uomo e energia

i mezzi di comunicazione e di produzione nella storia dell’uomo la storia delle modalità di uso di Energia la compagna più stretta dell’uomo nel cammino verso lo sviluppo

•  Energia è nata insieme a Uomo. Il Sole è stata la fonte primaria di tutto •  Energia ha dato a Uomo la capacità di evolversi rispetto alle altre forme animali in direzioni che mai si sarebbero immaginate •  Uomo ha costruito la sua storia e il suo mondo grazie all’amica Energia progettando mezzi di produzione e di comunicazione sempre più evoluti nei quali Energia ha dato il meglio e Uomo ha conquistato uno sviluppo sempre più soddisfacente per i suoi bisogni •  Uomo, per colpa della sua ingordigia sta facendo frequentare Energia con risorse che ne prendono e ne danno il peggio degradando i suoi territori •  Tocca quindi a Uomo fare in modo che Energia torni sulla retta via facendola re incontrare con le sue antiche e inesauribili amiche risorse per ritornare come prima per uno sviluppo più lungo, duraturo e amichevole possibile

PREMESSA

•  Energia si presenta sotto diverse forme

•  Energia meccanica, definita classicamente come somma di energia potenziale e energia cinetica •  Energia chimica •  Energia elettromagnetica •  Energia termica •  Energia nucleare

•  Il principio di conservazione dell’energia (1^ legge della termodinamica) •  L’energia non si distrugge ne si crea, si trasforma

http://www.progettogea.com/gea/energia/energia1.6.htm

LA NATURA E I PRINCÌPI DI ENERGIA

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Circa 150.000 anni fa HOMO SAPIENS nostro diretto antenato scopre la potenza di Energia attraverso i primi strumenti per governare il mondo Energia era stata utilizzata solo nella sua espressione del fuoco che già circa 1.500.000 anni prima, i primi ominidi, che poco avevano a che fare con noi, permetteva loro di rendere più mangiabili, cucinandoli gli animali cacciati Homo Sapiens invece usò l’invisibile Energia (che fino a quel momento era riservata ai suoi muscoli), per la sua capacità di svolgere lavoro*, addomesticando animali e usandoli per lavorare i campi al suo posto con l’uso dell’aratro (si era insediato) e per trasportare merci, (la sua vita nomade lo portava a cercare sempre nuovi territori con maggiori risorse man mano che le sue comunità crescevano) Così inventò l’economia con i primi baratti del surplus del proprio lavoro e la prima agricoltura evoluta con lavoro svolto da animali fu esercitata nell’area Mesopotamica

*La definizione di Energia: è la capacità di svolgere di svolgere Lavoro o meglio “per energia di un corpo o di un sistema (un insieme) di corpi si intende l'entità (la misura: si tratta quindi di una grandezza fisica) delle trasformazioni che tale sistema può indurre su altri sistemi, interagendo con essi”. https://www.youtube.com/watch?v=LvpDFokDvB0 LAVORO DI UNA FORZA COSTANTE http://www.ambiente.parma.it/allegato.asp?ID=652121 http://www.focus.it/tecnologia/innovazione/che-cos-e-l-energia-201011301519

LE ORIGINI

•  il primo uso ottimale di Energia per risparmiare fatica fu la leva che permise a Uomo con aiuto di Energia di sollevare pesi molto più grandi di lui •  La leva è una macchina semplice* che può moltiplicare la potenza applicata per svolgere lavoro

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a leva di primo grado può essere svantaggiosa, vantaggiosa, indifferente (dipende dai bracci) quella di secondo grado è sempre vantaggiosa bp > br quella di terzo grado è sempre svantaggiosa br > bp

Fp x bp =Fr X br

*http://www-toys.science.unitn.it/laboratorio/html/insegnanti/leve/leva.html http://it.wikipedia.org/wiki/Leva_(fisica)

