FUOCO ed ENERGIA - La Nuova Antichi Passi

FUOCO ed ENERGIA
Energie rinnovabili e non rinnovabili
GRANDEZZE FISICHE
Per chiacchierare di argomenti scientifici, come nel caso dell’energia, spesso bisogna
conoscere delle parole un po’ speciali, dei termini tecnici.
In queste prime pagine capirai cosa intendono gli scienziati per forza, energia, lavoro e
potenza e come si fanno a misurare tutte queste grandezze.
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Ad esempio saprai già che il tempo si misura in secondi, minuti, ore, giorni… e che la
lunghezza si misura in metri, centimetri, kilometri...
Ciascuna grandezza fisica ha la sua unità di misura!!!
Qui sotto trovi una tabella riassuntiva di alcune grandezze fisiche con le loro relative
unità di misura; ti aiuterà
GRANDEZZA FISICA
UNITA’ DI MISURA
per non perderti in mezzo
Energia
Joule (J)
a tutti questi nomi!
Lavoro
Joule (J)
Forza
Newton (N)
Potenza
Watt (W)
Spesso le unità di misura hanno il nome di alcuni scienziati molto importanti; nei
riquadri come questo … puoi trovare la storia di alcuni di essi!
Ed ora finalmente iniziamo…
FORZA
♦ La forza è capace di modificare lo stato di quiete o di moto di un
corpo o capace di produrre una deformazione. Una forza applicata ad
un corpo può produrre deformazione o movimento.
Pensa ad un pallone: se nessuna forza agisse su di esso, resterebbe
fermo immobile. Ma nel momento in cui applico una forza calciandolo
e schiacciandolo, esso inizia a muoversi o a deformarsi.
♦ Ci sono vari tipi di forza in natura:
- le forze gravitazionali, scoperte da Newton nel 1687, si esercitano tra tutti i corpi
dell’universo in quanto dotati di massa: ad esempio tu stai attaccato al pavimento grazie
alla forza di gravità e la luna gira intorno alla Terra sempre grazie alle forza di gravità;
- le forze elettromagnetiche che si esercitano tra cariche ferme e cariche in moto: pensa
ad una calamita che attira un pezzo di ferro;
- le interazioni nucleari che sono forze che si esercitano dentro un nucleo di un atomo
(un atomo è la più piccola struttura della materia).
♦ Le forze quindi possono agire in due modi:
1) per diretto contatto esempi: calciare un pallone e spingere un’automobile
2) a distanza esempi: la calamita e la forza di gravità
E le forze possono essere di due tipi:
1) elastiche se gli effetti scompaiono quando la forza cessa la sua azione (ad
esempio se spingi un libro da una parte all’altra di un tavolo)
2) anaelastiche se gli effetti permangono anche quando la forza ha finito la sua
azione (ad esempio se schiacci una bottiglia di plastica fino a deformarla)
♦ Come posso calcolare quanta forza devo fare per sollevare un oggetto pesante 2 kg?
Per rispondere a questa domanda, e perciò per calcolare la forza, ti serve questa
formula:
Forza = massa x accelerazione
In questo caso l’accelerazione è uguale alla forza di gravità terrestre = 9,8 m/sec2 ;
la massa dell’oggetto è di 2 kg e perciò la forza sarà:
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F = 2 x 9,8 = 19,6 N
Qual è l’unità di misura della forza? Sono i Newton, abbreviati con la lettera N!!!
1N = 1kg x 1 m/sec2
ISAAC NEWTON (1642-1727)
Scienziato inglese di primissimo piano, insieme a Galieleo
Galielei è considerato il fondatore della scienza moderna.
Nel 1687 scoprì la legge della gravitazione universale che mostra
come una stessa forza possa spiegare il moto degli oggetti sulla
Terra e quello degli astri nel cielo. Secondo questa legge due
corpi si attraggono con una forza direttamente proporzionale al
prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato
della distanza tra i loro centri di massa.
Ma Newton si occupò di molti campi della scienza e in tutti
ottenne risultati nuovi e importanti: dalla matematica all'ottica
(con la scoperta dello spettro della luce e la teoria dei colori),
dalla
meccanica
(legge
fondamentale
della
dinamica)
alla
cosmologia (moti relativi e moti assoluti). Newton inventò anche
un particolare tipo di telescopio che porta ancora oggi il suo
nome.
Nella seconda metà della sua vita Newton divenne Governatore della
Zecca inglese, per la quale adottò la battitura meccanica e la
zigrinatura del contorno delle monete con lo scopo di evitare che
le monete d'oro e d'argento venissero limate dai cittadini
disonesti, dimezzando addirittura il valore effettivo delle
monete.
ENERGIA E LAVORO
Se ti chiedono che cos’è l’energia, tu sapresti rispondere?
Vengono subito in mente tanti modi diversi di essere dell’energia: elettrica, termica,
luminosa, meccanica, chimica, nucleare, ma dare una definizione di energia è più
complicato!
L’energia è una grandezza fisica definita generalmente come la capacità di compiere un
lavoro. L’energia è perciò capace di produrre dei cambiamenti, di far succedere
qualcosa!!!
Una caratteristiche fondamentale dell’energia è data dal fatto che l’energia non si crea
né si distrugge, ma si trasforma continuamente da una forma all’altra. E così l’uomo
può trasformare l’energia nelle forme che gli fanno più comodo e che gli sono più utili!
Tutto ciò che ti capita intorno, accade grazie alla continua trasformazione energetica.
