Homo Sapiens Sapiens ed Energia

Homo Sapiens Sapiens ed Energia
Piero Salinari
Istituto Nazionale di Astrofisica
Osservatorio di Arcetri
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Il punto di vista energetico . . .
E’ solo uno degli innumerevoli punti di vista
utili per valutare le socieà umane,
ma certo non l’ultimo per importanza,
perché è determinante
per la sopravvivenza della specie
Homo Sapiens Sapiens
e
per la qualità della nostra vita
...
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L’energia ha una semplice definizione
É una misura della capacità di un sistema di compiere un lavoro
(Keplero 1619)
Energia meccanica = lavoro meccanico = forza x spostamento
In Unità Internazionali
l’unità di forza è il Newton (N, circa 100 g peso)
L’unità di lunghezza è il metro
L’unità di energia (Joule, J) è quindi 1 N x 1 m = 1 J
(circa pari al lavoro necessario a sollevare un peso da un etto di un metro)
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Ha quattro diverse “sorgenti”
Corrispondenti alle quattro “interazioni” note alla Fisica:
•Interazione Gravitazionale
•Interazione Elettromagnetica
•Interazione Forte
•Interazione Debole
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E molte diverse forme e denominazioni
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•
Energia meccanica (cinetica, gravitazionale, elastica. Si noti che l’energia elastica è
di origine Int. Elettromagnetica)
Energia chimica (di origine Int. Elettromagnetica)
Energia nucleare (di origine Int. Forte )
Energia elettrica (di origine Int. Elettromagnetica)
Energia luminosa (di origine Int. Elettromagnetica)
Energia termica (che è sostanzialmente l’energia cinetica delle molecole)
L’energia di un sistema isolato (in qualunque forma si) si conserva
(primo principio della termodinamica)
Tutte le forme di energia possono trasformarsi in energia termica
(altre trasformazioni dirette fra le varie forme sono possibili)
Nella pratica
Si usa prevalentemente l’energia termica (di origine chimica, nucleare o solare) per
produrre energia meccanica.
L’energia elettrica è prodotta prevalentemente a partire da energia meccanica
(notevole eccezione l’energia fotovoltaica)
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La trasformazione di energia termica in meccanica
ha un limite
Non più di una certa frazione dell’energia termica si può trasformare in energia meccanica.
La frazione massima Fmax dipende dalla temperatura (assoluta) iniziale T0 e da quella finale T1
nel modo seguente:
Fmax = (T0 - T1 )/ T0
Così, per esempio, se scaldo un fluido fino a 500 °C (773.15 K)
e lo faccio espandere fino alla temperatura di 200 °C (473.15 K)
posso estrarre al massimo come lavoro meccanico il
300/773.14 = 38.8%
dell’energia termica che debbo fornirgli per portarlo da 200 a 500 °C
(in pratica si ottiene un rendimento minore)
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Quindi interpretare i numeri richiede attenzione . . .
Nel seguito, parlando di combustibili, userò la loro energia chimica
(Potere Calorico Inferiore, PCI)
Quando uso un combustibile per produrre lavoro meccanico o energia elettrica
otterrò un lavoro molto inferiore all’energia chimica spesa
MA,viceversa, disponendo di energia meccanica o elettrica
posso spostare più energia termica
da una temperatura più bassa ad una più alta
Di quella che potrei produrre
per trasformazione diretta in calore dell’energia elettrica o meccanica
Così, per il riscadamento domestico conviene, in termini energetici,
usare una “pompa di calore”
che usa energia elettrica prodotta perdendo il 60% dell’energia chimica originaria
ma può spostare una potenza termica 3 o 4 volte maggiore della potenza elettrica impiegata
Poiché 0.6X3=1.8
si riscalda di più che convertendo in calore l’originaria energia chimica . . .
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Potenza
E’ l’energia fornita o assorbita da un sistema per unità di tempo.