LA LEVA E LA RUOTA

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•  Le macchine, anche le più complicate possono essere ridotte a tante, moltissime, leve semplici dove Energia viene utilizzata ottimizzando l’uso della potenza* impiegata •  Un caso particolare della leva è la ruota la cui invenzione si fa risalire all’area Mesopotamica circa 4000 anni AC •  Si pensa che la l’idea della ruota sia venuta dal rotolamento dei tronchi nel momento dell’uso per spostare grandi pesi come blocchi lapidei per le costruzioni •  La ruota nata come tornio per vasi diventò presto, risolto la connessione asse centro ruota, elemento fondamentale per i trasporti con i carri. * La potenza W è la variazione di Energia utilizzata nell’unità di tempo

W= J/s dove J=Joule è l’unità di misura di Energia e s=secondi l’unità di tempo 1J=1N x 1m=kg x m2/s2

LA LEVA E LA RUOTA

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•  In seguito la ruota diventò ruota per il sollevamento idraulico permettendo a Energia di diventare lavoro e di aiutare Uomo a trasferire l’acqua, per esempio, per asciugare una palude •  La ruota ha permesso lo sviluppo dei mezzi di trasporto nel momento in cui si cominciarono a realizzare carri e più avanti (XII secolo) carrozze per il trasporto delle persone anche se i carri venivano utilizzati già da tempo per lo scopo

LA LEVA E LA RUOTA

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Altro lavoro che svolgeva Energia con l’uso della ruota a acqua era la macinazione del grano nei mulini già ai tempi dei Romani La ruota è stata quindi forse lo strumento più rivoluzionario della storia dell’uomo in quanto ha permesso la realizzazione di macchine nelle quali Energia era ancora generata da elementi naturali •  vento e acqua nel caso dei mulini •  acqua nel caso dei telai tessili a acqua •  animali nel caso dei torchi le ruote diventarono ingranaggi quando occorreva trasferire lavoro da una parte all’altra della macchina • 

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vedi i mulini a acqua o a vento

Piene di ruote e ingranaggi erano le invenzioni di Leonardo ad Vinci

LA LEVA E LA RUOTA

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ENERGIA È SEMPRE STATA COMPAGNA DELLE COMUNICAZIONI, DEI TRASPORTI, DEGLI SPOSTAMENTI DI UOMO SULL’ACQUA •  Utilizzando la sua di energia l’uomo si è mosso sull’acqua a partire dal 5° millennio A.C realizzando canoe ricavate da tronchi di albero •  In seguito, già dal 3° millennio gli egiziani intuirono la possibilità di aggiungere alle loro navi realizzate in papiro oltre ai remi, mossi da schiavi, delle vele che avrebbero utilizzato il vento e l’energia che trasportava. • 

probabilmente la più antica esperienza di utilizzo di energia eolica

Le navi, sempre più grandi e veloci, utilizzate per trasporto di persone e merci o come strumenti di guerra, furono mosse dal vento fine all’arrivo di motori automi esprimenti un’energia sicuramente maggiore e più certa (a vapore e poi a combustione interna) avvenuta tra metà ottocento e la fine dello stesso secolo •  Per un periodo le navi continuarono ad avere le vele, segno di una non totale confidenza nella affidabilità delle nuove tecnologie http://www.modellismonavale.org/evoluzione_della_nave.html • 

LE COMUNICAZIONI

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ENERGIA È SEMPRE STATA COMPAGNA DELLE COMUNICAZIONI, DEI TRASPORTI, DEGLI SPOSTAMENTI DI UOMO SULLA TERRA •  Abbiamo già detto che il trasporto di merci e uomini su terra fu più agevole per l’uomo dal momento in cui in periodo assiro cominciò ad addomesticare gli animali che tiravano prima delle slitte e in seguito i carri con le ruote •  Ciò rimase così fino alla fine del 18° secolo quando con l’avvento della macchina a vapore e delle sue successive applicazioni, prima fra tutte, il treno, l’uomo si affrancò definitivamente dalle basse velocità di comunicazione fino a quel momento rapportate alla velocità alla quale riuscivano a trottare i cavalli trainando una carrozza o un omnibus •  Si abbandonò definitivamente il mondo della locomozione con mezzi naturali e sostenibili per approdare a risorse energetiche che, e supponiamo che l’uomo non ne aveva consapevolezza, avrebbero mutato in maniera irreversibile la faccia della terra. imponendo ora una riflessione che può produrre un ripensamento e inversione di tendenza sulle energie antiche •  Ma tali nuove modalità di locomozione portarono anche a fare qualcosa mai prima immaginabile se non nelle legende greche o nella vulcanica creatività di Leonardo da Vinci, volare.

