Cos'è l'energia
di Gian Andrea Pagnoni
tratto da The Renaissance of Renewables di Gian Andrea Pagnoni and Stephen Roche, Cambridge University Press
ultima modifica 14/02/2015
Il vocabolo energia può essere utilizzato con confidenza in una lezione di fisica o di yoga, parlando di rapporti politici tra stati o leggendo il contenuto di una barretta di cereali. Fa parte del vocabolario di tutti, ma se provate a chiedere "cos'è l'energia", poche persone risponderanno correttamente.
Secondo Smil (2000 p. 9) “L'energia è l'unica valuta universale e deve essere trasformata per realizzare qualunque cosa”. La rotazione delle galassie, le reazioni nucleari che accendono le stelle, il mulino a vento e l'accensione di uno smart phone sono processi di trasformazione dell'energia. La stessa vita sulla terra è permessa dalla possibilità di convertire la luce solare grazie alla fotosintesi in sostanze organiche (glucosio) utilizzate poi come fonte energetica dagli organismi (piante o animali) per il metabolismo cellulare. L'evoluzione dell'uomo, sia dal punto di vista biologico sia dal punto di vista culturale, è di fatto basato sulla capacità di controllare e ottimizzare i flussi di energia. Ogni strumento di fatto è un oggetto che permette di ottimizzare l'energia. Infatti, noi saremmo in grado di tagliare a mani nude un albero, ma ci occorrerebbe qualche mese considerando il tasso di ricrescita delle unghie e della pelle, mentre con una sega a mano ci occorre qualche minuto e con una sega elettrica qualche secondo. Dalla scoperta del fuoco circa mezzo milione di anni fa, l'evoluzione della specie umana è di fatto basata sulla capacità intellettuale di trasferire culturalmente modalità di sfruttamento delle risorse energetiche.
tratto da The Renaissance of Renewables di Gian Andrea Pagnoni and Stephen Roche, Cambridge University Press
ultima modifica 14/02/2015
Il vocabolo energia può essere utilizzato con confidenza in una lezione di fisica o di yoga, parlando di rapporti politici tra stati o leggendo il contenuto di una barretta di cereali. Fa parte del vocabolario di tutti, ma se provate a chiedere "cos'è l'energia", poche persone risponderanno correttamente.
Secondo Smil (2000 p. 9) “L'energia è l'unica valuta universale e deve essere trasformata per realizzare qualunque cosa”. La rotazione delle galassie, le reazioni nucleari che accendono le stelle, il mulino a vento e l'accensione di uno smart phone sono processi di trasformazione dell'energia. La stessa vita sulla terra è permessa dalla possibilità di convertire la luce solare grazie alla fotosintesi in sostanze organiche (glucosio) utilizzate poi come fonte energetica dagli organismi (piante o animali) per il metabolismo cellulare. L'evoluzione dell'uomo, sia dal punto di vista biologico sia dal punto di vista culturale, è di fatto basato sulla capacità di controllare e ottimizzare i flussi di energia. Ogni strumento di fatto è un oggetto che permette di ottimizzare l'energia. Infatti, noi saremmo in grado di tagliare a mani nude un albero, ma ci occorrerebbe qualche mese considerando il tasso di ricrescita delle unghie e della pelle, mentre con una sega a mano ci occorre qualche minuto e con una sega elettrica qualche secondo. Dalla scoperta del fuoco circa mezzo milione di anni fa, l'evoluzione della specie umana è di fatto basata sulla capacità intellettuale di trasferire culturalmente modalità di sfruttamento delle risorse energetiche.
Essere in azione
Un sasso che rotola giù dalla montagna non è vivo, mentre un moscerino che si appoggia su un frutto si. Il termine greco energheia fu coniato da Aristotele (384-322 a.C.) unendo en (particella intensiva) ed ergon (azione). Secondo Aristotele l'attribuzione dell’essere allo spazio e al tempo necessita di qualcosa che non è semplicemente presente, ma che è in grado di provocare effetti. Secondo Aristotele l'essere vivente deve essere effettivo, deve essere all’opera, ovvero determinare cambiamenti intorno a se.
Il concetto filosofico aristotelico è rimasto sostanzialmente inalterato per secoli e ancora alla metà del '900 Richard Feynman sosteneva che “nella fisica odierna non sappiamo cosa sia l'energia”. In ambito scientifico, fu usato per la prima volta dall'astronomo Keplero nel 1619 nel suo Harmonice Mundi per indicare una grandezza fisica. Ciononostante continuò a rimanere un termine piuttosto vago, dato che oltre un secolo dopo David Hume lamentava che "in metafisica non vi fossero idee più oscure ed incerte di quelle che riguardano la forza e l'energia". Nel 1842 l'Enciclopedia Britannica offriva solo una breve e non scientifica descrizione dell'energia come "potere, virtù o efficacia di una cosa". Il termine "energia" fu introdotto sistematicamente nella letteratura scientifica in termini moderni solo a partire dalla fine del XIX secolo, quando la seconda Rivoluzione Industriale richiese una sempre più approfondita conoscenza del potere e dell'efficienza delle macchine. Ma capire l'evoluzione del termine "energia" dobbiamo tornare al 1600 quando l'astronomia cercò di comprendere matematicamente e prevedere i movimenti dei corpi celesti introducendo il concetto di forza.
Un sasso che rotola giù dalla montagna non è vivo, mentre un moscerino che si appoggia su un frutto si. Il termine greco energheia fu coniato da Aristotele (384-322 a.C.) unendo en (particella intensiva) ed ergon (azione). Secondo Aristotele l'attribuzione dell’essere allo spazio e al tempo necessita di qualcosa che non è semplicemente presente, ma che è in grado di provocare effetti. Secondo Aristotele l'essere vivente deve essere effettivo, deve essere all’opera, ovvero determinare cambiamenti intorno a se.
Il concetto filosofico aristotelico è rimasto sostanzialmente inalterato per secoli e ancora alla metà del '900 Richard Feynman sosteneva che “nella fisica odierna non sappiamo cosa sia l'energia”. In ambito scientifico, fu usato per la prima volta dall'astronomo Keplero nel 1619 nel suo Harmonice Mundi per indicare una grandezza fisica. Ciononostante continuò a rimanere un termine piuttosto vago, dato che oltre un secolo dopo David Hume lamentava che "in metafisica non vi fossero idee più oscure ed incerte di quelle che riguardano la forza e l'energia". Nel 1842 l'Enciclopedia Britannica offriva solo una breve e non scientifica descrizione dell'energia come "potere, virtù o efficacia di una cosa". Il termine "energia" fu introdotto sistematicamente nella letteratura scientifica in termini moderni solo a partire dalla fine del XIX secolo, quando la seconda Rivoluzione Industriale richiese una sempre più approfondita conoscenza del potere e dell'efficienza delle macchine. Ma capire l'evoluzione del termine "energia" dobbiamo tornare al 1600 quando l'astronomia cercò di comprendere matematicamente e prevedere i movimenti dei corpi celesti introducendo il concetto di forza.
Isaac Newton (1643–1727). Fonte Wikimedia Commons.
Non sappiamo se fu una mela che scuotendo la testa di Isaac Newton alla fine del 1600 ne provocò l'illuminazione, certamente dal punto di vista fisico lo scienziato ebbe la genialità di rendersi conto che la stessa forza che determina la caduta degli oggetti al suolo provoca anche l'attrazione dei pianeti verso il sole.
Per forza oggi intendiamo una grandezza fisica che si manifesta nell'interazione di due o più corpi, ad esempio il protone attira l'elettrone (forza elettromagnetica) o un oggetto cade al suolo attirato dalla forza di gravità del pianeta (forza di gravità). I pianeti secondo Newton, quindi, non vagano nello spazio in linea retta come la propria inerzia dovrebbe indurre perché la forza di gravità del sole li obbliga a rimanere in orbita intorno ad esso.
Nel dibattito della fisica del XVII e XVIII secolo si era alla ricerca di una grandezza fisica che fosse in grado di misurare gli effetti dell'azione di una forza sui corpi, in quanto una forza che agisce su di un corpo avrà l'effetto di modificarne la sua velocità (golf e baseball sono esempi sulla applicazione di una forza atta a modificare la velocità o lo stato di moto di un oggetto).
Per forza oggi intendiamo una grandezza fisica che si manifesta nell'interazione di due o più corpi, ad esempio il protone attira l'elettrone (forza elettromagnetica) o un oggetto cade al suolo attirato dalla forza di gravità del pianeta (forza di gravità). I pianeti secondo Newton, quindi, non vagano nello spazio in linea retta come la propria inerzia dovrebbe indurre perché la forza di gravità del sole li obbliga a rimanere in orbita intorno ad esso.
