l`energia - Colori dei bambini

L’ENERGIA
A cura di M. Aliberti
Spunti per la ricerca
• Che cos’è l’energia?
• Come si manifesta concretamente l’energia?
• Quali forme può assumere?
• E’ possibile passare da una forma di energia all’altra?
• Con quali mezzi si può realizzare la trasformazione?
L’energia non è un’entità visibile, per cui risulta difficile comprendere la natura attraverso
una spiegazione data a parole.
Invece sono visibili, e quindi comprensibili, gli effetti che accompagnano ogni
manifestazione energetica, quali ad esempio, un uomo che taglia la legna, un ragazzo che
va in bicicletta, una lampada accesa, il legno che brucia nel caminetto, un uccello in volo,
lo scorrere dell’acqua in un ruscello, un motore che fa muovere un’automobile.
L’uomo, il ragazzo, l’uccello, infatti, utilizzano l’energia chimica del cibo che hanno
ingerito e la trasformano in movimento, la lampada trasforma l’energia elettrica in energia
luminosa.
Nel legno che brucia l’energia chimica del combustibile si trasforma in calore; nel motore il
calore prodotto dalla combustione si trasforma in movimento.
L’energia si trasforma
Il concetto di trasformazione è più corretto di quello più comune di consumo in quanto, di
fatto, l’energia non si può né creare né distruggere, ma solamente trasformare passando,
cioè, da una forma all’altra.
Quindi, ogni forma di energia deve sempre essere interpretata come un processo di
trasformazione.
L’energia compie lavoro
Osservando un uomo che taglia la legna è evidente che sta svolgendo un lavoro, ma sul
piano fisico anche un ragazzo che va in bicicletta per divertimento svolge un lavoro perchè
fa muovere il proprio corpo. Allo stesso modo ogni trasformazione di energia può essere
considerato come un lavoro svolto.
Quindi svolgono un lavoro sia il legno che produce calore nel caminetto, sia il motore che
fa muovere l’automobile.
In conclusione si può affermare che:
l’energia è la grandezza fisica capace di compiere un qualsiasi lavoro.
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Il consumo di energia nella storia dell’uomo
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Uomo primitivo
Uomo cacciatore fino al 3000 a.C.
Agricoltore primitivo fino al 1000 a.C.
Agricoltore progredito nel 1700
Uomo industriale nel 1800
Uomo di OGGI
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VARIE FORME DI ENERGIA
Esaminando le diverse forme di energia si può notare come il lavoro che questa è capace
di compiere può essere di diverso tipo. Lo spostare un corpo, sia esso di un ragazzo in
corsa o di un uccello in volo, è infatti diverso dal produrre calore o luce.
Per ciascuno di questo esempi di lavoro è necessario che l’energia in gioco si manifesti nel
modo adatto allo scopo, cioè in una delle forme seguenti:
Energia termica ( o calore ;
Energia luminosa ( o luce )
Energia meccanica;energia chimica
Energia elettro-magnetica
Energia nucleare.
Per capire come possa essere individuata e utilizzata opportunamente ognuna di queste
forme di energia è necessario conoscere:
Il modo di manifestarsi
Le possibilità di trasformazione
I metodi di trasporto o trasmissione
Energia termica o calore
L’energia termica, comunemente conosciuta come calore, si può individuare con la
variazione di temperatura nei corpi o nell’ambiente.
Infatti quando si riscalda un oggetto in pratica gli si fornisce energia termica.
Analogamente quando lo si raffredda gli si sottrae parte dell’energia termica che possiede.
Se si potessero osservare le molecole, cioè le particelle elementari che formano tutti i
materiali, si potrebbe vedere che nel momento in cui si somministra calore ad un oggetto
le molecole dello stesso aumentano il loro movimento (detto agitazione molecolare).
Trasmissione del calore
Il calore può essere trasmesso in tre modi:
Per conduzione;
Per convezione;
Per irraggiamento.
Si ha conduzione quando il calore si trasmette attraverso i materiali. Se, ad esempio, si
prende una bacchetta di metallo e la si riscalda ad un estremo si può notare come il calore
a poco a poco si trasmette fino all’altro estremo.