Pensa a qualunque azione della tua giornata:
♦ al mattino quando ti alzi e fai colazione, ti carichi di energia per poter compiere le
varie azioni della tua giornata; il cibo è una riserva di energia chimica pronta ad essere
usata dal tuo organismo per qualunque cosa tu debba fare (studiare, correre, pedalare…)
♦ hai mai pensato che forma di energia usi nei tuoi spostamenti? Automobili, pullman,
aerei, moto, biciclette, spostamenti a piedi: in tutti questi mezzi di trasporto c’è una
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continua trasformazione tra le varie forme di energia (spesso da energia termica ad
energia meccanica)!
♦ il cibo per essere prodotto, conservato e cucinato ha bisogno di energia!
♦ in casa sono moltissimi gli oggetti che han bisogno di energia elettrica per
funzionare: basta pensare al frigo, al forno, alla lavatrice, alla televisione, al telefono, al
computer, allo stereo e chi più ne ha, più ne metta! E l’energia elettrica si ottiene dalla
trasformazione di altre forme di energia: ad esempio dall’energia cinetica (che significa
di movimento) dell’acqua nelle centrali idroelettriche oppure bruciando alcuni materiali
nelle centrali termoelettriche. Ricordati che l’energia elettrica è quella che all’uomo
serve di più!
♦ la luce presente dappertutto, nelle strade, nei negozi, nelle nostre case è una forma di
energia luminosa!
Questi pochi esempi ti fanno capire come l’energia è sempre presente nella nostra vita
quotidiana; ma per noi è talmente scontata la sua presenza che spesso ci dimentichiamo
della sua esistenza!!!
Come si misura l’energia?
L’energia si misura in termini di quanto lavoro viene prodotto. Infatti puoi pensare
all’energia come ad un qualcosa che riesce a compiere un lavoro, qualunque esso sia; ed
il lavoro usa una forza per fare qualcosa. Tutti i fatti di questo mondo accadono grazie
all’energia e al lavoro!
Per calcolare l’energia ed il lavoro devi usare questa formula:
Energia = Lavoro = forza x spostamento
L’unità di misura dell’energia è la stessa unità di misura del lavoro, ossia i Joule.
1 Joule = 1 Newton x 1 metro
Un Joule è il lavoro prodotto dalla forza di un Newton quando il suo punto di
applicazione si sposta di un metro nella direzione della forza.
JAMES PRESCOTT JOULE (1818-1889)
James Prescott Joule nacque la vigilia di Natale del 1818 a
Salford, un paese nelle vicinanze di Manchester, da una famiglia di
produttori di birra, ed ebbe tra i suoi insegnati il chimico John
Dalton.
A 25 anni effettuò il primo tentativo di definire l'unità di misura
della corrente elettrica, attualmente rappresentata dall'ampere.
Si interessò ai legami tra elettricità e calore e nel 1841 inviò
alla Royal Society un articolo in cui dimostrava che un conduttore
attraversato da corrente elettrica produce calore in quantità
proporzionale alla resistenza del conduttore e al quadrato della
corrente stessa. Questo fenomeno è oggi chiamato effetto Joule. In
onore di tutti i suoi studi, oggi l’unità di misura dell’energia
porta il suo nome! Questo grande fisico inglese morì nel 1889.
POTENZA
La potenza è una grandezza fisica che indica con quale rapidità viene compiuto un
lavoro.
Per farti capire meglio questo concetto,
eccoti un chiaro esempio:
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devi andare da Torino a Roma e puoi farlo in automobile o in aereo; se hai fretta sono
sicuro che sceglierai l’aereo! L’aereo compie lo stesso tragitto dell’automobile ma in
meno tempo ed è perciò più potente dell’automobile.
Per calcolare la potenza devi usare questa formula:
Potenza = lavoro/tempo
E l’unità di misura della potenza sono i watt, abbreviati con la lettera W:
1 watt = 1 joule/ 1 sec
JAMES WATT (1736-1819)
E’ l'ingegnere scozzese che nel 1769 inventò la macchina a
vapore, impiegando un dispositivo che permetteva di aumentare
l'efficienza delle macchine a vapore costruite fino ad allora
mediante l'uso di un condensatore e di un regolatore di
velocità; nei decenni successivi Watt lavorò tantissimo per
migliorare la sua macchina.
Lo sviluppo della macchina a vapore fu fondamentale per
innescare la rivoluzione industriale britannica, e servì anche
come riferimento per l'analisi teorica delle macchine termiche
condotta nell'Ottocento da Sadi Carnot, Rudolph Clausius, Lord
Kelvin e altri, che portò alla nascita della branca della fisica
chiamata termodinamica.
Se ti sembra di essere tanto potente, sappi che i tuoi muscoli possono sviluppare al
massimo una potenza di un centinaio di watt, quanto basta per accendere una sola
lampadina! Le nostre case dispongono in media ogni giorno di 3500 watt in modo
continuo!
Ed eccoti alcune potenze usate frequentemente:
uomo con una potenza continuativa = 100W
potenza media di un cavallo = 500 W
motorino = 1000 W = 1 kW
auto media cilindrata = 55000W = 55 kW
camion da 15 tonnellate = 240000W = 240 kW
Perciò il camion è più potente dell’automobile, che è più potente del
motorino, che è più potente del cavallo che è più potente dell’uomo; ma sono sicuro che
queste cose già le sapevi!!!
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FONTI ENERGETICHE
L’uomo da sempre ha cercato delle fonti da cui ricavare energia; il termine “fonte” ci
rimanda proprio alla fonte di acqua. Quest’ultima ci fornisce acqua, le fonti energetiche
invece ci forniscono energia!