Nel dibattito della fisica del XVII e XVIII secolo si era alla ricerca di una grandezza fisica che fosse in grado di misurare gli effetti dell'azione di una forza sui corpi, in quanto una forza che agisce su di un corpo avrà l'effetto di modificarne la sua velocità (golf e baseball sono esempi sulla applicazione di una forza atta a modificare la velocità o lo stato di moto di un oggetto).
Dalla forza all'energia: la capacità di compiere un lavoro
Nel 1686 Leibniz introduce il concetto di vis viva (forza viva) in contrapposizione alla vis mortua (forza morta) usata per designare l'inerzia. Secondo Leibniz la forza di movimento si conserva, e viene trasferita da un oggetto all'altro al momento dell'impatto. Leibniz introduce quella che sarà definita energia cinetica, equivalente al prodotto tra la massa e la velocità elevata al quadrato (Ec=1/2 * m * V2). In questo caso la velocità (essendo al quadrato) è più importante della massa, come risulta evidente dal fatto che si preferisca ricevere addosso una palla da un kg lanciata da un giocatore piuttosto che una pallottola da 8 grammi sparata da una pistola.
Ma è con lo sviluppo industriale del 1800 e il perfezionamento della macchina a vapore da parte di James Watt (1736-1819) che ingegneri e fisici svilupparono concetti e formule matematiche che permisero di descrivere le efficienze termiche e meccaniche delle macchine, e i termini energia cinetica, potenziale, termica e meccanica cominciarono a diffondersi in ambito scientifico.
Il fisico inglese James Prescott Joule (1818-1889), motivato in parte da una passione personale e in parte dalle esigenze economiche della birreria di famiglia in cui lavorava, condusse una serie di esperimenti finalizzati a verificare la convenienza della macchina a vapore rispetto al motore elettrico, sviluppato in quegli anni. Dopo una serie di esperimenti con il calorimetro, Joule misurò la trasformazione dell'energia cinetica (movimento) in energia termica (calore), e oltre ad abbandonare l'idea di passare al motore elettrico (il carbone era più economico), propose il primo principio della termodinamica (o principio della conservazione dell'energia) secondo il quale l'energia non può essere ne creata ne distrutta, ma solo trasformata. Di fatto la conversione del calore in movimento è quello che fanno tutte le macchine basate sulla combustione e tutti abbiamo la percezione del primo principio quando una automobile si ferma dopo una frenata: la sua energia cinetica non è scomparsa, ma è stata convertita in energia termica, infatti i dischi dei freni e l'aria circostante avranno una temperatura maggiore di quanto non avevano prima della frenata. Il contrario avviene grazie al motore.
Nel 1686 Leibniz introduce il concetto di vis viva (forza viva) in contrapposizione alla vis mortua (forza morta) usata per designare l'inerzia. Secondo Leibniz la forza di movimento si conserva, e viene trasferita da un oggetto all'altro al momento dell'impatto. Leibniz introduce quella che sarà definita energia cinetica, equivalente al prodotto tra la massa e la velocità elevata al quadrato (Ec=1/2 * m * V2). In questo caso la velocità (essendo al quadrato) è più importante della massa, come risulta evidente dal fatto che si preferisca ricevere addosso una palla da un kg lanciata da un giocatore piuttosto che una pallottola da 8 grammi sparata da una pistola.
Ma è con lo sviluppo industriale del 1800 e il perfezionamento della macchina a vapore da parte di James Watt (1736-1819) che ingegneri e fisici svilupparono concetti e formule matematiche che permisero di descrivere le efficienze termiche e meccaniche delle macchine, e i termini energia cinetica, potenziale, termica e meccanica cominciarono a diffondersi in ambito scientifico.
Il fisico inglese James Prescott Joule (1818-1889), motivato in parte da una passione personale e in parte dalle esigenze economiche della birreria di famiglia in cui lavorava, condusse una serie di esperimenti finalizzati a verificare la convenienza della macchina a vapore rispetto al motore elettrico, sviluppato in quegli anni. Dopo una serie di esperimenti con il calorimetro, Joule misurò la trasformazione dell'energia cinetica (movimento) in energia termica (calore), e oltre ad abbandonare l'idea di passare al motore elettrico (il carbone era più economico), propose il primo principio della termodinamica (o principio della conservazione dell'energia) secondo il quale l'energia non può essere ne creata ne distrutta, ma solo trasformata. Di fatto la conversione del calore in movimento è quello che fanno tutte le macchine basate sulla combustione e tutti abbiamo la percezione del primo principio quando una automobile si ferma dopo una frenata: la sua energia cinetica non è scomparsa, ma è stata convertita in energia termica, infatti i dischi dei freni e l'aria circostante avranno una temperatura maggiore di quanto non avevano prima della frenata. Il contrario avviene grazie al motore.
Uno schizzo dell'apparato di Joule dai suoi appunti. Questa sorta di mulinello in un contenitore isolato termicamente (un calorimetro) permise di dimostrare che l'energia cinetica di un corpo in movimento causa la frizione delle particelle di un liquido e l'innalzamento della temperatura. Fonte http://electrical-engineering-portal.com/
I vestiti, le macchine, le case e gli esseri viventi vanno tenuti in ordine, ovvero deve essere consumata energia per mantenere lo status quo ed evitare il naturale deterioramento. Nel 1865, il fisico Rudolf Clausius chiarì dal punto di vista matematico che un sistema chiuso tende naturalmente ed irreversibilmente al massimo disordine: il secondo principio della termodinamica.
Oltre ad essere la prova matematica che è avvilente entrare nella camera di un adolescente, il secondo principio ci permette di capire perché i gas non hanno un volume proprio e perché la disponibilità di energia utilizzabile può solo diminuire perché una parte di questa viene persa sotto forma di calore.
La combustione di un pezzo di legno, infatti, produce calore, gas e cenere (condizione di maggiore disordine), ma questi ultimi non possono spontaneamente riformare il pezzo di legno (condizione di maggiore ordine). Un gas tende ad espandersi occupando il massimo volume disponibile, mentre non può comprimersi spontaneamente, inoltre mettendo un cubetto di ghiaccio (le cui molecole si agitano meno e quindi sono più ordinate) in una bibita, quest'ultima si raffredda perché il disordine del corpo caldo si espande aumentando il disordine generale del sistema.
Per contrastare il secondo principio, e mantenere i sistemi in ordine, serve energia dall'esterno del sistema. Gli esseri viventi riescono a mantenere una condizione di ordine (le cellule mantengono posizioni e funzioni preordinate dai geni) solo acquisendo continuamente energia dall'esterno (luce solare o cibo). Alla morte dell'organismo, il termine delle reazioni chimiche che forniscono l'energia per contrastare il secondo principio (fermentazione, respirazione cellulare, ecc.) determina la disgregazione del corpo e la naturale progressione verso uno stato di disordine in cui i singoli atomi che costituiscono le molecole delle cellule si disgregano e ritornano alla terra.
Oltre ad essere la prova matematica che è avvilente entrare nella camera di un adolescente, il secondo principio ci permette di capire perché i gas non hanno un volume proprio e perché la disponibilità di energia utilizzabile può solo diminuire perché una parte di questa viene persa sotto forma di calore.
La combustione di un pezzo di legno, infatti, produce calore, gas e cenere (condizione di maggiore disordine), ma questi ultimi non possono spontaneamente riformare il pezzo di legno (condizione di maggiore ordine). Un gas tende ad espandersi occupando il massimo volume disponibile, mentre non può comprimersi spontaneamente, inoltre mettendo un cubetto di ghiaccio (le cui molecole si agitano meno e quindi sono più ordinate) in una bibita, quest'ultima si raffredda perché il disordine del corpo caldo si espande aumentando il disordine generale del sistema.
Per contrastare il secondo principio, e mantenere i sistemi in ordine, serve energia dall'esterno del sistema. Gli esseri viventi riescono a mantenere una condizione di ordine (le cellule mantengono posizioni e funzioni preordinate dai geni) solo acquisendo continuamente energia dall'esterno (luce solare o cibo). Alla morte dell'organismo, il termine delle reazioni chimiche che forniscono l'energia per contrastare il secondo principio (fermentazione, respirazione cellulare, ecc.) determina la disgregazione del corpo e la naturale progressione verso uno stato di disordine in cui i singoli atomi che costituiscono le molecole delle cellule si disgregano e ritornano alla terra.
