5.1. Fonti e ricevitori trasferiscono energia 5. I Trasferitori di Le fonti di energia, come il nome lascia ben intuire, cedono energia. Da dove ricevono però l energia che cedono? La ricevono da altre fonti? Osserva la figura 1. Il motore elettrico rappresenta la fonte e la pompa il ricevitore. Questa situazione è anche rappresentata nella figura 1 in basso. Nel caso del riscaldamento centrale nella figura 2 il bruciatore rappresenta la fonte e il calorifero il ricevitore. 1 2 Motore elettrico Pompa Calorifero Nella metà superiore della figura 1 vedi chiaramente che anche il motore elettrico riceve energia, e più precisamente attraverso un cavo. Allo stesso modo il bruciatore nella figura 2 riceve la nafta attraverso un tubo. Le fonti quindi non solo hanno un uscita per l energia, ma anche un entrata. Il motore e- lettrico ed il bruciatore non sono solo fonti di energia, ma allo stesso tempo sono anche ricevitori. Il portatore di energia, grazie al quale ricevono energia, non è però il medesimo col quale cedono energia. Osserva ora i ricevitori nelle figure 1 e 2, la pompa e il calorifero. Cosa succede con l energia che ricevono? L energia che fluisce con la quantità di nella pompa, se ne va con l acqua, e l energia che con l acqua calda giunge nel calorifero, se ne va con l aria che vi sta attorno. Anche i ricevitori hanno quindi un entrata ed un uscita per l energia. Non sono solo ricevitori: sono ricevitori e fonte nello stesso tempo. Il portatore di energia con cui però cedono l energia è diverso da quello con cui ricevono energia. Ciò che abbiamo chiamato fonte è quindi anche ricevitore di energia e ciò che abbiamo chiamato ricevitore è anche fonte. Tutti questi apparecchi svolgono quindi un attività comune: trasferiscono l energia da un portatore ad un altro. Li chiameremo quindi trasferitori di energia. Il motore elettrico trasferisce energia dall elettricità alla quantità di. La pompa ad acqua trasferisce energia dalla quantità di all acqua che si mette in movimento. Il bruciatore trasferisce energia dalla nafta all acqua che si riscalda. Il calorifero trasferisce energia dall acqua calda all aria. Poiché la maggior parte degli apparecchi sono dei trasferitori di energia conviene introdurre un simbolo per descriverli. Puoi comporre un tal simbolo partendo da quelli che già conosci. Per un trasferitore bruciatore le cose stanno così: una volta il bruciatore è ricevitore di energia, figura 3 in alto, una volta è fonte di energia, figura 3 in mezzo. Sovrapponendo i due disegni si ottiene la figura 3 in basso. In tal modo abbiamo trovato un simbolo per un trasferitore di energia. Nella figura 4 è riportato ancora una volta il simbolo per un bruciatore. Osservandolo è facile riconoscere cosa succede in un bruciatore: scarica 5. I Trasferitori di 23
succede in un bruciatore: scarica l energia dal portatore nafta e la carica sul portatore acqua. Un simbolo è una rappresentazione semplificata di un apparecchio. Dalla figura 4 non si può capire se si tratti di un bruciatore di una centrale a carbone o di un riscaldamento centrale. La figura 5 può rappresentare: il diagramma di flusso dell energia di un aspirapolvere, di un ventilatore, o di un compressore. Questi apparecchi si differenziano in molti aspetti, ma hanno una cosa in comune: scaricano l energia dall elettricità e la caricano sul movimento dell aria. Serbatoio della nafta Nafta Calorifero Nafta 4 3 Serbatoio della nafta Nafta Calorifero 5 Aspirapolvere (ventilatore) Aria Riassunto: Un motore elettrico, una pompa ad acqua, un bruciatore, un calorifero sono esempi di trasferitori di energia. Scaricano l energia da un portatore e la caricano su di un altro. Esercizi: 1. Elenca alcuni esempi di trasferitori di energia. Indica con quale portatore ricevono energia e con quale la cedono. 2. Disegna il diagramma di flusso dell energia di: a) un motore a benzina b) una lampadina c) una dinamo 3. Quale trasferitore di energia scarica energia da: a) quantità di a elettricità b) luce a elettricità c) cibo a quantità di d) aria a quantità di e) olio da riscaldamento all aria 24 5. I Trasferitori di
