Lezione n. 1: l`energia

Lezione n. 1: l’energia
Lezione n.
1: l’ energia
anno scolastico
2012-2013
LEZIONE n. 1 L’ENERGIA
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Lezione n. 1: l’energia
INDICE DEGLI ARGOMENTI
1.1. definizione di energia
1.2. le fonti energetiche
1.3 le energie non rinnovabili
1.4. il nucleare
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1.1 DEFINIZIONE DI ENERGIA
La parola energia deriva dal greco ἐνέργεια (energheia) composta da en, particella intensiva, ed ergon, capacità di agire. Il termine è stato introdotto da Aristotele in ambito filosofico, per indicare ciò che esiste realmente in opposizione a ciò che risulta essere in “potenza” ovvero, essere possibile. Nell’antichità il concetto di energia era legato soprattutto all’energia liberata dai muscoli umani o animali. Nell’800 il concetto di energia assume il significato, in senso fisico, "di un sistema (atomo, molecola, essere vivente o macchina) in grado di
compiere un lavoro".
In seguito l’energia ha acquisito sempre più importanza, parallelamente all’evoluzione tecnologica, all’utilizzo di fonti naturali (come la combustione della legna, la caduta dell’acqua o il moto del vento), alla scoperta di altre forme da sempre esistenti, ma per molto tempo rimaste misteriose, come il carbone ed il petrolio, fino alla scoperta delle enormi energie che si possono liberare da reazioni che coinvolgono i nuclei di alcuni atomi.
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1.1 DEFINIZIONE DI ENERGIA
Qualunque organismo ha bisogno di energia per vivere. L'energia è legata ad ogni attività. E’ la capacità di compiere un lavoro.
il cibo ci dà l’energia per vivere, giocare, imparare…
i raggi del sole sono la principale fonte di energia della Terra e forniscono alle piante l’energia per crescere
la benzina si ottiene dalla distillazione del petrolio grezzo. Usata come carburante è l’energia che fa muovere le auto.
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L’ENERGIA è la capacità di un oggetto, un liquido o un gas di fornire calore, suoni, luce o movimento.
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1.1 DEFINIZIONE DI ENERGIA
L’uomo da sempre ha avuto necessità di ENERGIA per soddisfare i propri bisogni: da quelli primari legati alla pura sopravvivenza a quelli secondari legati alle esigenze di lavoro, di riscaldamento, di spostamento, di costruzione.
In ambito tecnologico l'energia, sfruttata a livello industriale, permette che le materie prime si trasformino in prodotti utili all'uomo e alla società.
La società contemporanea è estremamente dipendente da molte forme di energia (meccanica, elettrica, chimica, termica) e utilizza l’energia in tutti i suoi processi produttivi e gestionali (dal trasporto stradale, marittimo, aereo, al riscaldamento, all’illuminazione, al funzionamento di apparecchiature elettriche ai processi industriali) . ALCUNE FORME DI ENERGIA
energia meccanica
energia termica
energia elettrica
energia chimica
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1.1 DEFINIZIONE DI ENERGIA
L'unità di misura dell‘energia, del lavoro e del calore è il joule (simbolo J). Prende il nome da James Prescott Joule.
joule è pari al lavoro richiesto per sollevare una massa di 102 g (una piccola mela) per un metro, opponendosi alla forza di gravità
terrestre
W ‐ Watt, è l’unità di misura potenza, equivale a 1 joule al secondo
Wh ‐ Wattora, è l’unità di misura energia, corrisponde alla potenza di un watt fornita per un'ora, quindi 3600 joule LEZIONE n. 1 L’ENERGIA
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1.2. LE FONTI ENERGETICHE
PRIMARIE
Si trovano in natura e sono utilizzabili direttamente
carbone, petrolio, gas naturale, legna, combustibili nucleari (uranio), sole, vento, maree, laghi montani e fiumi, calore della terra
SECONDARIE
Derivano dalla trasformazione di fonti d'energia primaria
derivati del petrolio (benzina, ecc.) energia elettrica ottenuta dalla conversione di energia: meccanica (centrali idroelettriche, eoliche) chimica (centrali termoelettriche)
nucleare (centrali nucleari).
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1.2. LE FONTI ENERGETICHE
ENERGIE NON RINNOVABILI
carbone
petrolio
gas naturale
uranio
PRODUCONO energia energia termica
termica
energia energia nucleare
termica
• hanno un tempo di rigenerazione molto lungo (milioni di anni) • sono destinate ad esaurirsi se sfruttate ad un ritmo maggiore del tasso di rigenerazione
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1.2. LE FONTI ENERGETICHE
ENERGIE RINNOVABILI
piante
sole
calore della terra
vento
acqua
PRODUCONO
energia chimica
energia solare
energia geotermica
energia eolica
energia idrica
•si rigenerano alla stessa velocità con cui si utilizzano
• permettono di limitare le emissioni di CO2 la cui riduzione è il principale obiettivo fissato dal Protocollo di Kyoto. LEZIONE n. 1 L’ENERGIA
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1.3. LE ENERGIE NON RINNOVABILI
Le energie non rinnovabili sono quelle fonti di energia che derivano da risorse che tendono ad esaurirsi nel tempo, diventando troppo costose o troppo inquinanti per l'ambiente (al contrario di quelle rinnovabili che invece vengono reintegrate naturalmente in un periodo di tempo relativamente breve).