Già l’uomo primitivo, dopo aver scoperto il fuoco, capì che il carbon fossile bruciava
più lentamente della legna e perciò durava più a lungo; gli Egizi invece, applicando
delle vele quadrate sulle loro barche, sfruttarono il vento per far risalire alle loro
imbarcazioni il fiume Nilo (era molto meglio che remare contro corrente!)
Proprio grazie a questi due esempi storici possiamo capire che le fonti energetiche si
possono dividere in due grandi categorie:
- fonti esauribili: è il caso del carbon fossile che, una volta bruciato,
diventa cenere e non può più essere utilizzato dall’uomo;
- fonti rinnovabili: è il caso del vento che può essere sfruttato ogni volta
che soffia ed è come se non lo consumassi, ma lo sfruttassi soltanto.
Come tutte le cose, ciascuna fonte energetica presenta vantaggi e svantaggi: si tratta di
capirli a fondo per poter valutare in modo consapevole e responsabile il mondo
dell’energia. Ed ora vediamo più nello specifico quali sono queste fonti!
FONTI ESAURIBILI
♣ Le fonti esauribili sono costituite da tutte quelle riserve di materiali vari che la Terra
ha formato e accumulato in milioni di anni, che l’uomo ha trovato e che ora stà
rapidamente consumando per trarne energia.
Tanti milioni di anni fa, man mano che le grandi foreste di piante e gli animali
morivano, venivano ricoperti da rocce e terra; l’accumulo della terra e delle rocce
spingeva sempre più in profondità queste piante ed animali morti i quali, sotto questo
enorme peso, si disfacevano trasformandosi in sostanze minerali (si parla infatti di
processo di mineralizzazione) quali sono ad esempio il petrolio, il gas naturale ed il
carbone.
Carbone, petrolio e gas naturale, che chiamamo metano, sono fonti esauribili perché
l’uomo non stà dando il tempo alla natura di riformare questi preziosi giacimenti!
Il sistema energetico mondiale si basa praticamente su queste fonti energetiche; circa
l’85% dell’energia che consumiamo deriva da queste fonti. Basta pensare che il
riscaldamento delle nostre case funziona grazie al metano, che le automobili, i camion,
le moto vanno avanti grazie al petrolio, che spesso l’energia elettrica si ottiene nelle
centrali termoelettriche bruciando dei combustibili fossili (una volta il carbone, oggi il
metano).
Questi materiali sono al giorno d’oggi ben conosciuti; sono facilmente trasportabili e
possono essere immagazzinati in attesa dell’uso.
Carbone, petrolio e metano vengono chiamati combustibili fossili: “combustibili”
perché dalla loro combustione, cioè bruciandoli, ottengo energia; “fossili” perché si son
formati dalla trasformazione di piante ed animali morti milioni di anni fa.
Le centrali termoelettriche hanno il vantaggio che possono essere costruite in qualunque
zona della Terra, tanto non dipendono dalla presenza dei combustibili fossili i quali
possono essere trasportati dalla zona di estrazione a quella d’uso. Ma bruciando questi
combustibili si produce l’anidride carbonica, il gas responsabile dell’effetto serra!
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♣ La formula dell’anidride carbonica è CO2, cioè è una molecola composta da un atomo
di carbonio e da due atomi di ossigeno. Anche il carbone, il petrolio ed il metano
contengono atomi di carbonio (C) che reagendo con l’ossigeno (O2) dell’aria,
producono anidride carbonica (CO2 )! Il metano contiene meno carbonio del petrolio
che ne contiene meno del carbone… perciò bruciando il metano si produce meno CO2
che bruciando il petrolio e bruciando il petrolio si produce meno CO2 che bruciando il
carbone; ecco perché oggi nelle maggior parte delle nostre case usiamo il metano per
scaldarci e non più il carbone!
Sai quale organismo vivente ha bisogno dell’anidride carbonica per
vivere? Le piante!!!
L’anidride carbonica, che è un gas, entra nella pianta attraverso dei
piccolissimi buchi chiamati stomi, presenti nelle foglie; la foglia,
attraverso una serie di reazioni chimiche chiamate fotosintesi
clorofilliana, trasforma questo gas in uno zucchero chiamato glucosio, importantissimo
per la vita della pianta. Questo zucchero è una fonte di energia e di nutrimento che serve
alla pianta per crescere, per fare i fiori, i frutti e i semi, per difendersi dalle malattie…
insomma funziona come per te quando mangi, solo che le piante sono capaci di farsi il
mangiare sfruttando l’energia solare e usando due soli ingredienti: l’anidride carbonica
e l’acqua!
Un albero adulto assorbe 2,5 kg di CO2 all’anno; un bosco grande un ettaro (un ettaro è
un po’ più grande di un campo da calcio regolamentare) in cui possono vivere circa
4000 alberi può assorbire 10.000 kg di CO2 all’anno! Ma ogni uomo produce,
soprattutto consumando energia, in un anno circa 13.000 kg di CO2 e perciò a ciascun
uomo non basta una bosco di 4000 alberi per assorbire l’anidride carbonica prodotta. E
così la CO2 non assorbita dalle piante si accumula nell’atmosfera.
Grazie soprattutto alla presenza di vapore acqueo e di anidride carbonica, l’atmosfera
terrestre si comporta come i vetri di una serra (si parla infatti di effetto serra), facendo
entrare i caldi raggi del Sole ma non facendoli più uscire. E se si accumula e aumenta la
CO2 nell’atmosfera, aumenta anche questo effetto serra causando un riscaldamento
globale del nostro pianeta.