Trasferitori di sabbia e trasferitori di uomini Non solo per l energia ci sono dei trasferitori, ma anche per altre cose. La figura a lato rappresenta un porto nel quale della sabbia viene scaricata dalla nave e caricata su di un autocarro. La sabbia arriva con il portatore nave nel porto. La gru la trasferisce dalla nave all autocarro. La sabbia lascia il porto con il portatore autocarro. Il porto può quindi essere visto come un trasferitore di sabbia. Navi e autocarri possono essere visti come portatori di sabbia del tipo vuoto a rendere. Forse ti sarai reso conto che ogni porto, ogni stazione ferroviaria, ogni aeroporto è un trasferitore: non un trasferitore di energia, bensì un trasferitore di merci e di passeggeri. In un aeroporto, ad esempio, i passeggeri vengono trasferiti dal portatore aeroplano al portatore automobile e viceversa. 5.2. Un motore elettrico diventa una dinamo Le figure 6 e 7 mostrano i diagrammi di flusso dell energia di un motore elettrico e di una dinamo. Chi non sa cosa sia un motore elettrico e una dinamo, può facilmente capire dai disegni quello che i due apparecchi fanno: il motore elettrico trasferisce energia dall elettricità alla quantità di e la dinamo dalla quantità di all elettricità. La dinamo svolge esattamente il processo inverso del motore elettrico. Puoi facilmente convertire il diagramma di flusso dell energia della dinamo in quello del motore elettrico: basta semplicemente invertire il verso di tutte le frecce, come illustrato nella figura 8. Se ti dà fastidio vedere l energia fluire da destra a sinistra e non come d abitudine da sinistra a destra, puoi semplicemente ruotare l intero schema. In tal modo ottieni la figura 7. 6 7 Motore elettrico Dinamo Dinamo 8 5. I Trasferitori di 25
Così come la coppia motore elettrico - dinamo, anche la coppia cella solare - lampadina hanno dei diagrammi di flusso dell energia che si differenziano solo nel verso delle frecce. La cella solare trasferisce e- nergia dalla luce all elettricità e la lampadina trasferisce energia dall elettricità alla luce, figura 9. Di solito i trasferitori di energia i cui diagrammi di flusso dell energia si differenziano solo nel verso delle frecce sono macchine completamente diverse. A volte però può essere possibile che il trasferimento dell energia in un verso o nell altro possa avvenire con una medesima macchina. Una pompa ad acqua può ad esempio funzionare sia come turbina (l energia passa dall acqua alla quantità di ) sia come motore idraulico (l energia passa dalla quantità di all acqua). Cella solare Lampadina 9 Riassunto: Motore elettrico e dinamo, cella solare e lampadina, pompa ad acqua e turbina ad acqua sono coppie di trasferitori di energia con diagrammi di flusso dell energia in cui le frecce sono capovolte. Esercizi: 1. Disegna i diagrammi di flusso dell energia per una turbina ad acqua e per una pompa ad acqua. Come si può trasformare l uno nell altro? 2. Elenca alcuni apparecchi in cui l energia può fluire sia in un senso che nell altro. 5.3. Come collegare in serie dei trasferitori di energia Fino ad ora abbiamo considerato solo dei singoli trasferitori di energia. Avrai però certamente già visto che diversi trasferitori possono essere collegati tra di loro. Per fare ciò vi è una sola regola che deve essere osservata. Puoi scoprirla da solo osservando la figura 10. Perché non è possibile collegare una lampadina direttamente a una turbina (figura 10 in alto) mentre è possibile farlo con una dinamo (figura 10 in basso)? 26 5. I Trasferitori di
