Mag 032015
 

IoSTUDIOAnche l’ACQUA può essere considerata una fonte di energia e come ogni altra fonte per il “principio di conservazione dell’energia“, può passare da una forma ad un’altra.

Approfondisco: il Principio di Conservazione dell’Energia afferma che “l’energia non si può creare ne distruggere, ma solo trasformare, ossia passare da una forma ad un’altra.

Approfondisco: una Fonte di Energia è l’elemento naturale a disposizione dell’uomo da cui trarre l’energia. Una Forma di Energia, è la modalità in cui l’energia si manifesta. Sono ad esempio fonti, l’acqua, il Sole, il petrolio, il carbone, i rifiuti. Queste possono manifestare l’energia che possiedono in diversi modi, come ad esempio: energia termica, chimica, meccanica, luminosa, sonora, ecc.

AcquaEnergiaL’ACQUA contiene in se una forma di energia chiamata potenziale che può essere sfruttata allo scopo di ottenere l’energia elettrica a noi necessaria. Questo passaggio non avviene direttamente, ma richiede una serie di trasformazioni.

Approfondisco: l’energia potenziale è quella che un corpo “potenzialmente” ha dentro di se ed è legata alla sua posizione e alle forze esterne come la gravità.

Per approfondire ulteriormente l’argomento clicca sul seguente link: energia potenziale.

STUDIA CON I VIDEO:

PASSAGGI DI STATO DELL’ENERGIA
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POTENZIALE CINETICA MECCANICA ELETTRICA

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La centrale idro-elettrica, è costituita da un insieme di strutture di grandi dimensioni fondamentali per la trasformazione dell’energia.

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Schema di una centrale idroelettrica

Queste sono: bacino, diga, condotta forzata, centrale (turbine), apparati elettrici (alternatore e trasformatore), opere di restituzione.

Chiamiamo bacino o serbatoio, un grande invaso contenente immense quantità d’acqua e  può essere naturale, come ad esempio un lago, o artificiale creato dall’uomo sbarrando un corso d’acqua con una diga.

Le dighe sono gli sbarramenti realizzati dall’uomo necessari a bloccare il corso di un fiume, realizzati in cemento armato, e possono essere costruiti in due modi: ad arco e a gravità.

Diga ad arco

Diga ad arco

Le dighe ad arco sono più piccole e hanno una forma convessa. La loro conformazione consente di trasferire la spinta dell’acqua alle pareti rocciose laterali che sostengono in questo modo tutto il peso.

Le dighe a gravità, invece, sono molto più grandi, massicce e hanno una forma lineare e sezione triangolare. Reggono la spinta dell’acqua proprio perché pesantissime. Questo richiede che il terreno su cui poggiano sia particolarmente resistente.

Diga a gravità

Diga a gravità

L’acqua raggiunge la centrale attraverso un sistema di tubature chiamate condotta forzata. Queste possono essere realizzate o all’interno della montagna (in galleria) o all’esterno sul crinale o sulla diga stessa. All’imbocco, sono munite di organi di chiusura e di sicurezza che servono a regolare la portata dell’acqua, e alla base di paratoie di intercettazione che hanno lo scopo di garantire il funzionamento delle turbine rallentando la spinta dell’acqua.

Condotta forzata

Foto di una condotta forzata

Approfondisco: portata e caduta sono i due fattori più importanti presi in considerazione per la realizzazione di una centrale idroelettrica. La portata è la quantità d’acqua che passa in un secondo all’interno di una certa sezione e dipende dalla dimensione del corso d’acqua, dalle precipitazioni stagionali, dalle dimensioni del bacino. La caduta è invece è la differenza di altezza tra il bacino e la centrale.

L’acqua giunge alla centrale e viene convogliata verso una grande ruota meccanica chiamata turbina. Questa è costituita da una parte fissa chiamata distributore e una parte mobile detta girante o rotore. L’acqua in movimento entra nella turbina, regolata mediante il distributore e agisce sulle pale del rotore mettendolo in movimento.

A seconda delle caratteristiche della centrale si realizzano tipi di turbine differenti, in grado di massimizzare la produzione di energia. I tipi più importanti sono:

Turbine Pelton, basse portate e alte cadute (50-1300 metri); sono costituite da un distributore a due o più ugelli da dove viene iniettata l’acqua (max 6) in relazione alla portata da inviare alla girante e da una ruota. Ogni ugello crea un getto, la cui portata è regolata da una valvola a spillo.

