MESSINA – 25/05/2010 La generazione dell’energia elettrica e l’inquinamento Beniamino Ginatempo
Dipartimento di Fisica
Facoltà di Ingegneria
Università di Messina
Salita Sperone 31 - 98166 Messina
E-mail: Beniamino.Ginatempo@unime.it
MESSINA – 25/05/2010 La generazione dell’energia elettrica e l’inquinamento Beniamino Ginatempo
Dipartimento di Fisica
Facoltà di Ingegneria
Università di Messina
Salita Sperone 31 - 98166 Messina
E-mail: Beniamino.Ginatempo@unime.it
Piano del seminario
Premessa: A che serve la Fisica?
Leggi di conservazione
Energia
Utilizzazione dell’Energia e dissipazione
La generazione di energia elettrica
L’energia nucleare e le scorie radioattive
L’energia solare Ci son più cose in cielo e in terra, Orazio, che non ne sogni la tua filosofia (W. Shakespeare)
Chiediamoci Perché?
Perché il Sole sorge e tramonta?
Perché gli oggetti cadono?
Perché esistono solidi e fluidi?
Perché vedo?
Perché ci sono oggetti caldi o freddi?
Perché una pallina che rotola sul pavimento si fermerà?
Perché ci sono i fulmini?
Perché un oggetto esposto al sole si riscalda?
Perché il mare ed il cielo sono azzurri?
Perché posso udire e produrre suoni?
Perché il rosso Ferrari è diverso dal rosso della salsa di pomodoro?
Perché il gesso aderisce alla lavagna o una matita scrive?
Perché una bussola segna il nord?
Perché posso vedere in TV real time una partita di calcio? Milioni sono le domande possibili ed alcune di incredibile sottigliezza.
Scoprire le risposte può dare una ineguagliabile gioia, come leggere una poesia o ascoltare
della musica. Le domande si riferiscono a fenomeni fisici e la Fisica si occupa di cercare le risposte
e di capire come sfruttare ciò che comprendiamo per il progresso dell’umanità.
Leggi di conservazione
Le leggi della Fisica sono spesso formule matematiche che stabiliscono che
alcune grandezze fisiche si conservano e altre non si conservano durante un
fenomeno fisico Esempi di leggi di conservazione (sistemi isolati):
Principio di conservazione della Massa
Principio di conservazione della Carica Elettrica
Principio di conservazione della Quantità di Moto
Principio di conservazione del Momento Angolare
Principio di conservazione della Parità (Mec. Quant.)
Principio di conservazione dell’ Energia La validità delle leggi di conservazione implica che i fenomeni fisici
avvengano mediante la trasformazione di alcune grandezze fisiche in altre
(Nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma) La Natura è scritta nel linguaggio della Matematica (G. Galilei)
Energia
L’energia si può trasferire da un sistema ad un altro, e ciò accade per mezzo
di forze (macroscopiche o microscopiche) che compiono lavoro Il lavoro è quella porzione di energia che viene trasferita da un sistema ad
un altro per l’azione di una forza In generale l’energia rappresenta le risorse possedute da un sistema fisico L’energia, come la massa, la quantità di moto, il momento angolare è
soggetta ad un principio di conservazione: per un sistema isolato l’energia
non si crea e non si distrugge
A B Un biliardo senza attrito 1) Entra energia dall’esterno 2) L’energia entrata resta per sempre, se non viene dissipata o non fuoriesce A B A B A B B A B A B A B A A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B 3) Eventualmente l’energia si trasferisce da un sottosistema ad un altro
Utilizzabilità dell’Energia
Nelle trasformazioni di energia non sempre è possibile utilizzare tutta l’energia
disponibile Pensate, per esempio, ad un’area di parcheggio: non è possibile utilizzarla tutta,
perché le automobili hanno bisogno di spazio (le risorse disponibili) per
parcheggiare L’uso scoordinato delle risorse non ne consente il pieno utilizzo
Qualunque applicazione tecnologica dell’uomo è una macchina termica:
un apparato che consente di trasformare energia da un tipo ad un altro P.es. un motore d’auto trasforma energia chimica in meccanica; un alternatore
trasforma l’energia meccanica in elettrica; una lampadina trasforma l’energia
elettrica in luce; una stufa trasforma l’energia elettrica in calore; etc. In queste trasformazioni, purtroppo, vi sarà sempre una parte della energia
inizialmente disponibile che sarà inutilizzabile. Tutte queste macchine, che
servono a migliorare la vita dell’uomo, cioè che sono il progresso,
hanno un rendimento inferiore ad 1 Lo “sfrido” di energia e massa in una trasformazione è
l’inquinamento
La generazione di energia elettrica
L’energia meccanica si può trasformare in energia elettrica mediante delle
macchine termiche dette ALTERNATORI (o dinamo o turbine)
B w wt Contatti striscianti (spazzole) Poli dell’elettromagnete R L’alternatore trasforma l’energia meccanica usata per far ruotare una spira
in energia elettrica
Centrali idroelettriche
Le centrali idroelettriche usano l’energia cinetica dell’acqua alla base
di una cascata per far ruotare le turbine. Basso rendimento e grande impatto
ambientale (dighe, deviazioni di corsi d’acqua, creazioni di invasi artificiali, ecc.)
