Energia e società G.Fiorentini INFN e UniFe - Liceo "Mamiani ...
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Energia e società
G.Fiorentini INFN e UniFe
• Temi:
•Proprietà dell’energia
•Unità di misura
•Contenuto energetico delle sostanze
•Uso dell’energia: quanta, dove e perche’
•Produzione di energia ed emissione di CO2
•Il sole (e le stelle) all’origine delle nostre fonti energetiche
•XI comandamento
• Warning: Vastità del campo richiede una selezione degli
argomenti
• Goal: introdurre concetti principali e valutare gli ordini di
grandezza
1
Perche’ e’ importante l’energia?
• Energia è la capacità di produrre lavoro
• Due concetti vicini, in alcune lingue legati a parole vicine:
gr: energeia-ergon ; in : energy-work ; ted : Energie-Werk…
• Nelle lingue romanze al termine lavoro e’ legato il concetto di
fatica, sofferenza:
La: laborare=faticare, Fr: travailler,
sp: trabahar It:travaglio …
• Lavorare insomma è fatica
L’energia è importante perchè ci libera dalla fatica, dalla
sofferenza.
2
Proprietà fondamentale:
la conservazione dell’energia
• E’ un fatto sperimentale che l’energia totale di un sistema
isolato rimane costante
• Ossia l’energia puo’ essere trasformata da una forma
all’altra, oppure puo’ esser trasferita da un corpo all’altro,
ma non puo’ esser ne’ creata ne’ distrutta.
• «Genitori»* della legge della C.E. James
Joule, che nel 1843 dimostro’ la
conversione fra energia gravitazionale,
energia cinetica e energia termica e H.
Helmoltz, che nel 1847 formulo’ la legge
di conservazione in termini generali
3
*) venticinquenni !
Über die Erhaltung der Kraft *) Per «Kraft» (Forza) H.H. intende cio’ che noi chiamiamo energia 4
Hermann von Helmoltz
• Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (31 agosto
1821 - 8 settembre 1894) fu un medico e fisico tedesco
che ha dato contributi importanti in diversi campi
scientifici (fisiologia, psicologia, fisica, filosofia ...).
• La più grande associazione tedesca di istituti di ricerca,
l'Associazione Helmholtz, prende il nome da lui.
• In fisiologia e psicologia, è noto per gli studi sull'occhio, la
teoria della visione, le idee sulla percezione visiva dello
spazio.
• In fisica, è noto per i suoi studi sulla conservazione
dell'energia, e per i lavori in elettrodinamica e
termodinamica.
• Come filosofo, è noto per le idee sul potere civilizzatore
della scienza.
5
Feynman e la conservazione
dell’energia*
• «C'è un fatto, o se volete, una legge, che governa i fenomeni
naturali sinora noti. Non ci sono eccezioni a questa legge, per
quanto ne sappiamo è esatta. La legge si chiama
“conservazione dell'energia”, ed è veramente una idea molto
astratta, perché è un principio matematico: dice che c'è una
grandezza numerica, che non cambia qualsiasi cosa accada.
Non descrive un meccanismo, o qualcosa di concreto: è solo un
fatto un po' strano: possiamo calcolare un certo numero, e
quando finiamo di osservare la natura che esegue i suoi giochi,
e ricalcoliamo il numero, troviamo che non è cambiato...»
* Richard Feynman, La fisica di Feynman vol. I 6
Perche’ si conserva l’energia?
Perche’ le leggi della fisica non cambiano nel tempo
Applicazione particolare del teorema di Noether, che collega
in forma generale simmetrie, invarianze e leggi di
conservazione.
7
mmy Noether
• Amalie Emmy Noether (1882 - 1935) fu una matematica
tedesca che fornì importanti contributi
all'algebra astratta e alla fisica teorica.
• Il teorema di Noether spiega la connessione tra simmetrie e
leggi di conservazione.
• Ha insegnato all'Università di Gottinga fino a quando il
regime nazista licenzio’ tutti i professori ebrei. Quindi si
trasferi’ al Bryn Mawr College negli Stati Uniti
• È considerata (da Pavel Alexandrov, Albert Einstein, Jean
Dieudonné, Hermann Weyl e Norbert Wiener) la donna più
importante nella storia della matematica.
