I.T.I.S “Leonardo Da Vinci”

10/03/14 IIE1

A.S. 2013/2014

L’ Auto Elettrica !AREA DI PROGETTO

ITI «Leonardo da Vinci»Definizione, Scoperta, Normativa,

sull’ Auto Elettrica

2013-2014

Il principio della unitarietà del sapere, del processo di educazione e formazione culturale deve trovare una sua esplicita, specifica affermazione anche nella attuazione di un'area di progetto che conduca al coinvolgimento ed alla concreta collaborazione fra docenti di alcune o di tutte le discipline.

Perciò la classe IIE1 sperimenta il Progetto: L’auto Elettrica.Esso intende coinvolgere gli alunni nello studio, nella progettazione e nella realizzazione di un prototipo di auto elettrica da realizzarsi durante tutto il corso di studi, dalla seconda alla quinta classe.

L’intento è quello di coinvolgere gli alunni in un progetto pluriennale che li vede attori protagonisti, potenziando in loro il senso di appartenenza alla struttura scolastica.

Per questo primo anno gli allievi hanno

affrontato il tema dell’acqua nelle sue molteplici potenzialità di alimentare macchine di ogni tipo, da quelle viventi a quelle inventate dall’uomo…

I.T.I.S “Leonardo Da Vinci”

10/03/14

Classe IIE1A.S.

2013/2014

ACQUA CHE CANTI

Acqua che sali e poi discendiAlternamente...Acqua di monte,acqua di fonte,acqua piovana,acqua sovrana,acqua che odo,acqua che lodo,

acqua che squilli,acqua che brilli,

acqua che canti e piangi,acqua che ridi e muggi,tu sei la vita e sempre

e sempre fuggi. (Gabriele D’Annunzio)

 

ITALIANO

SCIENZE

Il Ciclo dell’acqua

• L'acqua è una componente fondamentale di tutti gli organismi viventi presenti sul nostro pianeta. Si trova in elevate percentuali nelle cellule. Nel protoplasma di tutte le cellule, sia procarioti sia eucarioti, l'acqua rappresenta il composto predominante e agisce come solvente per tutte le biomolecole. Oltre che come solvente, l'acqua partecipa attivamente come reagente in diverse reazioni metaboliche,ed è, assieme all'anidride carbonica, uno dei principali reagenti della fotosintesi clorofilliana; è inoltre, sempre assieme alla CO2, il prodotto conclusivo del processo di respirazione cellulare.

SCIENZE

Essendo il principale costituente della gran parte dei viventi, l'acqua è quindi presente anche nell'organismo umano. Risulta quindi di fondamentale importanza per il

trasporto dei nutrienti in tutti i distretti corporei e per l'eliminazione e l'escrezione, tramite l'urina, delle scorie

prodotte nelle reazioni biochimiche. L'acqua inoltre svolge una funzione determinante nella regolazione

della temperatura corporea (tramite la sudorazione) e della concentrazione dei sali minerali; partecipa inoltre

alla digestione, favorendo il transito intestinale e l'assorbimento delle sostanze nutritive.

SCIENZE

Il ciclo dell’acqua• Il ciclo dell'acqua è la

successione dei fenomeni di flusso e circolazione dell'acqua all'interno dell'idrosfera terrestre e i cambiamenti del suo stato fisico (liquido, gassoso e solido). Il ciclo dell’acqua si riferisce ai continui scambi di massa idrica tra l'atmosfera, la terra, le acque superficiali, le acque sotterranee e gli organismi. Oltre all'accumulo in varie zone (come gli oceani che sono le più grandi zone di accumulo idrico), i molteplici cicli che compie l'acqua terrestre includono i seguenti processi fisici: evaporazione, condensazione, precipitazione, infiltrazione, scorrimento e flusso sotterraneo.

SCIENZE

Le macchine ad acqua

in epoca ellenistica

STORIA

• L’ ellenismo è caratterizzato dall’adozione della lingua greca come lingua internazionale e da una prodigiosa fioritura della scienza e della tecnica. Nel settore delle scoperte scientifiche i filosofi ellenistici ebbero intuizioni straordinarie molte delle quali vennero confermate sperimentalmente.