Ciò avviene quando le molecole della zona riscaldata, aumentano il loro moto agitatorio e
riescono a trasmetterlo tramite urti ripetuti alle molecole vicine.
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Sono buoni conduttori termici quei materiali, come i metalli, le cui molecole trasmettono
più facilmente il moto vibratorio.
Sono invece isolanti termici, cioè cattivi conduttori di calore, materiali come il legno secco,
il vetro, le materie plastiche, la ceramica, l’aria.
La trasmissione per convezione avviene nelle sostanze fluide come liquidi o gas e consiste
nello spostamento di masse della sostanza stessa aventi una temperatura più elevata
all’interno di altre a temperatura più bassa.
Ad esempio, in una pentola piena d’acqua posta sul fuoco, il liquido vicino al fondo si
riscalda per primo e aumenta il proprio volume. Ciò corrisponde ad un diminuzione della
densità: in pratica l’acqua calde risulta più leggera di quella fredda e tende a salire.
Muovendosi verso l’alto cede il suo calore al resto dell’acqua miscelandosi ad essa. Se si
spegna il fuoco dopo poco tempo, tutta l’acqua della pentola avrà raggiunto la stessa
temperatura.
Il movimento di una massa fluida come quella descritta si chiama moto convettivo.
Il vento rappresenta un altro esempio di moto convettivo dell’aria.
Il calore si trasmette per irraggiamento quando passa da un copro caldo ad uno più
freddo, anche se i due corpi non sono a contatto fra loro.
Irraggiare significa emettere radiazioni elettromagnetiche, cioè onde che trasportano
energia.
Quando “urtano” un corpo, questo le assorbe, aumentando il movimento delle proprie
molecole e quindi la propria temperatura. Più un corpo è caldo, più radiazioni emette.
Invece la quantità di radiazioni elettromagnetiche (cioè energia radiante) assorbita da un
corpo dipende dalla sua superficie: se è chiara e lucida l’assorbimento è minimo, se è nera
e opaca è massimo. Per questo le case nei paesi caldi sono spesso dipinte di bianco.
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L’ENERGIA LUMINOSA
L’energia luminosa, chiamata comunemente luce, è un’entità fisica che permette a noi e
agli animali di percepire con la vista tutto ciò che ci circonda.
Le piante possono vivere e crescere solo in presenza di luce. Nel passato si è pensato che la
luce fosse composta da particelle piccolissime proiettate dai corpi luminosi; poi la si è
intesa come una vibrazione rapida del campo elettromagnetico.
Ultimamente, con la scoperta di nuovi fenomeni, la teoria elettromagnetica si è rivelata
inadeguata. Si ripensa, quindi, alla luce come all’emissione di unità di energia dette fotoni
che hanno alcune caratteristiche proprie dei corpuscoli e altre proprie delle onde.
Trasmissione della luce
Si propaga per irraggiamento e, come già si è osservato relativamente al calore, può essere
considerata una forma di energia radiante.
L’ENERGIA ELETTRICA
L’energia elettrica si manifesta normalmente con il movimento ordinato di cariche
elettriche elementari chiamate elettroni.
I materiali conduttori (i migliori sono i metalli) hanno un elevato numero di elettroni liberi
di muoversi da un punto all’altro del conduttore (“elettroni di conduzione”).
Quando il movimento degli elettroni, cioè la corrente elettrica, avviene sempre nello
stesso verso si parla di corrente continua; quando il movimento avviene per metà del
tempo in un verso e per l’altra metà nel verso opposto, in un rapido alternarsi, si ha la
corrente alternata.
In un generatore elettrico gli elettroni vengono spinti tutti in una direzione creando
un’abbondanza di cariche negative su uno dei due poli, che diventa quindi il polo
negativo, mentre l’altro polo in cui vengono a prelevare le cariche positive, diventa il polo
positivo.