Aratura in Australia primi '900. Fonte Wikimedia Commons.
Se parlando di un uomo vigoroso i termini "forza", "energia" e "potenza" possono essere considerati sinonimi, in fisica esprimono grandezze molto diverse. Se non ci fosse la forza di gravità l'acqua non scenderebbe dalle montagne, infatti per modificare lo stato di moto o di quiete di un corpo serve una forza. Nel Sistema Internazionale (SI) la forza (F) è definita come il prodotto tra la massa e l'accelerazione, la sua unità di misura è il newton (N) che equivale ad un chilogrammo per metro al secondo quadrato (1N=kg·m/s2).
Con quale forza viene attirata una mela che cade da un tavolo?
Se la mela pesa 100 g, considerando che l'accelerazione di gravità (g) è 9,8m/s2 (approssimiamo a 10) la forza risultante è di
circa 1 newton (N=0,1kg · ~10m/s2).
Forza ed energia sono intimamente collegate, infatti un lanciatore di baseball deve spendere energia per applicare la forza alla palla. Per imprimere una forza serve energia e, in fisica, si definisce oggi l'energia come la capacità di compiere un lavoro, definito a sua volta come il prodotto della forza per lo spostamento: L = F * s.
Un cavallo che traina l'aratro sta certamente lavorando, infatti sta applicando la propria forza muscolare spostandosi avanti e indietro per il campo da arare. Se si aumenta il numero di cavalli o il percorso, si sviluppa più lavoro perché si aumenta la forza o lo spostamento. Il cavallo, l'atleta che lancia una palla o l'aereo che lo ha portato alla sede della gara sono sistemi che compiono un lavoro. Altri sistemi sono il mulino che ha la capacità di applicare la forza (F) della massa d'aria in movimento (vento) lungo il percorso circolare (s) delle pale; una caldaia a vapore applica la forza della massa di vapore in espansione lungo uno spostamento rettilineo (pistone).
Energia e potenza
Pochi sanno che un pugno di biscotti ha più energia di un pugno di tritolo, infatti 100 grammi di biscotti contengono circa 1500 J e la stessa quantità di TNT ne contiene un terzo. Mentre i biscotti ci danno energia per alcune ore, il TNT la sviluppa in una frazione di secondo. Il tempo, per gli imprenditori della Seconda Rivoluzione Industriale a cui Watt (lo sviluppatore della macchina a vapore) tentava di vendere le proprie macchine a vapore, era un aspetto importante. Infatti nelle misurazioni energetiche dal 1800 in poi la potenza, ovvero il tasso o flusso di energia nell'unità di tempo, è la principale grandezza con cui si valuta un motore o una macchina. La prima unità di misura della potenza fu proposta da Watt come cavallo-vapore, unità equivalente ai 33.000 piedi/libbra che un cavallo da mulino opera in un minuto. Watt utilizzò questo termine per l'unità di misura della potenza, al fine di rendere più comprensibile l'utilità della macchina in sostituzione dei cavalli da soma a cui i potenziali acquirenti erano abituati (Smil 2000, p23). Oggi, nel Sistema Internazionale l'unità di misura standard della potenza è il watt (simbolo W) che corrisponde al flusso di energia di un joule al secondo (1W=1J/s).
Spostando la suddetta mela di 100 gr da terra su un tavolo alto un metro nel tempo di un secondo, avremo applicato una energia (lavoro) di un joule alla potenza di un W. Una lampada da 100W converte, ogni secondo, 100 joule di energia elettrica in energia elettromagnetica (luce) e termica (calore). Molto maggiori sono le potenze delle macchine, una stufa a pellet ha una potenza di 6000 W (6 kW) mentre una centrale termoelettrica a carbone 1.000.000.000 W (1 GW)
La potenza energetica può essere collegata ad uno o più tipi di energia, ad esempio una centrale termoelettrica produce una certa quantità di energia sotto forma di calore (energia termica) la quale viene poi convertita dalla turbina in energia elettrica. Per questo motivo spesso di fianco al simbolo viene posta l'indicazione del tipo di potenza: Wt (watt termici, in inglese Wh da heat), Wp (watt di picco), We (watt elettrici).
La potenza di picco è la massima potenza teorica producibile dall'impianto ed è una misura diversa dalla energia erogata. Ad esempio il mio impianto fotovoltaico da 4,7 kWp (di picco) produrrà energia a questa potenza solamente nei momenti di massima insolazione in una giornata tersa a mezzogiorno per il resto della giornata produrrà di meno o di notte non produrrà affatto. Una centrale idroelettrica da 500 MWp rimane ferma per tutto il periodo di ricarica del bacino idroelettrico e la potenza è quindi nulla, mentre una centrale nucleare da 1000 MWp smetterà di produrre nei momenti di manutenzione. Quindi per capire l'effettiva potenzialità di un impianto va analizzata la capacità (o potenza di picco in Wp), ma soprattutto la reale produttività energetica giornaliera o annuale che, come abbiamo visto sopra, si misura in kWh o J erogati.
Le unità di misura dell'energia
Nel Sistema Internazionale (SI) l'unità di misura dell'energia è il Joule (simbolo J), che esprime l'energia usata per esercitare una forza (F) di un newton per una distanza di un metro (1J=1N·m).
Il XIX secolo fu un periodo di rapida evoluzione evoluzione scientifica di diverse discipline e molti studiosi si trovarono a studiare le trasformazioni dell'energia da diversi punti di vista. Tale concomitanza di interessi portò all'esigenza di codificare una serie di unità di misura convenzionali, tra le quali le due opzioni che si affermarono furono l'Unità Termica Inglese o BTU (British Thermal Unity) e la caloria. Quest'ultima equivale alla quantità di energia termica necessaria per aumentare la temperatura di un centimetro cubo di acqua di un grado Celsius da 14,5 a 15,5°C (1 kg di acqua necessita di una chilo-caloria, kcal).
Nonostante il Joule sia l'attuale grandezza fisica dell'energia, l'importanza storica della BTU e della caloria ha fatto resistere queste grandezze fino ad oggi, al punto che nel retro di una barretta di cereali troveremo il contenuto energetico espresso sia in joule sia in chilo-calorie.
Mentre la produzione di calore nei flussi di vapore è generalmente espressa in joule o calorie, chi paga la bolletta elettrica è abituato ad un'altra unità di misura, il chilowattora (kWh), che equivale alla potenza energetica di 1000 watt erogata in un periodo di un ora. 1kWh equivale a 3,6 MJ (milioni di Jolule), valore che deriva dai 1000 W (=1000J/s) moltiplicati per i 3.600 secondi che ci sono in un'ora. Bisogna però porre attenzione al fatto che, nonostante il nome, il kWh non è una misura di potenza come il W, ma una misura di energia come il J.
I fattori di conversione tra le tre unità più utilizzate sono i seguenti:
1 joule = 0,239 calorie (cal)
1 cal = 4,187 J
1 kWh = 3,6MJ
L'energia elettrica è generalmente quantificata in kWh (chilowattora) e per grandi applicazioni industriali in MWh o GWh (rispettivamente mega o gigawattora).
Al distributore di benzina il costo deriva dalla conversione del combustibile in denaro, e dato che i combustibili vengono bruciati per produrre energia di fatto questa è anche misurata in unità di massa o volume. In generale le unità di massa si applicano ai solidi (es. carbone) e quelle di volume ai liquidi o ai gas (es. litri di gasolio o metri cubi di gas), ma vi sono alcune eccezioni come la legna da ardere generalmente misurata in metri cubi o anche in unità di volume locali come il metro stero in Italia o cord negli Stati Uniti. E' abbastanza comune convertire le misure dei combustibili liquidi da litri a tonnellate e viceversa, ma la conversione massa/volume necessita ovviamente la conoscenza della densità del liquido.
I poteri calorifici dei combustibili sono ottenuti con misure di laboratorio e sono molto variabili a seconda del luogo di provenienza e del tipo di trattamento per trasformarlo (ad esempio il carbone antracite ha un potere calorifico maggiore del carbone lignite e il diesel da petrolio maggiore del biodiesel).
Se consideriamo gli ambiti energetici internazionali, in cui vengono commercializzati milioni di tonnellate di petrolio o di petrolio o milioni di metri cubi di gas naturale, risulta evidente che il Joule è una grandezza troppo piccola e quindi scomoda da utilizzare. Per questo in energetica si utilizza spesso la TEP (Tonnellata Equivalente di Petrolio) cioè la quantità di energia rilasciata dalla combustione di una tonnellata di petrolio greggio, valore fissato convenzionalmente a 42 GJ (miliardi di Joule).
