Le forme di energia
Prof. Ing. Piercarlo Romagnoni
Dipartimento di Progettazione e Pianificazione in Ambienti
Complessi
Università IUAV di Venezia
Dorsoduro 2206 – 30123 Venezia
[email protected]
L’energia
Una definizione (Oxford Dictionary)
Ability of matter or radiation to do work because of its motion
or its mass or its electric charge
L’energia
H. von Helmholtz (1821 - 1894) enunciò la legge generale
sull’energia (Über die Erhaltung der Kraft, 1847):
… energia è qualunque entità che possa convertirsi da una
forma ad un’altra …
l’energia è indistruttibile
“La materia e la forza sono astratte dalla realtà e formate in
modo del tutto uguale; e noi possiamo percepire la materia
proprio soltanto attraverso le forze, insiti in essa, ma mai in sé
e per sé”
Materia
massa [kg]
Movimento
spostamento [m]
velocità [m/s]
Radiazione
carica
Massa
La massa può essere definita come proprietà
caratteristica di ogni particella, che ne
determina il comportamento quando questa
interagisce con altre particelle e determina
l'entità delle sue interazioni gravitazionali.
L
L
Energia nella massa: reazioni nucleari
DE = Dm c2
c = 2,99793 · 108 m/s
Se un elettrone passa da un’orbita ad un’altra
emette o assorbe un “quanto” di energia DE.
DE = h n
h = 6,6256 · 10-34 J · s = costante di Planck
n = frequenza della radiazione [1/s] = [Hz]
La Forza Newton (1642 – 1727)
Prima legge
Un corpo permane in uno stato di quiete o di moto rettilineo uniforme
(accelerazione nulla) quando è lasciato a se stesso (la risultante delle
forze agenti su di esso è nulla):
a=0
se
Fris = 0
Seconda legge
La forza agente su di un corpo è data dal prodotto della massa del
corpo M per la sua accelerazione a (grandezza vettoriale)
F=Ma
Terza legge
Quando due corpi interagiscono, la forza esercitata dal corpo A sul
corpo B è uguale ed opposta alla forza esercitata dal corpo B sul corpo
A:
FAB = - FBA
Forza peso = massa x acc. gravità = m g
Si misura in Newton [N]
o in kilogrammoforza [kgf]
1 kgf = 9,81 N
principio di conservazione della quantità di moto
una particella libera si muove sempre con quantità di moto costante nel
tempo
(legge di inerzia o seconda legge di Newton)
su di un corpo libero non agiscono forze
forze agenti sulla superficie o sui confini del corpo in oggetto
(forze di superficie, surface forces)
forze che agiscono sul corpo (body forces)
Lavoro = forza x spostamento
L’unità di misura derivata che corrisponde a
questa relazione, e che si esprime nelle unità di
misura (kg m2)/s2, è detta Joule in onore di
James Prescott Joule (1818-1889).
La forza F viene applicata al suo baricentro per
trascinarlo lungo un piano facendogli compiere
uno spostamento s.
La direzione della forza forma con la direzione del
moto un angolo .
Potenza meccanica
Una caratteristica importante del lavoro compiuto da una forza
è la rapidità con cui esso è stato eseguito, questo concetto
viene espresso in termini fisici dalla grandezza fisica che va
sotto il nome di potenza.
Se durante un intervallo di tempo D è eseguito il lavoro L, la
potenza media impiegata è:
P
L
D
Energia e Potenza
• Energia l’unità è il joule (J)
• La potenza è la quantità di energia fornita nel tempo
e l’unità è il watt (W), ovvero 1 W = 1 J/s
• Quindi per convertire la potenza in energia usata,
occorre moltiplicare la durata temporale in secondi
durante la quale tale potenza è fornita, mentre per
convertire l’energia usata in potenza (media), è
necessario dividere l’energia per il tempo in secondi.
Calore e temperatura
Due sistemi in equilibrio termico con un terzo sistema sono in
equilibrio termico anche tra di loro.
La temperatura di un sistema è quella sua proprietà che
determina se esso sia o non sia in equilibrio termico con altri
sistemi.
Il calore è energia?
“In un processo ciclico le quantità di calore e di
lavoro scambiate tra sistema ed ambiente, prese
ognuna con il segno convenuto, sono uguali”.
il principio di conservazione dell’energia;
l’equivalenza come forme di energia di calore e
lavoro;
l’esistenza di una grandezza di stato, detta
energia interna
Elettrostatica e carica elettrica
La struttura corpuscolare delle cariche elettriche q fa
sì che esse si possano muovere, separare tra loro,
accumulare, generando così differenze di potenziale
tra cariche di segno opposto.
Si è constatato per tutti i fenomeni naturali che la
carica totale di un sistema isolato rimane invariata
(principio di conservazione della carica elettrica).