• Nel settore della tecnica l’attività si concentrò soprattutto sulle macchine da guerra. Si costruirono però anche “macchine meravigliose” per il divertimento dei potenti: meccanismi che, sfruttando l’energia del vapore dell’acqua, facevano aprire “magicamente” le porte di un tempio o scaturire l’acqua da una fontana o ancora ruotare un soffitto, perché la scena che vi era dipinta cambiasse a seconda delle diverse portate di un pranzo.

STORIA

La vite di Archimede

• Archimede inventò un meccanismo per il pompaggio dell’acqua, impiegato per l’irrigazione dei campi coltivati, noto come vite di Archimede, ma detta anche còclea (dal latino cochlea, propriamente "chiocciola"), è un dispositivo elementare usato per sollevare un liquido, o un materiale sabbioso, ghiaioso, o frantumato.

STORIA

La macchina di Erone

• La Macchina di Erone è un dispositivo descritto da Erone di Alessandria nel suo trattato sulla pneumatica (I secolo). Tale macchina permetteva di aprire le porte del tempio di Serapide ad Alessandria e può essere considerata uno dei primi esempi di macchina a vapore della storia.

STORIA

L’ organo idraulico

• L'organo idraulico era uno strumento che produceva i suoni per mezzo dell'aria prodotta da un salto d'acqua che azionava un mantice. La sua invenzione si deve allo scienziato greco Ctesibio di Alessandria, un ingegnere del periodo ellenistico. Questo fu il primo strumento musicale a tastiera e fu l'antico predecessore del moderno organo a canne.

STORIA

L’ organo idraulico

STORIA

L'acqua in musica, Fontana dell'organo a Villa d'Este (Tivoli)

Il Motore di Stirling

FISICA

La nascita dell’ automobile

Il primo motore per autotrazione fu quello a vapore che utilizzava acqua come fluido termodinamico. Tuttavia per la pericolosità si propose di sostituire l’acqua con un gas, più sicuro. Dopo una

prima fase di applicazione con buon successo del motore Stirling di dimensioni commerciali il suo uso fu abbandonato.

Ma i vantaggi che stanno facendo apprezzare di nuovo lo Stirling non sono secondari. In primo luogo non avendo combustione interna la manutenzione è ridotta al minimo e non è nemmeno paragonabile ad un motore a combustione interna. In secondo

luogo lo Stirling è il motore policarburante per eccellenza, potendo utilizzare qualunque tipo di calore, anche residuo.

Recentemente il motore Stirling con l’uso di fluidi termodinamici più performanti è tornato a riscuotere un certo interesse.

FISICA

La prima automobile a vaporeIl carro di Cugnot

Progettato nel 1769 era azionato da un motore a vapore a due cilindri verticali. Questo "mostro", in grado di portare un carico di oltre 4 tonnellate, soprannominato "macchina azionata dal fuoco" procedette lentamente solo per una dozzina di minuti, raggiungendo una punta di velocità stimata inferiore ai 10 km/h; questa pur brevissima esibizione segnò l'inizio della storia della motorizzazione: si tratta infatti della prima dimostrazione pratica fornita al mondo da un veicolo "auto-mobile" nel senso letterale del termine, vale a dire che si muove da sé tramite una forza non animale, non immagazzinata per mezzo di molle e che non utilizzava gli effetti del vento. FISICA

Macchina a vaporeLa macchina di Newcomen, sviluppata appunto da Thomas Newcomen, sostanzialmente la prima applicazione del vapore ad un processo industriale, è in sostanza una pompa a pistone azionata da un motore a vapore a condensazione interna. Essa fu protagonista della prima rivoluzione industriale, in quanto appunto primo esempio di applicazione dell'energia trasmissibile con il vapore, ossia della trasformazione di energia chimica (data dalla ossidazione combustiva del carbonio con ossigeno) in energia meccanica (espressa in lavoro di sollevamento).

