Cenni Storici sull’ENERGIA
Corso in Efficienza Energetica
Ing. Fabio Agosta
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L'energia elettrica dei fulmini : l'uomo preistorico impara a conservarlo e ad accenderlo egli stesso, mediante la scintilla prodotta per sfregamento di frammenti di selce: si inaugura l'era energetica del legno.
La scintilla (dal latino scintilla) è una scarica elettrica fra due conduttori con diverso potenziale che si propaga attraverso un dielettrico generalmente gassoso come l'aria.
Data una regione di spazio in cui è presente un campo elettrico, potenziale elettrico in un punto è il valore dell'energia potenziale elettrica rilevato da una carica elettrica positiva di prova posta in quel punto per unità di carica, ossia è il lavoro che deve compiere una forza per spostare una o più cariche dall'infinito ad un punto finale. volt
Mito di Prometeo 2
Nel mondo antico la parola energia, che deriva dal greco energheia, era utilizzata prevalentemente per intendere la capacità di agire o la forza espressiva dell'uomo (Aristotele).
Oggi "l'energia è la misura del lavoro che un corpo è in grado di compiere“ L = F S
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Prima Macchina : LA LEVA E’ costituita da un corpo rigido girevole attorno ad un punto o asse fisso (FULCRO)
La leva è in equilibrio solo se il Momento Risultante è nullo.
Leva di primo, secondo o terzo genere a secondo della posizione relativa di fulcro (O), Potenza (F) e Resistenza (R).
I genere II genere
III genere
ab
RFbRaFOMM RF =⇒=⇒=+
indifferente
I genere
vantaggiosa
svantaggiosa
Potenza Resistenza
II genere
Carrucola mobile
Paranco
FM=FR/2n
SEMPRE VANTAGGIOSE
FM=FR/2
III genere
SEMPRE SVANTAGGIOSE
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La situazione prima di Galilei e di Newton
• Ogni elemento ha una sua posizionenaturale: la terra e l’acqua sotto, l’aria e ilfuoco sopra.
• Ogni elemento cerca di raggiungere la suaposizione naturale dopo di che rimane inquiete
• Lo stato naturale dei corpi è la quiete• Per far muovere un corpo o per mantenerlo
in moto occorre esercitare un’azione su diesso!
• Il moto dei corpi celesti era assicurato daschiere di angeli (o dei) che spingevano ipianeti, il sole (Apollo con il carro) e le stellenel loro moto attorno alla terra.
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La visione attuale • La visione attuale è condensata
nelle tre leggi di Newton.• Questi vanno considerati come
dei postulati, dei principifondamentali, non dimostrabili,formulati sulla base delleintuizioni di grandi fisici, Galilei,Newton, da cui si possono fardiscendere tutte le altre leggi chedescrivono i fenomeni particolari(compresa la conservazionedell’ENERGIA).
• E’ dunque il confronto delleprevisioni dedotte dai principifondamentali con i risultati diesperimenti che ci permette diapprezzare la correttezza deipostulati iniziali.
I leg
ge d
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ton
II le
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di N
ewto
n
III l
egge
di N
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dal 2 millennio avanti al XIX secolo
Ab origine fino ad oggi
644 a.C.
1600 d.C.
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Sistema costituito da atomi di He che con processi di FUSIONE producono uno spettro elettromagnetico completo, oltre ad emettere particelle elementari (e,ν, etc.) . L’ENERGIA trasportata può essere calcolata da facilmente da :
E=hν [con νλ=c]
L'enorme progresso tecnico-scientifico che si realizza nel Rinascimento e nei secoli successivi determina la trasformazione delle vecchie botteghe artigiane in piccole industrie, e aumenta la domanda di energia. Le ruote ad acqua si perfezionano, si moltiplicano, forniscono abbondante energia meccanica (Esempi)
Nel 1275 Marco Polo vede usare in Cina il carbon fossile come combustibile In Europa l'uso su grande scala inizia dopo il 1400, nelle fabbriche di armi del Belgio.
