ENERGIA - SIES Altiero Spinelli

ENERGIA
(Da Wikipedia, con qualche integrazione.)
Definizione
Nella fisica classica l'energia è definita come la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro e la
misura di questo lavoro è a sua volta la misura dell'energia. Dal punto di vista strettamente termodinamico
l'energia è definita come tutto ciò che può essere trasformato in calore a bassa temperatura.
Origine del termine
La parola energia deriva dal tardo latino energīa, a sua volta dal greco ἐνέργεια (energheia), termine usato
da Aristotele nel senso di azione efficace, composta da en, particella intensiva, ed ergon, capacità di agire.
Forme di energia
L'energia esiste in varie forme. Le principali forme di energia (non tutte fondamentali) sono:
Energia meccanica, definita classicamente come somma di energia potenziale ed energia cinetica (vedi
approfondimento più avanti)
Energia chimica
Energia biologica
Energia elettrica
Energia elettromagnetica
Energia luminosa o radiante
Energia termica
Energia nucleare.
Tali forme di energia possono essere trasformate l'una nell'altra, ma ogni volta che avviene tale
trasformazione una parte di energia (più o meno consistente) viene inevitabilmente trasformata in energia
termica (cioè si produce calore); si parla in questo caso di "effetto dissipativo" o di “degradazione
dell’energia”.
Un esempio di trasformazione di energia da una forma all’altra:
L'energia non è altro che una quantità di lavoro che si ha la possibilità di compiere. Pensiamo ad un'enorme
quantità d'acqua accumulata in un lago artificiale, chiuso da una diga, e consideriamo che un simile bacino
si trova più in alto, per esempio di 100 metri, rispetto ad una vallata. Sappiamo per esperienza quello che
può succedere quando un'enorme massa d'acqua precipita disastrosamente a valle, travolgendo tutto
quello che incontra. Questo significa che la massa d'acqua trattenuta nel bacino, o invaso, possiede in se
la possibilità di compiere del lavoro, anche se al momento è assolutamente ferma. Tale possibilità di
compiere lavoro viene definita energia. In questo caso si tratta di energia potenziale, poiché esiste la
possibilità di compiere del lavoro, ma al momento esso non viene compiuto.
Quanto vale questa energia? Si procede come per il lavoro, moltiplicando la forza per lo spostamento. In
questo caso la forza è rappresentata dal peso di tutta l'acqua dell'invaso, mentre lo spostamento è la
differenza di livello fra il bacino e la vallata.
Si capisce come l'energia sia tanto maggiore quanto più il bacino rimane in alto rispetto al punto di
riferimento (la vallata).
Nel momento in cui l'acqua defluisce, ovvero tutta la massa liquida è in movimento, l'energia, da
potenziale, diventa cinetica, cioè energia di movimento. In questa fase l'energia è dovuta al peso
dell'acqua ed alla velocità con cui essa avanza. Man mano che scorre verso il basso, la velocità dell'acqua
aumenta, però diminuisce la sua altezza rispetto al punto di arrivo finale: succede in pratica che l'energia
potenziale tende a diminuire mentre aumenta l'energia cinetica, dovuta alla velocità. Quando l'acqua
arriva a valle, essa non possiede più energia potenziale, ma è tutta energia di movimento che si scarica
contro gli ostacoli che si trovano lungo il passaggio.
Fonti di energia
Le fonti di energia attraverso le quali è possibile una produzione di corrente elettrica sono:
Energia idroelettrica
Energia mareomotrice
Energia geotermica
Energia eolica
Energia solare
Energia magnetica
Energia potenziale
Energia racimolata.
Fonti rinnovabili ed esauribili
Con il termine energie rinnovabili si intendono quelle fonti di energia che non si esauriscono o si
esauriscono in tempi che vanno oltre la scala dei tempi "umani" (ad esempio: energia solare, eolica,
geotermica, mareomotrice. fusione nucleare), altrimenti si parla di energie non rinnovabili (ad esempio
petrolio e carbone), mentre con il termine energie alternative si intendono le fonti di energia alternative ai
classici combustibili o fonti fossili.
Unità di misura
L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale per l'energia e il lavoro è il joule (simbolo: J), chiamata
così in onore del fisico inglese James Prescott Joule e dei suoi esperimenti sull'equivalente meccanico del
calore. 1 joule esprime la quantità di energia usata (ossia il lavoro effettuato) per esercitare la forza di un
newton per la distanza di un metro. 1 joule equivale quindi a 1 newton·metro, e in termini di unità base SI,
1 J è pari a 1 kg × m2 × s−2.
Altre unità di misura adottate per esprimere l'energia sono:
caloria = 4,186 799 940 9 J
British thermal unit (BTU) = 1 055,06 J
TEP = circa 42 GJ (energia termica rilasciata bruciando una tonnellata di petrolio greggio)
kilowattora = 3,6 × 106 J
Macchina e rendimento
La macchina è un dispositivo in grado di compiere un lavoro utilizzando una forma di energia e
trasformandola in un’altra forma.
