Energia

Energia:  Cos’è, come si produce e i vari tipi di Energia

L’Energia è una grandezza fisica indicata normalmente con la lettera E.

L’energia contenuta in un sistema non è misurabile, ma può essere determinata mediante un calcolo o tramite la misurazione del lavoro da essa compiuta.

Il termine

La parola “energia” deriva dal greco “energeia”, una parola che appare per la prima volta negli scritti di Aristotele (384-322 a.C.) dove indica lo spirito divino o la forza che trasforma l’ipotetico in realtà.

Il concetto moderno dell’energia che si è formato nell’Ottocento è invece di natura materialistica e si è sviluppato insieme alla costruzione e all’uso delle macchine a vapore. L’inglese Thomas Young aveva proposto, già nel 1802, di chiamare “energy” la capacità delle macchine di compiere un lavoro. La definizione più generale come “capacità di compiere un lavoro” è stato invece proposta dal francese Jean. V. Poncelet nel 1829, ma solo in riferimento all’energia meccanica.

Oggi, l’energia è definita come la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro: per compiere un lavoro si ha bisogno d’energia. In questo senso, il termine energia è stato usato, nel 1852, dal fisico scozzese William John Rankine.

Un interpretazione particolare l’energia la ricevette con la teoria della relatività di Albert Einstein (1879-1955). La famosa formula di Einstein E = m ˇ c2 stabilisce un diretto rapporto tra energia e materia. L’energia contenuta in un corpo è uguale alla sua massa (m) moltiplicata con il quadrato della velocità della luce (c). Ai corpi corrisponde quindi una quantità d’energia intrinseca. Energia e massa sono quindi equivalenti o, in altre parole, sono le due facce della stessa moneta.
Forme di energia

Si distinguono varie forme d’energia: meccanica, termica, elettrica, magnetica, chimica, nucleare, radiazione, ecc. Alcune di esse possono essere trasformate in un’altra. L’energia meccanica può essere totalmente trasformata in energia termica (calore), ma non il calore in energia meccanica. L’energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma in un’altra, quindi si conserva.

Energia meccanica

L’energia di un sistema meccanico può essere sempre definita come la somma di energia cinetica ed energia potenziale. Questi due termini sono usati sia nella meccanica classica che nel meccanica quantistica

  • Energia cinetica: è determinata dal moto di un sistema relativo ad un altro e dalla sua massa; è composta dall’energia traslazionale e di energia di rotazione.
  • Energia potenziale: dipende dalla configurazione delle componenti del sistema fisico, per esempio un peso posto sopra una mensola possiede una energia potenziale pari al prodotto della sua massa per l’accelerazione di gravità e per la sua quota.
  • Energia oscillatoria: l’energia potenziale di un pendolo oscilla tra quella in posizione di massima ampiezza e quella cinetica in posizione di equilibrio.
  • Energia elastica: è l’energia potenziale degli atomi e delle molecole di un corpo elastico deformato, sposti dalla loro stato di quiete. Un esempio è una molla. L’energia immagazzinata (o liberata) nella deformazione elastica o plastica di un corpo è generalmente detta energia di deformazione.
  • Energia acustica: a causa dell’elasticità di un copro solido o a causa della compressione di un liquido e di un gas, gli atomi vibrano nel ritmo di una certa frequenza attorno alla loro posizione di equilibrio.
  • Energia ondulatoria: il termine è riferito non solo ad onde acustiche, ma anche a tutti i fenomeni ondulatori con estensione spaziale, per esempio le onde d’acqua e le onde elettromagnetiche.

Energia termica

L’energia termica è quella intrinseca del moto caotico di atomi e molecole di un corpo. Le manifestazioni dell’energia termica sono descritti dalla termodinamica. Un evidente esempio dei complessi fenomeni fisici osservabili è lo scioglimento di ghiaccio e la formazione di vapore dall’acqua bollente a seguito della fornitura di energia termica.

Energia elettrica e magnetica

  • L’energia elettrica è contenuta, come energia potenziale, nel campo elettrostatico di cariche elettriche.
  • L’energia magnetica è contenuta nel campo magnetico.
  • Energia elettromagnetica: l’energia elettrica alterna nel ritmo della frequenza con l’energia magnetica per induzione. Questo avviene in circuiti elettrici e anche nello spazio in cui si estende il campo elettromagnetico. Nell’ultimo caso si parla di radiazione elettromagnetica e di luce, se la frequenza si trova nella banda visibile.

