Lenergia Prof ssa Carolina Sementa 1 I PROBLEMI

L’energia Prof. ssa Carolina Sementa 1

I PROBLEMI ENERGETICI -in passato: energia abbondante: sviluppo e benessere; - in futuro: • energia carente, • popolazione crescente, • problemi ambientali 2

Fonti e forme di energia 3

Lavoro ed Energia Intorno a noi, esiste una vasta serie di fenomeni nei quali sono strettamente connessi 2 “concetti” importanti il Lavoro e l’ Energia … 1)Noi ci muoviamo e riusciamo a compiere dei lavori grazie all’energia muscolare che ci viene fornita dal cibo. 2)La barca naviga veloce sulle onde spinta dall’ Energia del vento 4

3)La ruota gira e mette in funzione il mulino grazie all’Energia dell’acqua, che scende a valle impetuosa L’uomo, il vento e l’acqua, compiono un lavoro in quanto sviluppano una forza in grado di effettuare uno spostamento. Il concetto di lavoro è infatti legato al movimento: si produce un lavoro quando applicando una forza a un corpo si ottiene uno spostamento del corpo stesso Non c’è lavoro se non c’è spostamento. 5

Principio di conservazione dell’energia L’energia non si può né creare né distruggere ma solo convertire in un’altra forma di energia. Tutte le forme di energia possono essere trasformate le une nelle altre. 6

Energia potenziale e cinetica L’Energia viene suddivisa in 2 parti: Cinetica e potenziale(o viceversa). Il sasso tenuto in mano a una certa altezza dal suolo non compie alcun lavoro. Però se cadesse sull’estremità di un asse sarebbe in grado di far saltare “il libro “ posto sull’altra estremità. Il sasso ha quindi in sé la possibilità di compiere un lavoro cioè: Energia. Tale energia non viene acquisita finché il sasso non cade. Quest’energia viene chiamata: Energia potenziale. Cadendo il sasso acquista l’energia necessaria. Diciamo quindi che esso possiede un Energia cinetica (Dal greco kinesis, ”movimento”). L’Energia potenziale (Ep)è quindi l’energia posseduta da un corpo in quiete, dipendendo dalla sua posizione. 7

Le varie forme di energia L’energia potenziale e l’energia cinetica sono i due aspetti dell’ Energia meccanica, di un corpo; ma esistono altre forme sotto cui si manifesta l’energia, intesa come capacità di compiere lavoro. Energia muscolare/energia chimica/energia eolica/energia idrica/energia nucleare 8

L’energia muscolare ci permette di compiere i vari movimenti, ed’è anche quella posseduta degli animali da lavoro che l’uomo ha sempre sfruttato. 9

Il primo anello di tutta l’energia L’energia meccanica della bicicletta deriva dall’energia muscolare del nostro corridore, quest’energia proviene dall’energia chimica degli alimenti che il corridore ha mangiato a colazione. Come ricorderai, l’energia chimica degli alimenti proviene direttamente o indirettamente dal processo di fotosintesi clorofilliana che si compie grazie all’energia solare. Questo percorso può essere effettuato per ogni tipo di energia. Questo processo viene chiamato: catena energetica che ha come primo anello l’Energia solare. 10

L' energia solare è la fonte primaria di energia sulla Terra che rende possibile la vita. L'energia solare è infatti quella normalmente utilizzata dagli organismi autotrofi, cioè quelli che eseguono la fotosintesi, detti anche "vegetali" (da cui derivano i combustibili fossili); gli altri organismi viventi sfruttano invece l'energia chimica ricavata dai vegetali o da altri organismi che a loro volta si nutrono di vegetali e quindi in ultima analisi sfruttano anch'essi l'energia solare, seppur indirettamente. Da essa derivano più o meno direttamente quasi tutte le altre fonti energetiche disponibili all'uomo quali i combustibili fossili, l'energia eolica, l'energia del moto ondoso, l'energia idroelettrica, l'energia da biomassa con le sole eccezioni dell'energia nucleare, dell'energia geotermica e dell'energia delle maree. 11

