PROGETTO INNOVADIDATTICA

Materia: scienzeProf.ssa Alberta Annamaria

Tutta l’ energia dell’universo proviene da un’unica fonte, la materia che, annullando la sua massa m, si trasforma in energia E secondo la famosa relazione di Einstein

E=mc2

dove c è la velocità della luce nel vuoto.

In particolare il Sole, direttamente e indirettamente, fornisce energia alla Terra e questa la riceve nelle innumerevoli forme, diverse in base al contesto in cui intervengono e trasformabili una nell’altra secondo le leggi imposte dalla natura.

In natura l’energia si presenta sotto diverse forme:

• Energia radiante

• Energia termica (o calore)

• Energia meccanica

• Energia chimica

• Energia elettrica

• Energia nucleare

L’energia radiante è l’energia associata a qualsiasi tipo di onda elettromagnetica.

L’energia solare è una forma di energia radiante , che arriva sulla Terra tramite le onde elettromagnetiche visibili.

La quantità annua di energia che il Sole fornisce alla Terra è 1024 Joule, ed è quindi 10.000 volte più grande dell’energia consumata ogni anno dalle attività dell’uomo.

La quantità di energia solare che arriva sulla Terra e che può essere utilmente raccolta e utilizzata dipende dall’irraggiamento del luogo, che è la quantità di energia solare che incide su 1 metro quadro di terreno in un giorno.

L’irraggiamento dipende a sua volta dalla nuvolosità e dalla latitudine del luogo.

L’energia termica o calore è utilizzabile per produrre lavoro, ma in nessun caso è totalmente trasformabile in lavoro una parte di essa è comunque dispersa nell’ambiente.

L’energia meccanica è la somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale attinenti allo stesso sistema, dove

• l’energia cinetica è quella legata al movimento di un corpo e quindi alla sua velocità v oltre che alla sua massa m (la formula è )

• l’energia potenziale è la capacità che ha un corpo di compiere lavoro in virtù della sua posizione

2

21 mv

Cascata delle Marmore, Terni

L’energia chimica è l’energia che varia a causa della formazione o della rottura dei legami chimici .

E’ quindi energia chimica è quella accumulata

• nei muscoli

• negli alimenti

• nelle piante

• nei combustibili fossili, come carbone, petrolio o gas naturali

• nelle pile o nelle batterie

L’energia nucleare è quella prodotta dalla trasformazione dei nuclei atomici, principalmente mediante i tre metodi seguenti:

• metodo di fissione, con il quale un atomo, ad es. di uranio, viene spezzato diminuendo la sua massa e liberando grandi quantità di energia (questo metodo è alla base del funzionamento della bomba atomica)

• metodo di fusione, con il quale i nuclei di atomi con basso numero atomico, come l’idrogeno, si fondono dando origine a nuclei più pesanti e rilasciando un’energia maggiore rispetto alla fissione (questo metodo è alla base del funzionamento della bomba a idrogeno o bomba H)

• radioattività, con il quale atomi instabili decadono liberando energia

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L’energia elettrica è quella forma di energia legata a forze e campi di natura elettrica, per cui è una forma di energia che coinvolge il movimento di cariche elettriche.

L’energia elettrica è certamente la forma di energia più versatile perché permette un più facile trasporto ed anche una maggiore possibilità di trasformazione in altre forme di energia anche a distanza. Essa è facilmente convertibile in movimento (tramite il motore elettrico), in luce e in calore.

La società moderna si basa fondamentalmente sul consumo e sullo sfruttamento di energia. Osservando la vita quotidiana ci accorgiamo che tutte le nostre attività sono legate all’uso di qualche forma di energia, da quella elettrica degli elettrodomestici a quella chimica delle batterie o delle pile a quella solare immagazzinata in epoche preistoriche nel petrolio e in altri combustibili fossili.

Le fonti di energia maggiormente sfruttate sono per il momento proprio quelle NON RINNOVABILI come il petrolio che proviene da un lungo processo di fossilizzazione di materia organica rimasta sepolta ed ora in via di esaurimento; il grande fabbisogno energetico della società in cui viviamo impone uno studio ed una ricerca attenta su quelle fonti di energia che sono invece RINNOVABILI, cioè che sono presenti in natura in quantità illimitata e rigenerabile nel tempo.

