5. I Trasferitori di Energia

5. I Trasferitori di Energia
5.1. Fonti e ricevitori trasferiscono energia
Le fonti di energia, come il nome lascia ben
intuire, cedono energia. Da dove ricevono però l’energia che cedono? La ricevono da altre
fonti? Osserva la figura 1. Il motore elettrico
rappresenta la fonte e la pompa il ricevitore.
Questa situazione è anche rappresentata nella
figura 1 in basso. Nel caso del riscaldamento
centrale nella figura 2 il bruciatore rappresenta la fonte e il calorifero il ricevitore.
Motore
elettrico
Energia
Pompa
Quantità di rotazione
1
ricevono energia, non è però il medesimo col
quale cedono energia.
Osserva ora i ricevitori nelle figure 1 e 2, la
pompa e il calorifero. Cosa succede con
l’energia che ricevono? L’energia che fluisce
con la quantità di rotazione nella pompa, se ne
va con l’acqua, e l’energia che con l’acqua
calda giunge nel calorifero, se ne va con l’aria
che vi sta attorno. Anche i ricevitori hanno
quindi un’entrata ed un’uscita per l’energia.
Non sono solo ricevitori: sono ricevitori e
fonte nello stesso tempo. Il portatore di energia con cui però cedono l’energia è diverso da
quello con cui ricevono energia.
Ciò che abbiamo chiamato fonte è quindi anche ricevitore di energia e ciò che abbiamo
chiamato ricevitore è anche fonte. Tutti questi
apparecchi svolgono quindi un’attività comune: trasferiscono l’energia da un portatore
ad un altro. Li chiameremo quindi trasferitori di energia.
Il motore elettrico trasferisce energia dall’elettricità alla quantità di rotazione.
La pompa ad acqua trasferisce energia dalla
quantità di rotazione all’acqua che si mette in
movimento.
Il bruciatore trasferisce energia dalla nafta
all’acqua che si riscalda.
Bruciatore
Energia
Calorifero
Acqua
2
Nella metà superiore della figura 1 vedi chiaramente che anche il motore elettrico riceve
energia, e più precisamente attraverso un cavo. Allo stesso modo il bruciatore nella figura
2 riceve la nafta attraverso un tubo. Le fonti
quindi non solo hanno un’uscita per
l’energia, ma anche un’entrata. Il motore elettrico ed il bruciatore non sono solo fonti di
energia, ma allo stesso tempo sono anche ricevitori. Il portatore di energia, grazie al quale
Il calorifero trasferisce energia dall’acqua
calda all’aria.
Poiché la maggior parte degli apparecchi sono
dei trasferitori di energia conviene introdurre
un simbolo per descriverli. Puoi comporre un
tal simbolo partendo da quelli che già conosci. Per un trasferitore “bruciatore” le cose
stanno così: una volta il bruciatore è ricevitore
di energia, figura 3 in alto, una volta è fonte
di energia, figura 3 in mezzo. Sovrapponendo
i due disegni si ottiene la figura 3 in basso. In
tal modo abbiamo trovato un simbolo per un
trasferitore di energia. Nella figura 4 è riportato ancora una volta il simbolo per un
bruciatore. Osservandolo è facile riconoscere
cosa succede in un bruciatore: scarica
5. I Trasferitori di Energia
23
succede in un bruciatore: scarica l’energia dal
portatore nafta e la carica sul portatore acqua.
Un simbolo è una rappresentazione semplificata di un apparecchio. Dalla figura 4 non si
può capire se si tratti di un bruciatore di una
centrale a carbone o di un riscaldamento centrale.
Serbatoio
della nafta
Energia
La figura 5 può rappresentare: il diagramma
di flusso dell’energia di un aspirapolvere, di
un ventilatore, o di un compressore. Questi
apparecchi si differenziano in molti aspetti,
ma hanno una cosa in comune: scaricano
l’energia dall’elettricità e la caricano sul movimento dell’aria.
Bruciatore
Nafta
Energia
Bruciatore
Energia
Energia
Nafta
Bruciatore
Energia
Energia
Nafta
Acqua
Calorifero
4
Acqua
Serbatoio
della nafta
Bruciatore
Energia
Aspirapolvere
Calorifero
Energia
(ventilatore)
Acqua
Elettricità
3
Aria
5
Riassunto:
Un motore elettrico, una pompa ad acqua, un bruciatore, un calorifero sono esempi di trasferitori di
energia. Scaricano l’energia da un portatore e la caricano su di un altro.
Esercizi :
1.
Elenca alcuni esempi di trasferitori di energia. Indica con
con quale la cedono.
2.