Turbina Lampadina a acqua Turbina Dinamo a acqua (Generatore) 10 Dinamo Lampadina L energia può uscire dalla turbina solo con il portatore quantità di, mentre può entrare nella lampadina solo con il portatore elettricità. I due trasferitori non vanno dunque d accordo. Dinamo e lampadina invece vanno d accordo. Infatti l energia esce dalla dinamo con lo stesso portatore col quale entra nella lampadina. La regola per il collegamento dei trasferitori è quindi la seguente: il portatore che esce dal primo trasferitore deve essere lo stesso che entra nel secondo trasferitore. Una dinamo può esser collegata a una turbina, figura 11 in alto, poiché sia l energia che esce dalla turbina che quella che entra nella dinamo viene trasportata dal medesimo portatore: la quantità di (entrambe le macchine hanno un albero di trasmissione). 11 Centrale elettrica Come avrai notato quanto assemblato corrisponde a una centrale elettrica. Invece di ricorrere a due simboli, possiamo rappresentare una centrale elettrica attraverso un solo simbolo. Se non siamo interessati alla struttura interna della centrale elettrica è sufficiente per la sua rappresentazione un diagramma di flusso come quello della parte inferiore della figura 11. La parte inferiore della figura 12 rappresenta il diagramma di flusso dell energia in un aspirapolvere. Sopra si trova il diagramma di flusso dell energia nel dettaglio. Ovviamente si possono collegare anche più di due trasferitori tra di loro. Si può costruire un intera catena di trasferitori. La figura 13 mostra il diagramma di flusso dell energia di un aspirapolvere che riceve l energia da una centrale idroelettrica. Nel percorso dall acqua della centrale idroelettrica all aria dell aspirapolvere l energia cambia portatore ben quattro volte. Motore Ventola elettrico Aria Aspirapolvere Aria 12 5. I Trasferitori di 27
Turbina ad acqua Motore Aspir a- Dinamo elettrico polvere Aria 13 Riassunto: Due trasferitori collegati tra di loro generano un nuovo trasferitore. Nel collegamento il portatore dell energia in uscita dal primo trasferitore deve essere il medesimo di quello in entrata nel secondo trasferitore. Esercizi: 1. A cosa bisogna stare attenti quando si collegano tra di loro due trasferitori? 2. Quale trasferitore bisogna porre tra un motore a benzina ed una lampadina se si vuole accendere quest ultima con il motore a benzina? 3. Inventa una lunga fila di trasferitori collegati tra di loro. 4. Disegna una fila di trasferitori più lunga possibile e che esiste realmente. 5. Disegna una pompa ad acqua elettrica a) tramite un solo simbolo b) tramite due simboli collegati tra di loro 6. Componi dei diagrammi di flusso dell energia per i seguenti apparecchi utilizzando ogni volta due trasferitori a) pompa elettrica b) pompa ad acqua azionata da un motore a benzina c) pompa ad acqua azionata dal vento Il gioco del domino con i trasferitori di energia Capita spesso di dover collegare tra di loro differenti trasferitori di energia. A tale scopo è utile preparare delle tesserine, tipo quelle per il gioco del domino, su cui è raffigurato il diagramma di flusso dell energia di un trasferitore. La figura a lato mostra come appare una di queste tesserine. Nella costruzione delle stesse presta attenzione al fatto che le frecce siano disegnate alla stessa altezza in modo da poterle facilmente collegare tra di loro. Può essere utile utilizzare colori diversi per portatori diversi. 28 5. I Trasferitori di