8
Che succederebbe se le leggi
della fisica cambiassero?
• Se l’accelerazione di gravità (oggi g=9,8m/s2) diventasse
piu’ grande domani (g’ >g)
• Oggi porto in alto un corpo di massa m spendendo E=mgh
• Domani il corpo che cade mi restituirà E’=mg’h, piu’ di
quello che ho spesso oggi…
• Dunque l’energia non si conserverebbe
9
Unità di misura dell’energia -1
• L’unità di misura nel sistema internazionale e’ il Joule:
1 Joule = 1 Kg * 1m 2 / 1s 2
• In ambito biologico-chimico e’ usata la Caloria = l’energia necessaria
per innalzare di 1 grado la temperatura di un Kg di acqua
1 Cal = 4184 Joule
• Nel settore elettrico si usa il kilo-Watt-ora:
1 kWh = 1000 Joule/s 3600 s = 3.6 106 Joule ~1000 Cal
• Nel settore energetico si usa la TOE (Tonnellata di Olio equivalente),
l’energia che si ricava dalla combustione di 1 Ton di petrolio
1 toe = 4.2 1010 Joule = 107 Cal
NB1 1 Cal = 1000 cal !!
NB2: 1 Cal ~ 1 Watt-ora
10
NB3: 1 g-olio ~ 10 CalJames Prescott Joule
• James Prescott Joule ( 1818 –1889) was an English physicist, mathematician and
brewer. Joule studied the nature of heat, and discovered its relationship to
mechanical work. This led to the law of conservation of energy, which in turn
led to the development of the first law of thermodynamics.
• Joule worked with Lord Kelvin to develop an absolute thermodynamic
temperature scale, which came to be called the Kelvin scale. Joule also made
observations of magnetostriction, and he found the relationship between the
current through a resistor and the heat dissipated, which is also called Joule's
first law.
11Unità di misura dell’energia -2
• In fisica si usano anche unità specifiche delle
reazioni elementari in esame:
• Nel caso di processi chimici, l’energia liberata nella reazione
fra due molecole e’ dell’ordine dell’ elettron-Volt (eV),
l’energia di un elettrone accelerato da una ddp di 1V
1 eV= 1.6 10-19 C * 1 V = 1.6 10-19 Joule
• Nel caso di processi nucleari, l’energia liberata nella
reazione fra due nuclei e’ dell’ordine di milioni di eV
1 MeV = 106 eV = 1.6 10-13 Joule
12Unità di misura della potenza (E/t)
• L’unità nel sistema MKS:
1 Watt= 1 joule/s
• Un multiplo frequentemente
usato e’ il kW= 1000 Watt
• Unità «storica» il cavallo
1hp = 735 W
• Unità «immaginaria» FaSe
1FaSe= 150 W
13James Watt
• James Watt (1736-1819) was a Scottish inventor, mechanical engineer, and
chemist who improved on Thomas Newcomen's steam engine with his Watt
steam engine in 1776, which was fundamental to the changes brought by the
Industrial Revolution in both his native Great Britain and the rest of the world.
• While working as an instrument maker at the University of Glasgow, Watt
became interested in the technology of steam engines. He realised that
contemporary engine designs wasted a great deal of energy by repeatedly
cooling and reheating the cylinder. Watt introduced a design enhancement, the
separate condenser, which avoided this waste of energy and radically improved
the power, efficiency, and cost-effectiveness of steam engines. Eventually he
adapted his engine to produce rotary motion, greatly broadening its use
beyond pumping water.
14Le unità di misura !!!!