Elettrostatica e carica elettrica
FCoul om b k
q q'
r
2
q, q' = cariche elettriche
r = distanza [m]
k = costante = 8,9874 109 (N m2 )/ C
La carica elementare è pari a
e = 1,6021 10-19 Coulomb
(è la carica del protone e dell'elettrone)
Il potenziale elettrico: il volt [V]
Una particella carica, posta in un campo
elettrico, a causa dell'interazione con il
campo, possiede energia potenziale Ep.
Il potenziale elettrico V in un punto è definito
come l'energia potenziale Ep posseduta da
una carica unitaria posta in quel punto:
V
Ep
q
Corrente elettrica
Una corrente elettrica consiste di un flusso di
particelle cariche.
L'intensità di una corrente elettrica I è definita
come la carica elettrica che fluisce nell'unità di
tempo attraverso la sezione di una regione di
spazio attraversata dalla corrente.
Detto N il numero di particelle cariche, si avrà
pertanto che:
I
N q
D
Se N particelle, ciascuna di carica q, si muove nel
tempo D attraverso una differenza di potenziale DV,
la variazione di energia subita da ciascuna particella
è pari a (q DV) e quindi, l'energia totale acquisita
dalle particelle cariche è: (N q DV).
La potenza P necessaria a mantenere le particelle in
moto sarà pari all'energia sull'unità di tempo,
ovvero:
P = I DV
DV = R I
P = R I2
Legge di OHM
Watt = Ohm [W] Ampère [A]2
= Ohm (Coulomb/ secondi)2
= Volt Ampère = Volt Coulomb/secondi =
= (Joule/Coulomb) * (Coulomb/secondi)
Nel caso di energia meccanica
Watt = Joule/ secondi = Forza * spostamento/secondi
= massa * accelerazione * spostamento/ secondi
Misura dell’energia
Termica
La kilocaloria [kcal]: energia necessaria per
riscaldare 1 kg di H2O distillata da 14,5°C a 15,5°C
alla pressione p = 1 atm.
Meccanica
Joule
1 kcal = 4186 J
1 kWh = 3,6 · 106 J= 3,6 MJ
Misura dell’energia: chimica (combustione)
Petrolio, metano e carbone
1 kWh = 860 kcal
1 TEP = 10.000.000 kcal = 11.600 kWh
1 barile [bbl] = 42 US gallons = 0,153 m3
Pci, carbone = 7000 kcal/ kg = 8,14 kWh/kg
Pci, petrolio = 10180 kcal/ kg = 11,6 kWh/kg
Pci, metano = 8900 kcal/m3 = 10,35 kWh/m3
1000 Sm3 (di Metano) = 0,876 TEP
1000 kg (di Petrolio) = 1 TEP
Misura dell’energia: metano
Standard metro cubo [Sm3]:
è la massa di gas contenuta in 1 m3 alla pressione
atmosferica alla temperatura t = 15°C
Pci, metano = 34,5 MJ/ Sm3
1000 Sm3 = 0,825 tep
Si definisce Potere Calorifero Superiore (PCS) di un
combustibile la quantità di calore prodotta dalla
combustione completa dell’unità di massa del
combustibile quando i prodotti della combustione
(fumi) siano portati alla temperatura t = 0°C ed alla
pressione p = 101325 Pa.
In realtà, in tal modo viene conteggiato anche il
calore di condensazione del vapore acqueo (circa
2,51 MJ/kg) prodotto dalla reazione o liberato dal
combustibile: risulta pertanto di uso più pratico il
Potere Calorifero Inferiore (PCI) che si ottiene dal
PCS diminuito del calore di condensazione.