Turbine Francis, medie portate e medio/basse cadute (10-250 metri); l’acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa, indirizzano il flusso per investire le pale della girante.

Turbine Kaplangrandi portate e basse cadute (5-30 metri); nella Kaplan, le pale della ruota sono sempre regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse o regolabili. Quando sia le pale della turbina sia quelle del distributore sono regolabili, la turbina è una vera Kaplan (o a doppia regolazione); se sono regolabili solo le pale della ruota, la turbina è una semi-Kaplan.

Per comprendere meglio il funzionamento e le differenze tra i tre tipi di turbine, guarda il video di seguito:

GUARDA I VIDEO:

ACQUA PRO E CONTRO

L’acqua è una fonte naturale presente sul nostro pianeta in grande quantità (circa i due terzi della sua superficie) e per questo in grado di fornire grandi quantità di energia.

PRO – L’acqua è una fonte inesauribile di energia proprio per la sua quantità, è pulita perché non provoca alcun tipo di inquinamento sul pianeta, è gratuita perché disponibile per tutti nei mari, laghi e fiumi o sotto forma di pioggia o neve senza dover pagare nulla per ottenerla.

CONTRO – l’acqua non presenta grandi aspetti negativi, ma possiamo ritenere negativa la portata estiva dei corsi d’acqua. Infatti, la carenza di precipitazioni abbassa di molto la quantità di acqua (portata) che il fiume fornisce al bacino di una centrale. Per ovviare a questo inconveniente, oggi si realizzano delle centrali chiamate a pompaggio (vedi più avanti per capire di cosa si tratta).

I PROBLEMI DI UNA CENTRALE IDROELETTRICA

La centrale idroelettrica pur utilizzando una fonte energetica pulita come l’acqua, genera inquinamento nel suo processo di trasformazione. Infatti, la costruzione di tutte le strutture che la compongono, modificano profondamente l’ambiente generando quello che si chiama Impatto Ambientale.

Approfondisco: l’Impatto Ambientale è un’alterazione dell’ambiente a causa della realizzazione di opere di grande dimensione.

MAPPA CONCETTUALE DELL’ARGOMENTO:

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Dic 302011
 
Energia01
Cos’è l’energia. Utilizziamo energia tutti i giorni, viviamo per mezzo dell’energia, ci nutriamo di energia, tutto ciò che conosciamo funziona per mezzo dell’energia in tutte le sue forme ed aspetti. Ma, cos’è l’energia. Vediamo di capire cosa si nasconde sotto una delle parole più utilizzate nel lessico corrente.

FulmineInnanzitutto diciamo che la parola deriva dal greco energheia e assume il suo significato attuale solo dopo gli studi di Keplero.

Si definisce energia l’attitudine di un sistema o di un corpo a compiere un determinato lavoro la cui unità di misura nel Sistema Internazionale è il Joule. L’energia può presentarsi sotto diverse forme: potenziale, cinetica, termica, solare, nucleare, ecc. L’energia è una proprietà della materia ed è strettamente legata ai concetti di lavoro e di forza. Una forza applicata ad un corpo compie un lavoro se ne provoca lo spostamento. Chiamiamo la forza F; se la sua direzione, quando è applicata a un corpo, è uguale alla direzione dello spostamento, che definiremo s, il lavoro L si ottiene dal seguente prodotto:

 Lavoro = Forza x Spostamento 

Di conseguenza possiamo definire “l’energia come la misura del lavoro che un corpo è in grado di compiere“.

Un altro passo fondamentale da compiere per comprendere come l’energia si manifesta nel mondo da noi conosciuto è quello di prendere in considerazione il principio che dice: “l’energia si trasforma, non viene né creata, né distrutta”. In pratica questo  postulato, afferma una cosa semplicissima e cioè che, l’energia può essere trasferita da un corpo a un altro oppure passare da uno stato all’altro, tuttavia la somma totale dell’energia prima e dopo la trasformazione è sempre la stessa. Questo prende il nome di “Principio di Conservazione dell’Energia“.

Questo postulato, ci fa comprendere come qualunque cosa noi facciamo, non contribuiamo mai, ne a creare ne a distruggere energia; sfruttiamo solo in un determinato momento o in una determinata azione l’energia in una delle sue forme conosciute, per realizzare un lavoro. Facciamo, cioè, passare l’energia da uno stato ad un altro: ad esempio usiamo l’energia nella sua forma chimica (il cibo) per far correre il nostro corpo lungo un viale, trasformando l’energia in esso contenuta in energia cinetica (movimento).