Air Canada 143 «Gimli
Glider»
15Riassunto
Energia Joule Potenza Watt
1Gtoe 4.2 1019 1 GW 109
1 Toe 4.2 1010 1 MW 106
1 kWh 3.6 .106 1 kW 103
1 Cal 4.2 .103 1 CV 735
1 Joule 1 1 Fa.Se 150
1 MeV 1.6 .10-13 1 Watt 1
1eV 1.6 .10-19
16Caratterizzazione dei sistemi energetici*
• Densità energetica: rapporto fra l’energia che si puo’
ricavare da un corpo e il suo volume
u= U/V
• Intensità energetica: rapporto fra l’energia
necessaria per produrre un bene/servizio e il suo
valore
i=U/Valore
• Energia specifica: rapporto fra l’energia che si puo’
ricavare da un corpo e la sua massa
r= U/M
* Proprietà intensive sono le grandezze (fisiche) che non
dipendono dalle quantità del campione in esame
17Energia specifica delle
reazioni chimiche
•L’energia specifica e’ il rapporto fra l’energia che puo’ esser
ricavata da un oggetto e la sua massa r=U/M
•L’energia liberata in una reazione chimica e’ dell’ordine di un
eV per molecola
•Per una molecola con numero di massa A (M~Amp):
r=U/M = (1eV /1g) (1g/A mp) =(1eV /g) NA /A ~ (105J/g) /A
1.6.10-19 6.1023
• Per A=12 (Carbonio) ottengo r~ 104 J/g
Tipico ordine di grandezza dell’energia ricavabile mediante
reazioni di molecule organiche 18Amedeo Avogadro
• Amedeo Carlo Avogadro( 1776 –1856), Count of Quaregna
and Cerreto, was an Italian scientist, most noted for his
contribution to molecular theory now known as Avogadro's
law, which states that equal volumes of gases under the
same conditions of temperature and pressure will contain
equal numbers of molecules.
• In tribute to him, the number of elementary entities (atoms,
molecules, ions or other particles) in 1 mole of a substance,
6.022140857(74)×1023, is known as the Avogadro constant
and represented by NA
19Energia specifica
delle reazioni nucleari
• L’energia liberata in una reazione nucleare e’ dell’ordine di
un MeV per ogni nucleone che vi partecipa
U ~1MeV *A
ne segue
r=U/M = 1MeV A / A mp = 1MeV / mp =1011Joule/g
• A parita’ di massa, l’energia liberata nelle reazioni nucleari
e’ milioni di volte rispetto a quella delle reazioni chimiche
• Cio’ ha molte conseguenze: dalle stelle, agli esplosivi, alla
medicina…
20Energia per grammo di materia
oggetto Calorie/g Joule/g Confronto Note
(Watt-ora)/g con
petrolio
Proiettile 0.01 40 0.001 (v=300m/s)
Batteria auto 0.03 125 0.003 Al piombo
Batteria cel 0.15 600 0.015 Agli Ioni di litio
TNT 3.5 14.500 0.3 Tritolo (calore di combustione)
Zucchero 4 17.000 0.4 C6H12O6+6O2->6CO2+6H2O
Carbone 6 27.000 0.6 C+O2 -> CO2
Alcool 6 27.000 0.6
Burro 8 34.000 0.7
benzina 10 42.000 1
metano 13 54.000 1.3 CH4+202-> CO2+2H2O
Idrogeno 26 110.000 2.6 2H2+02-> 2H2O
Asteroide 100 450.000 45.000 (v=30km/s)
Uranio-235 20 *106 82 * 109 2 *106 fissione 21Alimenti
oggetto Calorie/g Joule/g Confronto Note
(Watt-ora) con
petrolio
Zucchero 4 17.000 0.4 C6H12O6+6O2>6CO2+6H2
O
Alcool 6 27.000 0.6
Burro 8 34.000 0.7
• Per vivere abbiamo bisogno di energia, che ci procuriamo
con reazioni del tipo*:
“CH2” + “3 O”→ CO2 + H2O
• un grammo contiene ~ 1023 reagenti ciascuno dei quali
libera ~ 1eV, ossia ~ 104 Joule/g
• Per sostenerci serve qualche centinaio di grammi al giorno
di zuccheri ~ 2000 Calorie
22482 Cal per 100 g di biscotti
Valori medi per 100 g di Cal
biscotti
GRASSI 20 g 20x8 =160 Cal
CARBOIDRATI 70 g 70 x4= 280 Cal
PROTEINE e FIBRE ~10 g 10 x4 = 40 Cal
23
ENERGIA (stimata) ~ 480 CalPerche’ 2000 Cal (2.4kWh) al giorno?
Ci vuole
dell’energia per
per mantenersi in In un giorno sono
vita: 24h x0,1 kW =2.4 kWh
-20 Watt per il
cervello Questo corrisponde a
-80 Watt per il 8.6*106 J=2000Cal al
resto del corpo giorno
In totale 100
Ci vuole molta piu’
Watt, ossia
energia per gli
occorre fornire al
«extra»…
nostro corpo 100
24
J ogni secondoIl grosso del conto sta negli
extra
• Gli extra sono per riscaldamento, illuminazione, trasporti, lavoro….