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FONTI RINNOVABILI
Un altro modo per ricavare energia è quello di sfruttare l’acqua, il vento, il Sole, il
calore della Terra, il mare con le sue onde e le sue maree.
Tutte queste fonti presentano il grande vantaggio di non produrre emissioni: non si ha
perciò la produzione di anidride carbonica. Purtroppo però sono sfruttabili a seconda
della zona del pianeta Terra: è difficile ricavare energia elettrica dall’acqua nel deserto o
dalle onde del mare in montagna!
L’acqua & l’energia idraulica
♣ Già nell'
85 a.C., l'
energia cinetica contenuta nell'
acqua di un fiume che scorreva
rapido o l'
energia potenziale dell'
acqua che precipitava in una cascata erano riconosciute
ed usate per alimentare semplici macchine. I Romani sfruttarono l'
energia dell'
acqua per
coltivare i loro campi invece di usare i cavalli, che gli erano necessari in battaglia e
nelle azioni di conquista.
In Inghilterra, attorno all’ anno 1000 esistevano ben 5.624 mulini ad acqua. Questo
numero crebbe, in seguito, fino a oltre 20.000; l'
energia prodotta veniva utilizzata per
macinare il grano, per azionare mantici e martelli per forgiare il ferro, per affilare
strumenti e armi, per la manifattura tessile, per conciare le pelli e anche per pompare
fuori l'
acqua dalle miniere.
Comunque, la potenza prodotta da questi mulini ad acqua raramente superava i 10 KW.
L'
arrivo dell'
energia elettrica spinse a progettare e costruire nuove ruote ad acqua molto
più veloci, collegate a grosse dinamo (proprio come quelle della bicicletta) che
producevano un'
adeguata quantità di elettricità: nacquero così le turbine idrauliche.
♣ L’energia dell’acqua è la seconda fonte energetica al mondo da cui si ricava energia
elettrica; è seconda solo ai combustibili fossili.
Attraverso la costruzione di una diga si può creare un
bacino d’acqua artificiale; se faccio cadere l’acqua a
valle ad alta velocità, l’energia contenuta da questa
riserva di acqua può essere trasformata in energia
elettrica all’interno di una centrale idroelettrica.
Questa trasformazione avviene grazie a delle turbine
idrauliche che ruotano spinte dell’acqua e che,
collegate ad una grossa dinamo chiamata alternatore, producono energia elettrica.
La maggioranza delle turbine idrauliche sono formate da diverse lame, o pale,
posizionate ad un angolo che può essere modificato; l'
asta rotante aziona un generatore
elettrico che trasforma l'
energia meccanica in energia elettrica. Ed eccoti qui sotto
riassunte le varie trasformazioni energetiche:
energia potenziale dell’acqua
energia cinetica dell’acqua
turbina energia elettrica ottenuta grazie al generatore
energia meccanica della
♣ Pensa che le dighe sono, tra le strutture create dall'
uomo sul pianeta, quelle di
dimensioni maggiori. Costruite in calcestruzzo, o semplicemente con rocce e terra,
possono essere alte fino a 285 metri (Diga Grande Dixence, in Svizzera) e lunghe fino
a 50 km (Diga di Kiev, in Russia). La diga Itaipu, nel Sud America, si estende per circa
8 km attraverso il fiume Parana. Per la costruzione di questa diga sono stati utilizzati 11
milioni di metri cubi di calcestruzzo, abbastanza per costruire 4 o 5 città!
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Come avrai capito l’impatto sull’ambiente di queste costruzioni è notevole e, soprattutto
nel caso delle grandi dighe, si può verificare un cambiamento del clima locale con
conseguente allontanamento o addirittura estinzione delle specie viventi locali.
Purtroppo famosa è la tragedia del Vajont: nei primi progetti questa diga raggiungeva
un'
altezza di 200 metri ma alla fine la costruzione venne portata a 266 m (la più alta
diga dell’epoca); il bacino d'
invaso conteneva dapprima 58 milioni di metri cubi d'
acqua
ma al termine di tutte le operazioni il suo contenuto triplicò! Il 9 ottobre 1963 una
massa rocciosa di 300 milioni di metri cubi si staccava dai fianchi del monte Toc (in
Veneto, nella provincia di Belluno) scivolando a velocità vertiginosa nel lago del
Vajont; in pochi secondi venne spostato un volume d'
acqua di 48 milioni di metri cubi
che uscendo dalla diga si abbatteva nella gola sottostante e raggiungeva la confluenza
del Vajont nel Piave sotto forma di una gigantesca onda di piena, alta circa 120 metri,
che spazzava via l'
abitato di Longarone espandendosi a ventaglio lungo il corso del
Piave seminando morte e distruzione. Furono circa 3000 i morti.
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Il vento & l’energia eolica
♣ L’energia ricavata dal vento si chiama energia eolica in onore di Eolo, dio del vento
per gli antichi greci (il nome eolo deriva dal greco ailos che significa veloce). Questa è
una delle forme di energia maggiormente utilizzate nell’antichità: hai già letto degli
Egizi che risalivano il Nilo con le loro vele e in seguito i Fenici, popolo di navigatori e
di commercianti, perfezionarono le imbarcazioni a vela nel mar
mediterraneo.
I primi mulini a vento furono inventati dai cinesi ed erano usati
per pompare l'
acqua; simili mulini a vento erano usati in Persia
(oggi Iran/Iraq) e nel Medio Oriente per macinare il grano.