L’energia chimica L’Energia chimica è posseduta in alcune sostanze quali la legna, la benzina o il carbone che sono in grado , bruciando di mettere in moto i vari mezzi di locomozione. 12

L’energia termica è il calore che riesce a far sollevare il coperchio di una pentola o di far funzionare una macchina a vapore. E’ una forma di energia che si manifesta in diversi modi: Ø l’azione diretta dei raggi del sole Ø la combustione ovvero la reazione chimica tra un combustibile e l’ossigeno dell’aria Ø l’azione del calore endogeno della Terra Ø La reazione nucleare ØUno tra i suoi più importanti impieghi è la produzione di energia elettrica in appositi impianti detti centrali termoelettriche 13

L’energia elettrica è quella che fa funzionare i nostri elettrodomestici e fa illuminare le nostre case. Si manifesta attraverso l’azione della corrente elettrica ovvero dei suoi effetti: fisico, luminoso, termico, magnetico, chimico E’ una forma di energia secondaria perché si ottiene trasformando altre forme di energia primaria quali: v Energia termica v Energia idrica v Energia eolica v Energia nucleare 14

Fonti energetiche Tutto ciò che può fornire energia con cui produrre lavoro è detto “Fonte d’energia”. Fonte primaria di energia è il SOLE, ma sono fonti di energia anche(il petrolio, il carbone, il gas naturale), l’acqua, il vento, il calore interno della terra, il mare e la biomassa. Alcune di queste fonti sono destinate a esaurirsi in tempi più o meno lunghi e vengono dette “Fonti di energia non rinnovabili” Altre sono praticamente inesauribili e vengono dette “Fonti di energia rinnovabili”. 15

FONTI PRIMARIE E SECONDARIE La prima classificazione che deve essere fatta per le fonti di energia è tra le fonti di energia primarie e le fonti di energia secondarie. v. Si dicono primarie se sono utilizzabili direttamente, così come si trovano in natura. Sono fonti primarie il carbone, il petrolio, il gas naturale, la legna, i combustibili nucleari, il sole, il vento, le maree, i laghi montani e i fiumi e il calore della Terra che fornisce energia geotermica. v. Sono secondarie quelle che derivano dalla trasformazione di fonti d'energia primaria: ad esempio, la benzina, che deriva dal trattamento del petrolio grezzo e l'energia elettrica ottenuta dalla conversione di energia meccanica o chimica o nucleare. L'energia elettrica viene prodotta attraverso le centrali elettriche, appositi impianti in grado di convertire energia primaria in energia elettrica. Per ogni fonte energetica è importante considerare tre aspetti fondamentali: la disponibilità, i costi, la protezione dell'ambiente. 16

17

Le fonti non rinnovabili La maggior parte dell’energia sfruttata dall’uomo viene ricavata dalla combustione del carbone, del petrolio e del gas naturale. 18

Sono materie prime che attraverso la combustione forniscono energia termica ØPETROLIO ØGAS NATURALE ØCARBONE FOSSILE 19

Milioni di anni fa molte foreste furono sepolte da fango, sabbia, argilla. Senza ossigeno il legno si trasformò in. LIGNITE carbon fossile. Il carbone fossile è dunque una roccia sedimentaria combustibile, contenente carbonio: è duro, di colore nero, più o meno lucente; è molto inquinante. Quando brucia, infatti, produce LITANTRACE anidride carbonica e ossido di carbonio, due gas altamente tossici. Noi conosciamo diversi tipi di carbone: lignite, litantrace, antracite. In Europa i ANTRACITE maggiori giacimenti si trovano in: Russia, Inghilterra, Germania, Francia, Belgio. 20

Petrolio • La parola petrolio deriva dal latino: petra (pietra) ed oleum: (olio) quindi olio di pietra. Liquido oleoso, miscuglio di vari idrocarburi, formatosi dalla decomposizione di resti organici, animali e vegetali in ambiente marino. Si estrae da pozzi in terraferma o in mare, in seguito a due processi: 21