Energia di legame

  • Energia chimica: energia che mantiene insieme gli atomi e molecole in una sostanza. Si libera in reazioni esotermici e deve essere fornita in reazioni endotermici.
  • Energia nucleare: energia che lega i protoni e i neutroni nel nucleo atomico. Nelle reazioni nucleari l’energia di legame è trasferito a nuovi nuclei atomici e liberata sotto forma di differenti tipi di radiazione.

Equivalenza massa-energia

Massa ed energia sono equivalenti (Albert Einstein): E = mc2. Questo fatto è sfruttato tecnicamente, per esempio, nella fissione e nella fusione nucleare. Le variazioni di energia in un sistema fisico e le contemporanee variazioni della sua massa speso non sono misurabili con l’attuale strumentazione, ad eccezione nella fisica nucleare e in alcuni casi dell’astrofisica. In molte branche della fisica l’energia e la massa sono misurate usando grandezze naturali c\equiv 1, \hbar\equiv 1 in fisica nucleare si usa l’unità di misura dell’elettronvolt (eV).
Trasformazione di energia
L’energia non può essere né creata e né distrutta, ma solo trasformata da una forma in un’altra. Questo principio della conservazione dell’energia vale per tutti i sistemi fisici isolati ed è uno degli enunciati sperimentalmente più approvati della fisica. In sistemi aperti, l’energia ha la tendenza di riempire uniformemente lo spazio disponibile. Le regolarità fisiche osservabili che avvengono in questo processo portano al concetto dell’entropia, una grandezza delle termodinamica che descrive lo stato di un sistema.

La trasformazione di energia può avvenire spontaneamente (per esempio, trasformazione dell’energia elettrica in energia termica per effetto Joule) oppure richiedere macchine apposite (per esempio conversione di energia elettrica in energia meccanica). Per ogni trasformazione è possibile calcolarne il rendimento, che misura quanta parte dell’energia immessa in una forma è stata convertita nella forma finale. Nel caso di trasformazione spontanea, il rendimento è sempre del 100%, altrimenti esso dipende dai dispositivi usati per la trasformazione e dalle forme iniziali e finali di energia. Fra le varie forme di energia quella termica ha una posizione particolare, tutte le altre possono trasformarsi spontaneamente e completamente in energia termica, mentre non è vero il contrario. L’energia termica è legata al moto disordinato e spontaneo delle particelle che compongono il sistema (per esempio, le molecole di un gas), quindi è la forma di energia più “disordinata” o, come si dice anche, più “degradata”.

La trasformazione per ottenere energia utile è normalmente più complessa e si svolge in diverse tappe. Per produrre energia elettrica si trasforma normalmente energia chimica (petrolio, gas naturale, carbone, ecc.) in calore (vapore) che muove le turbine generando energia meccanica che, da parte sua, aziona dei generatori elettrici.

In un motore a combustione interna, solo il 28% circa dell’energia chimica (benzina, gasolio) immessa è trasformata in energia meccanica (utile) che fa muovere il veicolo, l’altra parte viene dissipata sotto forma di calore e di gas di scarico, ambedue non più sfruttabili. Non molto maggiore è il rendimento delle centrali termoelettriche che è di circa il 30-35 %. Molto più efficienti sono invece le centrali idroelettriche che trasformano l’energia cinetica dell’acqua (energia primaria) in energia elettrica. Il loro rendimento può raggiungere oltre l’80%.

Energia Eolica

L’energia eolica è sfruttata dall’uomo già da tempi remoti (imbarcazioni a vela, mulini a vento, ecc.) e che, allo stato attuale della tecnologia, sembra essere la piů vicina alla competitività con le fonti tradizionali per la produzione di energia elettrica, almeno in quei siti che presentano caratteristiche favorevoli. L’energia eolica viene oggi sfruttata con l’impiego di aerogeneratori (o generatori eolici), apparecchi in cui il vento mette in rotazione delle pale le quali azionano un alternatore che a sua volta produce corrente elettrica alternata.  L’installazione di generatori eolici conviene solo  in quei luoghi dove il vento soffia con una velocitŕ di almeno 3,5 m/s per almeno 2000 h/anno.

Energia fossile

Energia fossile è detta quella contenuta nelle materie organiche fossili (petrolio, carbone, gas naturale) ed è attualmente l’energia più usata. Viene trasformata per combustione in energia termica, più facilmente utilizzabile, sia direttamente per il riscaldamento sia per essere trasformata in energia meccanica (motori a combustione) e/o in energia elettrica (centrali termoelettriche).