• In totale l’energia primaria richiesta per l’uomo di oggi in Europa
corrisponde a 120 kWh al giorno*, 50 volte quella strettamente
necessaria alla vita
• In termini di potenza primaria, significa 5kW
*) il doppio in USA, la metà come media mondialeEnergia e civilizzazione
Le tappe principali della
conquista dell’energia:
1) uomo preistorico
2) caccia e pastorizia
3) agricoltura
4) combustibili fossili
1-3): uso dell’ energia
«attuale» proveniente dal
sole
4)uso dell’energia
«accumulata» proveniente
dal sole
Notare il fattore ~100 fra la
preistoria e le attuali società
piu’ tecnologiche
26Disponibilità di energia e crescita delle
popolazione
negli ultimi 12.000 anni
27Combustibili
oggetto Calorie/g Joule/g Confronto con Note
(Watt-ora) petrolio
Carbone 6 27.000 0.6
Benzina 10 42.000 1
Metano 13 54.000 1.3 CH4+202-> CO2+2H2O
Idrogeno 26 110.000 2.6 2H2+02-> 2H2O
• Combustibili liquidi (come benzina e gasolio) sono i piu’
diffusi perche’ possono essere facilmente accumulati,
trasportati ed erogati
• Alla pompa,tipicamente vengono erogati 60 litri/minuto ~
1kg/s, che corrispondono a 42.000*1000 J/s =42 Mega-
watt! *)
• In altre unità, sono 10kWh ogni secondo
28
*)Equivalente a 10.000 impianti elettricità per uso domestico a 3KWBatterie
oggetto Calorie/g Joule/g Confronto con Note
(Watt-ora)/g petrolio
Batteria auto 0.03 125 0.003 Al piombo
Batteria cel 0.15 700 0.015 Agli Ioni di litio
Benzina 10 42.000 1
• L’energia
immagazzinata
e’
U = Q V = It V
• L’energia
utilizzabile e’
Uef ~1/2U
Uef=1/2 * 52Ah *12V= 300 Uef=1/2* 3.2Ah *5V= 8 Wh
Wh M=12Kg -> Uef/M M=60g -> Uef/M =0.13
=0.025Wh/g Wh/gBatterie 2
oggetto Calorie/g Joule/g Confronto con Note
(Watt-ora)/g petrolio
Batteria auto 0.03 125 0.003 Al piombo
Batteria cel 0.15 600 0.015 Agli Ioni di litio
Benzina 10 42.000 1
Da notare:
-grande progresso nell’intensità di energia passando
dalle batterie al piombo a quelle al litio
-l’energia specifica e’ comunque molto inferiore
(1/60) a quella della benzina
-Se voglio accumulare tanta energia quanta in 1kg di
benzina occorrono 60 kg di batterie agli ioni di litioPotenza max ~800 hp coppia ~1250 Nm
Tesla S Long range
31Domande:
• Quanto pesano le batterie?
il pacco di ~ 100 kWh richiede M ~ 600kg
• Quanto tempo occorre per ricaricarle?
Con una colonnina da 100 kW occorre 1 ora*)
• Quanto e’ efficiente?
L’autonomia di 500km implica un consumo di
20 kWh per 100km
equivalente al contenuto energetico di 2 litri di
benzina !
* Uso domestico: 3kW
Colonnine ENEL: 22 kW
TESLA supercharger 300kW
32Xiaomi Mi Electric Scooter
Monopattino Elettrico Pieghevole
• 30 km di Autonomia,
• Velocità fino a 25 km/h
• Pendenza massima superabile 14%
• Coppia 16N*m
• Peso 12.5 kg
• Potenza 250 W ( 1/3 hp ~ 2FaSe)
• Tensione 42V
• Capacità nominale 280 Wh
• Consumo: 1kWh/100 km !
