LEZIONE 1
CORSO E-LEARNING
LEZIONE 1
Sommario
Ø Introduzione al riscaldamento globale
Ø Cos’è l’energia
Ø Le forme dell’energia
Note sui diritti d’autore
Il presente manuale contiene parti di materiale didattico realizzato per il Progetto
IUSES – Intelligent Use of Energy at School, finanziato dalla Commissione Europea
nell’ambito del Programma Intelligent Energy Europe.
Il presente manuale può venire liberamente copiato e distribuito, a condizione che
vengano sempre riportate le presenti note sui diritti d’autore, anche in caso di
utilizzo parziale.
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1. Il riscaldamento globale
Uno dei problemi planetari più noti, il
surriscaldamento globale, con le sue
conseguenze
economiche,
sociali
ed
ambientali viene attualmente discusso su
base internazionale.
Il surriscaldamento globale è l’aumento di
temperatura della superficie del pianeta e
dell’atmosfera come conseguenza di attività umane, quali l’estrema
dipendenza da combustibili fossili come carbone e petrolio.
Secondo l’IPCC (Commissione Intergovernativa sui Cambiamenti Climatici),
la ragione principale del surriscaldamento è l’aumento delle concentrazioni
dei gas serra, (biossido di carbonio, metano ed ossido nitroso).
L’aumento di tali emissioni dipende dalle attività umane, soprattutto nello
specifico:
• Bruciare combustibili fossili per la produzione di energia elettrica, i
trasporti, l’industria ed i bisogni domestici,
• Agricoltura e cambiamenti nell’utilizzo del suolo, quali la
deforestazione,
• Discariche di rifiuti,
• Utilizzo di gas fluorurati (esempi: gas refrigeranti negli impianti di
condizionamento dell’aria, sostanze per l’industria cosmetica e
farmaceutica, propellenti per aerosol e solventi, ecc.)
La quantità di gas serra ed aerosol immessi nell’atmosfera influenza i volumi di
energia solare che vengono riflessi o trattenuti nell’atmosfera e sulla superficie
terrestre. Come conseguenza della differenza tra l’energia solare in input e la
quantità di essa che viene riflessa, la temperatura media globale continua ad
aumentare. Il riscaldamento del clima globale sulla Terra è inequivocabile.
L’effetto serra
L’effetto serra è un fenomeno senza il quale la vita come la conosciamo adesso
non sarebbe possibile. Questo processo consiste in un riscaldamento del
pianeta per effetto dell’azione dei cosiddetti gas serra (anidride carbonica,
vapor acqueo, metano, ecc.) che permettono alle radiazioni solari di passare
attraverso l’atmosfera mentre ostacolano il passaggio verso lo spazio di parte
delle radiazioni riflesse provenienti dalla superficie della Terra e dalla bassa
atmosfera (il calore riflesso);
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In pratica si comportano come i vetri di una serra e favoriscono la regolazione
ed il mantenimento della temperatura terrestre ai valori odierni.
Questo processo è sempre avvenuto naturalmente e fa sì che la temperatura
della Terra sia circa 33° C più calda di quanto lo sarebbe senza la
presenza di questi gas.
Dal 1995 al 2006 sono state osservate le temperature più calde a partire dal
1850, quando sono iniziate le registrazioni strumentali della temperatura
globale di superficie La temperatura media è aumentata globalmente di
quasi 0,8°C ed in Europa di circa 1°C.
Le temperature globali potrebbero salire ancora da 1,8 a 4°C entro il 2100
(IPCC) se le emissioni di gasserra continuano ad aumentare.
Esistono, in effetti, molti impatti del surriscaldamento globale che si
possono già osservare:
•
•
•
•
•
Diffuso scioglimento di nevi e ghiacci
Disgelo del permafrost
Cambiamenti nei sistemi idrogeologici e biologici
Fenomeni atmosferici più violenti
Aumento dei danni associati agli allagamenti costieri ed innalzamento
del livello del mare
Gli sviluppi di questi cambiamenti climatici sono indotti o quanto
meno accelerati dalle attività umane. I cambiamenti sono un fattore
normale dell’ambiente, tuttavia è l’enorme velocità che rende il
surriscaldamento globale così pericoloso. Per la flora e la fauna spesso
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non è possibile un adattamento al cambiamento climatico con un ritmo
adeguato , il che porta all’estinzione di varie specie.
