la fisica della sobrietà ne basta la metà o ancora meno giovanni vittorio pallottino maggio 2013

La fisica della sobrietàNe basta la metà o ancora meno

Giovanni Vittorio PallottinoMaggio 2013

http://www.roma1.infn.it/rog/pallottino/librigvp.html

Questo è il libro di ci occupiamo oggi

Parlando di risparmio di energia e di efficienza energetica con riferimento a tre tematiche: riscaldamento, illuminazione e automobile

gv pallottino Calabria maggio 2013 2

I tre pilastri di questo discorso

•Etica - fare spazio agli altri che ci sono e a quelli che verranno

•Estetica – fare le cose nel modo più elegante ed efficace

•Fisica – ci insegna come fare le cose al meglio delle conoscenze scientifiche


Alla base della sobrietà c’è la temperanza

• La temperanza rientra fra le quattro virtù individuate dal filosofo greco Platone (La Repubblica), che sono state assunte poi come virtù cardinali dalla religione cristiana.

• La temperanza, come si legge nel Catechismo della Chiesa cattolica (Art. 7, 1809), “rende capaci di equilibrio nell’uso dei beni creati. Essa … mantiene i desideri entro i limiti dell’onestà”.

• L’alternativa? Secondo Thomas Hobbes (quattro secoli fa): La felicità è un progresso continuo del desiderio da un oggetto a un altro, con le persone in stato di perenne insoddisfazione

4gv pallottino Calabria maggio 2013

Il problema della sostenibilità• Il falso mito delle risorse infinite è recente: una

novità rispetto a un passato assai più risparmioso • La degenerazione dell’usa e getta• Quello che usiamo, energia e materiali, provoca

sempre qualche tipo di degrado dell’ambiente• L a Terra è un pianeta finito, e così le sue risorse• E quindi il progresso materiale senza limiti

(sempre più cose per sempre più persone) è semplicemente impossibile


Verso l’efficienza energetica 1

• L’energia è una risorsa critica, che l’Italia importa dall’estero per circa l’85%

• La bolletta energetica nazionale annua ammonta a 63 miliardi di euro (quanto a testa?)

• Ma l’energia non ci serve in quanto tale. Perché non è fine a se stessa.

• L’energia ci serve per ottenere determinati beni e servizi: riscaldare una abitazione, fabbricare qualcosa, fare un viaggio, …


Verso l’efficienza energetica 2

• Questi beni e servizi si possono ottenere in tanti modi differenti, ciascuno con impiego di quantità di energia diverse, anche parecchio

• In questo ci guida in primo luogo la fisica• Nel seguito ci occupiamo prima del

riscaldamento e del raffrescamento degli edifici, poi dei dispositivi per l’illuminazione degli ambienti e infine dell’automobile


Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 1

• Ci sono tanti modi per riscaldare una casa• Usiamo un normale bruciatore: circa 80%

della energia chimica del combustibile va in calore utile

• Usiamo una caldaia a condensazione: questa resa aumenta del 10% circa (perché)

• Ma se usassimo una stufa elettrica il 100% dell’energia andrebbe in calore per effetto Joule. E allora perché no?



• Si può fare di meglio? • Cioè ottenere più calore di quanto

corrisponda all’energia impiegata? • E facendolo senza violare il principio di

conservazione dell’energia?• Invece di creare calore ex novo si può

prelevare calore “freddo” da qualche parte e pomparlo, più “caldo”, all’interno degli ambienti . Con la cosiddetta pompa di calore.



• La pompa di calore è una macchina termica che preleva calore QF alla temperatura fredda TF e lo pompa alla temperatura calda TC

• usando una quantità di energia E (meccanica o elettrica) minore di QC

E (energia meccanica)

QF @ TF QC @ TC



• Le prestazioni della pompa di calore sono definite dal rapporto fra il calore utile QC e l’energia E spesa per ottenerlo, chiamato coefficient of performance COP

COP = QC/E che è maggiore di 1

• Idealmente dato dalla formula (Carnot)COP = TC/(TC – TF)

con le temperature espresse in gradi kelvingv pallottino Calabria maggio 2013 11


• In pratica i valori del COP sono alquanto inferiori a quelli teorici, essendo tipicamente compresi fra 2 e 4. Che però non è male! (dati da “Pompe di calore …” Energia Elettrica, maggio 2012, pag. 47)

• Dove si preleva il calore freddo? Dall’aria, dal terreno o da un bacino d’acqua

• Qualcuno si è accorto che una pompa di calore è simile a una macchina frigorifera?