Con quale forza viene attirata una mela che cade da un tavolo?
Se la mela pesa 100 g, considerando che l'accelerazione di gravità (g) è 9,8m/s2 (approssimiamo a 10) la forza risultante è di
circa 1 newton (N=0,1kg · ~10m/s2).
Forza ed energia sono intimamente collegate, infatti un lanciatore di baseball deve spendere energia per applicare la forza alla palla. Per imprimere una forza serve energia e, in fisica, si definisce oggi l'energia come la capacità di compiere un lavoro, definito a sua volta come il prodotto della forza per lo spostamento: L = F * s.
Un cavallo che traina l'aratro sta certamente lavorando, infatti sta applicando la propria forza muscolare spostandosi avanti e indietro per il campo da arare. Se si aumenta il numero di cavalli o il percorso, si sviluppa più lavoro perché si aumenta la forza o lo spostamento. Il cavallo, l'atleta che lancia una palla o l'aereo che lo ha portato alla sede della gara sono sistemi che compiono un lavoro. Altri sistemi sono il mulino che ha la capacità di applicare la forza (F) della massa d'aria in movimento (vento) lungo il percorso circolare (s) delle pale; una caldaia a vapore applica la forza della massa di vapore in espansione lungo uno spostamento rettilineo (pistone).
Energia e potenza
Pochi sanno che un pugno di biscotti ha più energia di un pugno di tritolo, infatti 100 grammi di biscotti contengono circa 1500 J e la stessa quantità di TNT ne contiene un terzo. Mentre i biscotti ci danno energia per alcune ore, il TNT la sviluppa in una frazione di secondo. Il tempo, per gli imprenditori della Seconda Rivoluzione Industriale a cui Watt (lo sviluppatore della macchina a vapore) tentava di vendere le proprie macchine a vapore, era un aspetto importante. Infatti nelle misurazioni energetiche dal 1800 in poi la potenza, ovvero il tasso o flusso di energia nell'unità di tempo, è la principale grandezza con cui si valuta un motore o una macchina. La prima unità di misura della potenza fu proposta da Watt come cavallo-vapore, unità equivalente ai 33.000 piedi/libbra che un cavallo da mulino opera in un minuto. Watt utilizzò questo termine per l'unità di misura della potenza, al fine di rendere più comprensibile l'utilità della macchina in sostituzione dei cavalli da soma a cui i potenziali acquirenti erano abituati (Smil 2000, p23). Oggi, nel Sistema Internazionale l'unità di misura standard della potenza è il watt (simbolo W) che corrisponde al flusso di energia di un joule al secondo (1W=1J/s).
Spostando la suddetta mela di 100 gr da terra su un tavolo alto un metro nel tempo di un secondo, avremo applicato una energia (lavoro) di un joule alla potenza di un W. Una lampada da 100W converte, ogni secondo, 100 joule di energia elettrica in energia elettromagnetica (luce) e termica (calore). Molto maggiori sono le potenze delle macchine, una stufa a pellet ha una potenza di 6000 W (6 kW) mentre una centrale termoelettrica a carbone 1.000.000.000 W (1 GW)
La potenza energetica può essere collegata ad uno o più tipi di energia, ad esempio una centrale termoelettrica produce una certa quantità di energia sotto forma di calore (energia termica) la quale viene poi convertita dalla turbina in energia elettrica. Per questo motivo spesso di fianco al simbolo viene posta l'indicazione del tipo di potenza: Wt (watt termici, in inglese Wh da heat), Wp (watt di picco), We (watt elettrici).
La potenza di picco è la massima potenza teorica producibile dall'impianto ed è una misura diversa dalla energia erogata. Ad esempio il mio impianto fotovoltaico da 4,7 kWp (di picco) produrrà energia a questa potenza solamente nei momenti di massima insolazione in una giornata tersa a mezzogiorno per il resto della giornata produrrà di meno o di notte non produrrà affatto. Una centrale idroelettrica da 500 MWp rimane ferma per tutto il periodo di ricarica del bacino idroelettrico e la potenza è quindi nulla, mentre una centrale nucleare da 1000 MWp smetterà di produrre nei momenti di manutenzione. Quindi per capire l'effettiva potenzialità di un impianto va analizzata la capacità (o potenza di picco in Wp), ma soprattutto la reale produttività energetica giornaliera o annuale che, come abbiamo visto sopra, si misura in kWh o J erogati.
Le unità di misura dell'energia
Nel Sistema Internazionale (SI) l'unità di misura dell'energia è il Joule (simbolo J), che esprime l'energia usata per esercitare una forza (F) di un newton per una distanza di un metro (1J=1N·m).
Il XIX secolo fu un periodo di rapida evoluzione evoluzione scientifica di diverse discipline e molti studiosi si trovarono a studiare le trasformazioni dell'energia da diversi punti di vista. Tale concomitanza di interessi portò all'esigenza di codificare una serie di unità di misura convenzionali, tra le quali le due opzioni che si affermarono furono l'Unità Termica Inglese o BTU (British Thermal Unity) e la caloria. Quest'ultima equivale alla quantità di energia termica necessaria per aumentare la temperatura di un centimetro cubo di acqua di un grado Celsius da 14,5 a 15,5°C (1 kg di acqua necessita di una chilo-caloria, kcal).
Nonostante il Joule sia l'attuale grandezza fisica dell'energia, l'importanza storica della BTU e della caloria ha fatto resistere queste grandezze fino ad oggi, al punto che nel retro di una barretta di cereali troveremo il contenuto energetico espresso sia in joule sia in chilo-calorie.
Mentre la produzione di calore nei flussi di vapore è generalmente espressa in joule o calorie, chi paga la bolletta elettrica è abituato ad un'altra unità di misura, il chilowattora (kWh), che equivale alla potenza energetica di 1000 watt erogata in un periodo di un ora. 1kWh equivale a 3,6 MJ (milioni di Jolule), valore che deriva dai 1000 W (=1000J/s) moltiplicati per i 3.600 secondi che ci sono in un'ora. Bisogna però porre attenzione al fatto che, nonostante il nome, il kWh non è una misura di potenza come il W, ma una misura di energia come il J.
I fattori di conversione tra le tre unità più utilizzate sono i seguenti:
1 joule = 0,239 calorie (cal)
1 cal = 4,187 J
1 kWh = 3,6MJ
L'energia elettrica è generalmente quantificata in kWh (chilowattora) e per grandi applicazioni industriali in MWh o GWh (rispettivamente mega o gigawattora).
Al distributore di benzina il costo deriva dalla conversione del combustibile in denaro, e dato che i combustibili vengono bruciati per produrre energia di fatto questa è anche misurata in unità di massa o volume. In generale le unità di massa si applicano ai solidi (es. carbone) e quelle di volume ai liquidi o ai gas (es. litri di gasolio o metri cubi di gas), ma vi sono alcune eccezioni come la legna da ardere generalmente misurata in metri cubi o anche in unità di volume locali come il metro stero in Italia o cord negli Stati Uniti. E' abbastanza comune convertire le misure dei combustibili liquidi da litri a tonnellate e viceversa, ma la conversione massa/volume necessita ovviamente la conoscenza della densità del liquido.
I poteri calorifici dei combustibili sono ottenuti con misure di laboratorio e sono molto variabili a seconda del luogo di provenienza e del tipo di trattamento per trasformarlo (ad esempio il carbone antracite ha un potere calorifico maggiore del carbone lignite e il diesel da petrolio maggiore del biodiesel).
Se consideriamo gli ambiti energetici internazionali, in cui vengono commercializzati milioni di tonnellate di petrolio o di petrolio o milioni di metri cubi di gas naturale, risulta evidente che il Joule è una grandezza troppo piccola e quindi scomoda da utilizzare. Per questo in energetica si utilizza spesso la TEP (Tonnellata Equivalente di Petrolio) cioè la quantità di energia rilasciata dalla combustione di una tonnellata di petrolio greggio, valore fissato convenzionalmente a 42 GJ (miliardi di Joule).
Potere calorifico di alimenti comuni e combustibili.
Le numerose forme di energia
Per ora abbiamo parlato di calore e di movimento, ma è sotto i sensi comuni che l'energia esiste in varie forme, ognuna delle quali possiede una propria equazione fisica che la descrive. Le principali forme di energia, e la loro conversione, vengono di seguito analizzate in dettaglio.