Disegna il diagramma di flusso dell’energia di:
a)
b)
c)
3.
Quale trasferitore di energia scarica energia da:
a)
b)
c)
d)
e)
24
5. I Trasferitori di Energia
quale portatore ricevono ene rgia e
un motore a benzina
una lampadina
una dinamo
quantità di rotazione a ele ttricità
luce a elettricità
cibo a quantità di rotazione
aria a quantità di rotazione
olio da riscaldamento all’aria
Trasferitori di sabbia e trasferitori di uomini
Non solo per l’energia ci sono dei trasferitori, ma anche per altre cose.
La figura a lato rappresenta un porto nel quale della
sabbia viene scaricata dalla nave e caricata su di un
autocarro. La sabbia arriva con il portatore “nave”
nel porto. La gru la trasferisce dalla nave
all’autocarro. La sabbia lascia il porto con il portatore “autocarro”. Il porto può quindi essere visto come
un trasferitore di sabbia. Navi e autocarri possono
essere visti come portatori di sabbia del tipo vuoto a
rendere.
Forse ti sarai reso conto che ogni porto, ogni stazione
ferroviaria, ogni aeroporto è un trasferitore: non un trasferitore di energia, bensì un trasferitore di
merci e di passeggeri. In un aeroporto, ad esempio, i passeggeri vengono trasferiti dal portatore aeroplano al portatore automobile e viceversa.
5.2. Un motore elettrico diventa una dinamo
Le figure 6 e 7 mostrano i diagrammi di flusso dell’energia di un motore elettrico e di una
dinamo. Chi non sa cosa sia un motore elettrico e una dinamo, può facilmente capire dai
disegni quello che i due apparecchi fanno : il
motore
elettrico
trasferisce
energia
dall’elettricità alla quantità di rotazione e la
dinamo dalla quantità di rotazione all’elettricità. La dinamo svolge esattamente il
processo inverso del motore elettrico. Puoi facilmente convertire il diagramma di flusso
dell’energia della dinamo in quello del motore
elettrico: basta semplicemente invertire il verso di tutte le frecce, come illustrato nella figura 8. Se ti dà fastidio vedere l’energia fluire
da destra a sinistra e non come d’abitudine da
sinistra a destra, puoi semplicemente ruotare
l’intero schema. In tal modo ottieni la figura
7.
Energia
Motore
elettrico
Energia
Quantità di rotazione
Elettricità
6
Energia
Dinamo
Quantità di rotazione
Energia
Elettricità
7
Energia
Elettricità
8
5. I Trasferitori di Energia
Dinamo
Energia
Quantità di rotazione
25
Così come la coppia “motore elettrico - dinamo”, anche la coppia “cella solare - lampadina” hanno dei diagrammi di flusso
dell’energia che si differenziano solo nel verso delle frecce. La cella solare trasferisce energia dalla luce all’elettricità e la lampadina
trasferisce energia dall’elettricità alla luce, figura 9.
Di solito i trasferitori di energia i cui diagrammi di flusso dell’energia si differenziano
Energia
solo nel verso delle frecce sono macchine
completamente diverse. A volte però può essere possibile che il trasferimento dell’energia
in un verso o nell’altro possa avvenire con
una medesima macchina. Una pompa ad acqua può ad esempio funzionare sia come turbina (l’energia passa dall’acqua alla quantità
di rotazione) sia come motore idraulico
(l’energia passa dalla quantità di rotazione
all’acqua).
Cella solare
Luce
Energia
Energia
Elettricità
Lampadina
Energia
Luce
Elettricità
9
Riassunto:
Motore elettrico e dinamo, cella solare e lampadina, pompa ad acqua e turbina ad acqua sono
coppie di trasferitori di energia con diagrammi di flusso dell’energia in cui le frecce sono capovolte.
Esercizi :
1.
Disegna i diagrammi di flusso dell’energia per una turbina ad acqua e per una pompa ad acqua. Come si può trasformare l’uno nell’altro?
2.
Elenca alcuni apparecchi in cui l’energia può fluire sia in un senso che nell’altro.
5.3. Come collegare in serie dei trasferitori di energia
Fino ad ora abbiamo considerato solo dei singoli trasferitori di energia. Avrai però certamente già visto che diversi trasferitori possono essere collegati tra di loro. Per fare ciò vi è
una sola regola che deve essere osservata.
Puoi scoprirla da solo osservando la figura 10.
Perché non è possibile collegare una lampadi26
na direttamente a una turbina (figura 10 in alto) mentre è possibile farlo con una dinamo
(figura 10 in basso)?