Intorno all'
anno Mille, i mulini a vento arrivarono in Europa, introdotti in Gran
Bretagna e in Olanda dai combattenti che tornavano dalle Crociate; l’Olanda è da allora
il paese più famoso per i suoi mulini a vento!
Nel XVIII secolo l'
uso dei mulini a vento per macinare il grano, segare la legna e
pompare l'
acqua ebbe la sua massima espansione per poi cominciare a decadere. Infatti
si diffusero i combustibili fossili e la macchina a vapore si dimostrò più efficiente,
conveniente ed affidabile.
Come vedi per millenni l’energia eolica è stata utilizzata per fare dei lavori al posto
dell’uomo o degli animali, come ad esempio navigare, macinare, pompare acqua dai
pozzi, ma solo all’inizio del 1900 si è pensato di sfruttare l’energia del vento per
produrre energia elettrica!
♣ La produzione di energia elettrica dall’energia eolica avviene attraverso l’impiego di
turbine a vento. Oggi ci sono circa 20.000 turbine a vento connesse alla rete elettrica ed
operative in tutto il mondo. Le pale delle turbine a vento usano il movimento dell'
aria
per far ruotare un generatore elettrico, che genera appunto energia
elettrica. Ma solo una piccola parte dell'
energia del vento può essere
sfruttata a causa di vincoli tecnologici ed anche sociali.
Non tutte le zone del pianeta infatti permettono di utilizzare
l’energia del vento, generalmente le zone migliori sono quelle lungo
le coste e le zone di montagna; ma come ben saprai il vento non
soffia sempre in modo uguale e costante e questo rappresenta un
primo svantaggio di questa fonte. Inoltre questi mulini a vento sono
rumorosi e occupano molto spazio rispetto all’energia elettrica che possono produrre,
causando perciò un forte impatto ambientale. Il grande vantaggio dell’energia eolica è
dato dal fatto che non si hanno emissioni di anidride carbonica nell’atmosfera.
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Il Sole & l’energia solare
♣ Il Sole, che è una stella, è la più grossa risorsa energetica del nostro
pianeta Terra e per migliaia di anni gli esseri umani hanno usato in modo
efficace l'
energia solare per trarne luce e calore e anche per far crescere i
loro raccolti.
Tanto per farti un’idea ti dico che il Sole manda nello spazio in un solo secondo più
energia di quanta ne abbia consumata l’umanità intera in tutta la sua storia e l’energia
solare che arriva sulla Terra in un quarto d’ora è superiore a quanta ne consumiamo noi
uomini in un anno intero!
L'
idea di utilizzare un gran numero di pannelli riflettenti o specchi a più facce per
concentrare la radiazione solare ha una storia antica: risale almeno al II secolo a.C.,
quando il matematico Archimede, nell'
antica Siracusa, utilizzò degli scudi di bronzo
lucidati per focalizzare i raggi del sole sulle vele delle navi romane che volevano
conquistare la città, incendiandole.
♣ L’energia solare rispetto ad altre fonti ha molti vantaggi:
- è inesauribile, durerà fino a quando ci saranno Sole e Terra;
- è pulita, perché ci arriva attraverso i raggi del Sole;
- è abbondante, perché una piccola parte di essa risolverebbe la continua richiesta di
energia di tutti i paesi del mondo;
- non costa nulla come materia prima.
Ma presenta anche alcuni svantaggi :
- è discontinua nel tempo perché la riceviamo con intensità diversa a seconda delle ore
della giornata e del luogo dove siamo (all’equatore fa più caldo che ai poli!);
- è diluita, infatti, il nostro corpo la può ricevere per molte ore senza ustionarsi. Per
raccoglierla in quantità elevate bisogna usare milioni e milioni di apparecchi su vaste
superfici nel territorio, però il costo di questi apparecchi è elevatissimo. Produrre
energia dal sole costerebbe dieci volte del normale e nessuno pagherebbe una bolletta
dieci volte superiore!
♣ Di tutta l’energia che il Sole ci manda ogni giorno, noi ne possiamo utilizzare solo
una piccola parte, perché una parte viene riflessa dall’atmosfera nello spazio, un’altra
parte viene assorbita dall’atmosfera originando i fenomeni meteorologici e alimentando
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il ciclo dell’acqua e infine una piccolissima parte viene utilizzata dalle piante attraverso
la fotosintesi clorofilliana.
La parte che noi possiamo utilizzare è la radiazione che giunge al suolo ed è composta
dalla radiazione diretta e da quella diffusa che insieme rappresentano circa il 47 % della
energia incidente. Essa può essere sfruttata impiegando i pannelli solari per scaldare i
fluidi, come ad esempio l’acqua, o per produrre direttamente energia elettrica con i
pannelli fotovoltaici.
I pannelli solari imprigionano l’energia termica del Sole e sfruttano
questo calore per scaldare l’acqua. Sono costituiti da una
serpentina, dentro alla quale c’è dell’acqua, che viene scaldata dal
Sole attraverso dei pannelli di metallo ricoperti da pannelli neri (per
attirare di più il calore del Sole!) Pensa che in Israele il 75% delle
case usa questo sistema per produrre l’acqua calda, mentra nelle nostre case spesso
usiamo boiler a gas (brucio il gas per scaldare l’acqua) o elettrici (uso l’energia elettrica
per scaldare l’acqua).
I pannelli fotovoltaici invece riescono a trasformare l’energia
solare in energia elettrica. Sono costituiti da due sottilissime lastre
di silicio che è un elemento chimico molto abbondante sulla
Terra; questo materiale viene detto semiconduttore.