FISICA

La caldaia produce vapore, che si espande nella camera, raggiungendo la pressione che compete alla temperatura raggiungibile dall'acqua. Il pistone si solleva. Nel suo movimento, il pistone libera il bilanciere che, grazie al contrappeso, si sposta verso il basso. Quando il pistone raggiunge il punto morto superiore , dal serbatoio viene alimentata acqua, sia sulla faccia superiore del pistone sia all'interno del cilindro. Il vapore presente all'interno di questo è così condensato, e la pressione interna cade a valori molto bassi: la pressione atmosferica agisce allora sul pistone facendolo scendere, e quindi abbassando il braccio destro del bilanciere e contemporaneamente sollevando il sinistro; il pistone della pompa si solleva, estraendo acqua. Al termine dell'estrazione, l'acqua viene drenata, e il ciclo si ripete.

FISICA

Il Motore di Stirling

• All'inizio del 1800, in Inghilterra i motori ad aria calda competevano con il motore a vapore per fornire energia meccanica ai macchinari industriali della prima rivoluzione industriale

• I motori a vapore avevano caratteristiche superiori di quelli ad aria, e il motore ad aria presentava il vantaggio di essere meno pericoloso

FISICA

• Con lo sviluppo dell'elettronica, l'uso dei primi apparecchi radio e lo sviluppo dell'aviazione, nel 1950 si ebbe una seconda applicazione del motore Stirling.

• Nel 1960 l'adozione del transistor nei circuiti elettronici rese sufficiente l'alimentazione con potenze elettriche limitate, che si potevano ottenere con semplici batterie di accumulatori di piccola dimensione conseguendo anche buone autonomie.

FISICA

FUNZIONAMENTO DEL MOTORE STIRLING

Il motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico, solitamente aria o azoto, oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto rendimento. Quando è raggiunta un'opportuna differenza di temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo, si innesca una pulsazione ciclica (opportunamente avviata all'inizio), normalmente trasformata in moto alternato dei pistoni. La pulsazione perdura fino a quando si continua a mantenere la differenza di temperatura, somministrando calore al punto caldo e sottraendone al freddo.

FISICA

La rigenerazione

• Il criterio innovatore di invenzione di Stirling del 1816 rispetto ai preesistenti motori ad aria calda è il rigeneratore, che ha reso possibile un utilizzo ragionevole del motore.

• Il rigeneratore è costituito da una piccola massa di materiale, buona conduttrice di calore, con una elevata superficie di scambio, così che possa, al flusso del gas caldo verso il refrigeratore, catturare parte significativa del calore

FISICA

Motore di Stirling fatto in casa

FISICA

Fuel CellCelle a combustibile

Sir William Grove

CHIMICA

Fu il primo a sviluppare la Fuel Cell

1839: “batteria a gas”

CHIMICA

Francis Bacon1950: prima vera Fuel Cell

• Elettrolita alcalino (KOH) al posto dell’acido fosforico

• Elettrodi in polvere di nichel sinterizzata

CHIMICA

NASA (National Aeronautics and Space Administration)

1960: studi aeronautici e aerospaziali

CHIMICA

Attuali applicazioni

CHIMICA

La Manhattan Scientifics ha prodotto la Hydrocycle, ossia una bicicletta da montagna che usa idrogeno e aria comecombustibile ed emette solo vapore acqueo come residuo.

Autonomia: 70100 km (lungo una superficie piana)Velocità max: 30 km/hTempo rifornimento: pochi minuti

CHIMICA

Idrogeno: combustibile del futuro!

L’idrogeno è l’elemento più abbondante dell’universo.

La sua molecola (H2) è la componente fondamentale dell’acqua (H2O).

Caratteristiche:• 1 elettrone + 1

protone• 14 volte più leggero

dell’aria• disponibile in

quantità illimitataCHIMICA

Produzione da combustibili fossili:

• Steam Reforming (gas naturale)

es. CH3OH + H2O 3H2 + CO2

(metanolo)

CHIMICA

• Ossidazione parziale (combustibili più pesanti e residui petroliferi)

es. C8H18 + 4O2 + 8H2O 17H2 + 8CO2

(benzina)

• Reforming autotermico

CHIMICA

Produzione da energia elettrica

Il sistema attualmente più consolidato è l’elettrolisi

dell’acqua.Prodotto: H2 puro

CHIMICA

Produzione da biomasse:

