L’ENERGIA

Cos’è l’energia?:

L’energia è la capacità di un corpo o di un sistema di lavoro un lavoro. Ad esempio, una massa d’acqua che precipita da una certa altezza possiede un’energia (di moto) capace di far ruotare la turbina idraulica di una centrale elettrica.

Da dove proviene l’energia:

Quasi tutta l’energia disponibile sulla Terra proviene dal sole.

I vegetali  fissano l’energia del solare con il processo della fotosintesi, con quale sia sia la materia organica. E ‘grazie a questo meccanismo che ritroviamo oggi nel sottosuolo i combustibili fossili: il carbone delle foreste sotterrate, il petrolio e il gas naturale che derivano dalla decomposizione dei settori viventi.

L’acqua del mare si riscalda ed evapora, e il vapore prodotto, presto o tardi, si ricondensa in nuvole, cade sotto forma di pioggia o neve e si ritrova nei fiumi dai quali traiamo l’energia idroelettrica.

Abbiamo a disposizione due mezzi per procurarci l’energia tutto ciò che la natura ha già immagazzinato: il carbone, il petrolio, il metano, l’uranio. Queste sono le risorse esauribili di energia.

Sfruttiamo anche ciò che la natura fornisce liberamente: il sole, l’acqua, il vento, il materiale organico. Queste sono le risorse rinnovabili di energia.

Attualmente la maggior parte dell’energia proviene dalle risorse esauribili, soprattutto dai combustibili fossili.

I combustibili:

I combustibili sono quei materiali che, bruciando in presenza di ossigeno (comburente), consumo di calore (energia termica).

Nei combustibili è immagazzinata una certa quantità di energia chimica, presente nei legami esistenti tra gli atomi all’interno delle loro molecole. Quando questi legami vengono spezzati durante la combustione, una parte di questa energia viene rilasciata sotto forma di calore e di luce.

I carboni, i petroli e il gas naturale vengono elencati chiamati combustibili fossili a causa delle loro origini.

I carboni fossili, il petrolio, il gas naturale o metano:

I giacimenti di carbone si possono trovare a cielo aperto o, più spesso, scavando gallerie e pozzi per raggiungere gli strati carboniferi più profondi.

Le miniere a cielo aperto comportano gravi danni all’ambiente: le zone interessate perdono ogni valore dal punto di vista agricolo e forestale. L’estrazione è gestita da gigantesche macchine scavatrici, lunghe fino a 200 me alte 40 m, capacità di scavare ogni giorno anche 100.000 tonnellate di prodotto. 

Nelle miniere vere e proprie si scavano profondi pozzi e lunghe gallerie laterali per poter raggiungere i filoni carboniferi più ricchi. Il carbone viene utilizzato per alimentare le centrali termoelettriche. Il carbone è stato per molti decenni la fonte energetica mondiale, fino a quando, verso il meta degli anni Sessanta del Novecento, non è stato superato dal petrolio.

Il petrolio naturale o greggio è un liquido oleoso, più o meno denso, di odore gradevole. Si trova spesso negli strati profondi della crosta terrestre, ma qualche volta scaturisce spontaneamente dalle rocce o addirittura affiora in superficie, formando piccoli laghi. La perforazione di un pozzo di petrolio è complessa e costosa. Si tratta di torri di trivellazione , armature che devono sostenere la trivella, una specie di trapano che porta sulla cima di uno scalpello, detta  sonda di trivellazione. 

Il petrolio grezzo estratto dal giacimento è immesso in grandi serbatoi di sedimentazione , dove si deposano i fanghi, i frammenti di roccia e l’effetto sospesi nel fluido. Viene poi portato, attraverso apposite tubazioni dette oleodotti , direttamente alle raffinerie o, più spesso, a grandi centri di raccolta vicini ai porti di imbarco dove gigantesche navi petroliere lo caricano e lo trasportano alle raffinerie di destinazione. Il naturale gas  , comunemente Detto metano  dall’idrocarburo Che per la maggior parte lo Compone, rappresenta Un’ottima Risorsa energetica (La più pulita Tra i Combustibili fossili). Il metano è usato per produrre energia elettricanelle centrali termoelettriche e nelle centrali a turbogas. Inoltre è anche impiegato per produrre energia termica nell’industria, negli usi domestici e civili. Attualmente in Italia il metano copre circa il 31% del fabbisogno energetico totale.