Fra i due poli si stabilisce una differenza di potenziale elettrico per cui gli elettroni
ammassati sul polo negativo tendono a ritornare al polo positivo. Ciò si verifica quando ai
poli del generatore si collega un circuito conduttore esterno che permette agli elettroni di
ritornare al polo d’origine. In questo circuito esterno può essere inserito un utilizzatore di
energia che sfrutta il passaggio del flusso di elettroni, cioè della corrente elettrica.
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Trasmissione dell’energia elettrica
Poiché l’energia elettrica si manifesta con un movimento di elettroni, si può trasmettere
semplicemente prolungando i circuiti che uniscono i generatori agli utilizzatori, mediante
linee elettriche, che possono essere sospese in aria attraverso pali e tralicci oppure in cavi
sotterranei o subacquei.
La facilità di trasporto dai luoghi di produzione a quelli di utilizzo rende questa forma di
energia molto adatta per una facile distribuzione agli utenti. L’energia elettrica, infatti,
arriva in ogni casa, laboratori, industria, ufficio, con un semplice allacciamento di fili.
L’ENERGIA MECCANICA
L’energia meccanica è quella che si manifesta muovendo o deformando i corpi solidi e le
sostanze fluide come liquidi e gas.
E’ energia meccanica quella sviluppata dai muscoli umani o animali, quella di un fiume o
di un oggetto che cade e anche quella fornita dai motori.
Essa può presentarsi in due modi:
• Energia potenziale, quando l’energia non agisce, ma è pronta per agire appena le
condizioni sono favorevoli. Ad esempio, una pietra posta in alto rispetto al terreno
ha un’energia potenziale di posizione, che non agisce fino a quando non la si fa
cadere a terra.
Un’altra forma di energia potenziale è quella elastica, come quella che possiede una
molla dopo essere stata schiacciata o tirata.
•
Energia cinetica, quando in un sistema meccanico si ha movimento o
deformazione: ad esempio, quando l’acqua viene lasciata libera di scorrere in una
condotta forzata, oppure quando una molla precedentemente schiacciata o tirata
viene lasciata libera di tornare alla forma iniziale.
Un corpo dotato di energia meccanica allo stato cinetico ( energia cinetica ) può muoversi
con:
Moto traslatorio: ad esempio un’auto che si sposta
Moto rotatorio:
una ruota che gira
Moto armonico:
un pendolo che oscilla
Trasmissione dell’energia meccanica
La trasmissione dell’energia meccanica avviene per mezzo di organi meccanici:
Ingranaggi, cinghie e catene, ruote a frizione, alberi di trasmissione, sistemi
biella-manovella.
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L’ENERGIA CHIMICA
L’energia chimica si presenta sempre allo stato potenziale e può essere considerata come
la capacità di alcune sostanze di combinarsi con altre sviluppando energia sotto forme
diverse come luce, calore, elettricità.
Per capire meglio il significato di questa definizione pensiamo al fenomeno della
combustione.
Questa, infatti, è costituita da una reazione tra la sostanza combustibile e l’ossigeno
dell’aria, durante la quale avviene un’emissione di energia sotto forma di luce e calore.
Quindi si può affermare che i combustibili hanno una certa quantità di energia allo stato
potenziale che può essere trasformata in energia termica e luminosa. Energia potenziale
sotto forma chimica si trova anche nelle pile e nelle batterie di accumulatori. In entrambi i
casi la combinazione chimica tra varie sostanze dà origine ad energia elettrica.
L’ENERGIA NUCLEARE
L’energia nucleare si ha da reazioni che avvengono nei nuclei atomici formati da protoni,
cioè particelle a carica elettrica positiva e neutroni, particelle neutre.
Tali reazioni permettono di ricavare una grandissima quantità di energia termica e
possono essere di due tipi:
o La fissione o scissione nucleare;
o La fusione nucleare.
La fissione nucleare
Si ha una reazione di fissione quando, con opportuni sistemi, si riesce a dividere in due
parti il nucleo atomico di un elemento molto pesante come l’Uranio (U 235, il numero
rappresenta la somma dei protoni più i neutroni) ciò può avvenire scagliando, mediante
complesse apparecchiature, neutroni contro il nucleo, che è spaccato.
Come risultato si ha la creazione di due atomi più piccoli e contemporaneamente
l’emissione di una grande quantità di energia.