• Anche il frigo pompa calore: lo prende dallo scompartimento interno e poi lo butta fuori



• Perché d’inverno dobbiamo immettere calore negli ambienti? Per compensare le dispersioni di calore verso l’esterno, mantenendo l’interno a una temperatura gradevole

• La legge della conduzione termica (Fourier) stabilisce che il flusso del calore attraverso una parete è proporzionale sia al salto di temperatura T che alla trasmittanza termica U della parete:

= U T• Da che dipende U?



Per ridurre le dispersioni di calore possiamo:• ridurre la trasmittanza (pareti più spesse, isolanti

termici, cappotti, doppi vetri, vetri speciali, …)• ridurre il salto di temperatura T fra interno ed

esterno, accettando una temperatura interna più bassa dell’usuale, cioè rinunciando a girare per casa in camiciola

• La legge prevede 20°C, in realtà nessuno rispetta questa norma e lo spreco è ingentissimo.

• Per esempio, con dentro a 25°C anziché a 20°C e con fuori a 10°C, il maggior consumo è del 50%



• D’estate: evitiamo o riduciamo al minimo l’uso dei condizionatori. In questo caso rinunciando a girare in maglione

• Questi apparecchi consumano grandi quantità di energia elettrica e causano un aumento della temperatura delle città

• Si suggerisce invece il condizionamento passivo, basato sull’uso accorto delle finestre, che funziona sfruttando le variazioni giornaliere della temperatura esterna.

• E vi dico che funziona! Ma il riscontro d’aria?



• Ricordiamo che circa un quinto del fabbisogno nazionale di energia serve a coprire le esigenze di riscaldamento e raffrescamento degli edifici.

• Questi consumi, dovuti a edifici costruiti quando il costo dell’energia era relativamente basso o comunque senza attenzione ai consumi, sono decisamente più alti di altri paesi europei.

• In Italia in media circa 300 kWh/m2 all’anno contro 200 kWh/m2 in Germania (paese più freddo), cioè una volta e mezzo tanto!



• Realizzare edifici a basso consumo di energia è tecnicamente possibile, e non parliamo qui di prototipi sperimentali.

• A fianco la casa passiva della famiglia Angerer, costruita a Bolzano nel 2007 seguendo la normativa bolzanina CasaClima. Casa che richiede appena 13 kWh/m2 all’anno.


Dispositivi per l’illuminazione 1• Le lampadine a incandescenza, ormai fuori legge,

convertono in energia luminosa attorno al 5% dell’energia elettrica che le alimenta. Il restante 95% va tutto in calore

• Queste lampadine sono dunque delle stufette, ottime d’inverno, assai meno d’estate (perché?)

• Producono luce per emissione termica, con uno spettro che ha il massimo nell’infrarosso (circa 1 m) alla temperatura di circa 2400°C

• Per spostare il massimo nel visibile (legge di Wien), e avere più luce, si dovrebbe lavorare a temperature più alte, ma non vi sono metalli adatti, cioè che ad esse restino allo stato solido.


Dispositivi per l’illuminazione 2

• Oggi le lampadine più diffuse sono le fluorescenti compatte. Ben più efficienti di quelle a incandescenza.

• Funzionano grazie alla scarica elettrica nel gas contenuto al loro interno. Gli atomi del gas, eccitati dalla scarica, emettono radiazioni ultraviolette.

• Le loro pareti sono ricoperte da polveri di materiali, chiamati (impropriamente) “fosfori”, che sono fluorescenti: emettono luce visibile quando vengono colpiti dagli ultravioletti

• Il colore della luce di queste lampade dipende dal tipo delle polveri fluorescenti, che possono venir dosate in modo che la luce risulti gradevole e possibilmente non “falsi i colori”



• Come trasformare al meglio l’elettricità in luce, in modo che tutta l’energia elettrica utilizzata diventi energia luminosa?

