7. Uscita di Raffreddamento

7. Uscita di Raffreddamento
7.1. L’uscita di raffreddamento
La figura 1 mostra due apparecchi molto simili. Si tratta di motori elettrici ai quali si possono allacciare diversi utensili. Uno trova ut ilizzo in cucina, l’altro in officina. Entrambi i
motori trasferiscono energia dal portatore
elettricità al portatore quantità di rotazione.
Guardiamo ora i due apparecchi un po’ più da
vicino.
Energia
2
Motore
elettrico
Elettricità
Energia
Elettricità
Energia
Quantità di rotazion e
Motore
elettrico
Energia
Quantità di rotazion e
3
Il sistema di raffreddamento è un male necessario. L’energia che esce attraverso questo dispositivo, non viene utilizzata per compiere il
lavoro che vogliamo: dal nostro punto di vista
va semplicemente persa. Ciononostante non
possiamo rinunciare al sistema di raffreddamento (senza di esso l’apparecchio si romperebbe).
In entrambi possiamo osservare delle aperture
sui lati del telaio. Se mettiamo in funzione gli
apparecchi, possiamo notare che da una parte
esce dell’aria dalle fessure e dall’altra invece
entra. Puoi chiederti a cosa serve questa aria.
Il motore elettrico deve essere raffreddato. Se
le aperture vengono chiuse, il motore si surriscalda e può anche rompersi. L’aria in uscita è
anche leggermente più calda di quella in entrata. L’aria porta via energia dall’apparecchio.
Nella figura 2 trovi il diagramma di flusso
dell’energia per il motore elettrico così come
lo abbiamo disegnato fino ad ora. Tale rappresentazione però è incompleta alla luce di
quanto discusso prima. Manca infatti una seconda uscita per l’energia. Chiamiamo questo
secondo sbocco uscita di raffreddamento. La
figura 3 mostra il diagramma di flusso
dell’energia completo per il nostro motore elettrico. Lo spessore delle frecce dell’energia
lascia intendere l’intensità di corrente dei rispettivi flussi di energia. L’energia che giunge
in entrata si suddivide in uscita tra i due flussi.
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Non solo il motore elettrico, ma anche molti
altri trasferitori di energia sono provvisti di un
sistema di raffreddamento. Il motore
dell’automobile ha un sistema di raffreddamento ben visibile: attraverso un tubo l’acqua
calda scorre dal motore verso il radiatore, figura 4, da dove l’acqua raffreddata ritorna al
motore. Motociclette e motorini si raffreddano cedendo direttamente all’aria che incontrano l’energia: le alette metalliche sulla testa del
motore agevolano lo scambio di energia con
l’aria (figura 6).
Il sistema di raffreddamento del motore dell’automobile
Maggiore è la quantità di energia che una
macchina riesce a trasferire, e maggiore è il
sistema di raffreddamento. Le centrali nucleari necessitano di un grosso fiume per il siste-
7. Uscita di Raffreddamento
ma di raffreddamento. Se non vi è un fiume o
se questo è troppo piccolo, bisogna ricorrere a
delle torri di raffreddamento (figura 5). In
questi casi l’energia viene fatta defluire tramite aria o vapore acqueo.
Riassunto:
I trasferitori di energia non hanno una sola uscita per l’energia, bensì due. L’energia che esce
dalla seconda uscita non viene però generalmente utilizzata.
Esercizi :
1.
Elenca alcuni apparecchi che hanno un sistema di raffreddamento. Dove si trova il sistema di
raffreddamento?
2.
Nell’aspirapolvere dove si trova il sistema di raffreddamento?
3.
Cosa succede se si tappa l’uscita dell’aria del retroproiettore?
Il sistema di raffreddamento del motore dell’automobile
Un motore a benzina deve essere raffreddato. Se non lo
si raffredda, si riscalda e l’olio di lubrificazione diventa
Radiatore
Acqua
così viscoso che non lubrifica più. I pistoni del motore si
bloccherebbero. Il motore dell’automobile si romperebVentilatore
Aria
be. Per evitare ciò sul cruscotto dell’automobile si trova
Cambio
un termometro o una spia rossa che si accende quando la
Motore
temperatura del motore diventa troppo elevata.
La figura mostra le componenti del sistema di raffredPompa di
damento di un motore di un’automobile. Nel motore
raffreddamento
l’energia viene caricata sull’acqua che così si riscalda.
L’acqua viene pompata nel sistema di raffreddamento.
Qui scarica la sua energia sull’aria. Fintanto che l’automobile viaggia adagio o sta ferma, non vi è
un flusso di aria sufficiente attraverso il radiatore. Per ovviare a questo problema, dietro il radiatore
si trova un ventilatore.
Vi sono più possibilità per mettere fuori uso il sistema di raffreddamento:
• nel radiatore c’è un buco, così che l’acqua di raffreddamento va persa,
• la pompa dell’acqua non funziona in modo corretto.