5.4. Un catalogo di trasferitori di energia Molti degli apparecchi incontrati fino ad ora sono in realtà dei trasferitori di energia. Questi sono stati raggruppati nella seguente tabella. Vediamo cosa si può fare con la tabella. Se parti dalla cella solare a ti sposti a sinistra, troverai il portatore con cui l energia fluisce nella cella solare: la luce. Se invece dalla parola cella solare ti sposti verso l alto, troverai il portatore con cui l energia abbandona la cella solare: l elettricità. Nello stesso modo è possibile leggere dalla tabella, ad esempio, che il trasferitore calorifero riceve l energia con il portatore acqua calda e la trasmette col portatore aria calda. Nella tabella figurano trasferitori composti da più trasferitori come la centrale idroelettrica e trasferitori semplici come la turbina ad acqua. Portatore con cui l energia esce dal trasferitore Portatore con cui l energia entra nel trasferitore Aria compressa e aria in movimento Liquido in movimento Aria calda calda Combustibile Aria compressa e aria in movimento Liquido in movimento Centrale eolica Centrale idroelettrica Mulino a vento Turbina ad acqua Ventilatore Aspirapolvere Pompa elettrica Motore elettrico Lampadina Forno elettrico Fornello ad immersione Compressore Pompa ad acqua Dinamo Generatore Cella solare Asfalto della strada Collettore solare Aria calda calda Calorifero Combustibile Compressore diesel Centrale a carbone Motore a benzina Macchina a vapore Fuoco Forno a nafta Esercizi: 1. In quale riga si trovano le lampade? Perché? 2. Cosa hanno in comune gli apparecchi che si trovano sulla stessa riga orizzontale della tabella? 5. I Trasferitori di 29
5.5. Trasporto di energia su grandi distanze A prima vista la serie di trasferitori riportata nella figura 3 sembra priva di senso. Una dinamo trasferisce energia dalla quantità di all elettricità, il motore elettrico la ritrasferisce al portatore quantità di. Si potrebbe semplicemente lasciare l energia al portatore quantità di, risparmiando così due trasferitori. Ciononostante questa sequenza di trasferitori trova ampio utilizzo e, come vedremo, a ragion veduta! 3 4 Dinamo Pompa Motore elettrico Motore a acqua Nella turbina di una centrale idroelettrica l energia viene caricata sul portatore quantità di. Nelle case dove si ha bisogno di energia, questa viene utilizzata grazie al portatore di energia quantità di : pensa a tutti gli apparecchi che funzionano grazie a un motorino elettrico. Non si potrebbe ora rinunciare al generatore nelle centrali elettriche e ai motori elettrici negli apparecchi domestici? Sì, questo sarebbe possibile, ma vi sarebbe un alto prezzo da pagare! L energia dovrebbe essere trasportata dalla centrale elettrica alla casa con il portatore quantità di. In altre parole bisognerebbe collegare centrale e casa, invece che con dei cavi elettrici, con un albero di trasmissione. Ti puoi facilmente immaginare le complicazioni di una tale operazione. Riassunto: Non è pratico trasportare energia con il portatore quantità di su grandi distanze. Di conseguenza la si carica prima sul portatore elettricità e poi nuovamente sul portatore quantità di. Esercizio: Quali portatori di energia vanno bene per trasportare energia su grandi distanze e quali no? Perché? 5.6. Da dove proviene l energia che utilizziamo a casa nostra? Ogni economia domestica riceve energia da più portatori. Per il riscaldamento in genere l energia arriva con il portatore legna, nafta o gas. L energia necessaria per l illuminazione, l aspirapolvere, il televisore, lo stereo, la macchina da lavare arriva con l elettricità. Le case con un collettore solare ricevono l energia per riscaldare l acqua dalla luce del Sole. Le automobili e i motorini presenti nell economia domestica ricevono l energia dalla benzina. Infine anche le persone che vivono in casa vogliono mangiare. Ricevono l energia di cui necessitano dai portatori cibo e ossigeno. Ma da dove proviene tutta questa energia? Prova a ripercorrere il tragitto dei portatori di energia che abbiamo elencato nel paragrafo precedente. A tale scopo osserva la figura qui sotto. 30 5. I Trasferitori di
