Circolo Didattico “G.Capponi”
Catania
Progetto MIUR per la diffusione della cultura scientifica
L’ENERGIA E’ LA POSSIBILITA’ DI UNA SOSTANZA, DI UN OGGETTO O DI UN
INSIEME DI OGGETTI DI FORNIRE “LAVORO” , CIOE’ CALORE O MOVIMENTO.
LA PAROLA ENERGIA PROVIENE DAL GRECO “ENÉRGEIA” CHE SIGNIFICA
“FORZA IN AZIONE”.
NULLA PUÒ ACCADERE SENZA ENERGIA.
PER FAR MUOVERE O MODIFICARE QUALCOSA, PER FONDERE IL BURRO, PER
FAR VOLARE UN RAZZO, PER FAR FUNZIONARE UN OTTO VOLANTE O PER
VIVERE, OCCORRE ENERGIA.
L’energia termica o calorica è dovuta all’agitazione microscopica delle molecole: ad
esempio l’acqua che bolle e ci riscalda.
L’energia chimica è quella contenuta in certe sostanze, in particolare quelle che
bruciano, come il legno, lo zucchero e il petrolio, o che esplodono come la dinamite.
L’energia elettrica è un’energia naturale, facilmente osservabile quando si esprime
attraverso un fulmine.
Prodotta industrialmente, è la forma di energia più facile da trasportare e di uso
universale. Essa, infatti, aziona le macchine, dai treni elettrici ai minicalcolatori, così
come fa accendere la luce e fa funzionare le radio.
L’energia meccanica o movimento è quella contenuta in un oggetto che si muove.
Un’automobile lanciata a 150 km all’ora possiede una quantità di energia tale da
provocare un incidente molto grave. Lo stesso può succedere a un pattinatore lanciato
ad alta velocità.
L’energia idraulica è quella fornita dall’acqua corrente o da una cascata. L’acqua è in
grado
di
generare
lavoro
quando
cade
dall’alto
verso
il
basso.
Gli uomini primitivi non conoscevano altra energia se non
quella contenuta nei cibi o nei raggi del Sole. La loro vita subì
una svolta decisiva quando poco più di 500.000 anni fa
scoprirono e riuscirono a domare il fuoco, poi impararono a
mantenerlo vivo ed a utilizzarlo per riscaldarsi, fare luce e
cucinare.
Circa 8000-10.000 anni fa , l’uomo riuscì ad addomesticare
alcuni animali e cominciò a coltivare la terra, utilizzando la loro
forza. Essi, divennero la fonte di energia che poteva trainare
l’aratro, trasportare materiali o attingere l’acqua dai pozzi.
La legna divenne così la prima fonte di energia nella storia In quel periodo, l’uomo costruì i primi vasi con l’argilla che,
grazie al calore del fuoco prodotto dalla legna,si trasforma in
dell’umanità.
terracotta.
Le antiche civiltà progressivamente impararono a utilizzare altre forme di energia: innanzitutto il vento, che spinge le prime
barche a vela e i primi mulini a vento.
Successivamente, sfruttando la forza dell’acqua per azionare delle ruote a pale, riuscirono a far risalire l’acqua per irrigare i
campi o per azionare i meccanismi dei mulini. La forza dell’acqua, in seguito, fu utilizzata per trasportare i tronchi d’albero,
facendoli galleggiare nei fiumi, dalle zone in alta montagna verso le pianure o le foci dove si trovavano i cantieri per la
costruzione di imbarcazioni.
Con l’invenzione della ruota e la scoperta della leva, l’uomo scopre come sfruttare l’energia necessaria per eseguire i lavori.
Archimede, nel 250 a.C. affermava: : “ Datemi una leva e vi solleverò il mondo”.
Soltanto nel XVII secolo, l’uomo realizzò nuove scoperte ed
invenzioni: gli inglesi cominciarono a sfruttare sistematicamente
l’energia posseduta dal carbone.