Questo è dovuto al fatto che una parte della massa del nucleo diviso si trasforma in
energia, in quantità calcolabile con la formula di Einstein
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E = mc
Nella quale:
*
E
*
m
energia prodotta,
massa trasformata,
7
2
*
c
la velocità della luce elevata al quadrato.
Poiché la velocità della luce è di 300.000 Km al secondo il risultato che si ottiene anche solo
con un grammo di sostanza è pari a 25 milioni di Kilowattora di energia.
Questa energia opportunamente sfruttata, permette di produrre vapore acqueo utilie a far
girare le turbine con le quali ottenere energia elettrica.
La fusione nucleare
La reazione di fusione segue un procedimento inverso: invece di dividere in due parti un
atomo pesante si fa in modo di unire due atomi leggeri per formarne uno più pesante.
E’ il tipo di reazione che si sviluppa naturalmente nel Sole e nelle altre stelle: sviluppa una
quantità d’energia molto più elevata della reazione di fissione e, considerato che
l’elemento necessario per realizzarla è l’idrogeno ( H ) che si trova sulla Terra in quantità
virtualmente illimitate, costituisce un sistema che può rappresentare la soluzione di tutti i
problemi energetici della Terra.
Purtroppo la tecnologia attuale non permette ancora la fusione nucleare controllata a
causa delle altissime temperature necessarie per avviare la reazione.
Negli ultimi anni alcuni scienziati hanno affermato d’essere riusciti a realizzare la fusione
a temperatura ambiente: la cosiddetta fusione fredda.
Tale affermazione, criticata dalla maggior parte del mondo scientifico, sta ancora
aspettando conferma.
TRASFORMAZIONE DELL’ENERGIA
L’uomo ha bisogno di energia sotto diverse forme. Innanzi tutto gli serve l’energia chimica
contenuta nei cibi, che l’organismo trasforma in energia termica per mantenere stabile la
temperatura corporea, oppure in energia meccanica per muoversi e svolgere azioni.
Il corpo umano può quindi essere considerato un convertitore d’energia.
Inoltre, l’uomo ha bisogno di altra energia per riscaldare gli ambienti in cui vive, per
spostarsi, per illuminare: energia che gli viene fornita da apparecchiature come stufe,
motori, lampade, cioè da altri convertitori.
Possiamo quindi definire convertitore un apparecchio capace di utilizzare una forma di
energia per trasformarla in un’altra. Quando si pongono diversi convertitori in successione
e l’energia viene trasformata più volte, si ha un sistema di conversione.
In ogni trasformazione, non tutta l’energia che viene utilizzata dal convertitore viene
restituita sotto altra forma, perché una parte di essa viene perduta.
Il rendimento di un convertitore è costituito dal rapporto tra la quantità d’energia in
uscita e quella in entrata.
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ESEMPI DI CONVERTITORI DI ENERGIA
FORNO
ENERGIA CHIMICA
(combustibili solidi)
ENERGIA TERMICA
PILA
ENERGIA CHIMICA
(reazione tra metalli
ed elettroliti)
ENERGIA ELETTRICA
LAMPADE
ENERGIA ELETTRICA
MOTORI ELETTRICI
ENERGIA LUMINOSA
ENERGIA ELETTRICA
ENERGIA MECCANICA
ESEMPI DI SISTEMI DI CONVERSIONE DI ENERGIA
MOTORRE A SCOPPIO
E. CHIMICA
E. TERMICA
(combustibile liquido)
(dalla combustione)
E. MECCANICA
(espansione dei gas di combustione)
CENTRALE IDROELETTRICA
CENTRALE GEOTERMICA
E. MECCANICA
E. TERMICA
E. MECCANICA
E. ELETTRICA
E. ELETTRICA
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CENTRALE EOLICA
E. MECCANICA
CENTRALE SOLARE
E. TERMICA
CENTRALE TERMOELETTRICA
E. ELETTRICA
E. MECCANICA
E. CHIMICA
E. ELETTRICA
E. ELETTRICA
E. TERMICA
E. MECCANICA
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