1. Trivellazione: per raggiungere il deposito sotterraneo di petrolio, si perfora il terreno con una specie d’enorme trapano: esso è formato da un grosso e robusto scalpello d’acciaio, applicato all’estremità di un’asta metallica. 2. Raffinazione: il petrolio viene lavorato nelle raffinerie, dove si separano le parti del petrolio: olio combustibile, gasolio, kerosene, benzina, paraffina. Tra i paesi maggiori produttori di petrolio troviamo: Arabia Saudita, Iraq, Iran, Kuwait e alcuni stati del nord Africa 22

Gas naturale Combustibile gassoso fossile costituto da un atomo di carbonio e quattro d’idrogeno, essenzialmente metano originato dalla decomposizione di residui organici, animali o vegetali. è incolore, inodore e produce una fiamma azzurrognola Si estrae tramite impianti di perforazione e pompaggio. I paesi con le maggiori riserve di metano sono la Russia, l’Iran e i paesi Arabi. Ha le caratteristiche di essere abbondante in natura, economico e soprattutto pulito: non produce scorie, ceneri; i prodotti inquinanti sono minimi L’energia termica che si ottiene bruciando questi combustibili viene opportunamente trasformata in energia elettrica nelle Centrali termoelettriche 23

LE ENERGIE ALTERNATIVE Le energie alternative sono fonti d’energia diverse dai combustibili fossili già presenti in natura, sono rinnovabili e sono utilizzate nelle centrali elettriche. Le energie principali sono: Solare Idroelettrica Eolica Geotermica Biomasse Le centrali principali sono: Centrale solare Centrale idroelettrica Centrale eolica Centrale geotermica 24

ØL’energia del sole produce Energia termica, che raggiunge la Terra dopo avere attraversato lo spazio. Solo una piccola parte di questa energia diviene realmente disponibile per sostenere la vita sul nostro pianeta, e una frazione ancora più modesta è usata dall'uomo per i suoi fabbisogni. ØL'energia solare è una fonte energetica ideale per pulizia e rinnovabilità, ma pone problemi perché non è sempre disponibile (in seguito ai fenomeni atmosferici e stagionali) ed ha una scarsa concentrazione per unità di superficie. ØL'energia solare può essere convertita in calore attraverso i pannelli solari, che riscaldano a temperatura relativamente bassa (inferiore a 100 °C) l'acqua usata per usi igienici e per il riscaldamento. Può essere convertita anche in energia elettrica attraverso appositi impianti: le centrali eliotermoelettriche o solari 25

Nella centrale solare si converte l’energia termica del sole in energia elettrica. La luce solare viene concentrata tramite specchi su un fluido che, così riscaldato, produce vapore in uno scambiatore di calore. Il vapore poi aziona la turbina che fa girare l’alternatore. Si ottiene così la produzione di energia elettrica 26

Pannelli solari. . x uso domestico 27

L’uso più antico dell’energia idrica è quello relativo al movimento della ruota idraulica, usata dapprima nell'antica Grecia e successivamente adottata nella maggior parte dell'Europa antica e medievale per la macinazione del grano. Attualmente si sfrutta l’energia idrica per produrre energia elettrica in apposite centrali: l’energia di caduta dell’acqua fa girare una turbina idraulica che accoppiata a un alternatore permette la produzione dell’energia elettrica. Gli impianti idrici vengono sfruttati nelle zone in cui , grazie a una particolare struttura idrogeologica , si ha una costante disponibilità di acqua e la possibilità di costruire dighe e bacini. Modello di centrale idroelettrica 28