• Gassificazione di biomasse solide (fino al 35% di H2)

• Fermentazione di rifiuti organici liquidi (gas ad elevati contenuti di CO e CH4successivi trattamenti)

• Produzione biologica (fotosintesi)

CHIMICA

Immagazzinamento dell’idrogeno:

• Gas compresso in serbatoi (come si fa per il metano)

• Stoccaggio sottoforma liquida (punto di ebollizione: -253 °C)

• Adsorbimento: 1.idruri metallici (ad es.TiH2) 2.carboni attivi a basse temperature e pressioni 3.nanostrutture di carbonio• Incapsulamento in microsfere di vetro

CHIMICA

Come lavora una cella a combustibile?

“Una Fuel Cell è un dispositivo elettrochimico per la conversione

(e non immagazzinamento!) di energia tramite due elettrodi di carica opposta che producono elettricità, acqua e calore per

mezzo di un combustibile e di un ossidante.”

CHIMICA

2H2 + O2 2H2O + calore + elettricità

CHIMICA

PEMFC (Proton Exchange Membrane)

Elementi costitutivi:

• Anodo: elettrodo negativo

• Catodo: elettrodo positivo

• Elettrolita (isolante elettrico,conduttore di ioni idrogeno)

• Catalizzatore: favorisce la reazione tra O2 e H2

CHIMICA

Piatti Bipolari Sono presenti se la Fuel Cell è costituita

da più elementi in serie

CHIMICA

Benefici per l’ambiente:

• Alta efficienza: 1. aumento anche del 90%

2. no perdite

3. no combustione

• Basse emissioni: gli unici prodotti sono acqua ed elettricità

CHIMICA

Benefici ingegneristici:

• Flessibilità del carburante• Alte densità di energie (in kw/l)• Basse temperature e pressioni operative

(801000°C)• Capacità di cogenerazione (riscaldamento)• Rapida risposta alle variazioni di carico: più combustibile più energia • Semplicità ingegneristica(silenziosità)

CHIMICA

Ostacoli:

• Devono essere accettate dal mercato

• Devono essere sviluppate adeguate strutture per la reperibilità dell’idrogeno (o del metanolo)

• Fonti d’investimento • Fattori politici

CHIMICA

CHIMICA

Conclusioni

• Idrogeno ed ossigeno puro sono stati sostituiti con combustibili fossili più comuni e aria

• Sono stati sviluppati elettrodi ed elettroliti abbastanza economici

ENERGIA PIU’ PULITA!!!

CHIMICA

La Proporzionalità e la stechiometria chimica

Lo studio della nozione di proporzionalità viene attribuito ad Eudosso di Cnido.

Nel IV sec. a.C. egli riuscì a fornire un’incredibile definizione del significato di uguaglianza tra due rapporti.

Tale definizione fu ripresa da Euclide e costituisce l’oggetto del V libro degli Elementi.

MATEMATICA

La teoria delle proporzioni ha consentito di trattare rigorosamente quelli che, oggi, sono chiamati numeri reali ed ha aperto la possibilità di definire modelli fisico – matematici per lo studio di svariati fenomeni.

MATEMATICA

Rapporti e Proporzioni

• Il rapporto tra 2 numeri è il risultato della divisione tra i 2 numeri

• Rapporto tra a e b r=a/b• Il rapporto inverso si ottiene scambiando

l’antecedente con il conseguente b/a=1/r• Una proporzione è un’uguaglianza tra 2 rapporti• E.s 15/5=21/7 15:5=21:7

MATEMATICA

MATEMATICA

Proprietà fondamentale della proporzioni

• Il prodotto dei medi è uguale al prodotto degli estremi

• 10:5=8:4• Una proporzione che ha medi o gli

estremi uguali si dice continua• Es. 9:6:6:4 6:9=4:6• 36:x=x:4• x2=144 x==12

MATEMATICA

Water and Energy Acqua e Energia

Hydro-power and water power is power derived from the energy of falling water and running water which may be engaged in useful purposes. Kinetic energy of flowing water rotates the blades of turbine which rotates the axle.