Vediamo in quali forme l’energia può manifestarsi:

FORME DELL’ENERGIA
ENERGIA POTENZIALE

L’energia potenziale è quella che un corpo “potenzialmente” conserva dentro di se ed è associata alla sua posizione e su come influiscono su di esso le forze generate da altri corpi.

Esempio: un vaso poggiato su di un tavolo, mantiene la sua posizione in virtù della forza gravitazionale terrestre. Quindi, possiede un’energia (potenziale) che lo tiene fermo ed è massima finché questa condizione non muta. Se una forza agisce contro di esso, ad esempio una mano spinge il vaso fuori dal tavolo, questo subisce la forza di attrazione terrestre ed accusa uno spostamento verso il basso. L’energia potenziale che il vaso possedeva, diminuisce trasformandosi in energia cinetica, ossia di movimento.

L’energia potenziale si esprime con la seguente formula: Ep = m*g*h dove m=massa, g=forza di gravità e h=altezza.

ENERGIA CINETICA

L’aggettivo “cinetica”, deriva dal sostantivo greco “kinesis”, che significa letteralmente “movimento”. L’energia cinetica è dunque l’energia posseduta da un corpo a causa del suo movimento. E’ in pratica il lavoro che si deve compiere per far muovere un corpo, inizialmente fermo, ad una determinata velocità di movimento. L’energia cinetica è determinata dalla massa del corpo e dalla velocità di movimento. L’energia cinetica si distinguere in due tipologie:

  • traslazionale quando il movimento è lo spostamento del corpo stesso (es. auto in corsa);
  • rotazionale quando il movimento è di rotazione (es. ruota di una bicicletta).
ENERGIA ELASTICA

L’energia elastica è il lavoro compiuto da un corpo elastico che viene deformato dalle forze esterne. Al termine dell’azione delle forze esterne il corpo riprende la sua configurazione e forma iniziale. Il corpo elastico possiede una energia immagazinata tramite la quale riesce sempre a tornare alla sua forma iniziale (es. molla).

ENERGIA CHIMICA

L’energia chimica è sviluppata o assorbita nel corso di una trasformazione chimica (reazione chimica). E’ la conseguenza della rottura dei legami tra gli atomi delle molecole che si spezzano e della formazione dei legami tra le molecole che si formano. Un esempio è la digestione del cibo nel nostro corpo o la combustione di un idrocarburo all’interno di una centrale termoelettrica.

ENERGIA MECCANICA

L’energia meccanica si può presentare in forma di energia cinetica, potenziale o elastica. E’ quella forma di energia che viene sviluppata da un meccanismo sottoposto a un lavoro per effetto di una delle condizioni precedenti.

ENERGIA EOLICA

L’energia eolica è una fonte di energia ottenuta tramite lo sfruttamento dell’energia cinetica del vento. L’energia eolica è utilizzata dall’uomo fin dall’antichità. Basti ricordare, ad esempio, la navigazione a vela, utilizzata dall’uomo per solcare mari e oceani. L’energia eolica è considerata una fonte di energia pulita, infatti non produce inquinamento o emissioni di gas serra.

ENERGIA NUCLEARE

L’energia nucleare è una fonte di energia derivata dalla forza che tiene insieme il nucleo di un atomo. La rottura del nucleo degli atomi, attraverso il processo di fissione, rilascia una elevata quantità di energia. Lo sfruttamento dell’energia nucleare consiste in una fissione controllata in grado di sfruttare l’energia termica rilasciata dalla separazione degli atomi. Lo stesso accade nel processo di fusione di due atomi. Con il termine energia nucleare si intende il legame che tiene uniti i neutroni ed i protoni del nucleo di un atomo.