La rapiditù con la quale vengono attualmente sfruttate le fonti fossili, pur abbondanti in natura, fa prevedere un loro rapido esaurimento in tempi abbastanza brevi. Il loro sfruttamento in processi di combustione aumenta inoltre il contenuto di biossido di carbonio (CO2) nell’atmosfera che determina principalmente l’effetto serra. Per questa ragione, oggi, si promuove l’uso delle energie rigenerabili, quali l’energia solare, idraulica, geotermica ed eolica.

Energia geotermica

L’energia geotermica deriva dal calore terrestre e in particolare dalla differenza della temperatura a diverse profondità. Accumulata nella crosta terrestre, viene continuamente alimentata dal flusso di calore proveniente dal mantello e dal nucleo del pianeta. Le manifestazioni più evidenti dell’energia geotermica sono i fenomeni vulcanici, primari e secondari, anche la dinamica delle zolle crostali, che determina i terremoti, la formazione delle montagne, delle fosse oceaniche, dei rift, ecc. dipende da questa forma di energia.

L’energia geotermica è considerata rinnovabile e sfruttabile praticamente solo nei casi in cui acque calde arrivano dalle profondità alla superficie, come avviene nelle stazioni idrotermali e nei geyser. L’impiego è particolarmente diffuso in Islanda sia per riscaldare gli edifici (teleriscaldamento) che per produrre energia elettrica. In Italia l’energia geotermica è utilizzata su scala industriale solo nelle stazioni idrotermali e nelle centrali geotermoelettricche.

Anche il calore contenuto nelle acque di falda può considerarsi energia geotermica. La temperatura di queste acque non è molto elevata, ma, in inverno, supera notevolmente quella dell’aria. Questa differenza di temperatura consente lo sfruttamento del calore tramite pompe di calore. Per arrivare alla falda acquifera è necessaria la costruzione di pozzi (in certi casi anche profondi); perciò la realizzazione esige una perizia idrogeologica e una speciale licenza.

Le risorse

La temperatura nel nucleo della Terra ammonta a 4.500 – 6.500°C (secondo le differenti stime). Quasi dappertutto, in una profondità di 1000 metri, la temperatura del sottosuolo è compresa tra i 35 °C e i 40 °C. In particolari condizioni geologiche, la temperatura può raggiungere valori tra 100°C e 400°C. Il flusso di calore che raggiunge la superficie ammonta nella media a 0,063 W/m2.
Sfruttamento
L’energia geotermica viene sfruttata già da millenni. Già i romani, i cinesi e gli ottomani la sfruttavano nelle applicazioni. A Chaudes-Aigues nella Francia centrale si trova la prima rete di teleriscaldamento geotermico della storia, risalente al secolo XIV. Il primo sfruttamento per produrre corrente elettrica lo incontriamo a Lardarello in Toscana. Nel 1913, il conte Piero Ginori Conti vi costruisse una centrale nella quale le turbine a vapore generavano una potenza di 220 kW. Sotto la Toscana s’incontrano la zolla continentale nordafricana e quella eurasica con la conseguenza che il magma si trova in poca profondità e l’alta temperatura del sottosuolo rende economico lo sfruttamento dell’energia geotermica.

Il leader mondiale dello sfruttamento dell’energia geotermica è però l’Islanda dove la potenza installata ammonta a 200 MWe pro capite. Negli Stati Uniti è installata una potenza di 2.000 MWe e, su scala mondiale, la potenza installata ammonta a 8.200 MWe. Le cifre riportate si riferiscono all’anno 2000.

Il calore della crosta terrestre può essere sfruttato per il riscaldamento e per la produzione di corrente elettrica. Bisogna distinguere tra sfruttamento superficiale e di profondità dell’energia geotermica. Lo sfruttamento superficiale serve prevalentemente per il riscaldamento, mentre quello di profondità per ottenere calore di processo e la successiva generazione di elettricità.

Energia idraulica

Energia rinnovabile ottenuta dall’energia cinetica dell’acqua e sfruttata già da molti secoli tramite mulini ad acqua. L’energia cinetica dell’acqua è dovuta all’energia solare e a quella gravitazionale. L’acqua, evaporata dai mari e dagli oceani per azione dell’energia solare, precipita sotto forma di piogge e nevi sulle elevazioni della Terra dalle quali scorre a valle a causa della gravitazione. L’acqua in discesa (fiumi) o in caduta libera (cascate, bacini idrici artificiali) viene usata, nelle centrali idroelettriche, per mettere in rotazione delle turbine collegate ad alternatori che generano corrente elettrica alternata che puň essere trasferita, via cavo, a lunghe distanze. Alcune centrali idroelettriche, poste sulla costa, sfruttano l’energia delle maree e delle onde.