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100 A.C.
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Tendenza evolutiva nell’impiego delle fonti
di energia dal 1850-1950
1 legno 2 andracite 3 carbone 4 petrolio
5 gas a.f= altre fonti
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Produzioni di potenza dal 1850- 1950
1 legno 2 andracite 3 carbone 4 petrolio
5 gas 6 idraulica
7 eolica 8 animale 9 umana
a.f= altre fonti
1950
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GRU PER INNALZARE PERTICHE
La lunga pertica viene alzata, dalla base, per mezzo di una fune, collegata orizzontalmente al rullo di un argano. Le stesse ruote intervengono a ridurre l'attrito e a diminuire la fatica da impiegare.
GRU CON ARGANO CENTRALE
questa macchina fa parte delle gru che Leonardo aveva osservato durante il periodo trascorso a Firenze.
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ALZACOLONNE
una serie di viti, permettono in maniera semplice e sicura di sollevare una colonna e di poggiarla sopra la sua base.
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macchina a vapore di Watt nel 1765.
trasformare il moto rettilineo alternato dello stantuffo nel moto rotatorio continuo di un volano. Introdusse il "doppio effetto", ovvero l'immissione di vapore in maniera alternata alle due estremità del cilindro, in modo da azionare il pistone sia nella corsa di andata sia in quella di ritorno.
Nel 1807 viene montata una macchina a vapore su una nave e nel 1825 una locomotiva a vapore muove il primo treno
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Motore termico alternativo a combustione esterna
La prima rudimentale macchina a vapore fu inventata nel 1690 dal francese Denis Papin .” Era costituita da un unico cilindro che svolgeva anche la funzione della caldaia: nella parte inferiore si immetteva una piccola quantità di acqua che veniva riscaldata fino a produrre una parziale evaporazione; la pressione del vapore prodotto sollevava uno stantuffo che scorreva nel cilindro; infine, quando la fonte di calore veniva rimossa, il vapore condensava e lo stantuffo, non più sostenuto dalla pressione sottostante, veniva spinto verso il basso dal proprio peso e dalla pressione atmosferica.
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Nell'Ottocento il progresso tecnologico è ulteriormente accelerato dall'invenzione del primo motore elettrico di J.Henry nel 1831 e delle prime turbine. Nel 1882 l'energia vapore viene utilizzata per generare elettricità nelle prime centrali elettriche di Londra e New York. Nell'Ottocento sono sviluppate anche le prime centrali idroelettriche ai piedi delle cascate, la prima è realizzata negli Stati Uniti alle cascate del Niagara nel 1895.
Impossibile visualizzare l'immagine.
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Fenomeni atmosferici: 1. Energia idrica2. Il vento
Attrazione gravitazionale di corpi celesti: 1. Maree
Depositi geologici: 1. Combustibili solidi, liquidi e gassosi
Processi vitali recenti: 1. Combustibili vegetali2. Lavoro muscolare
Residui di altri processi: 1. Calore di scarico2. Sottoprodotti combustibili3. Calore di reazioni isotermiche non aventi come scopo principale la
produzione di energiaOrigine geotermica
1. Vapori e acque calde sotterraneeFissione o fusione nucleare
1. Uranio, torio, plutonio
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400 a.C. Democrito riteneva inconcepibile che i corpi materiali potessero essere divisi indefinitamente. Propose che tutte le sostanze fossero fatte di parti invisibili, chiamate atomi che legate insieme formavano i corpi. Riteneva che gli elementi fondamentali fossero 4:
Terra, Acqua, Aria e Fuoco.
Anassimandro pensava invece che le sostanze fossero costitute da vortici di fluidi particolari. La teoria dei 4-elementi più l’Etere o Quintessenza, senza l’atomismo fu la più accreditata fino a 200 anni fa.
1780 A.L.Lavoisier dopo una lunga serie di eperimenti quantitavi con bilancie e misure di volumi formula la legge della conservazione della massa.