La domanda è: come si può fermare il surriscaldamento globale?
L’energia rappresenta un fattore cruciale per affrontare questo problema
planetario, in quanto le emissioni risultanti dall’utilizzo di combustibili fossili
per la produzione di energia sono la causa prima dei cambiamenti climatici:
l’estrazione e l’utilizzo di questi combustibili, infatti, causano inquinamento.
Dobbiamo inoltre tenere presente che tali fonti si stanno esaurendo e ciò
significa che la garanzia della fornitura è oggi di estrema importanza
(dipendiamo soprattutto dal carbone e dal petrolio).
Tuttavia non deve andare per forza così: esiste un modo migliore di
produrre ed utilizzare l’energia. L’implementazione di misure volte allo
sfruttamento di energie rinnovabili ed all’efficienza energetica sono la
maniera migliore per ridurre tale danno al pianeta
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2. Cos’è l’energia?
Concetti di base sull’energia
L’energia è ovunque e senza non potremmo vivere. La usiamo tutti i giorni,
infatti, e in molti modi differenti: il cibo che consumiamo contiene energia,
la carta su cui scriviamo questo manuale ha richiesto energia per la sua
produzione, la luce utilizzata per leggerlo è anch’essa energia.
Ma da dove viene tutta questa energia? E che cosa ne facciamo? La
utilizziamo in modo appropriato oppure la sprechiamo senza motivo? Cosa
faremo quando tutto il carbone ed il petrolio si esauriranno? Si tratta solo di
alcune delle domande a cui cercheremo di dare risposta in questo corso.
Definizione: L’energia viene di solito definita come la capacità di
produrre lavoro. La quantità di energia si traduce, insomma,
nella quantità di lavoro prodotta da un oggetto o sistema. TUTTO CIO’ CHE
PRODUCE MOVIMENTO, CALORE O LUCE COSTITUISCE “ENERGIA”
Dal punto di vista etimologico, la parola energia viene dal Greco energeia
(attività, operazione) ed energos (attivo, funzionante) e la parola viene
dall’unione di en (al) + ergon (lavoro).
“La prima legge della termodinamica” dice chiaramente che l’energia si
conserva, il che significa che la quantità totale di energia in un sistema
isolato rimane costante, non si può distruggere ne’
creare, ma può
cambiare forma.
Diamo un’occhiata più da vicino ai concetti di base che si riferiscono
all’energia e ad alcune delle più importanti forme in cui l’energia si
presenta.
Potenza ed Energia
Definizione:La potenza viene definita come il lavoro compiuto
nell’unità di tempo. La potenza misura anche la quantità di
energia scambiata o trasformata nell’unità di tempo ad esempio da energia
chimica (carbone) ad energia elettrica in una centrale energetica e da
elettrica a meccanica in un motore.
Unità di misura dell’energia e della potenza
Joule (J) - Si tratta di un’unità di Watt (W) – Si tratta di un’unità di
misura utilizzata per la misurazione misura della potenza, pari al
dell’energia termica, meccanica ed trasferimento di 1 joule di energia al
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elettrica. Dal momento che l’energia
è la capacità di eseguire lavoro, un
joule (J) è il lavoro eseguito quando
una forza pari ad 1 newton agisce su
una distanza di un metro in
direzione della forza.
secondo (1 W = 1 J/s).
Multipli delle unità: dal momento
che un joule ed un watt sono
piuttosto piccoli, si parla spesso di
migliaia di joule, cioè di kilo-joule
(kJ), milioni di joule (MJ) o miliardi
di joule (GJ). In maniera simile si
parla di kilowatt (kW), megawatt
(MW) e giga watt (GW).
Energia
Cosa significano in realtà watt e joule? Quanti ne usiamo nel nostro corpo?
E sono sufficienti per la nostra sopravvivenza e per le attività che
svolgiamo?
Un atleta olimpico di sollevamento pesi può raggiungere
1500 -1800 W, ma solo per meno di un minuto.
Un ciclista di altissimo livello che partecipi al Tour de France
può raggiungere una resa di potenza pari a 500 W per molte
ore. Una persona seduta utilizza circa 100 W per il
metabolismo di base dell’organismo: pensare, respirare,
eccetera.