Sole Prati, pascoli Giacimenti di gas naturale Giacimenti petroliferi Petrolio Animali Raffineria Olio pesante Nutrimento vegetale Nutrimento animale Gas naturale Benzina Centrale a olio pesante Nafta Giacimenti di carbone Carbone Gas di città Centrale a gas Pioggia Centrale a carbone Centrale idroelettrica Giacimenti di uranio Uranio Centrale nucleare Gli alimenti di natura vegetale ricevono la loro energia dalla luce che proviene dal Sole. Dal momento che gli animali (che noi chiamiamo erbivori) si cibano di vegetali, anche l energia che noi riceviamo mangiando carne, burro o uova proviene dal Sole. Tutti i combustibili, cioè carbone, nafta, gas da riscaldamento, provengono da giacimenti formatisi molti milioni di anni fa dalla morte e successiva decomposizione di piante e animali. Anche l energia presente in questi combustibili proviene quindi dal Sole. L energia trasportata dall elettricità proviene per la maggior parte da centrali a carbone. Anch essa quindi proviene dal Sole. Una parte proviene da centrali idroelettriche. L acqua che fa girare le turbine ha comunque anch essa ricevuto energia dal Sole (se vuoi sapere in sapere in che modo ciò accade, puoi leggere il capitoletto successivo). Una piccola parte dell energia che utilizziamo nelle nostre economie domestiche, il 35%, proviene dalle centrali nucleari. Le centrali nucleari ricevono la loro energia dall uranio. I giaciment i di u- ranio non hanno ricevuto la loro energia attraverso la luce del Sole. La maggior parte dell energia che utilizziamo proviene da fonti che prima o poi si esauriranno. Per la formazione dei giacimenti di carbone, petrolio, gas naturale, il Sole ha dovuto brillare per milioni di anni. Noi stiamo consumando queste riserve nell arco di alcuni decenni o pochi secoli. Anche le riserve di u- ranio non dureranno molto a lungo. È quindi giunto il momento di chiederci come potremo procurarci energia nel futuro prossimo. Riassunto: Quasi tutta l energia che utilizziamo proviene dal Sole. La maggior parte dell energia che utilizziamo proviene da fonti che si esauriranno nei prossimi decenni o secoli. Esercizi: 1. Con quali portatori giunge l energia a casa tua? Da dove proviene questa energia? Prova a ripercorrerne il tragitto. 2. Nella figura della pagina precedente puoi percorrere in più modi la strada dal Sole alla casa. Disegna il diagramma di flusso dell energia utilizzando i simboli appresi per qualche percorso. 3. I lucci si nutrono di pesci più piccoli di loro. Anche l energia che riceviamo quando mangiamo un luccio proviene dal Sole? Spiega la tua risposta! 5. I Trasferitori di 31
Il trasferitore di energia pioggia Sulle superfici degli oceani, dei mari, dei laghi e dei fiumi l acqua evapora continuamente: essa passa allo stato di vapore e si mescola con l aria. L energia necessaria all evaporazione dell acqua viene fornita dal Sole. L acqua evaporata sale in alto. Anche per questo c è bisogno di energia e anche in questo caso ci pensa il Sole. Più si va in alto e più diventa freddo. Ad un certo punto fa talmente freddo che il vapore acqueo condensa formando tantissime goccioline di acqua liquida. Si formano le nuvole. A un dato momento le goccioline d acqua diventeranno talmente grandi che ricadranno sulla Terra. Piove. Dal momento che il vento trasporta l acqua evaporata molto lontano, l acqua non ricade sotto forma di pioggia sullo stesso posto da dove è evaporata. L acqua piovana scorre sulla Terra dalle montagne, nelle valli, verso il mare. L acqua in movimento trasporta energia. La si può trasferire nelle centrali idroelettriche sul portatore elettricità. L energia trasportata dall acqua dei fiumi, è stata quindi in definitiva caricata sull acqua dal Sole. Il trasferitore in questo caso non è un apparecchio ma un fenomeno naturale. Per semplicità nel simbolo del trasferitore scriveremo la parola pioggia. Così come la pioggia, anche il vento viene messo in moto dal Sole. Pioggia 32 5. I Trasferitori di