Un esempio di applicazione della conservazione della massa è la seguente reazione chimica di ossido-riduzione, da bilanciare, che vede come protagonisti l'elemento sodio (Na) e l'acqua, composta a sua volta dall'elemento idrogeno (H) e dall'elemento ossigeno (O):
Na + H2O → Na+ + H2 + OH−
Il termine bilanciare indica che le moli dei reagenti non corrispondono a quelle dei prodotti; in questo caso si nota molto bene che la reazione non è bilanciata, in quanto si trovano 2 atomi di H dalla parte dei reagenti e 3 dalla parte dei prodotti. Questo sbilanciamento viene corretto portando a 2 moli l'acqua dalla parte dei reagenti, e a 2 moli l'anione idrossido OH− (ione negativo) dalla parte dei prodotti.
Na + 2 H2O → Na+ + H2 + 2 OH−
Questa equazione è bilanciata per quanto riguarda la massa, ma non dal punto di vista elettronico; la reazione è in realtà:
2 Na + 2 H2O → 2 Na+ + H2 + 2 OH−
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1896 H.Becquerel, si entusiasmò della scoperta dei raggi X e volle provare de venivano emessi dalle sue pietre. Espose al sole un minerale chiamato uranile (solfato doppio di uranio e potassio), e trovò che la lastra fotografica ben coperta dal sole mostrava una macchia di radiazione corrispondente al minerale. In un periodo senza sole depose casualmente, un pezzo di uranile sopra una chiave ed una lastra fotografica ben incartata in un cassetto. Espose poi il minerale al sole e finalmente sviluppò la lastra e trovò la macchia del minerale con dentro la forma della chiave. Immediatamente comprese che il minerale da solo emanava una radiazione nuova più penetrante dei raggi X e che nulla aveva a che fare con la luminescenza, era la Radioattività.
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Alla fine del 1800 cominciano anche a svilupparsi alcune singolari ricerche su una nuova energia prodotta da certi sali di Uranio che emettono una "luce" del tutto invisibile, ma capace di annerire una lastra fotografica. I coniugi Curie scoprono la radioattività del Radio
Le sostanze radioattive sono costituite da atomi instabili che decadono e liberano energia sotto forma di radiazione nucleare. Alla fine del decadimento questi atomi formano nuovi elementi.
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Le particelle alfa possono essere fermate dalla carta, quelle beta dall'alluminio; i raggi gamma possono essere fermati solo da uno spessore di piombo.
1. Le particelle alfa sono formate da due protoni e due neutroni: sono la forma di radiazionemeno penetrante (tra le tre), con carica elettrica positiva. 2. Le particelle beta, più penetranti, sono formate da elettroni ( o antielettroni), con carica
elettrica negativa.3. I raggi gamma, la forma di radiazione più penetrante, prodotte da decadimenti del nucleo
atomico; non sono altro che onde elettromagnetiche, quindi prive di carica elettrica.
Albert Einstein, impegnato nella stesura della teoria della relatività, aveva formulato già nel 1905 il principio di equivalenza fra massa ed energia. Questa affermazione sconvolge la convinzione dei Chimici che nelle reazioni (chimiche) si conservano SEPARATAMENTE sia la massa che l’energia. Indichiamo con ∆E la massa che si trasforma in energia.
Nelle reazioni chimiche ∆Ec≅0 (non misurabile !!!)
Nelle reazioni nucleari ∆EN>0 (∆Ec circa 1/107 ∆EN)
Un corpo di massa M ha una energia equivalente (E0) data da
: E0=Mc2 27
Energia Equivalente
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La fissione è il processo usato nelle centrali nucleari per produrre energia. Bombardando il nucleo di un atomo con neutroni l'atomo si "spacca": questa è la fissione. Nella fissione si liberano altri neutroni che colpiscono altri atomi: così si innesca una reazione a catena. In questo processo si perde massa, e questa perdita provoca la liberazione di grandi quantità di energia. Ciò è dovuto all'equivalenza che sussiste tra massa ed energia.
