L‘ENERGIA
Usiamo l’energia i giorni: quando calciamo a un pallone quando solleviamo lo zaino con i libri, quando accartocciamo la brutta copia del tema. Tutto quello che conosciamo funziona grazie all’energia, ma cos’è l’energia?
Si definisce energia la capacità di un sistema o di un corpo di compiere un determinato lavoro. In pratica se un corpo (un oggetto o un organismo) compie un lavoro, ovvero esercita una forza per spostare qualcosa, allora sta consumando energia!
QUANTE ENERGIE?
È importante notare che l’energia non ha una realtà materiale (non è, cioè, un oggetto fisico o qualcosa che possiamo vedere o toccare), ma è un concetto astratto utilizzato per descrivere fenomeni naturali e artificiali anche molto diversi tra loro. A seconda del modo in cui questi fenomeni si manifestano possiamo riconoscere cinque forme fondamentali di energia
- energia termica
- energia chimica
- energia elettrica
- energia nucleare
- energia meccanica
L’ENEGRIA TERMICA
L’energia termica, anche conosciuta come calore, è l’energia posseduta da un corpo a causa del movimento delle particelle che lo compongono: più le particelle si muovono, maggiore è l’energia termica dell’oggetto.
La principale fonte di energia termica è il Sole che riscalda l’atmosfera terrestre permettendo la vita sulla terra e originando altre forme di energia -come vedremo più avanti-, ma l’energia termica può essere prodotta anche attraverso la combustione o la frizione, come quando d’inverno ci strofiniamo le mani per riscaldarle.
L’energia termica è posseduta da qualsiasi corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto e può trasferirsi da un corpo all’altro in tre modi:
Conduzione, cioè per contatto diretto, come quando vi appoggiate al termosifone della classe per riscaldarvi
Convezione, cioè attraverso un fluido, come il termosifone che riscalda l’aria della classe e trasmette a tutti noi il suo calore.
Irraggiamento, come fa il sole con la terra
L’energia termica viene utilizzata per il riscaldamento domestico e industriale oppure viene trasformata in energia meccanica nei motori o nelle centrali termoeletteriche.
L’ENERGIA CHIMICA
L’energia chimica è l’energia immagazzinata nei legami chimici tra atomi e molecole.
Essa può essere rilasciata attraverso reazioni chimiche, come la combustione, la fermentazione e l’elettrolisi.
I combustibili fossili, come il petrolio e il carbone, contengono energia chimica immagazzinata nei loro legami chimici. Il cibo che mangiamo contiene energia chimica sotto forma di carboidrati, grassi e proteine.
L’energia chimica contenuta nei combustibili fossili viene usata nelle centrali elettriche e nei veicoli a motore per produrre energia meccanica ed elettrica. Le piante usano, invece, la produzione di energia a partire da reazioni chimiche per la respirazione cellulare e la fotosintesi.
L’ENERGIA ELETTRICA
L’energia elettrica è l’energia associata all’elettricità. Essa è generata dal movimento degli elettroni che si spostano da un atomo all’altro all’interno di particolari materiali, detti conduttori.
In natura questo fenomeno si sviluppa durante i temporali nei fulmini, ma, non siakmo in grado di sfruttarlo; possiamo, invece, produrre energia elettrica a partire da energia meccanica in particolari macchine dette generatori.
L’energia elettrica è forse la forma di energia più comune, perché relativamente facile da produrre, e viene utilizzata per l’alimentazione di elettrodomestici e dispositivi elettronici, per l’illuminazione artificiale e per il funzionamento dei motori elettrici.
L’ENERGIA NUCLEARE
L’energia nucleare è l’energia posseduta dai nuclei degli atomi, che può essere rilasciata attraverso processi come la fissione nucleare (la divisione dei nuclei in più nuclei più leggeri) e la fusione nucleare (la combinazione di nuclei leggeri in nuclei più pesanti)
Tutta l’energia del sole che si esprime sotto forma di luce (energia luminosa) e calore (energia termica) è prodotta da reazioni nucleari di fusione che avvengono all’interno del suo nucleo. Noi, invece, produciamo energia nucleare a partire da reazioni controllate di fissione all’interno di impianti detti reattori.
L’energia nucleare viene impiagata per produrre energia elettrica nelle centrali termonucleari, per la propulsioni di sottomarini e per la produzione di armamenti.
