Energia e trasformazioni energetiche

Dal Sole alla Terra

Il Sole, fonte primaria di energia del nostro pianeta, irradia la sua energia nello spazio.
La radiazione elettromagnetica porta con sé luce e calore e costituisce circa il 95% dell’energia che abbiamo disponibile.
Infatti l’energia immagazzinata nei combustibili fossili era un tempo glucosio sintetizzato a partire dalla radiazione solare; l’energia dell’acqua in un bacino di montagna dipende dal ciclo dell’acqua che ha bisogno del calore del Sole per evaporare; le masse d’aria che si muovono generando il vento sono il situltato di strati dell’atmosfera che hanno immagazzinato diverse quantità di calore e così via.
Nel 5% di energia che non dipende dal Sole abbiamo l’energia geotermica che dipende dal calore presente nella crosta terrestre, l’energia dei nuclei di alcune sostanze (energia nucleare), l’energia delle maree che dipendono dalla Luna.

Che cosa è l’energia?

Il termine energia deriva dal greco energheia che significa capacità di agire.
Negli esseri viventi, questa capacità di agire è legata alla vitalità necessaria a compiere uno sforzo fisico o mentale prolungato nel tempo, che a sua volta deriva dalla capacità di avere una corretta alimentazione, di poter riposare etc.

Dunque come può un pezzo di carbone rilasciare questa energia nello spazio o trasferirla ad altri corpi? da dove proviene la sua vitalità? e da dove proviene l’energia che possiede una cascata o una qualsiasi massa in movimento?

Ma da cosa deriva la capacità di azione di una massa d’acqua ferma in un lago che poi improvvisamente si trasforma in un torrente in rapido movimento in grado di azionare la ruota idraulica di un mulino?
Anche un fuoco possiede una vitalità e la combustione della legna o del carbone è in grado di rilasciare calore nell’ambiente circostante o trasferirlo a altri corpi..

Cosa accomuna tutti questi fenomeni, e che cosa è dunque l’energia?

Vediamo adesso come la fisica moderna risponde a questi interrogativi.

L’energia nella fisica moderna

È importante tener presente che, nella fisica odierna, noi non abbiamo cognizione di ciò che l’energia è.

– Richard Feynman

Dunque, di preciso non sappiamo cosa sia l’energia.
Quello che sappiamo è che esiste una grandezza quantitativa che si può trasferire da un oggetto a un altro, che non si può creare né distruggere, ovvero sia la cui quantità totale rimane invariata: a questa grandezza diamo il nome di energia.
Esistono diverse forme di energia:

• di movimento, cinetica
• legata alla posizione, potenziale
• chimica
• elastica
• radiante (luce)
• termica
• elettrica
• nucleare

L’energia equivale al lavoro, infatti il lavoro è il processo di trasferimento di energia al moto di un oggetto attraverso l’applicazione di una forza (vedi Lavoro).
Inoltre calore e lavoro meccanico sono equivalenti, come mostrato nell’esperimento condotto nel 1845 da James Joule, in cui il lavoro di un peso che cade viene convertito in calore di agitazione dell’acqua attraverso l’attrito generato dal movimento di un mulinello.

Trasformazioni energetiche

Ricordiamoci che secondo la fisica l’energia può essere immagazzinata in un corpo, può trasferirsi da un corpo a un altro, può trasformarsi cambiando forma, ma non può essere mai creata né distrutta.

In questo modo di può spiegare la vitalità di una roccia, il carbone –a cui basta applicare una scintilla perché si sprigioni un fuoco (energia termica)– pensandola legata al suo lontano passato, quando centinaia di milioni di anni fa le piante da cui deriva trasformavano la radiazione solare (energia luminosa) e la immagazzinavano al loro interno come molecole di glucosio (energia chimica).

E l’energia che possiede la massa d’acqua di una cascata, che tipo di energia è questa? E' un’energia legata al movimento, alla velocità della massa d’acqua e prende il nome di energia cinetica,

E_cin = ¹⁄₂ · m · v²,

dove m è la massa del corpo e v la sua velocità.
Possiamo però domandarci, da dove provenie quest’energia? Se risaliamo il corso del fiume fino alla risorgiva da cui questo si origina troviamo che le particelle d’acqua che adesso osserviamo in rapido movimento con una velocità maggiore di zero inizialmente erano ferme (o avevano comunque una velocità molto bassa, prossima a zero), ma dovevano comunque avere un’energia, infatti l’energia non può crearsi dal nulla. La domanda da porsi allora è: quale tipo di energia possiede la massa d’acqua ferma nella risorgiva? La sua energia è relativa alla sua posizione, in particlare alla sua altezza e prende il nome di energia potenziale,