Energia gravitazionale, la gravità è un fenomeno che si manifesta fra corpi dotati di massa e ne determina l'attrazione. In fisica l'energia gravitazionale è quella forma di energia potenziale che possiede un corpo ad una certa distanza da un altro corpo dovuta alla presenza della forza di gravità che determina la loro attrazione.
Energia termica o calore, di fatto è una forma di energia cinetica, dato che è associato al movimento delle molecole di una determinata sostanza: maggiore è il loro movimento maggiore è il calore. Al variare di questa energia le molecole si avvicinano o si allontanano, i legami chimici si formano o si rompono e la sostanza cambia di stato: ad esempio al di sotto degli 0°C l'acqua passa dallo stato liquido a quello solido, al di sopra dei 100°C passa allo stato aeriforme. La totale assenza di movimento delle molecole corrisponde ad un valore teorico irraggiungibile in natura, equivalente allo 0 Kelvin (0 K= -273,15°C).
L'uomo produce calore generalmente attraverso i processi di combustione, ovvero reazioni chimiche in cui carbonio e idrogeno presenti nel combustibile si combinano con l'ossigeno liberando energia termica (calore) e prodotti di reazione quali CO2, acqua e altri prodotti di scarto. La fissione nucleare è un altro modo con cui l'uomo produce calore per fini civili.
Energia chimica, forma di energia caratterizzata dal numero e dal tipo di legami chimici della materia oggetto di analisi. La rottura e la formazione di legami chimici determina l'assorbimento o la cessione di energia e dal punto di vista atomico l'energia chimica è una forma di energia elettrica perché dipende dagli elettroni coinvolti nel legame. Nella fotosintesi, ad esempio, l'energia elettromagnetica solare viene convertita in energia chimica in quanto sei molecole di CO2 e sei di H2O vengono riorganizzate producendo sei molecole di O2 e una grande molecola organica di glucosio (C6H12O6) i cui legami posseggono una maggiore energia chimica dei reagenti iniziali. In questo modo, sul pianeta, alghe e piante producono annualmente 170 miliardi di tonnellate di biomassa. Una parte di questa biomassa viene consumata dagli erbivori per vivere, e da loro fluisce negli ecosistemi passando ai carnivori nella cosiddetta rete alimentare. Una parte della biomassa vegetale ed animale viene accumulata nel terreno e nelle ere geologiche si trasforma in combustibili fossili (carbone, petrolio, gas). Solo una minima parte della biomassa prodotta annualmente dalla fotosintesi è utilizzata dall'uomo in tale forma (biomassa legnosa o cellulosica). La combustione della biomassa o del petrolio è una forma di utilizzo dell'energia chimica dei legami delle molecole organiche della biomassa.
Energia cinetica, potenziale e meccanica. La maggior parte dell'energia presente nell'universo è una combinazione delle prime due. L'energia cinetica è associata ad una massa in movimento, sia essa un proiettile sparato da un cannone, una nuvola che sale lungo il versante di una montagna o un atomo in movimento di una sostanza calda. E' tra le forme di energia più intuitive da percepire e da calcolare in quanto è proporzionale alla massa e alla velocità di un corpo secondo l'equazione Ec=1/2mv2. L'energia potenziale è la potenzialità che un sistema ha di sviluppare energia, ad esempio un soprammobile possiede energia potenziale e nel momento in cui cade l'energia potenziale diventa energia cinetica e, all'impatto con il suolo, diventa energia meccanica (rumore) e termica (si scalda l'aria, il pavimento e l'oggetto). L'energia meccanica è definita come la somma dell'energia cinetica e potenziale di un corpo. Il pendolo è un esempio classico utilizzato per far percepire l'intercambiabilità di queste due forme di energia: al momento della partenza il pendolo è fermo, la sua energia cinetica è nulla e l'energia potenziale massima, nel punto più basso della sua corsa tutta l'energia potenziale è stata convertita in energia cinetica e la velocità è massima, nella seconda parte il pendolo rallenta e l'energia cinetica si riduce per essere ritrasformata in potenziale. L'acqua immagazzinata da una diga rappresenta una forma di energia potenziale, convertita, durante la caduta, in energia cinetica e poi elettrica (una parte, ovviamente, sarà dissipata sotto forma di calore). L'energia cinetica dell'acqua e dell'aria (vento) è utilizzata da millenni nei mulini. L’energia cinetica delle molecole d’acqua in movimento (allo stato di vapore) viene sfruttata ancora oggi per produrre energia termica (calore), l'energia termica viene convertita in energia cinetica grazie al sistema cilindro/pistone, quest'ultimo se collegato ad un albero motore permette la trasformazione dell'energia cinetica in energia meccanica.
Energia elettrica. Coinvolge il (o dipende dal) movimento di cariche elettriche. La forma più comune è l'elettricità ovvero un flusso di elettroni (particelle di carica negativa) da una zona negativa ad una positiva. Il nucleo di ogni atomo è avvolto da una nube di elettroni, alcune sostanze come i metalli hanno la tendenza a perdere gli elettroni più esterni e sono quindi buoni conduttori di corrente. Un fulmine è un flusso di elettroni tra nubi o tra nubi e terreno.
Energia elettromagnetica, forma di energia portata dalla radiazione elettromagnetica dovuta al movimento di cariche. Qualunque oggetto produce una radiazione elettromagnetica (un corpo caldo emette radiazioni ad infrarossi) e i corpi molto caldi emettono ad un numero maggiore di lunghezze d'onda. Grazie all'energia nucleare il sole emette radiazioni in un largo spettro (dalle microonde, alle radio, al visibile ai raggi X), tali radiazioni si propagano per il sistema solare e vengono dai nostri sensi percepite come luce e calore.
Il rendimento delle trasformazioni energetiche
Come ha dimostrato Joule con il suo mulinello le diverse forme di energia possono essere interconvertite. Una stufa a legna converte l'energia chimica del combustibile in energia termica e una lampadina l'energia elettrica in energia elettromagnetica (luce) e energia termica. Il secondo principio della termodinamica, nell'indicare che i sistemi chiusi tendono naturalmente al massimo disordine, spiega anche il basso rendimento delle macchine e delle trasformazioni energetiche in generale. Una macchina infatti ha una efficienza di circa il 10%, ovvero solo un decimo della energia chimica contenuta nel carburante va in energia cinetica (movimento) il resto è infatti disperso sotto forma di calore o rumore.
Il calore (ovvero la disordinata agitazione delle molecole di un corpo o una sostanza) riveste un posto di particolare rilievo nella gerarchia delle trasformazioni energetiche: tutte possono essere trasformate in calore, ma la trasformazione contraria, ovvero del calore in altre forme di energia (chimica, cinetica, elettrica, ecc.) può solo essere incompleta perché solo una parte dell'energia termica iniziale sarà trasformata nella nuova forma. Questo fenomeno, va sotto il nome di declino dell'energia utilizzabile, ed è evidente in un qualunque sistema che produce movimento (lavoro). Sia i muscoli animali sia il motore di una autovettura, sono sistemi che utilizzano l'energia chimica presente negli alimenti o nel petrolio per determinare un movimento (lavoro), ma un parte significativa dell'energia iniziale (generalmente oltre il 70%) viene dispersa nell'ambiente sotto forma di calore e per raffreddarsi gli uomini sudano e le macchine necessitano di sistemi di refrigerazione.
Ogni conversione comporta una perdita di energia (generalmente sotto forma di calore), e il rendimento, o efficienza di conversione, dipende dal rapporto tra l'energia voluta che esce dal sistema (output) e quella che entra (input). Ad esempio una candela dal punto di vista termico è molto efficiente perché il 99,99% dell'energia chimica presente nella cera è convertita in calore, mentre è decisamente poco efficiente come sorgente di luce perché solo lo 0,01% è convertito in onde elettromagnetiche.
In termodinamica l'efficienza di una macchina termica è compresa tra 0 e 1 e per chiarire meglio il discorso consideriamo un impianto a vapore per la produzione di energia elettrica. La caldaia fornisce calore all'acqua per generare vapore ad alta pressione, che genererà corrente elettrica passando in una turbina, per poi essere condensato e rimesso in circolo sotto forma di acqua da riscaldare per generare nuovo vapore. Riferendoci ad un ciclo della macchina introduciamo le seguenti notazioni:
η (si legge mu) = efficienza termica o rendimento
Qh = quantità di calore assorbito dal sistema
Qc = quantità di calore ceduto dal sistema
L'efficienza o rendimento di una macchina termica è quindi così definita: η = 1 - Qc/Qh
Quando Qc è uguale a Qh, ovvero tutta l'energia in input viene dissipata nell'output, il rapporto è uguale a 1 e l'efficienza è uguale a zero (1-1=0) , mentre quando Qc è uguale a zero, ovvero tutta l'energia dell'input è stata trasformata in lavoro o in energia utile, il rapporto è 0 e l'efficienza è massima (1-0=1), valore teorico irraggiungibile in pratica.