Quando i raggi solari colpiscono il pannello si verifica una
fuoriuscita con successivo spostamento di elettroni da una lastra
all’altra; questi elettroni non sono altro che particelle di carica negativa che
costituiscono la corrente elettrica!
Purtroppo il rendimento di questi pannelli è molto basso (quello teorico sarebbe del
25%, ma quello reale è del 14%) ed il loro costo è un ostacolo perché, anche se il silicio
è abbondante e economico, la tecnologia è elevata e molto costosa; accendere una
lampadina con energia ricavata da un pannello fotovoltaico costa circa 5 volte di più che
accenderla con energia elettrica ricavata da una centrale termoelettrica!
La durata dei pannelli fotovoltaici è notevole perché i primi sono stati costruti 30 anni fa
e funzionano ancora!
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Il calore della Terra & l’energia geotermica
♣ Geotermica significa proprio calore dalla Terra; si può considerare come l'
energia
racchiusa, sotto forma di calore, all'
interno della Terra. Quando 5 miliardi di anni fa la
Terra si formò da una nube di gas, faceva davvero molto caldo! Anche se da allora la
Terra si è andata raffreddando, cedendo il suo calore allo spazio, una grande quantità di
calore è ancora racchiusa nelle profondità del pianeta e può essere utilizzata come fonte
energetica. In qualche punto questo calore può arrivare insopportabilmente vicino alla
superficie, come è dimostrato dalle eruzioni vulcaniche. Il problema è che non è pratico
ed è pericoloso portare direttamente questa abbondanza di calore alle nostre case per
riscaldarle, ci vuole un modo migliore…
♣ Ma come si può usare questa energia?
E'davvero una buona domanda, ed è ancora oggetto di
ulteriore ricerca da parte degli scienziati. Ci sono vari
modi di portare questa energia in superficie: per ora questi
metodi portano il flusso di fluidi caldi fino alla superficie,
dove essi possono essere usati come sorgente di calore o
nella produzione di elettricità. Questi fluidi possono essere
presenti naturalmente nel sottosuolo, presso rocce ad alta temperatura, o devono essere
portati lì. In profondità nel sottosuolo c'
è abbastanza energia da garantirci gli attuali
consumi energetici per i prossimi 35 miliardi di anni! L'
unico problema è raggiungere
questa energia e trasformarla in modo efficiente… Questo dipende dai limiti delle
attuali tecnologie geotermiche e dal fatto che questa energia che cerchiamo di catturare
è molto diffusa, cioè poco concentrata.
L'
energia viene estratta quindi dalla terra in modo sicuro da una centrale geotermica che
produce energia portando l'
acqua calda dal sottosuolo alla superficie. Qui, dove la
pressione è minore, l'
acqua bolle producendo vapore il quale alimenta le turbine che
convertono l'
energia termica in energia cinetica di rotazione. Infine dei generatori
trasformano questa energia cinetica in energia elettrica.
Il mare & la sua energia
♣ Gli oceani racchiudono una grandissima quantità di energia; se ti è mai capitato di
essere trasportato o sballottato da un’onda al mare, puoi capire meglio questo concetto.
Gran parte di questa energia proviene dai corpi celesti, come ad esempio il sole e la
luna. I raggi del sole riscaldano gli oceani e danno origine ai venti che sollevano le
onde. Invece la legge della gravitazione universale scoperta da Newton ci spiega perchè
l'
attrazione della luna interagisce con quella della Terra producendo cicli di maree
regolari e prevedibili.
♣ Attraverso delle strutture galleggianti tipo boe posso intrappolare
l’energia meccanica delle onde e, tramite un alternatore,
trasformarla in energia elettrica. Questa fonte energetica presenta
non pochi limiti: le onde, così come il vento, non sono sempre
regolari nel tempo, questi impianti sono inoltre costosi e spesso si
trovano lontani dall’area in cui serve l’energia. Si stanno comunque
portando avanti interessanti sperimentazioni.
Invece l’energia delle maree può essere intrappolata costruendo vicino alle coste delle
barriere che incanalano l’acqua creando appunto dei canali; è possibile sfruttare il flusso
dell’acqua, regolandolo, in modo simile ad un torrente, ricavando perciò energia
elettrica da una centrale idroelettrica.
14
CONSUMI ENERGETICI
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Ora fai un gioco:
1) sottolinea tutte la parole che hanno bisogno di energia elettrica per funzionare;
2) questa storia è ambientata ai giorni nostri; riscrivila ambientandola all’inizio del
1900, più o meno quando vissero i tuoi bisnonni.
Pensa un po’ quanto l’energia elettrica ha cambiato la vita dell’uomo!!!
15
♠ Ma se l’energia non si crea né si distrugge, allora perché stiamo parlando di “consumi
energetici”? Perché l’energia viene trasformata in forme non più utilizzabili dall’uomo.
Basta pensare a tutti gli elettrodomestici che hai in casa: usano/consumano energia
elettrica per funzionare!
C’è stato un grande sviluppo tecnologico nel corso degli anni, con l’intenzione di
ridurre i consumi degli elettrodomestici (è l’etichetta energetica che ti dice quanto
consuma un certo elettrodomestico!!!)
Ad esempio molte lavatrici di oggi sono capaci di ridurre il consumo di energia e di
acqua nel caso siano caricate di meno; anche le loro cugine lavastoviglie sono diventate
più intelligenti in questi ultimi anni: sono capaci di diminuire i consumi di acqua,
energia e anche detersivi, effettuando cicli veloci o ridotti.
Ed ora passiamo alle lampadine che fanno spendere alle famiglie italiane circa il 13%
del consumo totale di energia elettrica! Ci sono tanti tipi di lampadine, qualcuna
consuma più energia elettrica, qualcun'
altra meno.