Parchi eolici
I parchi eolici sono costituiti da tanti mulini a vento. Il vento fa ruotare le pale
e questa energia viene trasformata in energia elettrica da un alternatore montato
sulla testa del mulino; basso inquinamento, rendimento 40-50%, ci vuole vento
Centrali termoelettriche
Le centrali termoelettriche convenzionali trasformano l’energia termica che si
sviluppa bruciando combustibili (metano, gasolio, carbone, ecc.) in energia
meccanica. Questa è usata per far ruotare un alternatore (turbina) che produce
Energia elettrica, come la dinamo di una bicicletta. Basso rendimento ed grandi
Emissioni di gas serra e polveri sottili
Effetto di una piccola centrale termoelettrica sulla formazione di nuvole dense (PM10)
Distanza = 130Km www.nasa.gov
Australia Costa Est degli USA www.nasa.gov
Centrali nucleari
Le centrali termonucleari trasformano l’energia termica che si sviluppa nella
fissione nucleare dell’Uranio per azionare le turbine. Rendimento più alto,
limitate emissioni di gas e polveri (40% delle centrali convenzionali), scorie
radioattive per milioni di anni, uso di enormi quantità di acqua.
L’atomo ed il nucleo
La materia è costituita da tantissimi atomi (spesso legati in molecole). L’atomo è costituito da elettroni (leggeri e carichi negativamente) e da un nucleo
molto piccolo, rispetto alla distanza degli elettroni Il nucleo è costituito da protoni (carichi positivamente) e da neutroni, entrambi
molto più pesanti degli elettroni
Il nucleo e gli isotopi
Il numero dei protoni e degli elettroni deve essere lo stesso (numero atomico)
mentre il numero dei neutroni è variabile e può essere molto elevato. Il numero dei protoni caratterizza la specie chimica (p. es. Fe=26, U=92) La stessa specie chimica può essere presente in natura con differente numero di
neutroni: gli isotopi (per esempio 238U, 235U) + + + +
Isotopi stabili ed instabili
Siccome i protoni sono particelle cariche positivamente si respingono, quindi
si dovrebbero allontanare ed il nucleo si disintegrerebbe Tuttavia i neutroni tengono legati i protoni grazie a delle forze attrattive più
intense delle repulsioni elettriche: le forze nucleari Ma se il numero dei neutroni venisse modificato il delicato equilibrio prodotto
dalle forze nucleari potrebbe essere alterato. Ecco perché esistono isotopi stabili ed instabili Gli isotopi instabili emettono radiazioni e particelle subatomiche: sono radioattivi
L’isotopo dell’Uranio utile per le reazioni di fissione nucleare è 235U
ma allo stato naturale è molto più frequente l’isotopo 238U LEU 3-5% di 235U
Reattori nucleari HEU 90% di 235U
Bombe nucleari Uranio arricchito Uranio Naturale
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