ENERGIA TERMICA

L’energia termica è il calore che viene generato dal moto degli atomi e delle molecole all’interno di un corpo. Quando un corpo viene scaldato aumenta il moto, le vibrazioni e le collisioni degli atomi. L’eccitazione degli atomi è fonte di energia termica. L’energia termica è posseduta da qualsiasi corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto. L’energia termica si può sviluppare attraverso differenti meccanismi di passaggio dell’energia. Queste tipologie sono tre e sono:

  • Conduzione. Per conduzione si verifica il passaggio di energia termica tra sistemi solidi o al loro interno.
  • Convezione. Per convezione si verifica il passaggio di energia termica tra sistemi fluidi.
  • Irraggiamento. Per irraggiamento di verifica il passaggio di energia termica attraverso emissione di onde elettromagnetiche luminose ed infrarosse. L’energia termica del sole arriva sulla terra per effetto di irraggiamento.
ENERGIA SOLARE

L’energia solare è l’energia proveniente dal Sole. Il Sole irraggia il nostro pianeta per una potenza di circa 180 mila miliardi di kilowatt. Una parte dei raggi solari viene riflessa dall’atmosfera terrestre verso lo spazio esterno. Complessivamente, giunge fino alla superficie terrestre circa 1 kilowatt di energia solare per metro quadro. L’energia solare è alla base dell’origine dell’energia sulla Terra.

ENERGIA ELETTRICA

L’energia elettrica è l’energia associata all’elettricità. Il termine è utilizzato per indicare sia l’energia di una corrente che per l’energia elettrostatica derivante da una particolare distribuzione delle cariche in un corpo. In natura il fenomeno si sviluppa nei fulmini durante i temporali. E’ difficile da accumulare, ma ha il vantaggio di essere facilmente trasportabile e trasformabile.

ENERGIA DAI RIFIUTI

L’energia dai rifiuti è generata tramite la combustione dei rifiuti solidi urbani in speciali inceneritori di termovalorizzazione. Possono essere avviati alla termovalorizzazione soltanto i rifiuti contenenti materiali derivati dal petrolio (plastiche, gomme, ecc.) e privi di frazioni organiche. L’energia da rifiuti è fortemente legata alla raccolta differenziata che permette di distinguere le diverse tipologie dei rifiuti. I rifiuti solidi urbani privi di frazioni organiche sono trattati mediante processi chimico-fisici per produrre il combustibile da rifiuti (CDR).

ENERGIA SONORA

L’energia sonora è l’energia delle vibrazioni meccaniche che si propagano da una sorgente sonora in tutte le direzioni sotto forma di onde dette elastiche. Queste onde producono delle perturbazioni nella densità dell’aria e dei corpi circostanti.

ENERGIA RADIANTE

L’energia radiante viene emessa dai corpi sotto forma di irradiazioni di onde elettromagnetiche. L’irradiamento può essere emesso dal corpo in modo spontaneo o in particolari condizioni di sollecito. Le principali forme di energia radiante sono:

  • radiazioni luminose (luce, ultravioletto, infrarosso);
  • raggi X;
  • raggi gamma;
  • onde radio.
FONTI DI ENERGIA

Mentre la forma è il modo in cui l’energia si manifesta, le fonti rappresentano l’origine da cui l’energia viene acquisita, ossia la sorgente. Tra queste la più importante è il Sole perché da esso dipendono molte altre fonti sul nostro pianeta che altrimenti non esisterebbero neppure come il vento, l’acqua, la fotosintesi.

Altre ancora non dipendono direttamente dal Sole, come l’energia nucleare e l’energia geotermica, alcune sono esauribili come i combustibili fossili, altre inesauribili come vento sole e acqua.

Le principali fonti di energia sono:

  • sole;
  • acqua;
  • atomo;
  • vento;
  • combustibili fossili (carbone, petrolio, metano);
  • geotermia;
  • rifiuti;
  • idrogeno;
  • nuove fonti.

Queste fonti vengono definite primarie perché l’energia è trasformabile direttamente da esse, mentre una fonte viene definita secondaria quando è ottenuta per trasformazione da un’altra fonte, come ad esempio l’elettricità.

Infine, definiremo riserve tutti quelle fonti note, di cui conosciamo dislocazione e quantità, cioè che sono quantificabili e misurabili, e disponiamo delle tecnologie utili a sfruttarle.

Es. i pozzi petroliferi noti consentono di prevedere in base all’attuale ritmo di sfruttamento, per quanto tempo ancora avremo riserve utilizzabili prima del loro esaurimento.

Si definiscono, invece, risorse quelle fonti non conosciute perché non ancora scoperte o per le quali non abbiamo tecnologie idonee a sfruttarle.

Es. giacimenti petroliferi non ancora scoperti che potrebbero allungare il tempo di sfruttamento di questa fonte o come nel caso della fusione a freddo, l’incapacità tecnica di realizzarla con le conoscenze attuali.

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