5. I Trasferitori di Energia
Energia
Turbina Energia
a acqua
Acqua
Energia
Energia
Quantità di
rotazione
Dinamo
Quantità di
rotazione
Lampadina
Energia
Energia
Acqua
Luce
Elettricità
Energia
Turbina Energia
a acqua
Quantità di
rotazione
Centrale
elettrica
Energia
Energia
Lampadina
Acqua
Luce
Elettricità
Dinamo Energia
(Generatore)
Elettricità
Energia
Elettricità
11
10
L’energia può uscire dalla turbina solo con il
portatore quantità di rotazione, mentre può
entrare nella lampadina solo con il portatore
elettricità. I due trasferitori non vanno dunque
d’accordo. Dinamo e lampadina invece vanno
d’accordo. Infatti l’energia esce dalla dinamo
con lo stesso portatore col quale entra nella
lampadina.
La regola per il collegamento dei trasferitori è
quindi la seguente: il portatore che esce dal
primo trasferitore deve essere lo stesso che
entra nel secondo trasferitore.
Una dinamo può esser collegata a una turbina,
figura 11 in alto, poiché sia l’energia che esce
dalla turbina che quella che entra nella dinamo viene trasportata dal medesimo portatore:
la quantità di rotazione (entrambe le macchine
hanno un albero di trasmissione).
Energia
Motore
elettrico
Elettricità
Energia
Come avrai notato quanto assemblato corrisponde a una centrale elettrica. Invece di ricorrere a due simboli, possiamo rappresentare
una centrale elettrica attraverso un solo simbolo. Se non siamo interessati alla struttura
interna della centrale elettrica è sufficiente per
la sua rappresentazione un diagramma di flusso come quello della parte inferiore della figura 11.
La parte inferiore della figura 12 rappresenta
il diagramma di flusso dell’energia in un aspirapolvere. Sopra si trova il diagramma di flusso dell’energia nel dettaglio.
Ovviamente si possono collegare anche più di
due trasferitori tra di loro. Si può costruire
un’intera catena di trasferitori. La figura 13
mostra il diagramma di flusso dell’energia di
un aspirapolvere che riceve l’energia da una
centrale idroelettrica. Nel percorso dall’acqua
della centrale idroelettrica all’aria dell’aspirapolvere l’energia cambia portatore ben quattro volte.
Energia
Ventola
Energia
Aria
Quantità di rotazione
Aspirapolvere
Energia
Aria
Elettricità
12
5. I Trasferitori di Energia
27
Energia
Energia
Turbina
ad acqua
Acqua
Energia
Dinamo
Quantità di
rotazione
Motore
elettrico
Elettricità
Energia
Quantità di
rotazione
Aspir apolvere
Energia
Aria
13
Riassunto:
Due trasferitori collegati tra di loro generano un nuovo trasferitore. Nel collegamento il portatore
dell’energia in uscita dal primo trasferitore deve essere il medesimo di quello in entrata nel secondo
trasferitore.
Esercizi :
1.
A cosa bisogna stare attenti quando si collegano tra di loro due trasferitori?
2.
Quale trasferitore bisogna porre tra un motore a benzina ed una lampadina se si vuole accendere quest’ultima con il motore a benzina?
3.
Inventa una lunga fila di trasferitori collegati tra di loro.
4.
Disegna una fila di trasferitori più lunga possibile e che esiste realmente.
5.
Disegna una pompa ad acqua ele ttrica
a) tramite un solo simbolo
b) tramite due simboli collegati tra di loro
6.
Componi dei diagrammi di flusso dell’energia per i seguenti apparecchi utilizzando ogni volta
due trasferitori
a) pompa ele ttrica
b) pompa ad acqua azionata da un motore a benzina
c) pompa ad acqua azionata dal vento
Il gioco del domino con i trasferitori di energia
Energia
Energia Energia
Energia
28
Capita spesso di dover collegare tra di loro differenti trasferitori di energia. A tale scopo è utile preparare delle tesserine, tipo quelle per il gioco del
domino, su cui è raffigurato il diagramma di flusso
dell’energia di un trasferitore. La figura a lato
mostra come appare una di queste tesserine. Nella
costruzione delle stesse presta attenzione al fatto
che le frecce siano disegnate alla stessa altezza in
modo da poterle facilmente collegare tra di ol ro.
Può essere utile utilizzare colori diversi per portatori diversi.
