Fonti di energia

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L'energia

Percorso di educazione civica

Prof. Daniele Ippolito

Liceo “Filippo Buonarroti” di Pisa

(2)

1) Storia del concetto di energia 2) Forme di energia

3) Fonti di energia 4) Il consumo di energia

5) Problemi legati alla trasformazione di energia

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Storia del concetto di

energia

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«It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is.»

(Richard Feynman, La fisica di Feynman, Vol I, p 4-1)

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Energia deriva dal greco energeia: composto di en, particella intensiva, e ergeia (azione).

Il concetto di energia nasce in ambito filosofico con Aristotele ma si trova per la prima volta nella letteratura scientifica con Keplero nel Harmonices Mundi (1619).

Nel 1800 si chiarisce il significato del termine, distinguendolo da quelli di forza e di lavoro.

L'energia è una grandezza fisica legata ad un principio di conservazione.

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Principali protagonisti dello studio dell'energia

Sadi Carnot

Nelle Riflessioni sulla forza motrice del fuoco (1824) studia la

trasformazione di calore in lavoro.

Nel 1833 suggerisce che il calore del sole si trasmette alle piante e ai frutti della terra, che a loro volta lo trasmettono agli esseri viventi che

se ne nutrono. William Herschel

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R. J. Mayer

Nel 1842 propone che una immensa forza generatrice,

Ursache, si scinda in tante forze secondarie.

Per esempio, l'“energia” del sole si scinde in “energia” luminosa,

termica e chimica, lasciando il totale invariato.

(8)

J. P. Joule

Nel 1843 scopre la relazione tra intensità di corrente in un conduttore e quantità di

calore prodotta.

Negli anni successivi, Joule compie una serie di misure sempre più precise

dell'equivalente meccanico del calore, la più celebre delle quali è quella con il

famoso mulinello di Joule.

L'ultima sua misura prevede che a 4,15 J corrisponda 1 cal (il rapporto misurato oggi è 4,186 J/cal).

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Nel 1847 scrive il saggio Sulla conservazione della forza, in cui riprende l'idea secondo cui tutte le

“energie” dell'universo si trasformano in varie forme.

H. L. Helmholtz

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Nel 1865, riprendendo i risultati di Joule e di Helmholtz, formula il primo principio della termodinamica:

Q – L = U



Q: quantità di calore assorbita da un sistema;

L: lavoro compiuto da un sistema;

U: variazione di energia interna, cioè della somma delle energie cinetiche e potenziali delle particelle che compongono il sistema.

Il primo principio della termodinamica non è altro che l'espressione del principio di conservazione dell'energia.

R. Clausius

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Nel 1905, nella teoria della relatività ristretta, afferma che la massa è essa stessa energia a riposo:

E₀ = mc²,

che rappresenta l'equivalenza massa – energia.

Nello stesso anno, per spiegare l'effetto fotoelettrico, suggerisce la quantizzazione dell'energia della luce:

E = h f Albert Einstein

(12)

Nel 1918 dimostra un teorema che enuncia l'equivalenza del principio di conservazione dell'energia con l'invarianza temporale delle leggi della fisica.

Emmy Noether

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1) 1J

2) 1 cal = 4,186 J

3) 1 kWh = 3,6 · 10⁶ J 4) 1 eV = 1,6 · 10^-19 J 5) 1 Toe = 4,186 · 10¹⁰ J

Alcune unità di misura

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Forme di energia

(15)

1) Energia cinetica

Energia meccanica

(16)

2) Energia potenziale

- gravitazionale - elastica

(17)

Luce

Energia elettromagnetica

Radiazione

(18)

Energia chimica

Altre forme di energia

Energia nucleare

(19)

Lavoro

Energia in transito

Calore

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Fonti di energia

(21)

Fonti rinnovabili

Sono fonti di energia generate da fonti che si rigenerano o non sono esauribili nella scala dei tempi umani.

Sole

(22)

Onde marine Vapore acqueo ipogeo

Acqua Correnti di marea

(23)

Biomasse

Vento

(24)

Petrolio Fonti fossili

Metano Uranio

Carbone

(25)

Efficienza energetica

In un processo di trasformazione di energia, è il rapporto tra l'energia in uscita, resa disponibile per altri utilizzi, e quella in entrata.

(26)

Il consumo di energia

(27)

Fonte: IEA

(28)

Fonte: IEA

(29)

Fonte: IEA

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I consumi di energia nei principali Paesi nel 2010

Area / Paese Consumo

(10⁶ Toe) Popolazione Consumo/abitante (Toe)

Stati Uniti 2216 309.011.469 7,2

Russia 702 143.479.273 4,9

Giappone 497 128.542.349 3,9

EU – 27 1714 502.760.106 3,4

Cina 2417 1.368.810.604 1,8

India 693 1.234.281.163 0,6

Totale Mondo 12717 6.909.000.000 1,8

Elaborazione sulle seguenti fonti:

per il consumo di energia: ENEA

per la demografia: wikipedia, populationpyramid.net

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Evoluzione del consumo di energia

Fonte: elaborazione su dati ENEA

Area / Paese

Consumo (10⁶ Toe)

Variazione %

2000 2010

Cina 1095 2417 120,8%

Stati Uniti 2273 2216 -2,5%

EU – 27 1685 1714 1,7%

Russia 619 702 13,3%

India 457 693 51,5%

Giappone 519 497 -4,2%

Totale Mondo 10096 12717 26,0%

(32)

27,1%

32,0%

21,3%

5,6%

14,0%

Fonti energetiche utilizzate nel mondo

anno 2010

Carburanti solidi Petrolio e derivati Gas

Nucleare

Rinnovabili e Rifiuti

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Fonti energetiche utilizzate dai principali consumatori nel 2010

Area / Paese Carburanti solidi

Petrolio e

derivati Gas Nucleare Rinnovabili e rifiuti

Importazioni di elettricità

Cina 66,0% 17,8% 3,7% 0,8% 11,7% 0,0%

Stati Uniti 22,7% 36,3% 25,1% 9,9% 5,9% 0,1%

EU – 27 15,9% 35,1% 25,1% 13,4% 10,4% 0,0%

Russia 16,4% 19,8% 54,5% 6,4% 3,1% -0,2%

India 41,6% 23,4% 7,6% 1,0% 26,3% 0,1%

Giappone 23,1% 40,9% 17,3% 15,1% 3,6% 0,0%

(34)

61,5%

23,0%

8,1%

1,3%6,1%

Distribuzione delle fonti rinnovabili nei Paesi OCSE

Anno 2010

Idroelettrico Eolico

Biocarburanti e rifiuti Fotovoltaico

Altre

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Problemi legati alla

trasformazione di energia

(36)

Inquinamento dell'aria

Modificazione del paesaggio Possibili catastrofi

Riscaldamento globale

(37)

Possibili conflitti

Riduzione di risorse alimentari Smaltimento di scorie