LE COMUNICAZIONI

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DAL ‘600 A FINE ‘700 ….. IL PENSIERO COMINCIA A ESSERE AL SERVIZIO DELL’UMANITA’ …..

•  Periodo in cui l’uomo scopri il potere del pensiero e delle scoperte scientifiche. Cartesio con il suo razionalismo e poi Newton danno una nuova dimensione alla scienza “la «scienza applicata»” la scienza che porta “alla costruzione di nuove cose, cioè quella che noi chiamiamo tecnica: un pensiero orientato a «costruire»”1. •  Da questo nuovo atteggiamento nei confronti delle cose nasce la capacità dell’uomo di fare nuove invenzioni che rivoluzioneranno il mondo. Come per esempio la macchina a vapore. Ma il potere della ragione venne messo sempre più a servizio dell’umanità quando si scoprì che si potevano mettere a frutto i saperi matematici per la fisica e la meccanica al fine di realizzare strumenti sempre più utili per lo sviluppo dell’umanità •  La storia dell’umanità è fatta di pensiero e fatti storici che riescono a spiegare l’evoluzione della società per questo è importante importante capire quali strumenti hanno permesso di produrre i fatti dell’uomo e quali pensieri hanno generato la sua evoluzione culturale

L’INIZIO DELLA MODERNITÀ

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NASCONO NUOVE SCIENZE E SI SPERIMENTANO INNOVAZIONI TECNOLOGICHE Progressi delle scienze nel 700 •  Cultura non solo letteraria ma anche scientifica. •  Metodo della scienza esteso a tutte le sfere del reale. •  Scienze nuove: chimica, geologia, embriologia, istologia... La scienza divenne quasi popolare, specialmente in Francia. I più grandi letterati e filosofi furono anche scienziati o si occuparono con passione di ricerche scientifiche

Luigi Galvani

Invenzioni e scoperte del 700 •  macchine a vapore •  •  • 

pompa per le miniere battello a vapore telaio meccanico

Alessandro Volta

•  macchina filatrice •  fusione dell'acciaio esperimenti di B. Franklin (parafulmine), di Galvani (elettricità dei corpi), di Volta (pila) keynes.scuole.bo.it/~miglioli/kant/LA%20CIVILTAINDUSTRIALE.doc

L’INIZIO DELLA MODERNITÀ

Benjamin Franklin

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Un tipo di energia provocata dall’uomo e presente comunque in natura da sempre, figlia della combustione accelerata di materiale infiammabile, legno e altro, il vapore,(1) Fino alla fine del 18° secolo era rimasta stranamente assolutamente inutilizzata se non per esperimenti dovuti ai greci o allo stesso Leonardo da Vinci (2) ESPERIMENTI A VAPORE http://youtu.be/TqaOKjSIaCw LA PRIMA MACCHINA A VAPORE •  Alla fine del ‘600 i primi esperimenti a cura di Papin (una pentola a pressione) e Savery (una macchina che permetteva il pompaggio di acqua dalle miniere) fecero intuire le grandi potenzialità del vapore come forma motrice. Ma furono le invenzioni di Newcomen e successivamente di Watt a fine ‘700 ( la biella e il condensatore esterno) a permettere l’uso della macchina a vapore come strumento di produzione e di trasporto •  Le macchine a vapore permisero l’evoluzione dei telai meccanici la cui diffusione portò alla Prima Rivoluzione Industriale •  L’uso della macchina a vapore permise una maggiore estrazione del carbone fossile che permise uno sviluppo maggiore maggiore della nuova forma di energia con conseguenze allora inimmaginabilI FUNZIONAMENTO DELLA MACCHINA A VAPORE http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f0/ Steam_engine_in_action.gif/440px-Steam_engine_in_action.gif http://www.youtube.com/attribution_link?a=v20fDhucKgk&u=/watch%3Fv %3DMoNvWJyBp0Q%26feature%3Dem-share_video_user

