Circolo Didattico “ G.Capponi ” Catania

1. Circolo Didattico “G.Capponi” Catania Dall’energia,la vita Progetto MIUR per la diffusione della cultura scientifica

2. CHE COSA E' L'ENERGIA? 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.

3. STORIA DELL' ENERGIA 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. La legna divenne così la prima fonte di energia nella storia dell’umanità. 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. In quel periodo, l’uomo costruì i primi vasi con l’argilla che, grazie al calore del fuoco prodotto dalla legna,si trasforma in 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. 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. 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. 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.

4. SOLE: ENERGIA DELLA VITA 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 inenergia termicanei pannelli solari per il riscaldamento dell’acqua o in energia elettricaattraverso le celle fotovoltaiche. Esistono poi degli speciali pannelli, detti pannelli fotovoltaici, che trasformano direttamente l’energia solare in energia elettrica. Sono costituiti da speciali materiali a base di silicio, molto costosi. 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. 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.

5. ENERGIA EOLICA 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 nelsesto 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.

6. L'ENERGIA SI TRASMETTE E SI TRASFORMA 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.

7. ENERGIA POTENZIALE E CINETICA 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.

8. ENERGIA ELETTRICA 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 cioè che si accumula DINAMICA cioè che si muove corre lungo un conduttore: la corrente elettrica 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. La corrente elettrica è elettricità che si sposta: si tratta di un fenomeno fisico che corrisponde a uno spostamento di elettroni lungo un conduttore. 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. 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.

9. ENERGIA GEOTERMICA 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.

10. ENERGIE FOSSILI 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 liberano e trasmettono la loro energia per combustione, cioè bruciando. Queste risorse preziose sono utilizzate sia direttamente, come il carbone e il gas, sia dopo essere state raffinate, come il petrolio, che viene lavorato in nafta, benzine, butano,bitume,… 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.

11. ENERGIA NUCLEARE 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, glielettroni. 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 BETAche sono elettroni derivanti dalla trasformazione di un neutrone in un protone FISSIONE in due o più frammenti accompagnati dall’emissione di neutroni EMISSIONE DI PARTICELLE ALFAconsistenti ciascuna in due protoni e due 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.