 32% fotoni troppo energetici - 8,5% fenomeni di ricombinazione - 20% gradiente elettrico all interno della cella - 0,5% perdite termiche dovute a resistenza dei contatti =13% energia elettrica utilizzabile Migliorabile (ma non indefinitamente) Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 40
41 Numeri del fotovoltaico in Italia Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 41
42 Eolico Alla turbina: Ridotta a circa il 30-40% Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 42
43 Schema di impianto eolico Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 43
44 Eolico nel mondo Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 44
45 Nucleare -I Nucleo: stato legato di protoni e neutroni nucleoni Nuclei piu leggeri Nuclei piu pesanti En. legame per nucleone Meno legati di quelli intermedi Peso atomico Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 45
46 Nucleare -II Forza in gioco: Interazione forte (non elettromagnetica) Nuclei meno legati Meno stabili Fusione: N 1 +N 2 N + + energia Fissione: N N 1 +N energia Energia: En. cinetica dei prodotti di reazione Possibile usarla per riscaldare un mezzo Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 46
47 Fissione Esempio di reazione di fissione Attivazione: Varie possibilita, piu tipica: Neutroni lenti su nuclei di U 235 Isotopo fissile (0.71% dell uranio naturale ) Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 47
48 Reazione a catena Szilard, Fermi (anni 30): La fissione indotta da neutroni puo innescare una reazione a catena Moltiplicazione del n. di neutroni Rilascio di grandi quantita di energia: milioni di volte quella rilasciata nella combustione Richiede: Isotopo U 235, neutroni lenti Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 48
49 Arricchimento Necessita di aumentare la frazione di U235 nel materiale fissile per garantire la reazione a catena Diversi metodi per arricchimento dell uranio Tutti basati sulla differenza di massa fra i 2 isotopi Reattori: Arricchimento 3-4% Armi: Arricchimento > 90% Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 49
50 Moderazione Necessita di ridurre l energia dei neutroni da fissione (usata per riscaldare qualcosa) Moderatore: Mezzo contenente nuclei leggeri (es H, D, C,..)capaci di assorbire efficientemente energia cinetica quando urtati dai neutroni di fissione H 2 O, D 2 O, grafite, I neutroni rallentano e il mezzo si riscalda Barra di controllo: Mezzo fortemente assorbente (es Cd) Quando inserita, assorbe n riducendo il rateo di reazione Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 50
51 Funzionamento Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 51
52 Impianto reattore a fissione Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 52
53 Fusione Esempio di reazione di fusione: D + T 4 He (3,5 MeV) + n (14,1MeV) Interazione forte Corto raggio Attivazione: En. cinetiche elevate per i nuclei (superare la repulsione elettrostatica fra cariche +ve) Temperature elevate (decine di milioni di gradi) Problemi di contenimento Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 53
54 Schema funzionamento Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 54
55 ITER (EU -Cadarache,F) Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 55
56 Reazioni nucleari nelle stelle Ciclo dell'idrogeno + H+ H H+ e + ν MeV H+ H He + γ MeV e He + He He + 2 H MeV oppure He + He Be+ γ Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 56 (*) Be + e Li + ν MeV / MeV Li+ H 2 He oppure He + He Be+ γ Be + H B+ γ B + B + e + ν B 2 He e altre ancora e e
57 Reazioni di fusione nel Sole Ciclo dell idrogeno: Energia rilasciata MeV Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 57
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