L’ENERGIA MECCANICA
L’energia meccanica è l’energia che un oggetto possiede per il suo movimento o per la sua posizione. L’energia meccanica può essere cinetica (energia di movimento) o potenziale (energia di posizione accumulata).
L’energia cinetica è l’energia posseduta da un oggetto a causa del suo movimento, ad esempio: un auto in corsa, un proiettile sparato da un’arma o l’acqua di un fiume che scorre verso il mare. L’energia potenziale è l’energia immagazzinata in un oggetto a causa della sua posizione o del suo stato. Essa si trasforma in energia cinetica quando l’oggetto inizia a muoversi. Ad esempio un tuffatore sul trampolino possiede energia potenziale gravitazionale a causa della sua altezza e della forza di gravità, un arco teso ha energia potenziale elastica, che viene convertita in energia cinetica quando la corda viene rilasciata e la freccia viene sparata.
Qualsiasi oggetto che possiede energia meccanica – sia sotto forma di energia potenziale che di energia cinetica – è in grado di lavorare. Cioè, la sua energia meccanica permette a quell’oggetto di applicare una forza ad un altro oggetto per provocarne lo spostamento. Un esempio è quello della palla da Bowling: l’energia meccanica di una palla da bowling dà alla palla la possibilità di applicare una forza ad un birillo per provocarne lo spostamento che, a sua volta, può agire su altri birilli.
LA CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA
Con mezzi ordinari l’energia non può essere creata o distrutta, ma può essere solo trasformata da una forma all’altra.
Vale infatti il principio di conservazione dell’energia in base alla quale il livello di energia di un corpo (o di un sistema) è costante; in pratica l’energia non si crea né si distrugge. In particolare l’energia meccanica di un sistema (che si ottiene dalla somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale) è un valore costante che non cambia nel tempo, ne deriva che queste due forme di energia si trasformano costantemente l’una nell’altra.
Questa legge fisica, è alla base del funzionamento delle montagne russe. Una vettura priva di motore viene trasportata da una catena fino al punto più alto del percorso, dove acquista una certa energia potenziale in virtù della quota che ha raggiunto. Questa energia si trasformerà in energia cinetica che permetterà alla vettura di percorrere l’intero tracciato con un susseguirsi di scambi tra le due energie (e quindi di salite e successive discese accelerate) per poi ritornare con la giusta velocità nella stazione di carico e scarico passeggeri..
LE CATENE ENERGETICHE
La stragrande maggioranza dei fenomeni che conosciamo prevede trasformazioni e scambi di energia. Quando viene svolto un lavoro, l’energia impiegata non si consuma, ma si conserva cambiando forma e la sua quantità rimane la stessa. Si creano così delle catene energetiche.
Si definisce rendimento il rapporto tra l’energia in uscita e quella in entrata
La trasformazione da una forma di energia a un’altra può avvenire spontaneamente o attraverso macchine o sistemi appositi: con un motore a scoppio, del tipo utilizzato nelle comuni automobili, si sfrutta l’energia chimica del carburante, che viene trasformata, nel corso della combustione (che è una reazione chimica), in energia termica e in seguito in energia meccanica per azionare le ruote dell’automobile. In natura le piante, per mezzo di una sostanza presente nelle foglie nelle foglie, la clorofilla, intercettano l’energia radiante (luce) proveniente dal Sole e la trasformano in energia chimica (fotosintesi). Quando ci nutriamo l’energia chimica del cibo può trasformarsi in energia muscolare (energia meccanica), che a sua volta può diventare energia di movimento (energia cinetica), in energia termica o in energia elettrica per far funzionare il sistema nervoso.
LE FONTI ENERGETICHE
Per fonte energetica si intende una qualsiasi sostanza o qualsiasi fenomeno naturale che l’uomo può sfruttare per ottenere energia.