In ogni caso bisogna assolutamente spegnere il motore e riparare il sistema di raffreddamento!
7. Uscita di Raffreddamento
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Il sistema di raffreddamento nell’uomo
Un uomo che viaggia in bicicletta libera energia con il portatore quantità di rotazione. Nel caso di
un professionista si può arrivare a liberare fino a 200 J in un secondo (cioè 200 watt). Nel contempo
però il ciclista suda; perde energia attraverso la pelle, e più precisamente circa 600 watt. La pelle
rappresenta quindi il sistema di raffreddamento del ciclista.
7.2. L’inversione del motore elettrico
Alcuni motori elettrici possono essere utilizzati anche come dinamo. Il diagramma di
flusso della dinamo può quindi esser facilmente ricavato da quello del motore elettrico:
basta capovolgere tutte le frecce.
poniamo che liberi 3 J al secondo con
l’elettricità, mentre ne riceve solo 2 J al secondo con il portatore quantità di rotazione.
In tal caso dovrebbe ricevere 1 J al secondo
dall’aria tramite il sistema di raffreddamento.
L’aria dovrebbe quindi abbandonare la dinamo più fredda di prima. Una dinamo di questo tipo, ovviamente, non esiste! Dalle aperture di ventilazione di una dinamo esce aria
calda, così come dai motori. Il corretto diagramma di flusso dell’energia della dinamo è
raffigurato nella figura 8. Durante il processo
di trasferimento, anche in questo caso,
dell’energia va persa.
Nel capitolo precedente abbiamo migliorato il
diagramma di flusso dell’energia del motore
elettrico (figura 3). Vogliamo ora cercare di
costruire il diagramma di flusso dell’energia
della dinamo secondo la solita procedura basandoci su questo nuovo schema: rovesciamo
le frecce del disegno 3 ed otteniamo il disegno 7. Osserva attentamente il disegno. Una
dinamo di questo tipo libererebbe con il portatore elettricità più energia di quanta ne riceverebbe dal portatore quantità di rotazione. Sup-
Energia
?
Elettricità
Energia
Quantità di rotazi one
7
Energia
Elettricità
Dinamo
Energia
Quantità di rotazi one
8
Riassunto:
Sia nel motore elettrico sia nella dinamo una parte di energia non è direttamente utilizzabile.
Defluisce nell’ambiente attraverso il sistema di raffreddamento.
Esercizio:
Disegna i diagrammi di flusso dell’energia di una lampadina e di una cella solare tenendo in considerazione il sistema di raffreddamento.
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7. Uscita di Raffreddamento
7.3. La perdita di energia in un trasferitore
Durante il trasferimento dell’energia da un
portatore all’altro una parte di essa va persa.
Ovviamente si vorrebbe ridurre al minimo
questa perdita.
Se in un motore elettrico entrano 4 kW con il
portatore elettricità e 1 kW esce dal sistema di
raffreddamento, rimangono ancora solo 3 kW
per il portatore di energia quantità di rotazione. Un quarto dell’energia ricevuta viene persa nel sistema di raffreddamento e non viene
più utilizzata. Noi diciamo che la perdita di
energia del motore è di 1/4.
Quando nel motore fluiscono 100 W e 50 W
si perdono nel sistema di raffreddamento, allora la perdita sarà di 1/2.
La perdita rappresenta quindi la parte di energia che defluisce nel sistema di raffreddame nto.
La seguente tabella riporta le perdite di energia di alcuni trasferitori.
Trasferitore
Grande turbina ad acqua
Grande motore elettrico
Generatore
Motore a benzina
Motore diesel
Centrale elettrica a carbone
Centrale nucleare
Cella solare
Lampadina
Perdita di energia
Sotto 1/10
1/10
1/10
7/10
6/10
6/10
7/10
9/10
19/20
Forse ti sorprende il fatto che alcuni trasferitori di energia abbiano delle perdite così grosse. La situazione comunque peggiora ulteriormente se si collegano tra di loro diversi
trasferitori. In tal caso può facilmente capitare
che solo una piccolissima parte dell’energia
presente all’inizio fuoriesca dall’ultimo trasferitore. La maggior parte viene persa nei sistemi di raffreddamento dei vari trasferitori. Nel
caso in cui i percorsi sono molto lunghi, a
queste perdite si aggiungono quelle dovute alle condotte.
Riassunto:
La perdita di energia di un trasferitore rappresenta la frazione dell’energia che viene persa nel sistema di raffreddamento.
Esercizi :
1.
Elenca alcuni apparecchi che hanno basse perdite di energia.
2.
Elenca alcuni apparecchi che hanno alte perdite di energia.
Spreco di energia con le stufe elettriche
La figura riportata a lato rappresenta quattro differenti stufe elettriche. Queste stufe non hanno apparentemente perdite di energia. Tutta l’energia che
l’elettricità trasporta nelle stufe esce con il portatore aria calda. In altre parole si potrebbe dire che
queste stufe hanno un unico sistema di raffreddamento. In via eccezionale, in questo caso, siamo
interessati all’energia che esce dal sistema di raffreddamento. Si sarebbe quindi portati a credere
che le stufe elettriche siano dei sistemi di riscaldamento ideali.