Nel 1769 l’inglese J. Watt realizza la prima macchina a vapore.
Nel 1896 Henri Becquerel, nel 1898 Pierre e Marie Curie
scoprono e studiano il fenomeno della radioattività e l’energia
nucleare connessa a questo fenomeno.
Nel 1934
Frédéric e Irene Joliot- Curie scoprono la
radioattività artificiale che contribuì a migliorare le terapie e
la diagnostica medica.
Il secolo XIX segna una svolta decisiva nell’impiego
dell’energia,
in
particolare
grazie
al
carbone.
E’ il secolo della rivoluzione industriale e di numerose
scoperte scientifiche e tecniche: i motori
a vapore
alimentarono i primi treni, navi e i macchinari industriali
(macchine tessili).
All’inizio del XX secolo viene scoperta l’energia legata
all’elettricità e si impara a produrla e ad usarla.
Anche la scoperta del petrolio risale a quel periodo; grazie
alle sue proprietà si ha lo sviluppo dei primi motori a
benzina e a gasolio e le prime automobili.
L’energia derivata dalla radioattività permise di realizzare la prima bomba a uranio nel 1942 per scopi militari e fu utilizzata per
distruggere Hiroshima e Nagasaki nel 1945.
Nel 1951, per la prima volta, l’energia nucleare è messa a servizio della produzione di elettricità e della propulsione delle navi.
Il Sole è la nostra stella e ci fornisce la maggior parte dell’energia che consumiamo:
ogni forma di vita, vegetale, animale o umana dipende da esso.
L’energia del Sole proviene da reazioni nucleari che avvengono al suo interno.
Il calore e la luce, che si sprigionano dai suoi raggi sono indispensabili per la vita di
tutte le creature della Terra.
Poiché il Sole provoca l’evaporazione dell’acqua della superficie dei mari, è all’origine del ciclo dell’acqua di cui
utilizziamo l’energia grazie alle dighe.La clorofilla capta l’energia luminosa, fabbricando le sostanze nutritive delle
piante. Il Sole e la clorofilla sono anche alla base della formazione di carbone, petrolio e gas naturale: le cosiddette
energie fossili che noi consumiamo in gran quantità.
Il Sole che è alla base di quasi tutte le risorse energetiche, invia
energia raggiante sotto forma di luce e radiazione infrarossa. Tale
energia può essere convertita direttamente in energia termica nei
pannelli solari per il riscaldamento dell’acqua o in energia elettrica
attraverso le celle fotovoltaiche.
Esistono
poi
degli
speciali
pannelli,
detti
pannelli
fotovoltaici, che trasformano
direttamente l’energia solare in
energia elettrica.
Alcune centrali solari sono composte da un grande numero di specchi che raccolgono
la luce del Sole e la focalizzano su un unico punto, dove si trova una caldaia. Questa
caldaia può raggiungere temperature di centinaia di gradi, e la forza del vapore
bollente viene usata per far girare le turbine a vapore che muovono i generatori di
energia elettrica.
Sono
I collettori solari sono delle strutture che trasformano l’energia solare in calore, e
vengono usati nelle località abbastanza esposte al Sole per produrre acqua calda e
riscaldare le abitazioni.
Un tipo di collettore solare è formato da una superficie nera che assorbe la luce e si
riscalda facilmente, attraversata da una rete di tubicini nei quali scorre l’acqua. In
questo modo l’acqua si riscalda e può essere immessa nei termosifoni o nell’impianto
dell’acqua calda di una casa.
costituiti
da speciali
materiali a base di silicio, molto
costosi.
Il vento è una fonte di energia inesauribile e non inquinante che già nell’antichità
fu utilizzata per la navigazione a vela e per far funzionare i mulini.
L’aggettivo eolico deriva da Eolo che nella mitologia greca era il dio dei venti.
Il vento è una massa d’aria in movimento che possiede energia meccanica e può trasmetterla se incontra un ostacolo,
come una vela o la pala di una struttura eolica.
