Liceo Classico Carlo Alberto Seminario Energia quotidiana

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Lisa Maggio
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1 Progetto Coeli gravitas Liceo Classico Carlo Alberto Seminario Energia quotidiana marzo 2014 Riccardo Olivani

3 ENERGIA la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro Unità di misura: Tante? Sì, tante Esistono tante forme di energia e tanti modi per misurarla TUTTI CONVERTIBILI UNO NELL ALTRO J, cal, Cal (kcal), btu, Wh, ev, tep Attenzione subito a: cal e Cal l energia dei nostri cibi è normalmente misurata in Cal (1 Cal = 1 kcal = 4,19 kj)

Sì, tante Esistono tante forme di energia e tanti modi per misurarla TUTTI

4 Esempi Il Joule (J) è il lavoro svolto esercitando la forza di 1 Newton per una distanza di 1 metro La caloria (cal) è l energia necessaria per elevare di 1 C la temperatura di 1 grammo di acqua distillata alla pressione atmosferica di 1 atm L elettronvolt (ev) è l energia cinetica di un elettrone accelerato con una differenza di potenziale di 1 V Il Wattora (Wh) è l energia necessaria a fornire la potenza di 1 Watt per 1 ora

pressione atmosferica di 1 atm L elettronvolt (ev) è l energia cinetica di un elettrone accelerato con una

5 POTENZA ENERGIA Watt? 1 Watt equivale a: 1 Joule al secondo (1 J/s) 1 Volt per Ampere (1 V A) 1 Newton per metri al secondo (1 N m/s) Moltiplicando una potenza per un tempo ottengo un energia che rappresenta il lavoro compiuto da un sistema

6 QUANTO PETROLIO? Concetto TEP Il TEP (Tonnellata petrolio equivalente) rappresenta la quantità di energia rilasciata dalla combustione di 1 tonnellata di petrolio grezzo e vale circa 42 GJ (11630 kwh). Quanti barili (circa 160 litri l uno) compongono 1 TEP? Circa 7 (6,84) Quanti barili consumati nel mondo giornalmente? 88 milioni cioè 12,5 milioni di t (circa 4,5 mld di t di petrolio/anno)

rilasciata dalla combustione di 1 tonnellata di petrolio grezzo e vale circa 42 GJ (11630 kwh).

7 E QUANTO CARBONE? Circa 3500 Mtep (milioni di tonnellate di petrolio equivalente)/anno E QUANTO METANO? Circa 3000 Mtep (milioni di tonnellate di petrolio equivalente)/anno TUTTE QUESTE COMBUSTIONI GENERANO 1 CONSEGUENZA: COELI GRAVITAS ossia Emissioni di gas serra (essenzialmente CO2) e inquinanti di vario tipo: NOx, CO, SO2, polveri fini Nel prossimo incontro vedremo nel dettaglio

Circa 3000 Mtep (milioni di tonnellate di petrolio equivalente)/anno TUTTE QUESTE COMBUSTIONI

8 Esempi domestici quasi di un altra epoca ma la sostanza non cambia Asciugacapelli 1 (0,5 kw) Asciugacapelli 2 (2 kw)

9 Asciugacapelli? Definizione: Semplice (?) oggetto costituito essenzialmente da una ventola messa in movimento da un motore elettrico che aspira aria dall ambiente e la indirizza su resistenze elettriche riscaldate allo scopo di generare un flusso di aria calda Quanto consuma l asciugacapelli? elettrica consuma? Quanta energia Molto meglio dire: quanta energia elettrica (generata dove? generata come? generata con quale rendimento?) l asciugacapelli trasforma in energia termica e cinetica (ossia energia contenuta in un flusso di aria mossa e calda ). CIO DIPENDE: dalla potenza e dal tempo di funzionamento

elettriche riscaldate allo scopo di generare un flusso di aria calda Quanto consuma l asciugacapelli? elettrica consuma?