7. Uscita di Raffreddamento
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Questa conclusione è però errata in quanto qui abbiamo considerato solo l’ultimo anello di una catena di trasferitori. L’energia per le stufe ele ttriche proviene magari da una centrale elettriEnergia
Stufetta
ca a carbone, che funziona con una perdita di
elettrica
energia di almeno 6/10. Nel caso si bruciasse
Elettricità
direttamente il carbone in una stufa che riscalda direttamente la camera, la perdita di ene rgia sarebbe minore: circa 3/10.
Le perdite del motore a benzina
Il radiatore rappresenta un sistema di raffreddamento del motore dell’automobile. Non è comunque
il solo. L’energia non utilizzata viene dispersa anche attraverso il tubo di scarico: i gas di scarico
sono caldi e trasportano ancora molta energia. In generale:
1/3 dell’energia della benzina fluisce nelle ruote,
1/3 dell’energia della benzina fluisce nel radiatore,
1/3 dell’energia della benzina fluisce nei gas di scarico.
Energia
Motore a
benzina
Benzina
Energia
Quantità di
rotazione
7.4. Il moto perpetuo
Con il termine moto perpetuo si pensa a una
macchina che fornisce energia, senza riceverne. Un numero incredibile di scienziati di ogni epoca ha cercato di costruire una macchina di questo tipo senza però mai riuscirvi. A
questo fatto vi è una semplice spiegazione: se
nella macchina non entra energia, non può
nemmeno uscirne.
Spesso le macchine che pretendono di generare un moto perpetuo consistono di alcuni trasferitori di energia collegati tra di loro in un
circuito chiuso.
Considera l’esempio della figura 9. Un motore elettrico fa funzionare una dinamo. Il motore stesso poi riceve l’energia che ha bisogno
per funzionare dalla stessa dinamo. Cerchiamo ora di capire perché una macchina di questo tipo non può funzionare. Nel caso in cui
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sia la dinamo che il motore sono fermi, non
succede nulla: la macchina non può fornire
energia. Mettiamo ora in funzione la macchina facendo girare l’albero di trasmissione che
collega la dinamo al motorino.
Questo significa che noi diamo alla macchina
un po’ di energia, nella speranza che in seguito possiamo ricavare dalla macchina più energia di quanta ne abbiamo immessa. Immagina
che abbiamo immesso 10 J nella macchina per
farla partire. La dinamo carica ora questi 10 J
sul portatore elettricità. Durante questo processo una parte dell’energia fuoriesce dal sistema di raffreddamento della dinamo. Supponiamo che se ne perda 1 J. I rimanenti 9 J
giungono al motorino elettrico. Questo li trasferisce sul portatore quantità di rotazione. Se
anche durante questo passaggio 1 J viene perso dal sistema di raffreddamento del motori-
7. Uscita di Raffreddamento
no, rimangono 8 J. Questi arrivano alla dinamo. Sette di questi arriveranno al motorino e
quindi 6 alla dinamo e così via. L’energia circola in cerchio e ad ogni passaggio una parte
viene persa nel sistema di raffreddamento. Alla fine la macchina si fermerà! Avremo così
perso tutti i 10 J che abbiamo investito all’ inizio.
Questa macchina fornisce energia?
Riassunto:
Non c’è nessuna macchina che fornisca energia senza riceverne. Non esiste nessun moto perpetuo.
Esercizio:
Si potrebbe giungere all’idea di costruire un moto perpetuo con una lampadina e una cella solare.
Riesci a immaginarti come?
Movimenti senza fine
Una ruota che viene fatta girare, dopo un po’ di tempo si arresta. Ciò accade per via dell’attrito. Se
si riduce l’attrito, ad esempio con un cuscinetto a sfera, la ruota gira più a lungo. Se si riuscisse a eliminare completamente l’attrito, la ruota girerebbe in eterno. Un ruota di questo tipo non rappresenterebbe comunque un moto perpetuo. Da un moto perpetuo, in questo caso, ci si aspetterebbe
che, pur continuando a girare all’infinito, fornisca anche energia. E questo non sarebbe possibile
nemmeno con la nostra ruota “perfetta”.
La Terra è un esempio di “ruota” con pochissimo attrito. Ruota da miliardi di anni attorno al suo asse e continuerà a farlo ancora per molto tempo, in ogni caso non all’infinito. Il movimento di rotazione della Terra su sé stessa infatti rallenta: sull’arco di un anno il tempo che impiega a girare su sé
stessa aumenta di 0,00002 secondi. In altre parole i giorni diventano sempre più lunghi. Possiamo
quindi dire che la Terra è come una ruota in rotazione, dalla quale fuoriesce lentamente un po’ di
energia.
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