Il vento ha origine dal riscaldamento da parte del Sole delle masse d’aria che subiscono differenze di pressione e di
temperatura. Nei luoghi dove l’aria è più calda (aree cicloniche), essa, essendo più leggera tende a sollevarsi. Ecco che
il vuoto che così verrebbe a formarsi richiama subito dell’aria fredda dalle località meno riscaldate dal sole (aree
anticicloniche).
QUESTI SPOSTAMENTI D’ARIA SONO APPUNTO I VENTI.
La velocità del vento è tanto più elevata quanto maggiore è la differenza di pressione e quanto le due aree sono
vicine. Uno speciale strumento, l’anemometro, misura la velocità dei venti in metri e minuti secondi.
I primi mulini a vento sono
stati costruiti in Persia nel
sesto secolo e quando si
diffusero in Europa furono
applicati a diverse macchine
che macinavano il grano,
spremevano
le
olive,
pompavano acqua dai pozzi,
segavano il legno e la pietra.
Ma
con
l’avvento
della
macchina a vapore, che non
dipendeva dai capricci del
vento e forniva più energia dei
mulini,
essi
vennero
abbandonati.
I moderni mulini a vento si chiamano
generatori
eolici:
normalmente
hanno
un’elica con due o tre pale a passo variabile,
che può essere adattata automaticamente
alle
varie velocità del vento. Un computer
provvede a controllare l’inclinazione di
queste pale e l’orientamento del mulino
rispetto al vento per ottenere il massimo
rendimento.
IL MOVIMENTO ROTATORIO DELLE PALE METTE IN MOTO UN
GENERATORE CHE PRODUCE ELETTRICITÀ.
Ogni volta che viene compiuto un lavoro, una certa quantità di energia si
trasforma ( per esempio da energia potenziale in energia cinetica, o da energia
chimica in energia elettrica) e ogni volta che avviene una trasformazione
l’energia che si può trasformare di nuovo per produrre lavoro è sempre di
meno. Questo accade perché durante ogni trasformazione una certa quantità di
energia si trasforma in calore,(o energia termica), che non è possibile usare.
Pensiamo ad una torcia elettrica accesa:
l’energia chimica contenuta nella pila si
trasforma in energia elettrica; l’energia elettrica
passa nel filamento della lampadina e si
trasforma in energia radiante (luce) e in energia
termica. Ora, è impossibile che l’energia
radiante o l’energia termica ritornino ad essere
l’energia chimica di partenza percorrendo il
cammino inverso. Per questo, ogni volta che si
produce lavoro si dice che
“si consuma”
energia, anche se l’energia totale si conserva.
Le piante assorbono l’energia
del Sole per crescere e un po’ di
questa
energia
viene
immagazzinata dalla pianta.
LA CLOROFILLA TRASFORMA
L’ENERGIA
DEL
SOLE
IN
ZUCCHERO.
L’APPORTO DI ENERGIA CAMBIA LO STATO DELLA MATERIA
Se riscaldiamo un cubetto di ghiaccio, lo vediamo fondere e
trasformarsi in acqua. Continuiamo a riscaldare: ecco che
l’acqua bolle e “scompare” , trasformata in vapore acqueo.
Ghiaccio, acqua e vapore sono tre stati differenti della stessa
materia: un cambiamento che si verifica tramite apporto di
energia.
L’energia potenziale è l’energia immagazzinata, pronta per agire.
Esiste energia potenziale nel legno, nel carbone e negli altri combustibili, ad esempio, e
anche nel cibo, conservata nella loro composizione chimica. Vi è energia potenziale anche
in un elastico attorcigliato o in una molla compressa; vi è energia nel nucleo di un atomo
(energia nucleare). Qualunque oggetto posto in alto rispetto al livello del suolo possiede
energia potenziale gravitazionale, che può trasformarsi in energia cinetica quando esso
cade a causa della gravità.
L’energia cinetica è l’energia di ciò che è in movimento.