Le grandi centrali idroelettriche sono molto efficienti, perché hanno un alto grado di rendimento (fino al 90%). Le dighe costruite per accumulare l’acqua possono deturpare il paesaggio e i laghi artificiali possono provocare cambiamenti climatici locali. Vi sono perň anche piccole centrali che sfruttano la corrente di fiumi e di ruscelli. Queste piccole centrali rallentano il deflusso dell’acqua e hanno un impatto ambientale minimo.

Energia nucleare

Dell’energia nucleare è attualmente sfruttabile solo quella termica prodotta nelle reazioni di fissione nucleare di materiale radioattivo (principalmente uranio). Il calore riscalda un fluido contenuto in un circuito primario che lo trasmette tramite scambiatori a un circuito secondario in cui scorre acqua che, trasformata in vapore, aziona delle turbine collegate ad un alternatore che genera energia elettrica. L’uranio potrebbe generare, attraverso tecnologie avanzate, quantità tali di energia da poter essere considerato energeticamente inesauribile, ma lo sfruttamento dell’energia nucleare risultante dalla fusione nucleare è ancora ben lontano da consentire un impiego tecnologico.

L’uranio è una fonte di energia non rinnovabile. Dalle reazioni nucleari derivano altre sostanze radioattive che sono molto persistenti e molto tossiche (per es. plutonio, tempo di dimezzamento 24.400 anni). Dalle centrali nucleari derivano inoltre grandi quantità di rifiuti contaminati (materiale di ricambio e di consumo) per lo smaltimento dei quali si cercano ancora metodi e siti sicuri. Allo stato attuale la maggior parte delle scorie radioattive e dei rifiuti contaminati vengono stoccati in depositi provvisori.

La fissione nucleare

Questo processo ha luogo nei reattori delle centrali nucleari paragonabile a vere e proprie caldaie, che trasferiscono l’energia, sotto forma di calore, a un fluido termovettore (comunemente questo è acqua); questo a sua volta, genera, in uno scambiatore di calore esterno, vapore acqueo che, espandendosi in una turbina, collegata ad un alternatore consente di produrre energia elettrica in modo del tutto simile a quello che avviene in una centrale alimentata con combustibile fossile.

I reattori nucleari possono basarsi su tecnologie abbastanza diverse, ma alla lunga le numerose tipologie si sono ridotte e quelle che monopolizzano oggi il mercato sono solo due: il Pressurized Water Reactor (PWR), basato sull’acqua in pressione, e il Boiling Water Reactor (BWR), basato su acqua bollente, con una crescente preferenza per il primo.

Lo sviluppo delle centrali nucleari

La possibilità di sfruttare l’energia nucleare venne intuita con la scoperta del neutrone e con la dimostrazione che, bombardando i nuclei con questa particella, si poteva facilmente dare corso a reazioni nucleari. Tra le varie reazioni si scoprě alla fine del 1938 quella della fissione, che avveniva con l’uranio-235, isotopo presente solo nella percentuale dello 0,7% nell’uranio naturale. La fissione venne inizialmente utilizzata per produrre la bomba atomica e solo nel dopoguerra si pensò al suo sfruttamento per usi pacifici.

La diffusione delle centrali nucleari commerciali avvenne soprattutto a partire degli anni 60, quando i costi per la produzione di energia nucleare divennero competitivi con quelli delle centrali elettriche convenzionali. I paesi che detenevano la tecnologia nucleare in campo militare (USA, Gran Bretagna, Canada, Francia e Unione Sovietica) furono i primi a realizzare centrali nucleari, ma le preoccupazioni per i rischi ambientali connessi a guasti o incidenti e a conseguente fuga di radiazione ha favorito lo sviluppo di un movimento antinucleare su scala mondiale. L’Italia, che era stata tra i paesi aderenti all’iniziativa “Atoms for Peace” avviata dagli USA nel 1958, ha bloccato l’installazione sul proprio territorio di nuove centrali nucleari in seguito al referendum svoltosi nel 1987.

La fusione nucleare

Finora, malgrado decenni di sforzi da parte dei ricercatori di tutto il mondo, non è ancora stato possibile realizzare, in modo stabile, reazioni di fusione controllata, e quindi sfruttabile, sul nostro pianeta. è invece attualmente possibile ottenere grandi quantità di energia attraverso reazioni di fusione incontrollate, come ad esempio nella bomba all’idrogeno.

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