Le fonti non rinnovabili sono oggi quelle più sfruttate dall‘uomo perché in grado di produrre le maggiori quantità di energia con impianti tecnologicamente semplici e collaudati. Talvolta, l'utilizzo di tali fonti porta con sé problemi di inquinamento ambientale quali la produzione di gas serra o scorie radioattive.
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1.3. LE ENERGIE NON RINNOVABILI
Carbone lI carbone è un combustibile fossile estratto in miniere sotterranee o a cielo aperto.
Idrocarburi
Gli idrocarburi sono composti organici di carbonio e idrogeno, principali componenti di petrolio e gas naturale.
Il petrolio è un liquido infiammabile che si trova in alcuni giacimenti entro gli strati superiori della crosta terrestre.
Nucleare
L’energia nucleare è la produzione di energia derivante da trasformazione nei nuclei atomici.
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1.3. LE ENERGIE NON RINNOVABILI
Carbone I giacimenti di carbone sono il risultato di un lentissimo processo di trasformazione di materiale organico vegetale. In Europa, oggi, la produzione di questo fossile è irrilevante, ma il carbone rappresenta ancora un quarto del consumo energetico mondiale.
Miniera di carbone …ieri ed oggi…
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Miniera a cielo aperto
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1.3. LE ENERGIE NON RINNOVABILI
Petrolio Il petrolio, detto anche oro nero, è un liquido infiammabile che si trova in alcuni giacimenti dentro gli strati superiori della crosta terrestre. È
composto da una miscela di vari idrocarburi
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1.3. LE ENERGIE NON RINNOVABILI
gas Il gas naturale si trova in natura allo stato fossile, insieme al petrolio, al carbone o da solo in giacimenti. E’ un gas prodotto dalla decomposizione anaerobica di materiale organico, si forma nel sottosuolo da plancton e alghe, e sulla superficie terrestre nei processi di fermentazione in assenza di aria.
In altri processi naturali viene liberato nell’atmosfera anche dall'attività
vulcanica.
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1.3. LE ENERGIE NON RINNOVABILI
gas Caratteristiche e composizione
Il gas naturale proviene da giacimenti fossili e contiene circa l’80% di metano. E’
un idrocarburo semplice formato da 1 atomo di carbonio e 4 di idrogeno (CH4). Fra tutti i combustibili fossili, il gas naturale è quello che contiene meno carbonio (C) e più idrogeno (H) e per questo tra le energie fossili è la più pulita. caratteristiche
• incolore
• inodore
• insolubile in acqua
• più leggero dell’aria
• altamente infiammabile
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1.3. LE ENERGIE NON RINNOVABILI
gas Il gas naturale viene estratto dal sottosuolo, purificato, trasportato, odorizzato e distribuito alle utenze.
Ma non è sempre stato così….
fino alla seconda metà dell’800 il gas combustibile era un prodotto artificiale, derivato dalla distillazione secca del carbone fossile, effettuata in officine specializzate. Tale tecnica di produzione venne sviluppata in Europa , nei Paesi dove si trovavano i giacimenti di carbon fossile, ovvero Inghilterra, Germania e Francia. LEZIONE n. 1 L’ENERGIA
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1.3. LE ENERGIE NON RINNOVABILI
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1.4. IL NUCLARE
uranio L'energia nucleare deriva da profonde modifiche della struttura stessa della materia ed è, insieme alle rinnovabili e alle fossili, una fonte di energia primaria.
L'energia nucleare potrebbe essere una valida alternativa ai tradizionali combustibili fossili…ma presenta dei grossi rischi.
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1.4. IL NUCLARE
uranio Anche se in gran parte rappresenta una forma di energia pulita (dal punto di vista delle emissioni di anidride carbonica ‐ CO2‐ in atmosfera), l'energia nucleare presenta diversi problemi ambientali e di pubblica sicurezza per quanto riguarda i fenomeni connessi alla radioattività
attraverso le scorie radioattive.
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1.4. IL NUCLARE
uranio UN PO’ DI STORIA …
Verso la fine del XIX secolo iniziarono le prime scoperte sulla radioattività.
