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La fisica dell’energiaEzio Menichetti
Dip. di Fisica
Universita’ di Torino
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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
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Esempi
Forza di gravita’
Forza elettrica
Forza magnetica
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 3
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Sistema fisico
Qualunque oggetto materiale, e anche di piu’..
Esempio piu’ semplice: Gas di molecole
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 4
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Lavoro
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 5
Grandezza fisica che misura l’effetto cumulativo di una forza su un sistema fra uno stato iniziale e uno finale
Lavoro = Fbastonex Spostpalla
Effetto:
Variazione della velocita’
Lavoro= Fgambe+bracciax Spostcorpo
Effetto:
Variazione della configurazione
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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
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Energia
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 7
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
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Unita’ di misura
Lavoro, Energia:
Joule
Elettronvolt
Kilowattora
Energia per unita’ di tempo = Potenza:
Watt
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Conservazione - I
In diversi casi, spesso idealizzati:
L, Ecin , Epot possono essere scambiati ‘alla pari’
Come conseguenza, per un sistema isolato:
Ecin+Epot = costante
→En. totale conservata
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Conservazione - II
Tuttavia:
Evoluzione dei sistemi fisici reali include processi nei quali la somma Ecin+Epot 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
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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
Etotale = costante rigorosamente sempre
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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 propagandosi fra sistemi diversi
Esempio: Luce
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Bilancio energetico umano
Sopravvivenza + Attivita’ fisica ∼ 125 W
→10 MJ/giorno = 2,8 kWh/giorno per persona
In Europa:
Lavoro, trasporto, riscaldamento, illuminazione,..
∼400 MJ/giorno = 110 kWh/giorno per persona
Media mondiale ∼ 60 kWh/giorno per persona
Consumo mondiale ∼5 1020 J/anno = 1,4 1014 kWh/anno Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 13
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Il pianeta Terra
Sistema ‘chiuso’ , ma non ‘isolato’:
Nessun flusso di materia
Potenza dal Sole 1,7 1017 W∼1,5 1018 kWh/anno
Tuttavia: Situazione di sostanziale equilibrio termico
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Bilancio energetico della Terra
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Spostamento dell’equilbrio
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CO2…
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Mauna Loa, tre giorni fa
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… e industrializzazione
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Global Warming - I
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Global Warming - II
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Global Warming - III
CO2 vs T negli ultimi 150 anni
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Fonti energetiche
Combustibili fossili
Solare
Biocombustibili
Vento
Onde e maree
Idroelettrico
Geotermico
Nucleare
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Derivanti direttamente
o indirettamente dagli effetti
della radiazione solare
Indipendenti dagli effetti
della radiazione solare
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Dove (quasi) tutto comincia: Il Sole
Non molto glorioso: Stella di tipo G, ‘nana gialla’
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Formazione stellare
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 25
Contrazione gravitazionale Accensione Equilibrio
Riscaldamento Reazioni termonucleari Egrav↔ Radiazione
Nuvola interstellare di gas (Idrogeno/Elio) e polvere:
Incremento casuale di densita’
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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
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Evoluzione stellare
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Solare - I
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Solare - II
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Effetto altezza del Sole + durata del giorno
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Solare - III
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Solare - IV
Tipi di generatori solari:
Solare termico
Solare termodinamico
Solare fotovoltaico
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Solare termico - I
Radiazione solare usata per riscaldare un fluido, ascopo principale distribuzione di acqua caldasanitaria tramite scambiatore di calore
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 32
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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
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Solare termodinamico
Come solare termico, ma con lo scopo principale diprodurre energia elettrica
Fluido portato ad alta temperatura, grazie ad ottichespecializzate (specchi etc)
Vapore utilizzato per energizzare una turbinacollegata ad un alternatore
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 34
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Solare termodinamico - II
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Progetto Archimede (Siracusa)
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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
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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
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Giunzione pn
Possibile realizzare semiconduttori a maggioranza p o n
Giunzione fra semiconduttori di tipo diverso:
→Corrente elettrica ‘a senso unico’
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Effetto fotovoltaico
Concentrazioni di elettroni e lacune nella giunzione incrementate da assorbimento di luce
→ Corrente fotovoltaica
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 39
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Cella fotovoltaica
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 40
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)
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Numeri del fotovoltaico in Italia
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 41
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Eolico
Alla turbina: Ridotta a circa il 30-40%
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 42
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Schema di impianto eolico
Dicembre 2017 E Menichetti -Universita' di Torino 43
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Eolico nel mondo
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Nucleare - I
Nucleo: stato legato di protoni e neutroni ≡ nucleoni
Nuclei piu’ leggeri
Nuclei piu’ pesanti
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Meno legati di quelli intermedi
Peso atomico
En. legame
per nucleone
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Nucleare - II
Forza in gioco: Interazione forte (non elettromagnetica)
Nuclei meno legati → Meno stabili
Fusione:
N1+N2 → N +…+ energia
Fissione:
N→ N1+N2 +…+ energia
Energia: En. cinetica dei prodotti di reazione
Possibile usarla per riscaldare un mezzo
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Fissione
Esempio di reazione di fissione
Attivazione:
Varie possibilita’, piu’ tipica:
Neutroni lenti su nuclei di U235
Isotopo fissile (0.71% dell’uranio naturale )
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Reazione a catena
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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 U235, neutroni lenti
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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%
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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
→H2O, D2O, 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
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Funzionamento
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Impianto reattore a fissione
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Fusione
Esempio di reazione di fusione:
D + T → 4He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)
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
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Schema funzionamento
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ITER (EU - Cadarache, F)
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Reazioni nucleari nelle stelle
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( )
1 1 2
1 1 1
2 1 3
1 1 2
3 3 4 1
2 2 2 1
3 4 7
2 2 4
*7 7
4 3
0.42
5.49
2 1 2.86
0.861 / 0.383
e
e
Ciclo dell'idrogeno
H H H e MeV
H H He MeV
He He He H MeV
oppure
He He Be
Be e Li MeV M
ν
γ
γ
ν
+
−
+ → + + +
+ → + +
+ → + +
+ → +
+ → + +
7 1 4
3 1 2
3 4 7
2 2 4
7 1 8
4 1 5
8 8
5 4
8 4
4 2
2
2
e
eV
Li H He
oppure
He He Be
Be H B
B B e
B He
e altre ancora
γ
γ
ν+
+ →
+ → +
+ → +
→ + +
→
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Reazioni di fusione nel Sole
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Ciclo dell’idrogeno: Energia rilasciata 27.73 MeV