La misurazione in cavalli-potenza è un’antica unità di
misura che può avere diverse definizioni, ma tipicamente
equivale a 745 W, quindi si riteneva ottimisticamente che
un cavallo avesse la capacità di sviluppare una potenza di
745 W.
Una centrale termica sviluppa una potenza di 300
MW - 1000 MW, erogando energia elettrica.
In realtà, però, la potenza espressa dall’uomo o dal cavallo non sono più
sufficienti per le nostre necessità odierne. Si tratta di quantità molto limitate
in relazione a quello di cui abbiamo bisogno in termini di elettricità per far
funzionare le fabbriche, i mezzi di trasporto, eccetera. Per questo motivo
abbiamo così tanto bisogno di utilizzare petrolio, carbone, gas ed energia
solare.
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Unità di misura dell’energia e della potenza
Kilowattora (kWh) –
Si tratta di Tonnellata Equivalente di Petrolio
un’unità di misura dell’energia o del (TEP) –
Si tratta di un’unità
lavoro di norma associata con standard
convenzionale
per
l’energia elettrica, ma utilizzata l’energia definita sulla base di una
anche per descrivere altre forme di tonnellata di petrolio con un potere
energia.
calorifico pari a 41.868 kJ, altrimenti
Il kilowattora è definita come esprimibile in circa 42 GJ.
l'energia necessaria a fornire una Questa unità di misura è utile se si
potenza di un kW per un ora.
paragonano diversi carburanti e ne
sono necessarie grandi quantità.
1 TEP = 11.630 MWh
Nota: 1 joule ed 1 Watt coincidono e sono espressione della
potenza. Tale potenza moltiplicata per il tempo di utilizzo
fornisce la misura dell’energia. Ad esempio, se una lampadina ad
incandescenza da 100W di potenza viene lasciata accesa per 10
ore, consuma 1 kilowatt ora (100W x 10 ore = 1.000Wh = 1kWh). E’ anche
pari a 3,6 milioni di joule .
Altre unità di misura e relative equivalenze rispetto allo Joule (J)
Joule (J) Unità SI* N.m
Caloria (cal) 1 cal = 4,184 J
Kilo-caloria (kcal) 1 kcal = 10.000 cal = 4184 J
British thermal unit (BTU) 1BTU = 1,055 J
Piede-libbra (ft lb) 1 ft lb = 1,356 J
Watt-ora (W h) 1 Wh = 3600 J
Kilowatt-ora (kW h) 1 kWh = 3.600.000 J
Cavalli-ora (hp h) 1 hp h = 2.700.000 J
* Unità di misura del Sistema Internazionale
Esercizio:
Quando mettiamo dell’acqua in un bollitore elettrico, l’energia
elettrica viene convertita in energia termica, facendo
aumentare la temperatura dell’acqua.
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La capacità calorifica specifica di una sostanza è l’ammontare di energia
necessaria per far cambiare la temperatura di un kilogrammo della
sostanza di un grado Celsius (o Kelvin (K), se preferite, dato che la
differenza in temperatura può essere espressa indifferentemente nelle due
unità di misura).
La capacità calorifica specifica dell’acqua e circa 4.180 J/kg K. Se un
kilogrammo di acqua a 20°C viene riscaldato a 60°C, tale operazione
richiede 167.200 J, calcolati secondo la seguente formula:
1 kg x 4.180 J/kg K x (60-20) gradi K
Il valore così ottenuto è 167,2 kJ, quindi, come si può osservare, un joule
non è una grande quantità di energia!
Punti chiave:
•
Le unità misura di potenza e di energia sono rispettivamente watt e
joule, ma i loro valori sono molto piccoli e quindi utilizziamo multipli
di essi come unità di misura.
• L’energia che utilizziamo quotidianamente supera di gran lunga la
capacità umana.
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3. Le forme dell’energia
L' energia si manifesta sotto forme molto diverse: il calore è energia
termica, la luce è energia radiante, il movimento è energia cinetica, e così
via; ed è sempre possibile trasformare l'energia da una forma all'altra, ma
tutte le trasformazioni energetiche sono regolate da due principi
fondamentali:
• Primo principio della termodinamica: l'energia non si crea, non si
distrugge ma può solo passare da una forma all'altra;
• Secondo principio della termodinamica: ogni trasformazione
dell'energia comporta una dissipazione di una quota di essa sotto
forma di calore a bassa temperatura, non più utilizzabile.