Il primo scienziato a scoprire la possibilità di ottenere energia dal nucleo dell'atomo fu Albert Einstein nel 1905. Negli USA il 2 dicembre del 1942, in seguito agli sviluppi scientifici della fisica nucleare, lo scienziato italiano Enrico Fermi realizza il primo reattore sperimentale‐dimostrativo. LEZIONE n. 1 L’ENERGIA
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1.4. IL NUCLARE
uranio UN PO’ DI STORIA …
Nella Seconda Guerra Mondiale vengono sganciate le bombe atomiche sulle città
giapponesi Hiroshima e Nagasaki. Gli effetti e le conseguenze dell'esplosione non furono tutti subito chiari, infatti, solo in un secondo tempo capirono che oltre alle macerie causate dall'esplosione e dal fuoco, le radiazioni rappresentavano il disastro principale. A differenza delle ‘bombe convenzionali’, quella atomica emise grandi quantità di radiazioni che causarono gravissimi danni a tutte le forme viventi, per anni e anni.
Nel 1961 i russi sperimentano la bomba Tsar, che raggiunse i 50 megatoni, cioè 3125 volte quella di Hiroshima.
Solo nella seconda metà del Novecento si prese l'iniziativa di sfruttare l'energia nucleare anche a fini civili per la produzione di energia elettrica. LEZIONE n. 1 L’ENERGIA
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1.4. IL NUCLARE
reazioni nucleari: fissione e fusione
Tutta la materia esistente nell’universo, compresi gli esseri viventi, è costituita da atomi.
Al centro dell’atomo si trova il nucleo, formato da particelle chiamate neutroni e protoni, circondato da una nuvola di elettroni che gli ruotano attorno. Esistono in natura ben 92 elementi chimici, e vanno dal più leggero, l’idrogeno (il cui nucleo contiene un solo protone), al più pesante, l’uranio (il cui nucleo contiene 92 protoni). Idrogeno e uranio sono i protagonisti delle reazioni nucleari usate per produrre energia: fissione e fusione.
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1.4. IL NUCLARE
reazioni nucleari: fissione e fusione
FISSIONE: il nucleo di uranio, bombardato con un neutrone, si spezza in due frammenti e in due o tre neutroni, liberando energia sotto forma di calore. I neutroni emessi urtano con altri nuclei di uranio e provocano ulteriori fissioni in numero sempre crescente (la cosiddetta reazione a catena). Se questa reazione non viene controllata, la fissione diventa esplosiva, se invece viene controllata, può essere usata per produrre energia e si ha il reattore nucleare. LEZIONE n. 1 L’ENERGIA
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1.4. IL NUCLARE
reazioni nucleari: fissione e fusione
FUSIONE: La fusione nucleare è la reazione che si ha quando due nuclei si scontrano (sono nuclei di atomi con basso numero atomico come l'idrogeno, il deuterio o il trizio), si fondono e danno origine ad un nucleo più grande (e più pesante), liberando una notevole quantità di energia sotto forma di calore (molto superiore a quella rilasciata nella fissione, a parità di numero di reazioni nucleari coinvolte). Il processo non controllato porta alla bomba all’idrogeno, mentre il processo controllato porta al reattore a fusione. La temperatura necessaria al processo di fusione è elevatissima (milioni di gradi), molto difficile da raggiungere in laboratorio: in natura viene raggiunta all’interno del sole e delle altre stelle. La fusione non è attualmente una fonte di energia utilizzabile, ma solo un progetto.
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1.4. IL NUCLARE
cos’e’ una centrale nucleare
Il reattore è il cuore di una centrale nucleare e la reazione avviene nella sua parte più interna, detta nocciolo. Attorno al nocciolo corrono tubi contenenti acqua che viene riscaldata dal calore emesso nella reazione e trasformata in vapore. Da questo punto in poi la centrale nucleare funziona come una qualsiasi centrale termoelettrica a olio combustibile o a gas. Il vapore fa ruotare delle turbine collegate a reattori che producono energia elettrica. La differenza è solo nelle strutture. Infatti, poiché i neutroni, l’uranio e i prodotti della fissione sono radioattivi e quindi estremamente pericolosi, tutto l’insieme è racchiuso in contenitori di acciaio e di piombo, a loro volta contenuti in robusti edifici in cemento armato.
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1.4. IL NUCLARE
energia nucleare
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Impatto ambientale
La produzione dell’energia nucleare, che non produce emissioni di anidride carbonica, viene considerata una delle risorse a minore impatto ambiante. Il problema delle centrali nucleari è
però costituito dalla rischiosità del processo e da tutto ciò che sta a valle del reattore e riguarda il ciclo di vita del combustibile nucleare:
‐ il reattore deve essere protetto per evitare perdite di
materiale radioattivo che a contatto con le cellule di un organismo animale o vegetale, producono danni molto gravi, come malattie ereditarie e difetti genetici. ‐ lo smaltimento del materiale utilizzato nel funzionamento dei reattori che resta radioattivo anche per migliaia di anni, deve essere confinato in robusti contenitori sotterrato a grandi profondità.
In ogni caso non esiste l’assoluta certezza che i contenitori resistano fino a che non si esaurisce la radioattività. A fronte dei molti pericoli, e in attesa di risolvere i problemi
connessi al suo impiego, molti Paesi (tra cui l’Italia) hanno deciso di non usare energia nucleare.
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