33Cose che esplodono/bruciano (1)
oggetto Calorie/g Joule/g Confronto con Note
(Watt-ora) petrolio
TNT 3,5 14.500 0,3 Tritolo
benzina 10 42.000 1 »non esplode»
Uranio-235 20 *106 82 * 109 2 *106 fissione
• La velocità di reazione e’ cio’ che distingue una reazione esplosiva
da una reazione di combustione ordinaria
• Il calore di detonazione del tritolo(4.18x103J/g) e’1/3 del calore di
combustione
• Si realizzano esplosivi nucleari, la cui energia specifica e’ milioni di
volte quella del tritolo
• Bombe nucleari con massa di 1 Ton sviluppano
l’energia di Milioni di Ton di tritolo
• Un bombardiere B52 puo’ portare 30 ton di bombe…
3
4Cose che esplodono/bruciano (1)
oggetto Calorie/g Joule/g Confronto con Note
(Watt-ora) petrolio
TNT 3.5 14.500 0,3 Tritolo
benzina 10 42.000 1 »NON ESPLODE»
• Benzina o cherosene (liquidi)
difficilmente esplodono
• Notare che l’energia specifica rilasciata
nella combustione di benzina e’
maggiore di quella del tritolo
• L’11 Settembre il crollo delle torri
fu dovuto al calore rilasciato dal
carburante degli aerei (~60 Ton)
3
5Quanta energia viene usata nel mondo* ?
• Oggi 15 Miliardi di Toe, cioe’
2Toe per persona, in media
• Valore raddoppiato negli
ultimi trent’anni
• Ci si aspetta che nel futuro il
consumo globale continui a
crescere, anche se piu’
lentamente, per il
miglioramento delle
condizioni di vita nei paesi in
via di sviluppo
* Da BP energy outlook 2019, predizioni basate sullo scenario ET (evolving transition)
36Per fare cosa?
• Oggi:
-Industria : 45%
-«combustibili non
bruciati »: 5%
- Edifici : 30%
-Trasporti:20%
• La domanda di energia cresce
in tutti i settori
• E’ in crescita il peso degli
edifici e dei combustibili
Da BP energy outlook 2019, predizioni
basate sulo scenario ET (evolving «non bruciati» (plastica)
transitionChi la usa ?
• È in corso una transizione
nel modello globale della
domanda di energia
• Il mondo in via di sviluppo
sta dominando nella
domanda di energia
Da BP energy outlook 2019, predizioni
38
basate sulo scenario ET (evolvingDa che fonte proviene?
• Oggi l’85% dell’energia
e’ di origine fossile
(gas, petrolio,
carbone)
• Il nucleare da fissione
vale 5%
• Idroelettrico e altre
rinnovabili (eolico,
solare, geotermico..)
danno il restante 10%
Da BP energy outlook 2019, predizioni basate sullo 39
scenario ET (evolving transition)Il peso delle diverse fonti,
• Nello scenario considerato
(ET) la crescita
dell’energia totale e’
Oil realizzata tramite l’
aumento dell’uso di gas e
rinnovabili
Coal
Gas • Questo genera una
transizione verso un
Rene «lower carbon energy
system»
Hydr w.
Nucle
o • Le rinnovabili appaiono in
ar forte crescita
Da BP energy outlook 2019, predizioni basate sulo scenario ET (evolving transition) 40Scenari energetici futuri
…e impatto sulle emissioni di CO2
41ENERGIA E CO2
• In ogni combustione il destino del carbonio e’ quello di
legarsi all’ossigeno*
C → C02
• Poiche’ m(C)~12mp e m(O)~16mp → m(C02) ~44mp
• Nella combustione 1Ton di carbone produco 44/12 =3.7 ton
di C02
• Poiche’ l’energia consumata in un anno corrisponde a ~10
Gton di Carbone, l’o.d.g. della quantità di CO2 immessa in
atmosfera ogni anno, tramite combustibili fossili e’ di circa
37 Gton
• Il valore ufficiale e’ 33 GTon di CO2 **)
*) E quello dell’idrogeno di formare acqua H2→ H2O ….