Elevata efficienza significa che durante la conversione tra una forma di energia e l'altra una grande parte dell'input energetico iniziale sarà convertito nella forma o nel prodotto desiderato. L'energia non presente nell'output non verrà perduta, ma, seguendo il primo e il secondo principio della termodinamica, sarà dispersa sotto altre forme, tra cui la principale è il calore.
Nel funzionamento di una macchina termica sono presenti molti effetti: moti turbolenti delle particelle, attriti, conduzione di calore attraverso le pareti del sistema. Sebbene la formula ci permette di stabilire un limite superiore teorico (=1) al rendimento di una macchina termica, i suddetti fenomeni di dispersione determinano imprecisioni nel calcolo dell'efficienza per la quale servono formule più specialistiche e complesse. Ciononostante, assumendo che il vapore acqueo si comporti come un gas perfetto e la macchina sia perfettamente coibentata, possiamo calcolare il rendimento in funzione delle temperature iniziale e finale del gas:
η = 1 - Tc/Th
Un ragionamento analogo viene fatto per il calcolo dell'efficienza di altre tipologie di conversione, come nel caso del fotovoltaico. Questa tecnologia, permette la produzione di energia elettrica sfruttando l'energia associata alla radiazione incidente su particolari pannelli costituiti da materiali semiconduttori i quali sono in grado di generare una una corrente elettrica se colpiti da radiazioni elettromagnetiche (energia solare). In questo tipo di conversione l'efficienza è calcolata mediante la formula:
η = W/G*A
Dove:
G = energia associata alla radiazione incidente in W/m2,
A = superficie del pannello fotovoltaico in m2 e W è il lavoro prodotto, ovvero la potenza elettrica generata in watt.
La resistenza del tostapane o del ferro da stiro trasforma energia elettrica in calore con un efficienza altissima (superiore al 90%), una efficiente centrale a ciclo combinato (turbogas) può convertire l'energia chimica del carburante in calore con una efficienza del 95% (Smil 2006, p14) e del 60% per arrivare anche alla produzione di energia elettrica. I muscoli trasformano l'energia chimica in movimento con una efficienza del 30%, il resto viene dissipato in calore che, quando in eccesso, deve essere allontanato dal corpo tramite la sudorazione; infatti negli animali omeotermi circa il 50% dell'energia chimica presente negli alimenti viene utilizzata per il solo mantenimento della temperatura basale. La fotosintesi è un esempio di processo naturale a bassa efficienza, con un valore teorico massimo del 4% (al netto delle perdite respiratorie). Ma questo è un valore di picco in condizioni ideali, infatti i campi agricoli in condizioni ottimali di irrigazione e fertilizzazione raggiungono il 2%. Le produttive foreste tropicali raggiungono il 1,5%, ma a livello globale se si considera la naturale presenza dei periodi freddi, delle nuvole e dei periodi di siccità, sul pianeta la capacità di conversione in ambito terrestre è lo 0,33% della luce solare che raggiunge il suolo e dato che il fitoplancton trasforma l'energia solare in fito-massa con una efficienza inferiore allo 0,1%, la media per l'intera biosfera è dello 0,2% (Larkin et al. 2004, p. 113, Smil 2006 p50).
Per una macchina termica l'efficienza del 100% significherebbe una conversione completa del calore in lavoro senza cedere calore all'esterno, cioè Qc=0, in conclusione non esiste alcun sistema, naturale o artificiale, che possa vantare questo livello di efficienza.
Per ora abbiamo parlato di calore e di movimento, ma è sotto i sensi comuni che l'energia esiste in varie forme, ognuna delle quali possiede una propria equazione fisica che la descrive. Le principali forme di energia, e la loro conversione, vengono di seguito analizzate in dettaglio.
Energia gravitazionale, la gravità è un fenomeno che si manifesta fra corpi dotati di massa e ne determina l'attrazione. In fisica l'energia gravitazionale è quella forma di energia potenziale che possiede un corpo ad una certa distanza da un altro corpo dovuta alla presenza della forza di gravità che determina la loro attrazione.
Energia termica o calore, di fatto è una forma di energia cinetica, dato che è associato al movimento delle molecole di una determinata sostanza: maggiore è il loro movimento maggiore è il calore. Al variare di questa energia le molecole si avvicinano o si allontanano, i legami chimici si formano o si rompono e la sostanza cambia di stato: ad esempio al di sotto degli 0°C l'acqua passa dallo stato liquido a quello solido, al di sopra dei 100°C passa allo stato aeriforme. La totale assenza di movimento delle molecole corrisponde ad un valore teorico irraggiungibile in natura, equivalente allo 0 Kelvin (0 K= -273,15°C).
L'uomo produce calore generalmente attraverso i processi di combustione, ovvero reazioni chimiche in cui carbonio e idrogeno presenti nel combustibile si combinano con l'ossigeno liberando energia termica (calore) e prodotti di reazione quali CO2, acqua e altri prodotti di scarto. La fissione nucleare è un altro modo con cui l'uomo produce calore per fini civili.
Energia chimica, forma di energia caratterizzata dal numero e dal tipo di legami chimici della materia oggetto di analisi. La rottura e la formazione di legami chimici determina l'assorbimento o la cessione di energia e dal punto di vista atomico l'energia chimica è una forma di energia elettrica perché dipende dagli elettroni coinvolti nel legame. Nella fotosintesi, ad esempio, l'energia elettromagnetica solare viene convertita in energia chimica in quanto sei molecole di CO2 e sei di H2O vengono riorganizzate producendo sei molecole di O2 e una grande molecola organica di glucosio (C6H12O6) i cui legami posseggono una maggiore energia chimica dei reagenti iniziali. In questo modo, sul pianeta, alghe e piante producono annualmente 170 miliardi di tonnellate di biomassa. Una parte di questa biomassa viene consumata dagli erbivori per vivere, e da loro fluisce negli ecosistemi passando ai carnivori nella cosiddetta rete alimentare. Una parte della biomassa vegetale ed animale viene accumulata nel terreno e nelle ere geologiche si trasforma in combustibili fossili (carbone, petrolio, gas). Solo una minima parte della biomassa prodotta annualmente dalla fotosintesi è utilizzata dall'uomo in tale forma (biomassa legnosa o cellulosica). La combustione della biomassa o del petrolio è una forma di utilizzo dell'energia chimica dei legami delle molecole organiche della biomassa.
Energia cinetica, potenziale e meccanica. La maggior parte dell'energia presente nell'universo è una combinazione delle prime due. L'energia cinetica è associata ad una massa in movimento, sia essa un proiettile sparato da un cannone, una nuvola che sale lungo il versante di una montagna o un atomo in movimento di una sostanza calda. E' tra le forme di energia più intuitive da percepire e da calcolare in quanto è proporzionale alla massa e alla velocità di un corpo secondo l'equazione Ec=1/2mv2. L'energia potenziale è la potenzialità che un sistema ha di sviluppare energia, ad esempio un soprammobile possiede energia potenziale e nel momento in cui cade l'energia potenziale diventa energia cinetica e, all'impatto con il suolo, diventa energia meccanica (rumore) e termica (si scalda l'aria, il pavimento e l'oggetto). L'energia meccanica è definita come la somma dell'energia cinetica e potenziale di un corpo. Il pendolo è un esempio classico utilizzato per far percepire l'intercambiabilità di queste due forme di energia: al momento della partenza il pendolo è fermo, la sua energia cinetica è nulla e l'energia potenziale massima, nel punto più basso della sua corsa tutta l'energia potenziale è stata convertita in energia cinetica e la velocità è massima, nella seconda parte il pendolo rallenta e l'energia cinetica si riduce per essere ritrasformata in potenziale. L'acqua immagazzinata da una diga rappresenta una forma di energia potenziale, convertita, durante la caduta, in energia cinetica e poi elettrica (una parte, ovviamente, sarà dissipata sotto forma di calore). L'energia cinetica dell'acqua e dell'aria (vento) è utilizzata da millenni nei mulini. L’energia cinetica delle molecole d’acqua in movimento (allo stato di vapore) viene sfruttata ancora oggi per produrre energia termica (calore), l'energia termica viene convertita in energia cinetica grazie al sistema cilindro/pistone, quest'ultimo se collegato ad un albero motore permette la trasformazione dell'energia cinetica in energia meccanica.