Una bicicletta che si muove possiede energia cinetica e così una
palla che rotola, un proiettile sparato o una roccia che cade.
DALL’ENERGIA POTENZIALE ALL’ ENERGIA CINETICA
Uno sciatore, che si trova in cima ad una collina, possiede una energia potenziale dovuta alla sua
posizione e alla sua massa; la sua energia cinetica è però nulla poiché è fermo.
Quando inizia la discesa, via via che perde quota diminuisce anche la sua energia potenziale.
L’energia complessiva si conserva perché aumenta l’energia cinetica, in quanto la velocità
aumenta progressivamente: l’energia potenziale si trasforma in energia cinetica e la somma
rimane costante.
In fondo alla discesa, lo sciatore avrà energia potenziale nulla, ma avrà la massima energia
cinetica. Gli inevitabili attriti con la neve e la resistenza dell’aria in realtà sottraggono energia
allo sciatore, ma il principio di conservazione dell’energia mantiene la sua validità poiché
l’energia meccanica persa viene convertita in energia termica.
Quando
vengono
aperti
gli
sbarramenti
di
una
diga,
l’acqua
scorre.
L ’energia potenziale, che l’acqua possedeva quando era trattenuta in montagna, si trasforma in
energia - movimento durante la caduta.
Questa energia viene trasmessa alla turbina che la trasferisce a un alternatore che, a sua volta, la
trasforma in energia elettrica. Dopo il trasporto, anche questa elettricità sarà trasformata nel
movimento di un motore, in calore o in luce.
L’ELETTRICITA’ ESISTE IN DUE FORME:
STATICA
DINAMICA
cioè che si accumula
Durante i temporali il
cielo
si
carica
di
elettricità,
che
si
accumula nelle nuvole e
nell’aria
umida:
è
elettricità
statica.
Questa si scarica poi al
suolo tramite il fenomeno
del
fulmine.
Il fulmine, identificato da
un lampo di luce, è una
corrente
elettrica
portatrice di una grande
quantità di energia che
non siamo in grado di
dominare.
cioè che si muove corre lungo un
conduttore: la corrente elettrica
Le batterie, quando sono cariche,
contengono elettricità statica. Se
si installa in un apparecchio,
questo ne consumerà l’elettricità
sotto forma di corrente che passa
nel circuito elettrico
dell’apparecchio e la batteria
progressivamente si scaricherà.
La
corrente
elettrica
è
elettricità che si sposta: si
tratta di un fenomeno fisico che
corrisponde a uno spostamento
di
elettroni
lungo
un
conduttore.
Un conduttore è un materiale che conduce elettricità, come i
metalli: rame, ferro alluminio,… Anche l’acqua salata e il corpo
umano sono conduttori, ecco perché rischiamo di essere
folgorati!!!
Le sostanze che non conducono elettricità sono dette isolanti,
come il vetro, i materiali plastici e l’aria.
La corrente elettrica viene prodotta nelle centrali termiche,
bruciando carbone, gas o nafta o nelle centrali nucleari.
La geotermia consiste nello sfruttare il calore naturale interno
della terra per riscaldare le abitazioni e produrre elettricità.
L’energia geotermica sfrutta il calore proveniente dal
riscaldamento intenso e localizzato di alcune zone superficiali
della crosta terrestre dove sono presenti delle falde acquifere.
L’acqua, trasformata in vapore surriscaldato e sotto pressione,
fuoriesce in modo naturale o mediante delle perforazioni
artificiali sotto forma di geyser, trasferendo il calore sotterraneo
in calore utilizzabile.
Il vapore in pressione viene utilizzato nelle centrali
geotermoelettriche per produrre energia elettrica, mentre
l’acqua termale può essere impiegata direttamente per il
riscaldamento. Negli impianti geotermoelettrici, il vapore
proveniente dal sottosuolo viene filtrato e depurato dai sali
disciolti. Poi attraverso uno scambiatore di calore, esso cede il
suo calore per produrre dell’altro vapore che viene immesso
nelle turbine accoppiate ai generatori elettrici.