**) ciascuna persona in media e’ responsabile di 5 Ton CO2 all’anno, che 42
diventano 10 per cittadino UE e 20 per USAC’e’ fossile e fossile…
• In ogni combustione il destino del carbonio e’ quello di
legarsi all’ossigeno: C → C02
• ..e quello dell’idrogeno formare acqua: H2→ H2O
• Il parametro di merito e’ Energia /massa(CO2)
Carbone C 1.6 Cal/g *
Petrolio «CnH2n» 3,2 Cal/g **
Metano CH4 4.7 Cal/g ***
A parità di energia, la CO2 prodotta dal Metano e’ 1/3 rispetto
al Carbone
**) ciascuna persona in media e’ responsabile di 5 Ton CO2 all’anno, che
diventano 10 per cittadino UE e 20 per USA 43CO2 nell’atmosfera
• La massa dell’atmosfera terrestre e’5 1015 ton e
mediamente nel passato la concentrazione di CO2 era
di 250 ppm, ossia c’erano 120 Gton di CO2
• Oggi immettiamo nell’atmosfera 33Gton di CO2
all’anno…
44CO2 e Temperatura (1 milione di anni) • Il grafico delle temperatura e’ correlato con quello della CO2 • La CO2 e’ raddoppiata dall’inizio dell’era industriale 45
Temperatura e CO2,
( in 100 anni)
46Classificazione delle fonti
energetiche
• Tipologia:
- Primarie= esistenti in natura
- Secondarie*= non esistenti in natura, ma
ricavate da fonti primarie **)
• Disponibilità: rinnovabili/non-rinnovabili
• Effetti sulla CO2.
• Per noi fisici e’ di interesse anche l’origine…
*) Dette anche vettori energetici
**) Es. Elettricità, idrogeno 47Fonti energetiche primarie
Fonte disponibilità CO2 Origine Note
Energia solare R N Sole
Biomasse R N Sole Include legna
En.Eolica R N Sole
En. R N Sole
Idroelettrica
En. Oceanica R N Sole + Luna Correnti, onde,
maree
Combustibili NR A Sole
fossili
Geotermia NR N Stelle O rinnovabile?
Fissione NR N Stelle
Nucleare
Fusione NR N Big-Bang…+stelle
Nucleare
Energia: un dono dalle stelle all’umanità 48Energia dal sole all’umanità:
la fotosintesi
• Per far crescere una pianta ci vuole aria, acqua
e luce, attraverso la reazione della fotosintesi:
6 C02 + 6 H20 + energia C6H1206 + 6 02
• L’energia solare è convertita in energia chimica, che sta nei legami fra
C ed H
• L’utilizzo dell’energia è tramite la combustione, che sostanzialmente è
il processo inverso:
C6H1206 + 6 02 6 C02 + 6 H20 + energia
• Questo è cio che facciamo alimentandoci, simile a quel che succede
quando bruciamo del legno, e simile a quel che avviene nel motore
dell’automobile….
• I combustibili fossili (olio, gas, carbone.. ) sono i resti di sostanze
biologiche , che hanno trattenuto per milioni d’anni l’energia che il sole
aveva dato a una pianta., tramite la fotosintesi…
49Quanta energia arriva dal sole?
50ilancio annuale
Exa-Joule (1018 J)
Energia 3.850.000 • L’umanità consuma 1/5
di quel che la natura
solare che riesce a fissare
raggiunge la
terra • L’umanità in un anno
consuma quanto il sole ci
Energia ~3000 manda in un’ora
fissata dalla • Vale la pena di cercare di
fotosintesi imitare la natura:
Energia ~600 fotovoltaico
utilizzata
dall’umanità
51L’XI comandamento
• I dieci comandamenti sono un codice di comportamento
• I primi regolano il rapporto con l’Autorita’, gli altri i rapporti
fra gli Uomini.
•Non c’e’ nulla che fissi il rapporto fra uomo e natura, forse
perche’ quando sono sono stati scritti non ce ne era bisogno;
• Oggi non e’ piu’ cosi’.
•L’energia, e quel che ne segue, e’ un dono della natura; e’
nostro dovere garantire quello che e’ un diritto delle
generazioni future:
XI: NON SPRECARE
52Grazie!
53Per saperne di piu’
• H Mueller,
-Physics for future Presidents
-Energy for future Presidents
• Vaclav Smil, Energy and Civilization
• J Andrews & N Jelley Energy science
• Il mio corso, Energia e società, Ma, Me e Gio, 14-16, aula C416, dal 1 Ottobre
54Puoi anche leggere