Cos’è l’energia nucleare:

L’ energia nucleare è una forma di energia che deriva da profonde modificazioni della struttura stessa della materia. Che la materia potrebbe trasformarsi in energia fu scoperto dallo scienziato Albert Einstein più di un secolo fa, ma le applicazioni della tecnica hanno attualmente il permesso di usufruire di questo principio in forma molto limitata:

La fissione o scissione nucleare consiste nella disintegrazione del nucleo dell’atomo di alcuni elementi, detti fissili, per mezzo di piccolissime particelle (neutroni) che lo colpiscono e lo spezzano in due nuclei più leggeri.

La fusione nucleare consiste nell’unione di nuclei di atomi leggeri per formare nuclei più pesanti: in un certo senso è il processo inverso di quello precedente descritto dalla fissione nucleare.                                               

Un grave problema legato allo sfruttamento dell’energia nucleare è quello dello smaltimento delle scorie radioattive prodotte dalle centrali.

Infatti, oggi, gli esempi non sono riusciti a trovare sistemi sicuri per sbarazzarsi delle 80.000 tonnellate di combustibile nucleare e delle centinaia di migliaia di componenti di altre scorie radioattive che si accumulano durante questi anni nelle centrali nucleari.

Le energie rinnovabili:

energia idroelettrica:

L’energia idroelettrica è un tipo di energia rinnovabile, e quindi non soggetta a esaurimento, molto importante per quei paesi, come l’Italia, poveri di combustibili fossili. Le centrali idroelettriche  sfruttano la caduta delle acque dei fiumi e dei torrenti, raccolte in grandi bacini artificiali, create sbarrando le valli con le dighe . 

L’energia solare:

L’energia solare è un’energia pulita e inesauribile , che non richiede e non contamina, distribuisce, anche se non in modo uniforme, su tutto il globo. La potenza di irraggiamento dei raggi solari è, in media, di circa 1 chilowatt per ogni metro quadrato di superficie: in un anno, da 5 a 10 volte le riserve conosciute di combustibili fossili e di combustibili nucleari.

L’energia solare presenta però anche degli inconvenienti: è intermittente e variabile , per quanto riguarda l’alternarsi del giorno e della notte, per quanto riguarda le stagioni e le condizioni climatiche. Saremo quindi necessari sistemi di accumulo su grande scala, forniti di immagazzinare l’energia solare nei momenti di massima produzione, per poi cederla nei momenti in cui non può essere sfruttato: questo, con la tecnologia attuale, è ancora un problema irrisolto. 

L’energia del vento:

L’energia del vento o l’energia eolica, è sfruttata e sfruttata sin dai tempi più antichi, per navigare e per muovere le pale dei mulini utilizzati per macinare i cereali o per pompare l’acqua.

I generatori eolici:

La macchina che trasforma l’energia del vento in energia elettrica è il generatore eolico . Il componente essenziale di un generatore eolico è il rotore, composto da un certo numero di pallido fissato sul mozzo e progettato per il vento leggero parte della sua energia cinetica e trasformata in energia meccanica di rotazione.

Progetto Energy Trasformer.

Uno degli esperimenti che abbiamo eseguito ci ha mostrato l’energia elettrostatica.

Il materiale necessario per questo esperimento è costituito da un palloncino, una scatola in alluminio e un maglione di lana.

Dopo aver gonfiato il palloncino l’esperto lo ha sfregato sul maglione e poi lo ha avvicinato alla scatola di alluminio che era stata disposta sul tavolo in posizione verticale (come si può vedere nel video allegato); così facendo abbiamo visto che il palloncino attirava la scatola facendola rotolare sul tavolo.

Sfegando il palloncino sul maglione c’è stato un trasferimento di elettroni dalla lana al palloncino che si è caricato negativamente e ha attratto la scatola di alluminio.

Un altro esperimento è stato quello della macchinina elettrica dotata di un piccolo pannellino fotovoltaico; abbiamo visto che illuminandolo con una lampadina (a imitazione della luce solare) la macchinina iniziava a muoversi.

L’energia elettrica

L’energia elettrica è definita energia secondaria perché è ottenuta da altre forme di energia. L’energia elettrica è:

• Facilmente trasformabile, in energia meccanica o termica
• Facilmente trasportabile
• E’ un energia pulita perché non produce polveri o residui nel luogo di consumo
• E’ comoda da usare, basta premere un interruttore
• E’ però difficile da immagazzinare

Cos’è l’elettricità

Si parla di elettricità per tutti quei fenomeni fisici nei quali intervengono cariche elettriche, sia ferme sia in movimento.