L’unità di misura nel sistema internazionale è il Watt (W)
1 Watt = 1 Joule/secondo
Spesso si parla di “energia” ma quasi sempre si usa la “potenza”
perchè nella maggior parte dei casi
quello che conta è l’energia utilizzabile
in un certo intervallo di tempo
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L’energia necessaria ad un essere umano medio
Una persona media solo per
sopravvivere
muoversi
e mantenere stabile la sua temperatura corporea
usa circa
100 W di potenza,
ovvero in un giorno ha bisogno di circa
24x3600x100 J/giorno
= 8.6 MJ/giorno
=2500 kcal/giorno
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Impatto dell’alimentazione umana sul territorio
L’alimentazione della popolazione mondiale (circa 7 miliardi ad oggi) impiega:
Circa 14 milioni di km2 di terreno coltivato
(circa 1/10 delle terre emerse)
Circa 45 milioni di km2 per allevamento di bestiame
(circa 1/3 delle terre emerse)
Ovvero:
2/5 delle terre emerse sono già utilizzati per produrre il cibo
(oggi gravemente insufficiente per oltre un terzo della popolazione mondiale)
Altri 2/5 non sono adatti né all’agricoltura né alla pastorizia
(zone glaciali, desertiche, montuose . . .)
L’espansione della produzione di cibo oggi avviene a spese
dell’ultimo quinto delle terre emerse
Che ospita le foreste pluviali
Che produce il grosso dell’ossigeno
Che rimuove dall’atmosfera il grosso dell’anidride carbonica
Sarebbe bene non doverlo trasformare in campi e pascoli . . .
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Impatto individuale
Da quanto detto
É facile calcolare l’impatto ambientale della (malbilanciata) nutrizione umana attuale:
Oggi ogni essere umano usa
(in media globale)
circa 2000 m2 di terreno agricolo
per la sua alimentazione e per quella del suo bestiame (da carne, latte, uova . . .)
circa altri 6300 m2 di altro terreno
per il solo allevamento di bestiame
Ovvero circa 8300 m2 in tutto a persona
(Poco meno di un ettaro a testa . . .)
il rendimento effettivo Solare-Nutrizionale ( 0.3%)
È circa tre volte minore di quello della foto-sintesi dei nutrienti ( 1%)
Può quindi essere migliorato . . .
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La popolazione è cresciuta nel tempo. . .
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E dovremo presto alimentare 9-10 miliardi di persone
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Le vie d’uscita per l’alimentazione . . .
Ci sono varie misure che possono risolvere il problema energetico/alimentare
(anche per 9 o 10 miliardi di esseri umani) senza causare ulteriori danni ambientali :
1. cambiare alcune abitudini alimentari
• Una riduzione del consumo di carne e proteine animali può liberare grandi spazi
per la coltivazione di vegetali ad alto contenuto energetico e/o proteico
• Una riduzione dei consumi “voluttuari” verso consumi effettivamente “necessari”
2. migliorare l’efficienza MEDIA e MANTENIBILE della produzione agricola
• Con la generalizzazione di tecniche di coltivazione e di sementi moderne
(sì, anche OGM! Purchè sotto un controllo serio ed indipendente)
I problemi presenti energetico/alimentari non sono insolubili . . .
sono in larga parte dovuti
•
•
ad un mercato distorto, (sia dal lato richiesta che da quello offerta)
che produce consumi irrazionali, inefficienti ed insostenibili,
alle grandi differenze economiche fra paesi “poveri” e “ricchi”che limitano (o distorcono )
gli investimenti, quindi la produttività agricola in gran parte del mondo
MA SONO DIFFICILI DA RISOLVERE SE MANCA UNA CONSAPEVOLEZZA DIFFUSA
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C’è spazio per cambiare le coltivazioni . . .
Produzione dei principali prodotti agricoli (2004)
Milioni.di tonn.
Uso prevalente
Canna da zucchero
1,324
40% zucchero, 60% etanolo
Granturco
721
Foraggio, etanolo
Grano
627
Alimentazione umana
Riso
605
Alimentazione umana
Patate
328
Alimentazione umana
Barbabietola da zucchero
249
zucchero, etanolo
Soia
204
19% olio alimentare, 81% foraggio
Frutto della palma olearia
162
olio alimentare
Orzo
154
Foraggio
Pomodoro
120
Alimentazione umana
Totale
4,494
(640 kg/anno*uomo)
Per alimentazione umana
1680
(240 kg/anno*uomo)
Frazione "umana diretta"
37.4%
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