L’energia eolica è quella del vento che permette alle pale del mulino di girare, è la più sfruttata anche per produrre energia elettrica. L’uso tradizionale dell’energia del vento è stato quello relativo al movimento delle imbarcazioni a vela e alla rotazione delle pale dei mulini a vento. Gli impianti (aeromotori)per captare l’energia eolica necessitano di un vento che spiri con una velocità non inferiore a 10 km /h Per questo motivo lo sfruttamento dell’energia eolica è molto limitato ed è conveniente solo nelle zone molto ventose. La più grande centrale eolica si trova nel deserto della California. Attualmente in Italia sono in costruzione impianti per lo sfruttamento dell’energia eolica solo in Sardegna e in Molise 29

Centrali geotermiche e idrotermali Il calore interno della terra rappresenta un’altra forma di energia. In certe zone, per esempio, si ha fuoriuscita spontanea dal suolo di getti di vapore acqueo molto caldi(soffioni) che possono essere impiegati direttamente nelle centrali geotermiche o idrotermali. In Italia lo sfruttamento dell’energia geotermica è abbastanza diffuso. (la più grande centrale geotermica italiana si trova a Larderello in Toscana. ) I territori geotermici 30

Energia da biomasse La produzione di energia da biomasse riveste una grande importanza dal punto di vista ecologico in quanto, oltre a fornire energia, consente lo smaltimento di rifiuti spesso molto inquinanti. Dal letame e da altri rifiuti organici è infatti possibile rilevare il Biogas. Il procedimento di trasformazione delle biomasse avviene per decomposizione in appositi digestori. 31

L’energia nucleare è la potente e temuta energia liberata dalle reazioni all’interno dell’atomo dell’uranio 235, che è un metallo bianco-argenteo, tossico e radioattivo ü Nel settore civile il principale impiego dell'uranio è l'alimentazione dei reattori delle centrali elettronucleari ü La principale applicazione militare dell'Uranio è quella relativa alla costruzione delle bombe atomiche Per ricavare energia dall’ uranio esistono due procedimenti: FISSIONE: divisione del nucleo dell’uranio (pesante) FUSIONE: unione dei nuclei dell’idrogeno (leggeri) Per ridurre le emissioni radioattive si è pensato di costruire dei reattori nucleari di III generazione, più economici e sicuramente più “puliti”. Di recente sono stati creati dei prototipi di reattore nucleare di III+ generazione, basati su quelli di III. 32

L’energia nucleare di fissione viene prodotta bombardando con neutroni il nucleo dell’atomo dell’uranio 235. Dallo scontro emergono altri neutroni che urtano con altri nuclei di uranio provocando nuove fissioni e quindi una reazione a catena. Dalla reazione a catena viene sprigionata una enorme quantità di energia termica. Una reazione a catena incontrollata dà origine a un fenomeno esplosivo; l’energia prodotta si libera infatti in modo distruttivo, come nel caso della bomba atomica. Per utilizzare l’energia nucleare a scopi pacifici è necessario controllare il processo; è ciò che avviene nei reattori nucleari che alimentano le centrali termonucleari o atomiche. 33

La reazione nucleare può essere controllata facendo ricorso a un impianto detto: “reattore nucleare”, il calore prodotto dalla reazione di fissione nucleare dell’ uranio viene utilizzato per produrre vapore sotto pressione Il vapore fa girare una turbina a vapore che a sua volta aziona l’alternatore. In questo modo l’energia nucleare viene trasformata in energia elettrica Lo sfruttamento dell’energia nucleare, pone seri e gravi problemi all’ambiente e alla vita stessa. Durante le reazioni di fissione vengono prodotte scorie radioattive di lunga durata. Nonostante le centrali nucleari siano dotate di sofisticati dispositivi di sicurezza, posso accadere incidenti che causano dispersione di radiazioni pericolose per l’uomo e per l’ambiente. 34

Se la reazione nucleare non viene controllata si ottiene una bomba atomica conseguenze disastrose, come accadde in Giappone a Hiroshima e Nagasaki, in seguito alla sganciamento di due ordigni nucleari da parte degli americani, alla fine della seconda guerra mondiale 35