La conduzione di corrente elettrica avviene:

1. Nei metalli per movimento degli elettroni liberi
2. Nei liquidi, per movimento di ioni positivi e negativi
3. Nei gas ionizzati, per movimento di ioni ed elettroni

Un principio fondamentale dell’elettricità dice che due corpi con cariche elettriche opposte si attraggono mentre due corpi con cariche elettriche dello stesso tipo si respingono.

Attrazione e repulsione sono manifestazioni della forza elettromagnetica. Questo spiega perché il nucleo, con cariche elettriche positive, tenga legati a sé gli elettroni, con carica negativa.

Esistono materiali conduttori e materiali isolanti. 

In alcuni elementi, come per esempio i metalli, gli atomi possono facilmente perdere gli elettroni più esterni che sono così liberi di muoversi all’interno del corpo metallico.

I materiali in cui può avvenire movimento di cariche si dicono conduttori, mentre gli altri sono detti isolanti. I migliori conduttori sono argento, rame e alluminio.

Sono isolanti il vetro, le materie plastiche, la gomma e il legno asciutto.

Tensione e corrente elettrica

Ipotizziamo di avere due oggetti conduttori, uno carico positivamente e l’altro carico negativamente; se noi volessimo trasportare degli elettroni dal corpo carico positivamente a quello carico negativamente dovremmo spendere una certa energia. Si dice che tra i due oggetti esiste una differenza di potenziale elettrico o tensione elettrica. Questa differenza si misura in volt (V). Se poi colleghiamo i nostri due oggetti con un filo conduttore, gli elettroni cominciano a spostarsi da un corpo all’altro per ristabilire un contatto elettrico. Sotto l’azione di una corrente elettrica si stabilisce nel filo una corrente elettrica che si misura in ampere (A). Convenzionalmente la corrente elettrica viene indicata come un flusso di cariche positive che si muovono dall’oggetto con carica positiva a quello con carica negativa, anche se in realtà si tratta di un flusso di elettroni in verso opposto. 

Ristabilito l’equilibrio tensione e corrente si annullano, se però tra i due oggetti viene inserito un generatore elettrico, cioè un dispositivo capace di mantenere la tensione elettrica costante tra i due oggetti, la corrente continua a passare a spese di una certa energia.

Le leggi fondamentali dell’elettrotecnica

La legge di Ohm: 

La corrente I che passa in un filo conduttore e la tensione elettrica V tra le due estremità del filo sono direttamente proporzionali. Il fattore di proporzionalità è la resistenza elettrica R del filo.

Formula: V (volt) =  I (ampere) x R (ohm)

I = V / R

R = V / I

La corrente aumenta all’aumentare della tensione.

La resistenza elettrica di un filo conduttore dipende:

• Dal materiale del filo
• Dalla lunghezza e dalla sezione del filo conduttore

Potenza ed energia:

La potenza è l’energia liberata nell’unità di tempo, si misura in Watt (W).

Formula: P (watt) = V (volt) x I (ampere)

Quando le cariche elettriche fluiscono in un filo conduttore (ad esempio la resistenza di un forno) l’energia si trasforma totalmente in energia termica, questo fenomeno è detto effetto Joule. 

Le pile

Le pile sono dei generatori elettrici che utilizzano reazioni chimiche per ottenere energia elettrica. Sono costituite da due elementi metallici (detti elettrodi) sempre costituiti da due sostanze diverse, immersi in una soluzione chimica (detta elettrolito). Tra i due elettrodi si stabilisce una tensione elettrica per effetto elettrochimico, se noi li uniamo con un filo conduttore fluisce corrente elettrica. Le reazioni consumano le sostanze della pila e quindi a un certo punto le reazioni chimiche cessano e la pila è scarica. 

Pile a secco 

Le pile a secco sono pile nelle quali l’elettrolito è inglobato in una pasta in modo che non possa fuoriuscire.

La pila a secco più comune è la pila zinco-carbone, costituita da un contenitore cilindrico di zinco (elettrodo negativo) e da un nucleo centrale di carbone (elettrodo positivo).

L’elettrolito è una pasta composta da una soluzione concentrata di cloruro d’ammonio e cloruro di zinco. Una pila di questo tipo fornisce una tensione di 1,5 V (sono le pile stilo che usiamo normalmente nelle macchine fotografiche).