Svolgere un lavoro richiede energia ma, come sappiamo, non tutta la quantità di energia presente in un
sistema è utilizzabile, per il secondo Principio della Termodinamica : infatti una parte di essa è dispersa
sotto forma di calore.
Se vogliamo misurare il rendimento della macchina, cioè la sua efficienza, il suo modo di trasformare
l’energia da una forma all’altra, dobbiamo paragonare il risultato utile ottenuto dalla macchina con quello
che si è speso per ottenerlo.
In pratica il rendimento della macchina è il rapporto tra energia ottenuta ed energia fornita.
E’ un rapporto tra quantità della stessa specie: il rendimento quindi è sempre un numero puro, inferiore
all'unità perché al numeratore c’è un numero più piccolo (l’energia ottenuta dalla macchina), e al
denominatore un numero più grande (l’energia fornita alla macchina).
R = En. Ottenuta / En. Fornita
≤ 1
L’unico caso in cui il rendimento è uguale a 1 (cioè è un rendimento del 100%) è quello in cui si deve
trasformare in calore un’altra forma di energia (per es. la stufa elettrica).
In questo caso, tutta l'energia elettrica consumata viene trasformata in calore (perché diventa calore anche
la parte di energia dispersa, che qui però è energia utile), per cui il rendimento di una stufa elettrica,
definito come il rapporto tra la quantità di calore sviluppata e l'energia elettrica consumata, è uguale a 1.
Conservazione dell'energia
Le Leggi della Fisica, applicate all'universo nel suo intero, affermano che l'energia non si crea e non si
distrugge, bensì si trasforma e si degrada, di conseguenza l'energia, come la massa, può essere definita
una grandezza conservativa.
La celebre equazione di Einstein E=mc^2, diretta derivazione della Teoria della relatività ristretta, mostra come in realtà massa ed
energia siano due "facce della stessa medaglia" di un sistema fisico. Da questa semplice equazione si evince infatti che la massa può
essere trasformata in energia e viceversa; quindi la massa può essere considerata una forma di "energia condensata".
Quindi considerando anche il principio di conservazione della massa i due principi fisici possono essere fusi in un principio unico
sotto la denominazione di principio di conservazione della massa/energia.
Importanza
Oltre a pervadere l'Universo, l'energia ha un grosso impatto sulla Terra: in ambito biologico l'energia dà vita
al mondo degli essere viventi permettendone le loro molteplici attività, mentre in ambito tecnologico
permette, tramite il suo sfruttamento a livello industriale, la trasformazione di materie prime in prodotti o
beni finali o direttamente la fornitura di servizi utili all'uomo e alla società (vedi risorse e consumo di
energia nel mondo).
La società moderna è dunque estremamente dipendente dall'energia (nelle sue forme di energia
meccanica, energia elettrica, energia chimica, energia termica) in tutti i suoi processi produttivi e gestionali
(es. autotrazione, trasporto marittimo e aereo, riscaldamento, illuminazione, funzionamento
apparecchiature elettriche, processi industriali ecc.). Grande interesse e preoccupazione riveste dunque il
problema energetico globale riguardo l'esaurimento nel tempo delle fonti fossili, la principale fonte di
energia primaria il cui utilizzo intensivo ha permesso il notevole sviluppo economico dalla prima rivoluzione
industriale fino ai giorni nostri.
Potenza
La potenza è definita come il lavoro compiuto nell'unità di tempo.
P=E/t
In fisica, la potenza quantifica il trasferimento, la produzione e l'utilizzo dell'energia
Semplificando, si può considerare la potenza come un flusso di energia.
Nel sistema internazionale di unità di misura la potenza si misura in watt (W), come rapporto tra
unità di energia in joule (J) e unità di tempo in secondi (s):
W = J/s
Esempio di calcolo del consumo di energia
Per asciugarsi i capelli Samantha usa un phon della potenza di 1600 W.
Lo tiene acceso per 15 minuti.
Quanta energia ha consumato?
( NOTA: in realtà non l’ha “consumata”! Ha solo trasformato energia elettrica in energia meccanica e
termica! )
Siccome POTENZA = ENERGIA / TEMPO
ENERGIA = POTENZA x TEMPO
- Usando le unità di misura del Sistema Internazionale, si calcola così :
E (J) = P (W) x T (s)
E =
1600 Watt x (15 x 60) secondi = 1 440 000 joule = 1440 KJ
- Usando invece i kilowattora:
E (Wh) = 1600 Watt x 0,25 h (un quarto d’ora) = 1600 : 4 = 400 wh = 0.4 kWh