Energia elettrica. Coinvolge il (o dipende dal) movimento di cariche elettriche. La forma più comune è l'elettricità ovvero un flusso di elettroni (particelle di carica negativa) da una zona negativa ad una positiva. Il nucleo di ogni atomo è avvolto da una nube di elettroni, alcune sostanze come i metalli hanno la tendenza a perdere gli elettroni più esterni e sono quindi buoni conduttori di corrente. Un fulmine è un flusso di elettroni tra nubi o tra nubi e terreno.
Energia elettromagnetica, forma di energia portata dalla radiazione elettromagnetica dovuta al movimento di cariche. Qualunque oggetto produce una radiazione elettromagnetica (un corpo caldo emette radiazioni ad infrarossi) e i corpi molto caldi emettono ad un numero maggiore di lunghezze d'onda. Grazie all'energia nucleare il sole emette radiazioni in un largo spettro (dalle microonde, alle radio, al visibile ai raggi X), tali radiazioni si propagano per il sistema solare e vengono dai nostri sensi percepite come luce e calore.
Il rendimento delle trasformazioni energetiche
Come ha dimostrato Joule con il suo mulinello le diverse forme di energia possono essere interconvertite. Una stufa a legna converte l'energia chimica del combustibile in energia termica e una lampadina l'energia elettrica in energia elettromagnetica (luce) e energia termica. Il secondo principio della termodinamica, nell'indicare che i sistemi chiusi tendono naturalmente al massimo disordine, spiega anche il basso rendimento delle macchine e delle trasformazioni energetiche in generale. Una macchina infatti ha una efficienza di circa il 10%, ovvero solo un decimo della energia chimica contenuta nel carburante va in energia cinetica (movimento) il resto è infatti disperso sotto forma di calore o rumore.
Il calore (ovvero la disordinata agitazione delle molecole di un corpo o una sostanza) riveste un posto di particolare rilievo nella gerarchia delle trasformazioni energetiche: tutte possono essere trasformate in calore, ma la trasformazione contraria, ovvero del calore in altre forme di energia (chimica, cinetica, elettrica, ecc.) può solo essere incompleta perché solo una parte dell'energia termica iniziale sarà trasformata nella nuova forma. Questo fenomeno, va sotto il nome di declino dell'energia utilizzabile, ed è evidente in un qualunque sistema che produce movimento (lavoro). Sia i muscoli animali sia il motore di una autovettura, sono sistemi che utilizzano l'energia chimica presente negli alimenti o nel petrolio per determinare un movimento (lavoro), ma un parte significativa dell'energia iniziale (generalmente oltre il 70%) viene dispersa nell'ambiente sotto forma di calore e per raffreddarsi gli uomini sudano e le macchine necessitano di sistemi di refrigerazione.
Ogni conversione comporta una perdita di energia (generalmente sotto forma di calore), e il rendimento, o efficienza di conversione, dipende dal rapporto tra l'energia voluta che esce dal sistema (output) e quella che entra (input). Ad esempio una candela dal punto di vista termico è molto efficiente perché il 99,99% dell'energia chimica presente nella cera è convertita in calore, mentre è decisamente poco efficiente come sorgente di luce perché solo lo 0,01% è convertito in onde elettromagnetiche.
In termodinamica l'efficienza di una macchina termica è compresa tra 0 e 1 e per chiarire meglio il discorso consideriamo un impianto a vapore per la produzione di energia elettrica. La caldaia fornisce calore all'acqua per generare vapore ad alta pressione, che genererà corrente elettrica passando in una turbina, per poi essere condensato e rimesso in circolo sotto forma di acqua da riscaldare per generare nuovo vapore. Riferendoci ad un ciclo della macchina introduciamo le seguenti notazioni:
η (si legge mu) = efficienza termica o rendimento
Qh = quantità di calore assorbito dal sistema
Qc = quantità di calore ceduto dal sistema
L'efficienza o rendimento di una macchina termica è quindi così definita: η = 1 - Qc/Qh
Quando Qc è uguale a Qh, ovvero tutta l'energia in input viene dissipata nell'output, il rapporto è uguale a 1 e l'efficienza è uguale a zero (1-1=0) , mentre quando Qc è uguale a zero, ovvero tutta l'energia dell'input è stata trasformata in lavoro o in energia utile, il rapporto è 0 e l'efficienza è massima (1-0=1), valore teorico irraggiungibile in pratica.
Elevata efficienza significa che durante la conversione tra una forma di energia e l'altra una grande parte dell'input energetico iniziale sarà convertito nella forma o nel prodotto desiderato. L'energia non presente nell'output non verrà perduta, ma, seguendo il primo e il secondo principio della termodinamica, sarà dispersa sotto altre forme, tra cui la principale è il calore.
Nel funzionamento di una macchina termica sono presenti molti effetti: moti turbolenti delle particelle, attriti, conduzione di calore attraverso le pareti del sistema. Sebbene la formula ci permette di stabilire un limite superiore teorico (=1) al rendimento di una macchina termica, i suddetti fenomeni di dispersione determinano imprecisioni nel calcolo dell'efficienza per la quale servono formule più specialistiche e complesse. Ciononostante, assumendo che il vapore acqueo si comporti come un gas perfetto e la macchina sia perfettamente coibentata, possiamo calcolare il rendimento in funzione delle temperature iniziale e finale del gas:
η = 1 - Tc/Th
Un ragionamento analogo viene fatto per il calcolo dell'efficienza di altre tipologie di conversione, come nel caso del fotovoltaico. Questa tecnologia, permette la produzione di energia elettrica sfruttando l'energia associata alla radiazione incidente su particolari pannelli costituiti da materiali semiconduttori i quali sono in grado di generare una una corrente elettrica se colpiti da radiazioni elettromagnetiche (energia solare). In questo tipo di conversione l'efficienza è calcolata mediante la formula:
η = W/G*A
Dove:
G = energia associata alla radiazione incidente in W/m2,
A = superficie del pannello fotovoltaico in m2 e W è il lavoro prodotto, ovvero la potenza elettrica generata in watt.
La resistenza del tostapane o del ferro da stiro trasforma energia elettrica in calore con un efficienza altissima (superiore al 90%), una efficiente centrale a ciclo combinato (turbogas) può convertire l'energia chimica del carburante in calore con una efficienza del 95% (Smil 2006, p14) e del 60% per arrivare anche alla produzione di energia elettrica. I muscoli trasformano l'energia chimica in movimento con una efficienza del 30%, il resto viene dissipato in calore che, quando in eccesso, deve essere allontanato dal corpo tramite la sudorazione; infatti negli animali omeotermi circa il 50% dell'energia chimica presente negli alimenti viene utilizzata per il solo mantenimento della temperatura basale. La fotosintesi è un esempio di processo naturale a bassa efficienza, con un valore teorico massimo del 4% (al netto delle perdite respiratorie). Ma questo è un valore di picco in condizioni ideali, infatti i campi agricoli in condizioni ottimali di irrigazione e fertilizzazione raggiungono il 2%. Le produttive foreste tropicali raggiungono il 1,5%, ma a livello globale se si considera la naturale presenza dei periodi freddi, delle nuvole e dei periodi di siccità, sul pianeta la capacità di conversione in ambito terrestre è lo 0,33% della luce solare che raggiunge il suolo e dato che il fitoplancton trasforma l'energia solare in fito-massa con una efficienza inferiore allo 0,1%, la media per l'intera biosfera è dello 0,2% (Larkin et al. 2004, p. 113, Smil 2006 p50).
Per una macchina termica l'efficienza del 100% significherebbe una conversione completa del calore in lavoro senza cedere calore all'esterno, cioè Qc=0, in conclusione non esiste alcun sistema, naturale o artificiale, che possa vantare questo livello di efficienza.
Rendimenti di alcuni processi di trasformazione dell'energia.
Glossario sull'energia
- Costante solare - Il termine definisce la quantità di radiazione elettromagnetica solare (tutte le radiazioni e quindi non solo il visibile) che arriva alla terra per unità di superficie. Per convenzione la misurazione viene fatta immediatamente all'esterno dell'atmosfera terrestre e il valore misurato dai satelliti è di 1366,9 W/m2 (dati NASA, Spinelli et al. 2007). Il valore della costante solare varia dello 6,9% durante l'anno (da 1,412 W/m2 a gennaio a 1,321 W/m2 a luglio) a causa della variazione della distanza terra-sole, oltre ad una lieve variazione della luminanza solare (poche parti su mille) da un giorno all'altro.