• Ce lo dice la fisica. Bisogna fare in modo che ogni elettrone di una corrente elettrica, cioè un quanto elementare di carica elettrica, venga usato per produrre un fotone, cioè un quanto elementare di luce.

• E che l’elettrone possegga esattamente l’energia necessaria, cioè quella del fotone.


Dispositivi per l’illuminazione 4• Il dispositivo magico che realizza questo miracolo è il

diodo emettitore di luce o LED dall’inglese (Light Emitting Diode)

• Il primo LED risale al 1962, costruito dall’americano Nicholas Holonyak utilizzando un semiconduttore con un salto di energia corrispondente a luce rossa.

• Poi l’impiego di altri materiali semiconduttori permise di ottenere luci di altri colori, mentre ulteriori progressi ne miglioravano il rendimento

• Applicazioni: prima come lampadine spia e indicatori luminosi nelle calcolatrici e negli orologi, poi nelle luci di stop delle auto e nei semafori stradali.

• Sono dispositivi molto robusti e di grande durata.gv pallottino Calabria maggio 2013 21



Sembra una normalissima lampadina e invece è una lampada LED. Che produce 400 lumen di luce bianca “calda” assorbendo appena 6 watt (invece dei 40 W della lampadina tradizionale equivalente).


• Per l’illuminazione occorre luce bianca• Come la si ottiene da dispositivi che emettono

luce il cui colore, cioè la lunghezza d’onda, è fisso, determinato dal salto di energia del materiale?

• Si sfrutta la sintesi additiva della luce in due modi:• usando tre dispositivi che emettano i tre colori

primari, opportunamente dosati• oppure usando “fosfori” che convertano la luce di

un colore in quella del colore complementare, per esempio convertendo il blu nel giallo.


Dispositivi per l’illuminazione 7• Oltre all’elevato rendimento, un vantaggio notevole è

la possibilità di regolarne l’intensità della luce regolando la corrente che li attraversa.

• Ma anche i LED presentano qualche inconveniente• Sono relativamente costosi, anche se la crescita della

produzione ne diminuirà certamente il prezzo• Temperature eccessive ne riducono la vita utile, che è

specificata tipicamente in oltre 50 mila ore• Vanno alimentati in continua, e quindi richiedono

circuiti raddrizzatori, con una componentistica (specie i condensatori elettrolitici) che può guastarsi in tempi brevi rispetto alla vita media dei LED


Dispositivi per l’illuminazione 8• Certi tipi di raddrizzatori alimentano i LED con un’onda

che contiene un residuo di alternata, che si manifesta nella luce con un effetto di sfarfallamento, flicker


• L’occhio umano non se ne accorge, ma il cervello sì. E questo può causare mal di testa, stanchezza della visione, e altri inconvenienti.

• Se ne accorge anche una fotocamera, come mostra la foto a fianco http://www.edn.com/electronics-blogs/ssl-and-backlighting/4399628/Why-Does-Flicker-Matter-?cid=Newsletter+-+EDN+Products+and+Tools


• Non conviene esprimere le prestazioni dei dispositivi di illuminazione in termini di potenza luminosa, cioè in watt

• Perché l’occhio non è ugualmente sensibile ai diversi colori della luce

• Per esempio, 1 watt di luce gialla l’occhio umano lo vede assai più luminoso di 1 watt di luce blu



• La sensibilità dell’occhio umano è massima per la luce giallo-verde con lunghezza d’onda di 555 nm


Lunghezza d’onda della luce in miliardesimi di metro

Dispositivi per l’illuminazione 11• Per rappresentare quanta luce effettivamente noi

percepiamo, l’energia luminosa va pesata, colore per colore, secondo la sensibilità dell’occhio

• La grandezza che risulta da questa pesatura si chiama flusso luminoso e si misura in unità di lumen (lm). Proprio il valore del flusso luminoso prodotto viene specificato per ciascuno dei diversi tipi di lampade