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La fusione nucleare è un tipo di reazione nucleare grazie alla quale vengono prodotte grandi quantità di energia. E' il tipo di reazione che avviene all'interno del Sole, e che genera l'energia termica indispensabile per la vita sulla Terra. Il processo consiste nella fusione dei nuclei di due atomi di idrogeno, favorita dalla temperatura di 14 milioni di gradi. Durante la fusione una parte della massa si perde e si trasforma in energia.
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A.D.1914-1918 Prima guerra mondiale
• The First World War in which 32 countriesparticipated was a war using technological armamentsuch as submarine, aircraft, carrier, poison gas,machine gun. Many lives were sacrificed in the war,showing the dark side of energy and technology.
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A.D.1939-1945 Seconda guerra mondiale
• The World War 2 is a very importantmilestone in the utilizataion of energy,because nuclear arms were used for the firsttime in the war.
• It shows that energy and technology candestroy the civilization, if they are used inwrong way.
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Nuclear Explosion
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Il problema dell‘energia è legato alle diverse fonti energetiche, alla domanda e al consumo di energia, in aumento nelle sue diverse forme, e agli effetti ambientali che la sua produzione genera, come inquinamento del suolo e dell‘atmosfera.
Nella Tabella è anche riportato il contributo percentuale delle fonti energetiche più utilizzate
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Per avere un‘idea dell‘andamento nel tempo della domanda di energia, mostriamo nella il consumo mondiale di energia, distribuito tra le varie fonti, a partire dal 1850,osservando che esso è cresciuto registrando una brusca accelerazione a partire dalla metà del secolo scorso.
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La figura evidenzia la forte differenza tra l‘Italia e gli altri Paesi per quanto concerne il tipo di combustibile utilizzato. In particolare il nostro Paese si caratterizza per la ben nota assenza di produzione di energia nucleare e per la ridotta percentuale del carbone.
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L'alternatore, nella sua forma più semplice è composto da una spira che è investita da un campo magnetico ed è vincolata a ruotare attorno ad un asse perpendicolare alle linee di campo. La legge di Faraday-Neumann afferma che in una spira metallica immersa in un campo magnetico si produce una differenza di potenziale pari a: quindi in questo caso, dato che la spira ruota ci saranno variazioni del flusso magnetico che attraversa la spira e la suddetta relazione può essere indicata come:
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Referenze http://www.fisicamente.net/FISICA/Macchine_termiche_e_combustibili.pdf
Energia in Italia: problemi e prospettive (1990 - 2020) – SIF
• http://recipe.goolu.com/01_catalog/index.php?php=prototype/h031_015_a.htm• http://images.google.com.hk/images?q=nuclear+explosion&hl=zh-TW&lr=&sa=N&tab=ii&oi=imagest• http://www.airliners.net/• http://en.wikipedia.org/wiki/Submarine• http://science.howstuffworks.com/light-bulb.htm• http://www.first-to-fly.com/• http://www.rockymtnrrclub.org/• http://inventors.about.com/library/inventors/blsteamengine.htm• http://www.sapiensman.com/old_machines/windmills_history.htm• http://www.horses.co.uk/horses/list.html• http://images.google.com.hk/images?q=forest+fire&hl=zh-TW&lr=&sa=N&tab=ii&oi=imagest• http://www.molon.de/galleries/Myanmar/Agriculture/img.php?pic=12• http://images.google.com.hk/images?q=+sailboat+picture&hl=zh-TW&lr=&sa=N&tab=ii&oi=imagest• http://images.google.com.hk/images?q=bow&svnum=10&hl=zh-TW&lr=&start=0&sa=N• http://images.google.com.hk/images?svnum=10&hl=zh-TW&lr=&q=amber• http://images.google.com.hk/images?q=rocket&svnum=10&hl=zh-TW&lr=&start=20&sa=N• http://www.c-science.com/txt/tc/sc/es/990618sces.htm