5. I Trasferitori di Energia
5.4. Un catalogo di trasferitori di energia
Molti degli apparecchi incontrati fino ad ora
sono in realtà dei trasferitori di energia. Questi sono stati raggruppati nella seguente tabella. Vediamo cosa si può fare con la tabella. Se
parti dalla cella solare a ti sposti a sinistra,
troverai il portatore con cui l’energia fluisce
nella cella solare: la luce. Se invece dalla parola cella solare ti sposti verso l’alto, troverai
il portatore con cui l’energia abbandona la
cella solare: l’elettricità. Nello stesso modo è
possibile leggere dalla tabella, ad esempio,
che il trasferitore calorifero riceve l’energia
con il portatore “acqua calda” e la trasmette
col portatore “aria calda”. Nella tabella figurano trasferitori composti da più trasferitori
come la centrale idroelettrica e trasferitori
semplici come la turbina ad acqua.
Portatore con cui l’energia esce dal trasferitore
Portatore con cui
l’energia entra
nel trasferitore
Elettricità
Quantità di
rotazione
Aria compressa e
aria in movimento
Centrale
eolica
Mulino a
vento
Liquido in movimento
Centrale
idroelettrica
Turbina ad
acqua
Elettricità
Aria comLiquido in
pressa e aria
movimento
in movimento
Ventilatore
Aspirapolvere
Quantità di rota zione
Compressore
Pompa elettrica
Pompa ad
acqua
Motore elettrico
Luce
Aria calda
Acqua calda
Lampadina
Forno elettrico
Fornello ad
immersione
Asfalto della
strada
Collettore
solare
Dinamo Generatore
Cella solare
Luce
Combustibile
Aria calda
Calorifero
Acqua calda
Combustibile
Compressore diesel
Centrale a
carbone
Motore a
benzina
Macchina a
vapore
Fuoco
Forno a nafta
Bruciatore
Esercizi :
1.
In quale riga si trovano le lampade? Perché?
2.
Cosa hanno in comune gli apparecchi che si trovano sulla stessa riga orizzontale della tabella?
5. I Trasferitori di Energia
29
5.5. Trasporto di energia su grandi distanze
A prima vista la serie di trasferitori riportata
nella figura 3 sembra priva di senso. Una dinamo trasferisce energia dalla quantità di rotazione all’elettricità, il motore elettrico la ritrasferisce al portatore quantità di rotazione.
Si potrebbe semplicemente lasciare l’energia
al portatore quantità di rotazione, risparmiando così due trasferitori. Ciononostante questa
sequenza di trasferitori trova ampio utilizzo e,
come vedremo, a ragion veduta!
Energia
Energia
Dinamo
Quantità di
rotazione
Motore
elettrico
Energia
Quantità di
rotazione
Elettricità
3
Energia
Energia
Pompa
Quantità di
rotazione
Acqua
Motore a
acqua
Energia
Nella turbina di una centrale idroelettrica
l’energia viene caricata sul portatore quantità
di rotazione. Nelle case dove si ha bisogno di
energia, questa viene utilizzata grazie al portatore di energia quantità di rotazio ne: pensa a
tutti gli apparecchi che funzionano grazie a un
motorino elettrico. Non si potrebbe ora rinunciare al generatore nelle centrali elettriche e ai
motori elettrici negli apparecchi domestici?
Sì, questo sarebbe possibile, ma vi sarebbe un
alto prezzo da pagare! L’energia dovrebbe essere trasportata dalla centrale elettrica alla casa con il portatore quantità di rotazione. In altre parole bisognerebbe collegare centrale e
casa, invece che con dei cavi elettrici, con un
albero di trasmissione. Ti puo i facilmente
immaginare le complicazioni di una tale operazione.
Quantità di
rotazione
4
Riassunto:
Non è pratico trasportare energia con il portatore quantità di rotazione su grandi distanze. Di
conseguenza la si carica prima sul portatore elettricità e poi nuovamente sul portatore quantità di
rotazione.
Esercizio:
Quali portatori di energia vanno bene per trasportare energia su grandi distanze e quali no? Perché?
5.6. Da dove proviene l’energia che utilizziamo a casa nostra?
Ogni economia domestica riceve energia da
più portatori. Per il riscaldamento in genere
l’energia arriva con il portatore legna, nafta o
gas. L’energia necessaria per l’illuminazione,
l’aspirapolvere, il televisore, lo stereo, la
macchina da lavare arriva con l’elettricità. Le
case con un collettore solare ricevono
l’energia per riscaldare l’acqua dalla luce del
Sole. Le automobili e i motorini presenti nell’
economia domestica ricevono l’energia dalla
30
benzina. Infine anche le persone che vivono
in casa vogliono ma ngiare. Ricevono
l’energia di cui necessitano dai portatori cibo
e ossigeno.
Ma da dove proviene tutta questa energia?
Prova a ripercorrere il tragitto dei portatori di
energia che abbiamo elencato nel paragrafo
precedente. A tale scopo osserva la figura qui
sotto.