Lampada ad incandescenza
E’ la lampadina inventata da Edison! Ha un filamento di tungsteno, materiale
isolante che non lascia passare l’elettricità; perciò questo filamento si scalda
raggiungendo temperature di 2700°C, diventando incandescente e quindi
luminoso. A queste temperature il tungsteno evapora e si assottiglia fino a
rompersi. Queste lampadine dentro hanno il vuoto (in modo tale che sia impossibile la
combustione!) e sono fatte “panciute” affinchè gli atomi di tungsteno che evaporano
non anneriscano il vetro.
Lampade alogene
Hanno un filamento di tungsteno ma dentro, al posto del vuoto, hanno una miscela di
gas alogeni (iodio, bromo) che fan sì che le particelle di tungsteno che si staccano dal
filamento formino un composto che nella zona più calda della lampada si dissocia
liberando nuovamente le particelle che ritornano sul filamento allungandone la durata.
Lampade a fluorescenza
Sono le lampade a basso consumo! Non hanno nessun filamento; la luce è prodotta da
una scarica elettrica in un gas. Sono costituite da un tubo rivestito di fosfori con
all’interno un gas di mercurio che emette luce uv che colpisce il fosforo che produce
luce. Converte in luce più del 10% della potenza assorbita mentre le lampade a
incandescenza solo il 2% (il restante 98% viene sprecato in calore!)
LED (Light Emitted Diodes)
Le spie della TV o dello stereo o alcuni semafori (che sono più luminosi dei “vecchi”
semafori) sono fatti dai LED, costituiti da 2 strati di materiale semiconduttore (ad
esempio il silicio è un materiale semiconduttore) uniti insieme. Una metà dello strato è
caricata negativamente e spinge gli elettroni verso l’altra metà che è positiva; lo scontro
di elettroni causa l’emissione di energia sotto forma di fotoni e quindi sotto forma di
energia luminosa (la luce è fatta da fotoni!)
Dalla tabella sottostante puoi capire come certe lampadine consumano più di altre;
l’efficienza delle lampadine a fluorescenza, anche dette a basso consumo, è circa 5 volte
più alta rispetto all’efficienza di quelle a incandescenza.
Tipo di lampadina
incandescente
a fluorescenza
Potenza (watt)
Luminosità (lumen)
75
16
935
815
16
Efficienza
(lumen/watt)
12.5
50.9
Hai mai toccato una lampadina ad incandescenza? Se ti è già successo sono sicuro che
te lo ricordi bene, dato che ti sarai bruciato! Le lampade ad incandescenza consumano
molta più energia di quelle a fluorescenza; l’energia elettrica assorbita viene trasformata
in energia luminosa solo in minima parte, mentre tutto il resto viene “sprecato” in
energia termica (e per questo queste lampadine quando sono accese bruciano!) Invece le
lampadine a fluorescenza usano meno energia elettrica e per questo motivo sono dette
“lampade a basso consumo”: sono più efficienti!
♠ Ti ricorderai che l’energia viene misurata in Joule o calorie; ma c’è ancora un altro
modo per misurarla e questo è il kWh (si dice “kilo watt all’ora”); il kWh indica la
quantità di energia usata in un determinato processo e perciò viene usato per dirci
quanta energia usiamo per far funzionare i vari elettrodomestici in casa nostra.
1 kWh = 3.600.000 J (3 milioni e 600 mila joule!)
Sai cosa puoi fare se compri 1 solo kWh di energia?
- accendere per 10 ore una lampadina da 100 W
- accendere per 50 ore una lampadina da 20 W (a basso consumo)
- fare 2 minuti di doccia calda
- passare due serate a guardare la TV
- percorrere 1,5 km in automobile
- pedalare in bici per circa 200 km (dipende dalla velocità!)
♠ Il caso dello stereo in standby…
Potenza da acceso
Potenza in stand by
Energia consumata da acceso in 1 ora
Energia consumata da “spento” in 1 ora
Energia consumata da acceso in 1 anno
(3 h/gg x 365 gg/anno)
Energia consumata da “spento” in 1 anno
(21 h/gg x 365 gg/anno)
Costo da acceso/anno (0.12 euro/kWh)
Costo da “spento”/anno
14W
9W
14/1000 = 0.014 kW
9/1000 = 0.009 kW
0.014 kWh
0.009 kWh
0.014 x 3 x 365 = 15.3 kWh
0.009 x 21 x 365 = 61.3 kWh
15.3 x 0.12 = 1.8 euro
61.3 x 0.12 = 7.3 euro
♠ CONSUMI NEL MONDO…
Ed ecco quali sono indicativamente i consumi di energia elettrica nelle varie parti del
mondo: una persona che vive in Niger ha a disposizione e utilizza 0.1 kWh all’anno di
energia, un italiano 3500 kWh all’anno, un americano 10000 kWh all’anno. Da questi
numeri puoi capire come l’energia non sia distribuita a tutte le persone in ugual misura:
pensa che il 70% dell’energia viene consumato dal 20% della popolazione mondiale!
Una famiglia italiana con la semplice sostituzione delle lampadine e lo spegnimento
(ricordati che un’apparecchio in stand-by non è spento ma continua a consumare
energia elettrica!) dei vari televisori, computer, stereo, videoregistratori ottiene un
risparmio energetico di più di 600-750 kWh, equivalenti a circa 150-200 euro all'
anno!