E_pot = m · g · h,

dove m è la massa del corpo, g la costante dell’accelerazione di gravità e h l’altezza a cui si trova il corpo (in generale rispetto al livello del mare).
Se consideriamo adesso una particella d’acqua in movimento in un torrente possiamo vedere che la sua energia totale, in ogni punto, è in realtà la somma di due contributi, uno relativo alla sua altezza (energia potenziale) e l’altro relativo alla sua velocità (energia cinetica), un po' come l’energia che possiede uno skater mentre percorre un half-pipe (vedi la simulazione).

Fluidi di lavoro

Un mulino ad acqua sfrutta l’energia cinetica della massa d’acqua di un torrente che è in grado di mettere in rotazione la ruota idraulica e dunque di compiere un lavoro. Quest’energia viene trasformata in energia meccanica per azionare gli ingranaggi che sono collegati alle macine che, in virtù dell’attrito (energia termica) tra macina e chicco del cereale, permettono di ottenere la farina.

In generale, ogni qual volta abbiamo un fluido in grado di compiere un lavoro, sia questo un liquido o un gas, parliamo di fluido di lavoro.

Così l’acqua che aziona il mulino è un fluido di lavoro, come il vapore che azionava la macchina a vapore inventata da James Watt nella seconda metà del XVIII secolo oppure la moderna turbina a vapore di una centrale termoelettrica.

Combustibili fossili e combustione

La combustione è un fenomeno fisico in cui un combustibile si lega a un comburente per rilasciare energia termica e altri prodotti della combustione.
I combustibili fossili sono dei combustibili costituiti principalmente da carbonio che si sono formati diverse centinaia di milioni di anni fa a partire da resti di sostanza organica (organismi o microorganismi vegetali o animali) e trasformati successivamente in rocce, è il caso del carbone, oppure in lunghe catene di idrocarburi allo stato liquido, il petrolio, oppure gassoso, gas metano.

La reazione di combustione di un combustibile fossile in generale è la seguente

C + O₂ → en. termica + CO₂

dove il carbonio contenuto nel combustibile si lega all’ossigeno presente nell’aria per trasformarsi in energia termica, anidride carbonica e residui solidi.
La reazione non è spontanea, ma necessita di un'energia di attivazione, per esempio di una scintilla, a quel punto prosegue finché non si esaurisce il combustibile oppure il comburente.

La reazione di combustione del carbonio mette in evidenza come non sia possibile ricavare energia termica –fondamentale per la conversione in energia elettrica all’interno delle centrali termoelettriche– dalla combustione di un combustibile fossile senza immettere anidrire carbonica in atmosfera.
Questo è fondamentale, perché il cambiamento climatico è un fenomeno per la maggior parte dovuto all’aumento della concentrazione di anidride carbonica in atmosfera, ma la reazione di combustione ci indica anche la soluzione al problema: per rallentare il riscaldamento globale dobbiamo diminuire sempre più l’uso dei combustibili fossili per la produzione di energia.

Da energia chimica a energia elettrica: la centrale termoelettrica

Una centrale termoelettrica è un impianto per la trasformazione dell’energia chimica contenuta all’interno di un combustibile fossile in energia elettrica.
Nella caldaia (boiler) l’energia chimica del combustibile viene trasformata in energia termica attraverso una reazione di combustione; quest’energia serve per trasformare il fluido di lavoro, acqua allo stato liquido, in vapore ad alta pressione e temperatura. Questo vapore può azionare le palette di una turbina (turbine) e trasformare così l’energia cinetica del vapore in energia meccanica. Sotto l’azione del vapore le palette della turbina iniziano a ruotare e così ruota l’albero a cui queste sono solidali. L’albero della turbina è connesso all’albero dell'alternatore (electric generator), un dispositivo in grado di trasformare energia meccanica in energia elettrica grazie al fenomeno dell’induzione elettromagnetica. Il vapore esausto in uscita dalla turbina viene poi fatto ricondensare nel condensatore (condenser) e l’acqua che si ottiene viene nuovamente inviata in caldaia dove il ciclo ricomincia. Un camino (stack) posto all’uscita dalla caldaia convoglia in atmosfera i fumi caldi, ricchi di anidride carbonica e inquinanti gassosi.