L’energia idroelettrica e la potenza dell’acqua è derivata dall’ energia della caduta dell’ acqua e lo scorrere dell’ acqua che può essere utilizzata per diversi scopi. L’ energia cinetica dell’ acqua che fluisce fa ruotare le pale della turbina che fa ruotare l’asse.

INGLESE

• The axle has a coil rotate in magnetic field it induce an electrical current in the coil due to change in flux. Hence , kinetic of flowing water water is converted to eletrical energy.

• L’ asse ha un bobina che ruota in un campo magnetico che, quando la turbina ruota, induce una corrente elettrica nella turbina a causa del cambiamento del flusso. Quindi, l’energia cinetica fa fluire l’acqua e la converte in energia elettrica.

INGLESE

Centrale idroelettrica

Per centrale idroelettrica si intende una serie di opere di ingegneria idraulica posizionate in una certa successione, accoppiate ad una serie di macchinari idonei allo scopo di ottenere la produzione di energia elettrica da masse di acqua in movimento.

SCIENZE APPLICATE

Centrali ad acqua fluente

L'acqua viene convogliata in un canale di derivazione e attraverso questo inviata alle turbine che ruotano grazie alla spinta dell'acqua, producendo così il movimento degli organi rotanti, ognuna delle quali è accoppiata a un alternatore che trasforma il moto di rotazione in energia elettrica.

SCIENZE APPLICATE

Centrali a bacino

A differenza delle "centrali ad acqua fluente" viene creato un lago artificiale per mezzo dello sbarramento di una gola fluviale con una diga, da cui partono delle condotte forzate, le quali vengono arricchite da un pozzo piezometrico che smorza ed evita gli effetti dirompenti del colpo d'ariete.

SCIENZE APPLICATE

Centrali con impianti ad accumulazione

le centrali con impianti ad accumulazione sono dotate di un bacino di raccolta anche a valle: l'acqua che ha generato energia elettrica durante il giorno passando nelle turbine può essere riportata dal bacino di valle al bacino di monte durante le ore di minor richiesta di energia mediante pompaggio,

SCIENZE APPLICATE

Centrali con impianti ad accumulazione

utilizzando per questa operazione l'energia elettrica in eccesso prodotta dalle centrali di tipo "sempre acceso" e non diversamente accumulabile. In altre parole il bacino di monte viene "ricaricato" durante la notte e le masse d'acqua riportate a monte possono quindi essere riutilizzate nelle ore di maggiore richiesta energetica

SCIENZE APPLICATE

DISCIPLINA Argomento

ITALIANO Introduzione

SCIENZEL’acqua, limpido motore della vita Il ciclo dell’acqua

STORIALe macchine ad acqua nell’età ellenistica

FISICA Motore di Stirling

CHIMICA Le celle a combustibile

INGLESE Water and Energy

MATEMATICA Rapporti e proporzioni

SCIENZE APPLICATE Centrale idroelettrica

Si ringraziano i docenti:

Cinzia BottoneAnna Bonifacio

Amalia NocerinoGiuliana

BattimielloGiovanna GambiAntonio Bressy

Annunziata BasileVincenzo Marotta

Pasquale PerriPer il materiale

fornito

Gli alunni:Simone Attanasio

Rocco BassoEmanuele G.

BuonocoreLuigi Corleone

Ciro CalceEmmanuele

CasellaLuigi CorleoneLuca Cunzolo

Enzo M. D’AlessioAlessandro De

BiaseDaniele De

MartinoAntonio Esposito

Ernesto FierroMattia Inprota

Vincenzo LaudieroGennaro MartucciVincenzo PiscopoAntonio RicciardiGiorgio Ricciardi

Gaetano RotaDavide RuoccoUmberto Sicuro

Carmine TammaroGiovanni Vittorio

Coordinamento:Prof. Vincenzo

MarottaProf.ssa

Annunziata Basile

Prof.ssa Cinzia Bottone

Presentazione a cura di:

Prof. Vincenzo Marotta

Si ringrazia il Dirigente

Scolastico Prof.ssa Annabella

MarcelloPer aver concesso

l’opportunità di svolgere questa

attività

Si ringraziano, inoltre, tutti i presenti per

essere intervenuti alla nostra Festa.

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