Le fonti energetiche si distinguono in: primarie, se direttamente disponibili in natura (sole, vento, legna, carbone…) e secondarie, se derivate da fonti energetiche primarie (benzina, elettricità…)
La fonte primaria più importante è il Sole, dal quale, attraverso le catene energetiche, derivano, direttamente o indirettamente, molte altre fonti sul nostro pianeta. Il Sole provoca spostamenti di masse d’aria (i venti) e si trasforma in Energia Eolica, causa l’evaporazione di masse d’acqua che, precipitano come pioggia, alimentando i fiumi che si trasformano in Energia Idrica, grazie ai pannelli fotovoltaici si trasforma in Energia Elettrica e, infine, la luce solare viene catturata dalle piante che la trasformano in Energia Chimica che poi ritroviamo negli alimenti,nel legno, nei combustibili fossili e nelle biomasse
Un’altra fondamentale distinzione è tra fonti Rinnovabili e fonti Esauribili. Le fonti Rinnovabili forniscono energia che si rigenera in continuazione mediante trasformazioni chimiche o fisiche e sono considerate sempre disponibili come il sole, il vento, l’acqua, le maree e il calore della Terra. Le fonti esauribili, invece, hanno tempi di rigenerazione talmente lunghi (nell’ordine dei milioni di anni) che una volta sfruttate si considerano esaurite come i combustibili fossili (petrolio, carbone, gas naturale) o i combustibili nucleari (uranio e plutonio).
LE FONTI ESAURIBILI
Di seguito l’elenco delle principali fonti energetiche non rinnovabili ordinate in base al loro grado di sostenibilità (cioè il rapporto tra la quantità di energia che possono fornire e le ricadute sull’ambiente della loro estrazione, trasformazione e utilizzo), dalle più dannose a quelle più sostenibili
L’URANIO. E’ un minerale che, per le sue caratteristiche fisiche e chimiche, viene utilizzato come combustibile nei reattori delle centrali elettriche termonucleari. E’ un materiale radioattivo (cioè emette naturalmente particelle atomiche) e, in fase di estrazione, può provocare seri danni all’ambiente e alla salute umana se non effettuata correttamente. Le centrali che usano combustibili nucleari non producono emissioni inquinanti, ma le scorie prodotte nel processo sono estremamente pericolose e vanno conservate in luoghi sicuri.
IL GAS NATURALE (METANO). E’ un combustibile gassoso composto principalmente da metano e ha un’origine molto simile al petrolio, del quale, spesso, condivide i giacimenti. E’ utilizzato negli impianti di riscaldamento, per la cottura e nelle centrali elettriche a turbogas. Le operazioni di estrazione posso avere un forte impatto sul paesaggio e causare cedimenti nel terreno. La combustione produce gas serra, ma in misura minore rispetto a carbone e petrolio.
IL PETROLIO. E’ un combustibile liquido derivato dalla fossilizzazione di organismi animali e vegetali. E’ utilizzato per ricavare combustibili, liquidi e gassosi (benzina, kerosene, gol, nafta) e materie prime per la per l’industria chimica e la produzione di materie plastiche. In fase di estrazione i pozzi alterano il paesaggio e possono provocare cedimenti nel terreno. In fase di lavorazione immette in atmosfera anidirite carbonica e altre sostanze nocive. Gli impianti di estrazione e di lavorazione possono essere soggetti a incidenti con gravi ricadute sull’ambiente
IL CARBONE. E’ un combustibile fossile derivato dalla fossilizzazione di antiche foreste preistoriche. Utilizzato in passato per alimentari mezzi di trasporto e per azionare macchine industriali, attualmente è impiegato come combustibile nelle centrali termoelettriche. E’ estremamente dannoso per l’ambiente e l’uomo, sia in fase di estrazione (impatto sul paesaggio, rilascio di polveri, rischio di incendi e inquinamento di fiumi e falde) che di combustione (rilascio di anidirite carbonica e di altri gas responsabili delle piogge acide).
LE FONTI RINNOVABILI
Come abbiamo visto le fonti rinnovabili pur essendo consumate dall’uomo, si rigenerano e non diminuiscono in quantità. Questo non vuol dire che possiamo sprecarle o utilizzarle male: l’inquinamento, lo spreco e i cambiamenti climatici, infatti, mettono a rischio fonti energetiche fondamentali come l’acqua e le biomasse provenienti dalle foreste. Anche in questo caso sono presentate secondo il grado di sostenibilità.
LE BIOMASSE. Sono una fonte energetica che sfrutta l’energia chimica contenuta nelle sostanze organiche provenienti dagli scarti dell’allevamento degli animali, dell’agricoltura e della coltivazione delle foreste (silvicoltura). In alcune aree geografiche la coltivazione di alberi destinati esclusivamente alle biomasse sta riducendo la biodiversità e sottraendo terreni all’agricoltura e alle foreste naturali (spesso con mezzi illeciti, come gli incendi). La combustione delle biomasse immette in atmosfera fumi che possono essere altamente inquinanti.