Combustibile
Densità r
[kg/ m3]
Potere
Calorifico
Inferiore [MJ/ kg]
propano
2,02 *
46,35
metano
0,717 *
50,2
gasolio
880,0
42,9
cherosene
790,0
43,5
benzina
740,0
44
olio combustibile
900 1000
38,5 44,6
torba
400,0
12,3
lignite
720,0
14,4 20,9
legna
400,0 1100,0
10,7
i fattori di conversione
La temperatura
l’energia
da °C a °F:
[°F] = 1,8 · [°C] + 32
da °C a K:
[K] = [°C] + 273,15
1 kWh = 3,6 MJ
1 kcal = 4186,8 J
la potenza meccanica
1 CV = 735,5 W
1 HP = 746 W
Uso (?) dell’energia
Uomo cacciatore:
7 calorie acquisite per 1 caloria spesa caccia con lance
Uomo cacciatore:
9 calorie acquisite per 1 caloria spesa caccia con frecce
Uomo agricoltore:
50 calorie acquisite per 1 caloria spesa
Uomo contemporaneo:
1 caloria acquisita per 10 calorie spese
Alcuni paragoni…
Attività umana
Pmax = 800 W
Pmedia = 50 W
e produce a riposo circa 20 l/h di CO2
Televisore
P = 80 W
Motore auto
P = 80 kW
Lavatrice (classe A)
P = 800 W
Per far crescere una mucca servono 3500 litri di petrolio (1
litro di petrolio ≈ 1 kWh)
7000
6000
Consumo [kep]
5000
Popolazione [x 10 6]
Consumi [kep]
Popolazione [x 106]
4000
3000
2000
1000
0
1900
1950
2000
Energia e popolazione
Energia e attività umana
Se l’energia fosse equamente ripartita per persona …
ci spetterebbero 1,4 TEP/(year pp)
Un cittadino
USA
Canada
Messico
Africa
utilizza
8 TEP/(year pp)
7,3 TEP/(year pp)
1,2 TEP/(year pp)
0,3 TEP/(year pp)
Energia e impatto sulla popolazione
Stime di crescita della popolazione (fonti ONU)
2007
2050
6,7 miliardi
9,2 miliardi
con previsioni di assestamento a 10 miliardi nella seconda
metà del secolo
Inoltre…
Nei paesi poveri il PIL pro capite è 1/20 di quello dei paesi
ricchi e 1/6 in termini di potere di acquisto
Possibili conseguenze
Per diminuire il divario i paesi poveri che hanno
popolazioni in rapida crescita e perseguono di uno
sviluppo rapido, ogni unità aggiuntiva di prodotto
avrà un elevato contenuto energetico (uso di
materie prime non rinnovabili).
Le popolazioni ricche utilizzeranno presumibilmente
la ricchezza “nuova” per prodotti dal contenuto
energetico sempre più decrescente (per es.
comunicazioni, cultura, servizi,…)
Forme di energia
• Primary energy – Energia primaria come si trova
in natura (carbone, petrolio, gas naturale)
• Secondary energy – Energia secondaria è energia
che è stata convertita da energia primaria ad
un’altra forma (eletticità, prodotti di raffineria da
petrolio, gas naturale processato)
• Tertiary energy – Energia terziaria: corrisponde
ad uno o più step nella catena – energia nell’uso
finale (ad esempio luce, calore, raffrescamento,
potenza meccanica)
Conversioni:
• Secondary energy =
primary energy x conversion efficiency
• Pertanto, dato un certo valore di energia
secondaria, per avere l’ammontare di energia
primaria richiesta, si divide l’entità di energia
secondaria per il coefficiente di conversione
Dall’enegia primaria alla secondaria all’energia di uso finale
Losses
Primary
Energy
Transformation
Transportation
Distribution
Losses
Secondary
Energy
Utilization
Device or
System
Final
Useful
Energy
Energia elettrica primaria equivalente per
nucleare e idroelettrico
• L’elettricità da energia idroelettrica e nucleare potrebbe
invece essere prodotta bruciando energia fossile
• Pertanto, dividere l’ammontare di energia elettrica
prodotta da idroelettrico o nucleare per l’efficienza di
trasformazione per generare energia elettrica da
combustibili fossili, consente di ottenere l’energia
primaria equivalente
• Un’efficienza standard può essere pari a 40%
• Ne consegue che 1 MJ di elettricità prodotta da
idroelettrico, nucleare (eolico o solare)è di seguito
considerata equivalente a 2.5 MJ di energia primaria
equivalente
Big Numbers
• L’utilizzo annuale di energia è convenientemente
rappresentato da unità quali gli exajoules, ovvero 1
EJ = 1018 J, mentre la domanda mondiale di potenza
è rappresentata in gigawatts o terawatts, ovvero 1
GW = 109 W e 1 TW = 1012 W,
1 TW=1000 GW
• La domanda di potenza primaria (W) è ottenuta
dall’energia annuale (J) diviso il numero di secondi in
un anno
• Ad esempio, la domanda totale di energia nel 2005 è
stata pari a 483 EJ in corrispondenza ad una potenza
media fornita (primary power) di 15.3 TW
Utilizzo del territorio e ambiente costruito
Negli Stati Uniti, gli edifici richiedono il 65% del consumo
di energia elettrica, il 36% del totale utilizzo energetico e
rilasciano gas per il 30% delle emissioni globali.
Progettazione verde (green buildings)
Valutazione delle costruzioni sull’ecosistema
The National Energy Balance shows how a country uses the
primary sources available: it gives us information on final
consumption of energy.
Part of the available energy as a primary source, in fact, must
be appropriately converted before they can be used; for
example, a part of renewable energy is used to produce
electricity.
Altri fattori di conversione
1 ft = 12 in
1 yd = 3 ft
1 mi = 1609 m
100 yd ≈ 91,44 m
1 nautical mile = 1852 m
1 knot = 0,5144 m/s = 1,852 km/h
1 carat = 0,2 g
1 lb = 0,453 kg
1 oz = 1/16 lb
1 barile [bbl] = 42 US gallons = 0,153 m3