• Il rapporto fra il flusso luminoso di un dispositivo o di una lampada e la potenza elettrica da esso assorbita ne rappresenta la efficacia luminosa, espressa in unità di lumen/watt (lm/W)

• che è cosa diversa dal rendimento energeticogv pallottino Calabria maggio 2013 28


Prestazioni indicative di alcuni tipi di lampade

Tipo di lampada Efficacia luminosa

Flusso luminoso

Durata

Incandescenza 40 W

12 lm/W 480 lumen 1000 ore

Incandescenza 100 W

14 lm/W 1400 lumen

1000 ore

Fluorescente compatta 9 W

50 lm/W 450 lumen 10.000 ore

Lampada LED 7 W

60 lm/W 420 lumen 50.000 ore



• Il rendimento massimo teorico è di 683 lumen/watt. Calcolato per la luce a cui l’occhio è più sensibile. Ma chi vorrebbe illuminare un ambiente con una luce giallastra?

• Per la luce bianca il rendimento massimo è attorno a 300 lm/W

• Vi sono prototipi di LED che hanno raggiunto 200 lm/W e lampade LED che hanno raggiunto 100 lm/W. Con continui progressi in atto.


La guida dell’automobile 1

• Siamo in marcia dietro a una macchina le cui luci di stop lampeggiano continuamente, perché il suo guidatore alterna di continuo rapide accelerazioni e convulse frenate.

• Il frenetico individuo brucia benzina a ogni accelerazione, ma l’energia di movimento appena acquistata dalla sua vettura, un attimo dopo, viene dissipata frenando.

• Conviene imitarlo? No certamente.• Ma i modi per sprecare benzina sono anche altri



Cause di maggior consumo di carburante

pneumatici sgonfi 2-4%motore mal regolato 5-10%portapacchi vuoto sul tetto 5-10%condizionatore in funzione 3-6%guida aggressiva in città 20-40%Guida troppo veloce su strada 40-60%



• E’ chiaro che il carburante serve a far camminare la macchina. Ma dove va a finire il calore che si sviluppa quando il carburante viene bruciato nel motore?

• Sventuratamente, il secondo principio della termodinamica vieta la trasformazione integrale del calore in lavoro meccanico, cioè in quello che serve per far marciare l’auto

• Quindi solo una frazione dell’energia del carburante, circa un quarto (un terzo per il diesel) risulta effettivamente utilizzabile. Il resto viene disperso nell’ambiente come calore, cioè sprecato.



La parte utile, l’energia meccanica, a che serve?

1) ad accelerare la macchina. Che acquista così energia di movimento (che perderà alla prossima frenata)

2) a far marciare la macchina in salita. Che acquista così energia potenziale (che perderà nella prossima discesa)

3) a vincere le forze di attrito: gli attriti meccanici del motore, la resistenza al rotolamento degli pneumatici e soprattutto la resistenza dell’aria

• E anche ad azionare congegni come l’alternatore (per tenere la batteria sotto carica), il condizionatore, …



Dati indicativi per un percorso medio



• L’attrito più insidioso è la resistenza dell’aria, che si combatte dando alle auto forme aerodinamiche.

• Insidioso perché la potenza necessaria per vincerlo è proporzionale al cubo della velocità

• Portando la velocità da 120 km/h a 150 km/h la potenza necessaria cresce del fattore (150/120)3 = 1,95, cioè praticamente si raddoppia. E con essa il consumo di benzina.



• SUV: superfluo, dannoso e costoso• E l’auto elettrica?

gv pallottino Calabria maggio 201337

Energia necessaria a percorrere un chilometro In unità kJ

A piedi di buon passo 150

In bicicletta (15 km/h) 70

Treno 600

Autobus 900

Automobile 2500

Aereo 4000

Elicottero 16000

• Ci sarebbe molto altro da

discutere: sulla cottura dei cibi, sull’impiego

dell’elettricità, sui rifiuti, …• Ma ci fermiamo qui• Grazie dell’attenzione

e via con le domandegv pallottino Calabria maggio 2013 38

la fisica della sobrietà ne basta la metà o ancora meno giovanni vittorio pallottino maggio 2013

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