L’ACQUA. Le centrali idroelettriche sfruttano Il movimento di grandi masse d’acqua per la produzione di energia elettrica così come, in passato, veniva sfruttata la corrente dei fiumi per produrre energia meccanica nei mulini. La costruzione delle dighe necessarie alle centrali idroelettriche modifica il percorso di torrenti e fiumi con ripercussioni sull’equilibrio di flora e fauna. L’impatto visivo ed acustico è notevole.
IL VENTO. Il vento è stato sfruttato sin dall’antichità nei mulini dove veniva utilizzato per azionare le macine per la produzione delle farine; oggi è utilizzato per la produzione di energia elettrica con le turbine eoliche. L’impatto visivo e acustico delle centrali che trasformano l’energia del vento in energia elettrica (wind farm) può essere evidente e ci sono sospetti che interferiscano con i flussi migratori degli uccelli.
IL SOLE. E’ la fonte energetica primaria e può essere sfruttato direttamente per la produzione di calore (pannelli solari) o di elettricità (pannelli fotovoltaici). I pannelli fotovoltaici possono avere un impatto molto pesante sul paesaggio e la loro produzione richiede sostanze inquinanti con notevoli rischi per l’ambiente.
LA GEOTERMIA. Le centrali geotermiche sfruttano il calore del sottosuolo della terra per produrre vapore ed energia elettrica, oppure per riscaldare l’acqua o gli ambienti interni nel caso di impianti domestici. Negli stabilimenti termali se ne sfrutta direttamente l’energia termica. L’impatto visivo è ridotto, ma nel processo di sfruttamento è possibile la liberazione in atmosfera di acido solfridico (dal caratteristico odore di uova marce) o di fanghi tossici da smaltire.
LA QUESTIONE ENERGETICA
La questione energetica è un nodo nel quale si intrecciano economia, ambiente, geografia, sociologia e tecnologia. I combustibili fossili (petrolio, carbone e gas naturale), dai quali dipende oltre il 70% della nostra energia, si stanno esaurendo e questo comporterà aumento dei prezzi, instabilità economiche e politiche, nuovi flussi migratori e conflitti per l’accaparramento delle risorse.
L’uso dei combustibili fossili, inoltre, ha creato e continua a creare gravi danni all’ambiente e alla salute dell’uomo. Secondo uno studio del 2005 ogni anno muoiono circa 400.000 cittadini europei a causa dell’inquinamento dell’aria, mentre altri 100.000 devono essere ricoverati per complicazioni respiratorie.
A tutto questo va ad aggiungersi al forte disparità nei consumi energetici e nella possibilità stessa di accedere all’energia. Per fare un esempio gli Stati Uniti, con meno del 5% della popolazione mondiale, consumano circa il 25% dell’energia prodotta, mentre una persona su cinque non ha accesso a moderni mezzi elettrici e circa 3 miliardi di persone dipendono da legno, carbone, carbonella o concime animale per cucinare e per scaldarsi.
LE SFIDE DELL’ENERGIA
Le fonti energetiche sono sottoposte a un massiccio sfruttamento a causa della pressione demografica crescente: la popolazione mondiale, che oggi ammonta a più di sette miliardi e mezzo di persone, è destinata ad aumentare di altri due miliardi entro il 2050. Questo modello di progresso, fondato sulle infinite possibilità che la scienza e la tecnologia sembrano mettere a disposizione dell’uomo in ogni ambito (sanitario, demografico, energetico ecc.), si sta rivelando, in modo sempre più evidente, insostenibile per il pianeta. E’ quindi fondamentale ritrovare un giusto equilibrio tra popolazione, risorse e ambiente
Bisogna riacquistare il senso del limite e sentirsi responsabili nei confronti della Terra e di tutti i suoi abitanti, presenti e futuri. Garantire uno sviluppo possibile e sostenibile dal punto di vista ambientale, economico, sociale vuol dire:
- imparare a consumare meno, utilizzando fonti energetiche e tecnologie più efficienti
- imparare a consumare meglio, controllando l’inevitabile crescita nella domanda di energia
- aumentare la quota di energie rinnovabili nel mix energetico ottimale di ogni paese
- stimolare la ricerca e l’occupazione nel settore delle fonti rinnovabili