LA MACCHINA A VAPORE

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Industria tessile

La città delle fabbriche

http://wikieffe.wikispaces.com/RIVOLUZIONE+INDUSTRIALE

LA RIVOLUZIONE INDUSTRIALE

La condizione degli operai

Da Galvani a Volta, la scoperta della pila elettrica •  Mentre svolgeva esperimenti di elettrostatica su zampe di rana, Luigi Galvani, professore di anatomia all’Università di Bologna, osservò che queste manifestavano violente contrazioni in concomitanza con le scintille della macchina, anche quando non erano a contatto diretto o vicine al generatore elettrostatico o anche in assenza del generatore quando la zampa veniva toccata da un conduttore metallico •  A partire dal 1792 Alessandro Volta, che aveva già dato importanti contributi nell’ambito dell’elettrostatica, pubblicò anche lui le proprie ricerche e gli esperimenti realizzati in questo settore. Volta si convinse però rapidamente che l’elettricità osservata non era originata dagli animali bensì dal contatto fra due metalli diversi •  Fra Volta e Galvani nacque un’accesa controversia che durò fino alla pubblicazione, nel 1800, della lettera in cui Volta annunciava l’invenzione della pila •  La pila, che portò all’avvento dell’elettrodinamica, è l’ultima delle scoperte cui si arrivò con strumenti concetti e metodi dell’elettricità statica settecentesca https://youtu.be/FHqyYLX3dAc ESPERIMENTI SULLE CARICHE + E -

La cosiddetta “pila a colonna di Volta” era costituita da coppie di dischi di zinco e argento (rame nella pratica) sovrapposte e separate da rondelle imbevute di acqua salata, ma Volta propose anche un’altra versione del nuovo dispositivo, che consisteva in vasetti contenenti acqua salata in cui erano immersi elettrodi di zinco e argento.

LA NASCITA DELLA CORRENTE ELETTRICA

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Prima dell'invenzione della dinamo l'unico modo di produrre corrente elettrica era come abbiamo visto, tramite la pila e la batteria piomboacido, metodi molto costosi e poco efficienti, tanto che l’unico utilizzo pratico dell’elettricità riguardava il telegrafo. L’origine del concetto di elettricità prodotta mediante moto si fa risalire a quando nel 1831 Michael Faraday e Joseph Henry notarono che un conduttore spostandosi all’interno di un campo magnetico produceva energia elettrica La prima dinamo basata sui principi di Faraday fu costruita in Italia da Antonio Pacinotti Nel 1870 l’accoppiamento della dinamo alla turbina idraulica diede avvio alla produzione commerciale di energia elettrica Ciò dette impulso nei anni seguenti alla seconda seconda rivoluzione industriale con la ricerca di utilizzi pratici dell’elettricità i cui capi fila furono Thomas Alva Edison e Nikola Tesla Il primo fu l’ inventore della lampadina il secondo diffuse l’uso della corrente alternata, più economica nella distribuzione

https://youtu.be/lRnmawaqE2g ELETTRICITA’ E MAGNETISMO - LE BASI https://youtu.be/uXQZBDkoblU ELETTRICITA’ E MAGNETISMO - LA PRODUZIONE DELLA CORRENTE ELETTRICA

LA NASCITA DELLA CORRENTE ELETTRICA

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Generatori meccanici: Alternatore e Dinamo L’ELETTROMAGNETISMO