10 Asciugacapelli? Ipotesi di uso Ipotizziamo di usare l asciugacapelli a piena potenza Asciugacapelli 1: 0,5kW*4 minuti (240s)*1h/3600s = 0,033 kwh circa (mezzo kwh in 1 ora) Asciugacapelli 2: 2kW*4 minuti (240s)*1h/3600s = 0,133 kwh circa (quattro volte tanto, 2 kwh in 1 ora) Quindi il modello 2 consuma il quadruplo? Sì, ma mi asciuga i capelli più in fretta quindi lo uso meno tempo quanto tempo risparmio? 1 minuto anziché 4 minuti? Sì, se voglio uscire coi capelli bagnati! RIFLETTIAMO Perché la potenza di un asciugacapelli è quadruplicata? Quali benefici? La testa è sempre grossa uguale inutile mettere a bollire il pentolino del tè sul fuoco più grande del fornello!

Asciugacapelli 2: 2kW*4 minuti (240s)*1h/3600s = 0,133 kwh circa (quattro volte tanto, 2 kwh in 1 ora) Quindi il modello 2 consuma il quadruplo?

11 non vi pare? Se ho tanta fretta scaldo l acqua in una pentola (possibilmente coperta) con una base sufficientemente grande per contenere la fiamma

12 Quanta energia per vivere in 1 phonata? Ipotizziamo un phon da 1000 Watt. 6 minuti: 0,1 kwh 0,1 kwh= 85 kcal = 1 km di corsa a 10 km/h (6 minuti) Mela media (200g): 85 kcal Davvero una mela?

13 davvero 1 mela? Devo produrla, o meglio: devo trasformare un altra fonte primaria (ossia una fonte già esistente in natura) in energia elettrica

14 Fonti primarie: modi d uso (non solo per produrre elettricità, anzi!) Radiazione solare: fotosintesi (le piante hanno iniziato per prime a usare il sole!), energia termica, energia elettrica mediante conversione fotovoltaica Energia chimica dei combustibili (sia rinnovabili es. legna, sia fossili es. carbone, petrolio): reazioni esotermiche di combustione per motori termici e caldaie di vario tipo Energia cinetica di un fluido in movimento (acqua, vento): energia cinetica per macchine idrauliche/eoliche Energia geotermica: energia termica proveniente dal sottosuolo Energia dell atomo: energia termica di fissione per produzione di energia elettrica in centrali elettronucleari TUTTE LE TRASFORMAZIONI DI ENERGIA PORTANO DELLE PERDITE DI ENERGIA UTILE

carbone, petrolio): reazioni esotermiche di combustione per motori termici e caldaie di vario tipo Energia cinetica di un fluido in movimento (acqua, vento): energia cinetica per macchine

15 Esempio (un po obsoleto): dal carbone alla lampadina a incandescenza 100 unità di energia (carbone) entrano in centrale 2 unità di energia luminosa (lampadina incandescenza) escono in casa

16 Esempio (17MW): energia/291- ambiente-edenergia/37911-acavriglia-arinaugurato-il-piugrande-impiantofotovoltaico-pubblicoin-toscana Non solo elettricità dal sole

17 Esempio (40MW): wiki/middelgrunden

18 Esempio (50MW):

19 Esempio (20MW+1MW): CIBO!

20 Esempio (120MW): ellir_geothermal_power_station

21 Esempio (5320MW): g/wiki/paluel_nuclear _Power_Plant

22 Esempio (1440MW): m/impianti-elettrici/vadoligure/

23 Tornando all esempio dell asciugacapelli Se consideriamo che la maggior parte dell energia elettrica che usiamo abitualmente (circa 80%) è prodotta dalle centrali termoelettriche a partire da combustibili fossili con un rendimento medio inferiore a 0,5 (cioè il 50%, ossia 2 unità di energia del combustibile entrano nella centrale e 1 unità di energia elettrica esce dalla centrale) e in più aggiungo anche le perdite nella distribuzione dell elettricità sulla rete cosa scopro?

24 SCOPRO QUESTO Energia elettrica per l asciugacapelli + Energia (termica) persa durante fase di produzione e distribuzione Cioè l energia necessaria per 2 km di corsa!