La geotermia costituisce una fonte energetica marginale da utilizzare solo in limitati contesti territoriali.
La geotermia è la fortuna energetica dell’Islanda, che basa l'intera sua esistenza sul naturale equilibrio tra la
presenza di acqua calda in profondità e l'atmosfera esterna sotto zero.
Il più grande complesso geotermico al mondo, The Geysers, si trova in California e riesce a soddisfare le
richieste energetiche dell'area metropolitana di San Francisco.
In Italia la produzione di energia elettrica dalla geotermia è fortemente concentrata in Toscana. A Larderello si
trova uno dei primi impianti geotermici al mondo: i primi esperimenti del Principe Piero Ginori-Conti risalgono
al 1904.
I combustibili fossili, cioè carbone, petrolio e gas naturali, si sono formati nel
corso delle ere geologiche, ossia decine di milioni di anni fa.
Le energie fossili si sono formate per accumulazione e decomposizione di materie
organiche d’origine vegetale e animale.
L’energia che contengono proviene, quindi, come per gli altri esseri viventi,
dall’energia solare captata dalla clorofilla, poi trasformata in energia chimica
contenuta nel carbone, nel petrolio e nei gas.
Le energie fossili contengono carbonio: esse
energia per combustione, cioè bruciando.
utilizzate sia direttamente, come il carbone
raffinate, come il petrolio, che viene
butano,bitume,…
liberano e trasmettono la loro
Queste risorse preziose sono
e il gas, sia dopo essere state
lavorato in nafta, benzine,
La loro combustione permette di riscaldare gli edifici, di cuocere gli alimenti e
le materie prime, di fare funzionare i motori a combustione
( automobili,
aerei, locomotive a gasolio,..) e di produrre elettricità in abbondanza nelle
centrali termiche.
L’energia fossile è una risorsa non rinnovabile e molto inquinante: alcuni
prodotti di rifiuto della combustione sono nocivi per l’ambiente e per la
salute dell’uomo.
Anche gli stessi lavori di estrazione possono
danneggiare seriamente la natura, come le grandi macchie di petrolio
che a volte fuoriescono dalle piattaforme di estrazione o dalle petroliere.
Ogni sostanza è costituita da molecole ed ogni molecola da atomi.
L’atomo è divisibile: esso è composto da una parte centrale, il nucleo,
attorno a cui ruotano, come i pianeti attorno al sole, altri microscopici
corpuscoli, gli elettroni.
Il nucleo è formato di protoni e di neutroni, tenuti insieme dalle forze
nucleari.
L’energia nucleare è quella liberata dai nuclei delle sostanze
radioattive, che, trasformandosi, sprigionano particelle e radiazioni
portatrici
di
energia.
Uno di questi processi, la fissione, è la reazione utilizzata nelle
centrali nucleari a partire dall’uranio come combustibile.
Quando il numero di protoni è molto elevato, il nucleo è instabile e può trasformarsi spontaneamente in un sistema
più stabile.
I processi che avvengono all’interno di un nucleo alla ricerca della stabilità sono:
EMISSIONE DI
PARTICELLE ALFA
consistenti ciascuna
in due protoni e due
neutroni
EMISSIONE DI
PARTICELLE BETA
che sono elettroni
derivanti dalla
trasformazione di
un neutrone in un
protone
FISSIONE
in due o più
frammenti
accompagnati
dall’emissione di
neutroni
Grazie a speciali apparecchi, reattori nucleari o pile atomiche, gli scienziati hanno imparato a disintegrare
artificialmente l’atomo e ad imprigionare una parte della sua energia trasformandola in calore, destinato a generare
corrente elettrica, a far funzionare turbine e caldaie, a muovere il motore dei sommergibili e delle navi mercantili.
L’energia nucleare è applicata anche in agricoltura ed in medicina; per la cura del cancro vengono sfruttati gli isotopi
radioattivi.