5. I Trasferitori di Energia
Luce
Prati,
pascoli
Nutrimento vegetale
Nutrimento animale
Animali
Sole
Gas naturale
Giacimenti di
gas naturale
Luce
Giacimenti Petrolio
petroliferi
Benzina
Raffineria
Olio pesante
Centrale a olio
pesante
Carbone
Centrale a gas
Gas di città
Centrale a carbone
Pioggia
Giacimenti
di uranio
Acqua
Uranio
Gli alimenti di natura vegetale ricevono la loro energia dalla luce che proviene dal Sole.
Dal momento che gli animali (che noi chiamiamo erbivori) si cibano di vegetali, anche
l’energia che noi riceviamo mangiando carne,
burro o uova proviene dal Sole. Tutti i combustibili, cioè carbone, nafta, gas da riscaldamento, provengono da giacimenti fo rmatisi
molti milioni di anni fa dalla morte e successiva decomposizione di piante e animali. Anche l’energia presente in questi combustibili
proviene quindi dal Sole.
L’energia trasportata dall’elettricità proviene
per la maggior parte da centrali a carbone.
Anch’essa quindi proviene dal Sole. Una parte proviene da centrali idroelettriche. L’acqua
che fa girare le turbine ha comunque anch’essa ricevuto energia dal Sole (se vuoi sapere in
Centrale idroelettrica
Elett ricità
Giacimenti
di carbone
Nafta
Centrale nucleare
sapere in che modo ciò accade, puoi leggere il
capitoletto successivo). Una piccola parte
dell’energia che utilizziamo nelle nostre economie domestiche, il 35%, proviene dalle
centrali nucleari. Le centrali nucleari ricevono
la loro energia dall’uranio. I giaciment i di uranio non hanno ricevuto la loro energia attraverso la luce del Sole.
La maggior parte dell’energia che utilizziamo
proviene da fonti che prima o poi si esaur iranno. Per la formazione dei giacimenti di
carbone, petrolio, gas naturale, il Sole ha dovuto brillare per milioni di anni. Noi stiamo
consumando queste riserve nell’arco di alcuni
decenni o pochi secoli. Anche le riserve di uranio non dureranno molto a lungo. È quindi
giunto il momento di chiederci come potremo
procurarci energia nel futuro prossimo.
Riassunto:
Quasi tutta l’energia che utilizziamo proviene dal Sole. La maggior parte dell’energia che utilizziamo proviene da fonti che si esauriranno nei prossimi decenni o secoli.
Esercizi:
1.
Con quali portatori giunge l’energia a casa tua? Da dove proviene questa energia? Prova a ripercorrerne il tragitto.
2.
Nella figura della pagina precedente puoi percorrere in più modi la strada dal Sole alla casa.
Disegna il diagramma di flusso dell’energia utilizzando i simboli appresi per qualche percorso.
3.
I lucci si nutrono di pesci più piccoli di loro. Anche l’energia che riceviamo quando mangiamo un luccio proviene dal Sole? Spiega la tua risposta!
5. I Trasferitori di Energia
31
Il trasferitore di energia “pioggia”
Sulle superfici degli oceani, dei mari, dei laghi e dei fiumi l’acqua evapora continuamente: essa
passa allo stato di vapore e si mescola con l’aria. L’energia necessaria all’evaporazione dell’acqua
viene fornita dal Sole. L’acqua evaporata sale in alto. Anche per questo c’è bisogno di energia e anche in questo caso ci pensa il Sole. Più si va in alto e più diventa freddo. Ad un certo punto fa talmente freddo che il vapore acqueo condensa formando tantissime goccioline di acqua liquida. Si
formano le nuvole. A un dato momento le goccioline d’acqua diventeranno talmente grandi che ricadranno sulla Terra. Piove. Dal momento che il vento trasporta l’acqua evaporata molto lontano,
l’acqua non ricade sotto forma di pioggia sullo stesso posto da dove è evaporata.
L’acqua piovana scorre sulla Terra dalle montagne, nelle valli, verso il mare. L’acqua in movimento
trasporta energia. La si può trasferire nelle centrali idroelettriche sul portatore elettricità.
L’energia trasportata dall’acqua dei fiumi, è stata quindi in definitiva caricata sull’acqua dal Sole. Il
trasferitore in questo caso non è un apparecchio ma un fenomeno naturale. Per semplicità nel simbolo del trasferitore scriveremo la parola “pioggia”. Così come la pioggia, anche il vento viene
messo in moto dal Sole.
Energia
Pioggia
Luce
32
Energia
Acqua
5. I Trasferitori di Energia