- Combustibile - Sostanza chimica che viene ossidata nel processo di combustione (una reazione chimica di ossidazione) con produzione di energia termica. Nella struttura di un combustibile tradizionale è accumulata energia chimica ad alta concentrazione. In particolari condizioni di alta temperatura e adeguata presenza di sostanza comburente (es. ossigeno), avviene una reazione di ossidoriduzione esotermica (con produzione di calore). Come sottoprodotto di questo processo di combustione si ottengono sostanze a più basso livello energetico (es. CO2 e H2O) che si disperdono nell'ambiente. I combustibili si classificano in solidi, liquidi e gassosi. Per estensione vengono detti combustibili nucleari quelle sostanze con le quali si produce energia attraverso una reazione nucleare.
- Carburante - Indica il combustibile utilizzato per l'alimentazione dei motori a combustione interna. Il termine deriva dal fatto che nella maggior parte dei casi la capacità energetica dei combustibili dipende dall'apporto di carbonio non combinato con l'ossigeno. Per questo motivo nel motore endotermico, ha preso il nome di carburatore l'organo che serve per dosare il carburante e l'aria comburente, prima della immissione in camera di combustione. I carburanti più comuni sono: idrocarburi fossili (liquidi o gassosi) derivati dal petrolio quali oli pesanti, gasolio, kerosene, benzina, gas di petrolio liquefatti, metano; l'idrogeno; i derivati di composti vegetali, alcoli derivati dalla fermentazione dei carboidrati, biodiesel.
- Comburente - Sostanza che agisce come agente ossidante di un combustibile in una reazione di combustione. Senza di esso, la combustione non ha luogo. Il comburente più comune è l'ossigeno dell'aria, ma anche altre sostanze possono comportarsi da comburenti (nitriti, fluoro, ozono, ecc.).
- Cogenerazione - Produzione e consumo contemporaneo di diverse forme di energia secondaria (energia elettrica, meccanica o termica) partendo da un'unica fonte in un unico sistema integrato. Un esempio è dato dal funzionamento di un'automobile, la potenza prelevata dall'albero motore è usata per la trazione, per la produzione di elettricità, mentre il gas in uscita dai cilindri è usato per il riscaldamento dell'abitacolo e per muovere la turbina di sovralimentazione. In applicazioni industriali la cogenerazione viene realizzata in particolari centrali termoelettriche, dove si recuperano l'acqua calda od il vapore di processo e/o i fumi, prodotti da un motore primo alimentato a combustibile (gas naturale, olio combustibile, biomasse, biogas, ecc.) al fine di risparmiare energia rispetto alla produzione separata dell'energia elettrica (in una centrale elettrica) e dell'energia termica (in una centrale termica tradizionale). Un particolare campo dei sistemi di cogenerazione è quello della trigenerazione.
- Combined Heat and Power (CHP) - Si intende la generazione simultanea, da parte di un impianto, di energia elettrica (o meccanica) e calore (energia termica), utilizzando un unico tipo di combustibile, sia esso fossile o rinnovabile. In italiano è sinonimo di cogenerazione.
- Energia - Il termine greco energheia fu coniato da Aristotele (384-322 a.C.) unendo en (particella intensiva) ed ergon (azione). In fisica l'energia è la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro, grandezza fisica la cui definizione è all'interno di questo glossario. L'energia esiste in varie forme, ognuna delle quali possiede una propria equazione dell'energia; le principali forme di energia sono: energia termica, meccanica, elettrica, chimica, nucleare, luminosa, biochimica. L'energia si misura in Joule, e la potenza energetica, ovvero il flusso di energia per unità di tempo, si misura in Watt. Di seguito analizziamo le forme più comuni di energia.
- Energia cinetica - Forma di energia associata ad una massa in movimento equivale alla metà del prodotto tra la massa e il quadrato della velocità del corpo Ec=1/2mv2.
- Energia elettrica - Forma di energia che coinvolge il movimento di cariche elettriche. La forma più comune è quella di un flusso di elettroni (particelle di carica negativa) da una zona negativa ad una positiva. Un fulmine è un flusso di elettroni tra nubi o tra nubi e terreno.
- Energia idraulica - L'energia che deriva dall'acqua sotto forma di energia cinetica, gradiente di temperatura o di salinità. Nella forma di energia cinetica è stata utilizzata per millenni. Ancora oggi, nelle più sofisticate centrali nucleari viene utilizzata l'acqua per produrre energia termica ed elettrica.
- Energia termica o calore - E' sostanzialmente una forma di energia cinetica in quanto è relativa al movimento delle particelle (atomi o molecole) di cui è costituita una determinata sostanza. Maggiore è il movimento delle particelle più elevata è la temperatura della sostanza. Il calore nei sistemi antropici è generalmente derivato dai processi di combustione ovvero reazioni chimiche in cui carbonio e idrogeno presenti nel combustibile si combinano con l'ossigeno liberando energia termica (calore) e prodotti di reazione quali CO2, acqua e altri prodotti di scarto.
- Fonte di energia (fuel) - In realtà non esistono fonti di energia perché l'energia non viene prodotta, ma più semplicemente possono esservi metodi di conversione dell'energia da un tipo ad un altro. Tuttavia nel linguaggio corrente i combustibili (fossili o nucleari) sono le principali e primarie fonti di energia, inoltre, con la locuzione "energia + aggettivo” si intende la fonte attraverso cui è possibile una produzione di energia (calore, lavoro o elettricità). Esempi di fonti sono quindi anche l'energia idraulica, geotermica, eolica, solare, mareomotrice, ecc.
- Joule (J) - dal fisico inglese James Prescott Joule, unità di misura dell'energia in forma di lavoro che nel SI esprime l'energia usata per esercitare una forza di un newton per una distanza di un metro (1 J=1 N/m).
- Lavoro (L) - In meccanica classica è l'applicazione di una forza costante (F), lungo un percorso o spostamento (S). Il lavoro (L=FS) è quindi una grandezza definita dal prodotto della forza per lo spostamento, la sua unità di misura nel SI è il Joule (J).
- Nm3 - normal metro cubo, cioè 1 metro cubo (1000 litri) di gas in condizioni normali (0°C e 1 atmosfera di pressione). La normalizzazione serve perché le sostanze aeriformi variano il volume in modo significativo al variare della pressione e della temperatura, per cui per capire la quantità di inquinanti emessi da una centrale in (PM10, SOX, CO2, ecc.) si deve indicare sia il volume (m3) sia la temperatura e la pressione in cui si trovano i gas. Per semplicità si standardizza il dato su emissioni o densità energetiche per metro cubo di aeriforme (es. NOX/m3 di gas emessi o Joule/m3 di biogas prodotti) alle condizioni standard.
- Sistema Internazionale (SI) - Il Sistema internazionale di unità di misura è il più diffuso tra i sistemi di unità di misura. Nasce nel 1889 e comprendeva solo le unità fondamentali di lunghezza, massa e tempo. Oggi l'SI è basato su sette grandezze fisiche fondamentali lunghezza (metro), massa (chilogrammo), intervallo di tempo (secondo), intensità di corrente (ampere), temperatura assoluta (kelvin), quantità di sostanza (mole), intensità luminosa (candela).
- Solidi Volatili (SV) - Termine utilizzato nella trasformazione di biomasse in biogas, sta ad indicare la frazione di sostanza secca costituita da sostanza organica degradabile.
- TEP - Tonnellate Equivalenti di Petrolio (TOE in inglese Ton of Oil Equivalent). I diversi combustibili e le diverse forme di energia hanno grandezze diverse, poteri calorifici ed efficienze diverse (ad es. il petrolio si misura in barili il gas naturale in metri cubi, l'uranio in kg, il vento in metri/secondo). Per poter confrontare le diverse forme di energia prodotta si relativizza tutto al petrolio e quindi anche l'energia di impianto fotovoltaico può essere misurata in equivalenti quantità (ton) di petrolio.
- Watt (W) - da James Watt per il suo contributo nello sviluppo della macchina a vapore, unità di misura della potenza del SI che equivale a 1 joule al secondo (W=J/s). In unità elettriche la potenza di un watt equivale ad un voltampere (W=VA). La potenza può inoltre essere di tipo termico (Wt), elettrico (We) o rappresentare la potenza di picco (o capacità) dell'impianto (Wp).