Negli ultimi tempi la ricerca si sta rivolgendo allo studio delle possibilità di utilizzo delle biomasse e del biodiesel generati dai rifiuti, che permettono di trasformare l’energia chimica immagazzinata rispettivamente nella componente biodegradabile dei rifiuti urbani e in oli vegetali di scarto in energia elettrica o in energia termica per la biomassa, in energia meccanica per il biodiesel.

I pregi dell’utilizzo di queste fonti di energia rinnovabili, oltre alla facilità della loro rigenerazione sono anche un inquinamento ambientale ridotto rispetto all’inquinamento derivante dall’utilizzo del petrolio e una richiesta di una quantità minore di energia nei processi di produzione, trasporto, distribuzione.

Per la produzione di energia termica ed elettrica dalle biomasse si usano gli inceneritori (o termodistruttori) che bruciano i rifiuti ad una temperatura di circa 1000°C trasformandoli in cenere, fumo e vapore.

La cenere viene inviata alla discarica.

Il fumo viene filtrato da un depuratore per eliminare eventuali gas nocivi ed è controllato dalla A.S.L.

Il vapore è prodotto dall’acqua di una caldaia posta nell’inceneritore ed è direttamente distribuito tramite una rete di tubazioni ad impianti di riscaldamento per produrre quindi energia termica, oppure è utilizzato per muovere la turbina collegata ad un generatore di corrente e produrre energia elettrica.

Produzione di energia termica ed elettrica

Impianto di incenerimento sito nell'area di Forlì, capace di trattare 18 t/h di rifiuti domestici.

Inceneritore di Vienna, collegato ad una rete di distribuzione di calore

Un generatore di corrente è un dispositivo che permette di trasformare energia meccanica in energia elettrica e si basa sul

fenomeno dell’induzione elettromagnetica

scoperto nel 1831 dal fisico britannico Michael Faraday, in base al quale se varia il flusso del campo magnetico (prodotto da una calamita) attraverso un circuito, nel circuito si genera una corrente.

Per far variare il flusso del campo magnetico attraverso il circuito (che nella figura è formato da un filo metallico avvolto più volte su sé stesso) si può far ruotare la calamita oppure il circuito stesso attraverso turbine idrauliche, a vapore o a gas.

Una turbina è una macchina motrice rotante capace di trasformare energia potenziale dei fluidi in energia meccanica di rotazione.La rotazione è provocata dal flusso di fluidi diversi, indirizzati verso le pale della turbina; tali fluidi possono essere:

• acqua, nel caso di turbine idrauliche

• vapore generato dall’ebollizione di acqua in una caldaia, nelle turbine a vapore

• gas miscelato ad aria compressa e fatto bruciare per aumentare la temperatura, la velocità ed il volume del flusso di gas, nelle turbine a gas.

Le turbine idrauliche, sfruttando l’energia potenziale dell’acqua, mettono in rotazione un alternatore capace di fornire energia elettrica.

Il vapore prodotto nella caldaia a sinistra nella figura viene inviato nelle turbine che muovono degli alternatori, in grado di generare corrente elettrica. Il vapore ad alta temperatura (zone rosse di figura) deve essere raffreddato prima di essere inviato di nuovo nel generatore di vapore mediante delle pompe. Per raffreddare si usa il sistema chiamato condensatore che serve proprio a riportare il vapore allo stato liquido mediante altra acqua prelevata dall'ambiente esterno (fiume, lago, mare).

I motori degli aerei moderni sono basati sulla turbina; il principio di funzionamento di una turbina è molto simile a quello di un motore a scoppio, come mostra la figura: viene compresso il comburente (l'aria), viene iniettato il combustibile (cherosene negli aerei e biogas in turbine per altri usi), l'accensione della miscela aumenta la temperatura e si ha un'espansione del gas attraverso la turbina (fase dove si genera il lavoro), e poi i gas combusti escono dallo scarico.