Alcune delle forme dell’energia.
Energia termica
La somma di tutte le microscopiche forme di energia in un
sistema si chiama energia interna ed è collegato alla
struttura ed al grado di attività molecolare.
Definizione:
L’energia termica è la somma
dell’energia cinetica dovuta ai movimenti casuali degli atomi e
delle molecole di un oggetto
In relazione all’energia termica, il calore è dovuto alla differenza di
temperatura nel trasferimento di calore da un sistema all’altro. Il calore
fluisce tra i sistemi dalle aree ad alta temperatura alle aree a bassa
temperatura. Il trasferimento dell’energia termica avviene tra due oggetti
che hanno una differenza di temperatura.
Definizione:
Il calore è la somma dell’energia termica in
transito, o meglio, il flusso di energia da alta a bassa
temperatura e la sua unità di misura è la caloria o joule.
Energia termica si produce, ad esempio, durante un processo di
combustione. Un combustibile è caratterizzato dal proprio “potere calorifico”
cioè dalla quantità di calore che se ne può ricavare dalla combustione
completa (di un chilogrammo o di un metro cubo).
Ad esempio bruciando metano la reazione è la
seguente:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + energia termica
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Cioè il metano brucia con ossigeno per formare anidride carbonica ed
acqua, sottoforma di vapore acqueo che contiene una elevata quantità di
energia, detta “calore latente di vaporizzazione”.
Energia chimica
L’energia chimica è l’energia conservata nei legami dei composti chimici.
Può essere rilasciata durante una reazione chimica, spesso sotto forma di
calore in una reazione esotermica. Durante le reazioni endotermiche,
invece, che richiedono un input di energia per avvenire, parte dell’energia
può venire immagazzinata come energia chimica in nuovi legami.
Esempi:
• L’energia chimica del cibo viene convertita dal corpo in energia
meccanica e calore. Quando il cibo viene digerito e metabolizzato con
l’ossigeno, viene rilasciata energia chimica che a sua volta può essere
trasformata in calore o in energia cinetica dai muscoli.
• L’energia chimica del carbone viene convertita in energia elettrica
presso una centrale elettrica e l’energia viene rilasciata tramite la
combustione.
• L’energia chimica di una batteria può anche fornire energia elettrica
tramite l’elettrolisi.
L’energia cinetica
L’energia cinetica è quella quantità di energia potenziale che il
corpo utilizza per svolgere un determinato lavoro nel suo
divenire, nello specifico, quando il corpo si muove.
L'energia cinetica è l'energia posseduta da un corpo a causa del suo
movimento. E' il lavoro che si deve
compiere per far muovere un corpo,
inizialmente fermo, ad una determinata
velocità di movimento. L'energia cinetica
è determinata dalla massa del corpo (m)
e dalla velocità di movimento. L’aggettivo
“cinetica”, dato all’energia, infatti, deriva
dal sostantivo greco “kinesis”, che
significa letteralmente “movimento”.
Energia elettrica
Elettricità è il termine generale che include
una serie di effetti fisici, quali il flusso di
una carica
elettrica in una corrente,
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l’elettricità statica, l’induzione elettromagnetica e i campi elettromagnetici.
La carica elettrica è una proprietà fisica fondamentale delle particelle
atomiche e subatomiche. La corrente elettrica è la quantità di flusso delle
cariche elettriche.
L’elettricità è oggi uno dei principali vettori di energia ed un suo grande
vantaggio come vettore è che è una delle forme di energia più flessibili e
pulite.
L’elettricità viene usata in molte aree di applicazione come l’illuminazione, il
riscaldamento, le telecomunicazioni, il funzionamento di pompe e motori,
ecc.
Negli anni ’70 dell’Ottocento, quando Thomas
A. Edison inventò la prima lampadina a
incandescenza da immettere sul mercato,
nessuno avrebbe immaginato che nel 21°
secolo la vita sarebbe sembrata quasi
impossibile senza elettricità. Ce ne ricordiamo
immediatamente quando l’elettricità viene a
mancare, ad esempio nel caso di un black out.
Punti chiave: Se varie sono le forme dell'energia e molti i
fenomeni apparentemente diversi in cui si manifesta, la
caratteristica fondamentale dell'energia è quella di passare da
una forma all'altra, si dice infatti l'energia non si crea e non si
distrugge, ma si trasforma.
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