25 Estremizziamo il concetto? Sì, ma ragionando Mi occorrono 15 mele (media dimensione, media zuccherinità) per correre 15 km (1 ora e mezza, 85 kcal x 15 mele= 1275 kcal )? No, perché faccio indigestione! Sono 3 kg di mele! Ci si ciba infatti di vari alimenti perché ogni tipologia di cibo fornisce un particolare apporto (zuccheri, proteine, grassi, acqua, sali, vitamine, fibra, oligoelementi ), e: la questione calorica non è l unico aspetto la pasta, per esempio? 100 g di pasta scondita (360 kcal) = circa 4 delle nostre mele medie (800 g). Rapporto sul peso: 1:8 Se la condisco le calorie possono raddoppiare

26 A differenza dei nostri avi abbiamo l automobile Sì, ma a che prezzo energetico? Ipotizziamo di avere un auto che percorre 15 km con 1 litro di benzina. Mi serve 1 litro di benzina (cos è la benzina? esiste in natura?) 1 litro di benzina (circa 750 g) sviluppa durante la combustione quasi 36 MJ (cioè 10 kwh) di energia termica! Il motore termico dell automobile riesce a trasformarne però meno del 30% in energia meccanica (cinetica) utile per far muovere l auto (e il resto dell energia, che fine fa?) Quante mele per 15 km in auto?

27 100

28 Cioè 20 kg di mele Circa 8600 kcal Cioè l energia elettrica per asciugarmi i capelli (1000W) per 5 ore (già considerando il non entusiasmante rendimento termoelettrico di 0,5) 8600 kcal Il fabbisogno calorico per vivere 3 giorni senza problemi (facendo anche qualche corsa a piedi!)

29 In altre parole, sempre ragionando solo di energia Viviamo (potremmo vivere) con un equivalente calorico di 1/3 di litro di benzina al giorno quella che un automobile che viaggia a 100 km/h esaurisce in (15/3) 5 km cioè in 3 minuti 3 minuti di auto = 24 ore di metabolismo basale (energia necessaria per le funzioni metaboliche vitali, circa il 60% del fabbisogno giornaliero) + energia per le attività giornaliere

31 Gli avi avevano il cavallo (quelli ricchi). Tutti avevano meno fretta O forse avevano anche tanta fretta ma pochi mezzi per soddisfarla

32 Illustrazione Livre du roi Modus et de la reine Racio, Anonimo, XIV secolo Trionfo della morte, Anonimo, XV secolo Banchetto di Carlo V di Francia, Jean Fouquet, XV secolo

34 I nostri servi moderni: sapremmo dire quanta energia richiedono? Turbina a vapore Turbina a gas Motore a pistoni Caldaia domestica Quale fonte di energia usano? Quali combustibili? RAFFINAZIONE DEL PETROLIO!

35 Il petrolio greggio (fonte energetica primaria) è una miscela di idrocarburi che non viene mai utilizzata tal quale. Viene sottoposto a processi di raffinazione che iniziano con la fase di distillazione. Dunque benzina, gasolio e qualsiasi altro combustibile derivato dal petrolio sono da considerare (similmente all energia elettrica) fonti energetiche secondarie, ossia vettori energetici. RAFFINAZIONE DEL PETROLIO

36 I nostri servi moderni: sapremmo dire quanta energia richiedono?

37 E la casa? Quanta energia per il riscaldamento? Come esprimo il consumo (riscaldamento) di un abitazione? kwh/m2 x anno

38 Tornando alla domanda iniziale

39 Fonte kcal kwh Batteria Li-ion 10,8 V 40 0,048 Mela (grande) 135 0,16 Mais (sgocciolato) 246 0,29 Lenticchie (sgocciolato) 315 0,37 Sgombro all olio (sgocciolato) 630 0,73 Pasta (secco) ,26 Legna (robinia, secco) ,54 Burro ,5 Benzina (0,4 litri) ,83 La benzina ha una densità energetica (kwh/g) 80 volte superiore rispetto alla batteria del notebook!

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