Un generatore è costituito da una parte: •  fissa detta statore, un magnete (calamita) che genera intorno a se un campo magnetico, •  rotante detta rotore, un albero d'acciaio su cui è avvolto in molte spire un filo di rame. Il funzionamento è dovuto alla rotazione del rotore all'interno del campo magnetico generato dallo statore questo passaggio provoca nelle spire del rotore un spostamento degli elettroni: la corrente elettrica. Questo tipo di corrente è detta indotta, cioè provocata, e per questo il fenomeno prende il nome di induzione elettromagnetica. Elementi conduttori chiamate spazzole che strisciano sulla superficie dell'indotto sono collegate a morsetti da cui partono fili elettrici e la portano all’esterno. Nelle spire del rotore, che ruota tra i poli magnetici dello statore la polarità si inverte ogni mezzo giro ed agli estremi dell'avvolgimento viene raccolta la corrente. Nell'Alternatore La corrente viene prelevata così come si forma (alternata) dal collettore formato da 2 anelli rotanti sui quali strisciano 2 spazzole collegati ai cavi. Ad ogni mezzo giro la corrente raccolta da ciascuna spazzola varia di polarità. Nella Dinamo Il collettore è composto da 1 anello diviso in diverse sezioni e ad ogni mezzo giro delle spire cambia in essa la polarità, ma cambia anche la sezione di anello con ciascuna spazzola, per cui ciascuna spazzola raccoglie un solo tipo di polarità (solo positiva o solo negativa), la corrente ha una sola direzione ed è quindi continua.

L’ALTERNATORE

LA DINAMO

LA NASCITA DELL’ELETTRICITÀ

SCHEMA GENERALE

IN UNA CENTRALE ELETTRICA UN ALTERNATORE (GENERATORE ELETTROMAGNETICO)

PRODUCE ENERGIA ELETTRICA POI OPPROTUNAMENTE TRASFORMATA PER IMMETTERLA NELLA RETE DI DISTRIBUZIONE SE MOSSO DA

ENERGIA CINETICA

Generatore elettromagnetico

PRODOTTA DA TURBINA

Turbina a vapore

LA PRODUZIONE DELL’ELETTRICITÀ 1

Elettricità prodotta con fonti non rinnovabili Le fonti di energia non rinnovabili destinate in periodi più o meno lunghi ad esaurirsi. Per rigenerarle occorrono milioni di anni, per questo non possono essere considerate “rinnovabili”. I combustibili fossili (petrolio, carbone, gas naturale) ma anche il “combustibile” per l’energia nucleare, appartengono a questa categoria. L’energia elettrica prodotta con queste fonti è circa l’85% della produzione mondiale. QUESTE FONTI OLTRE A ESSERE ESAURIBILI PRODUCONO TUTTE DEGRADO AMBIENTALE E POSSIBILI DANNI ALLA SALUTE. I combustibili fossili contribuiscono all’aumento della CO2 con conseguente aumento dell’effetto serra Il materiale risultante dall’esaurimento dell’energia nucleare, le scorie radioattive, ha il grosso problema di dover essere smaltito essendo molto radioattivo e per questo molto pericoloso per la salute umana

LA PRODUZIONE DELL’ELETTRICITÀ 2

Elettricità prodotta con fonti non rinnovabili Con VAPORE •  PRODOTTO DA • 

COMBUSTIONE DI •  CARBON FOSSILE •  PETROLIO •  GAS

abbiamo il processo TERMOELETTRICO quindi la CENTRALE TERMOELETTRICA • 

ENERGIA NUCLEARE

abbiamo il processo TERMONUCLEARE quindi la CENTRALE TERMONUCLEARE https://youtu.be/EHPvnY0ueOE LA CENTRALE TERMOELETTRICA https://youtu.be/7Qu4wYYbVrg LA CENTRALE TERMONUCLEARE

LA PRODUZIONE DELL’ELETTRICITÀ 2

Elettricità prodotta con fonti rinnovabili Con VAPORE NATURALE

Abbiamo il processo GEOTERMICO1

Con ACQUA Abbiamo il processo IDROELETTRICO2

Prodotta DA ELICA mossa da VENTO Abbiamo il processo EOLICO 1  2  3 

https://youtu.be/qrVZOcWXJ6I https://www.youtube.com/watch?v=E1nnPQx8oqY https://youtu.be/eIB5rlCJvg4

LA PRODUZIONE DELL’ELETTRICITÀ 2