Lo sviluppo tecnologico oggi ci permette di disporre di grandi quantità di energia in
poco tempo; in questo modo molti lavori in passato eseguiti con le sole forze dei
muscoli umani, oggi vengono fatti da macchine che usano energia per funzionare.
L’energia è quindi per noi un bene fondamentale e prezioso ma, sapendo che in molti
casi è limitata, è nostro compito e dovere usarla in modo attento e responsabile
pensando alle persone che in futuro vivranno sulla Terra.
17
Test dell'Impronta Ecologica
Scopri quante risorse ambientali consumi
Immagina di racchiudere una città sotto una cupola di vetro
trasparente che lasci entrare la luce ma impedisca alle cose materiali
di qualunque genere di entrare e uscire. Perché i cittadini di questa
città possano continuare a vivere, la cupola dovrebbe coprire una
quantità di terreno (composto da zone agricole, foreste, fiumi ed
altri ecosistemi) contenente le risorse necessarie per produrre
energia, alimenti ed altri beni nonché per per assorbire i rifiuti e
l’inquinamento prodotto. Questo è un modo molto semplice per
comprendere il concetto di “ impronta ecologica ” .
L’impronta
ecologica
è
l'impatto
del
nostro
stile
di
vita
sull'ambiente; è la quantità di territorio produttivo necessario per
sostenere il consumo di risorse e la richiesta di assimilazione di
rifiuti da parte di una determinata popolazione. Viene calcolata
stimando le risorse consumate ed i rifiuti prodotti e trasformandoli
in un’equivalente area necessaria a produrre risorse e a riassorbire
rifiuti in modo sostenibile.
Viene calcolata in ettari (ha =10000 m2) pro capite annui; ma è più
semplice se la rapportiamo ad un indicativo numero di pianeti terra
necessari per mantenerci.
CASA
1. Quante persone vivono con te?
a) 1
30
b) 2
25
c) 3
20
d) 4
15
e) 5 o più
10
b) 10-14
c) 14-18
d) più di 18
3. Quando acquisti alimenti
prodotti locali e di stagione?
a) sì
5
b) no
10
c) qualche volta
15
d) raramente
20
e) non lo so
25
2. In che modo è riscaldata la casa?
a) Gas naturale
30
b) Elettricità
40
c) Olio combustibile
50
d) Energia rinnovabile
0
3. Quanti punti di acqua (bagno, cucina, lavanderia,
balcone) ci sono?
a) Meno di 3
5
b) 3-5
10
c) 6-8
15
d) 8-10
20
e) più di 10
25
4. In che tipo di casa abiti?
a) Appartamento/condominio
b) Villetta
20
15
10
preferisci
ACQUISTI
1.Quanti acquisti importanti (stereo, TV,
computer, auto, mobili, elettrodomestici) hai
fatto nel corso degli ultimi 12 mesi?
a) 0
0
b) 1-3
15
c) 4-6
30
d) più di 6
45
2. Hai acquistato articoli a risparmio
energetico negli ultimi 12 mesi?
a) Sì
0
b) No
25
20
40
ALIMENTAZIONE
1.Quante volte alla settimana mangi carne o pesce?
a) 0
0
b) 1-3
10
c) 4-6
20
d) 7-10
35
e) più di 10
50
2. Quanti pasti cucini personalmente (compresi
quelli portati a scuola /lavoro)?
a) meno di 10
25
18
TRASPORTI
1. Se hai un mezzo qual è?
a) Bicicletta
b) Utilitaria
c) Vettura intermedia
d) Berlina
e) Sportiva, monovolume o familiare
f) Van, utility vehicle o fuoristrada
15
35
60
75
100
130
2. Come vai a scuola/lavoro?
a) In automobile
b) Con i mezzi pubblici
c) Con uno scuolabus
d) A piedi
e) In bicicletta o pattini a rotelle
b) Qualche volta
c) Raramente
d) Mai
50
25
20
0
0
3. Dove hai passato le vacanze nel corso dell'
ultimo
anno?
a) Niente vacanze
0
b) Nella mia regione
10
c) In Italia
30
d) In Europa
40
e) In un altro continente 70
4.Quante volte utilizzi l'
automobile per il fine
settimana?
a) 0
0
b) 1-3
10
c) 4-6
20
d) 7-9
30
e) più di 9
40
RIFIUTI
1. Fai la riduzione dei rifiuti (per esempio preferisci
imballaggi ridotti, rifiuti l'
invio di posta
pubblicitaria, preferisci contenitori riutilizzabili)?
a) Sempre
0
10
15
20
2. Quanti sacchi della spazzatura produci
ogni settimana?
a) 0 sacchi
0
b) 1/2 sacco
5
c) 1 sacco
10
d) 2 sacchi
20
e) più di 2
30
3. Ricicli i giornali,
quelle di plastica?
a) Sempre
b) Qualche volta
c)Raramente
d) Mai
le bottiglie di vetro e
5
10
15
20
4. Prepari il compost con i rifiuti della frutta
e della verdura?
a) Sempre
5
b) Qualche volta
10
c) Raramente
15
d) Mai
20
RISULTATI
< 150
150-350 (maggior parte
degli italiani)
350-550
550-750
B
=
!
/ .D
!
"! "!
< 4 ha
QUANTI PIANETI
TERRA TI
SERVIREBBERO?
2
4-6 ha
3
6-7,7 ha
7,7-10 ha
4
5
QUANTI ETTARI TI
SERVIREBBERO?
PUNTI
!
!
+
% !
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(2
!
H
!
!8
Risposte del Quizzone dello scienziato
Domande più facili: B,C,C,B,B
Domande meno facili: B,A,A,B,C
19