Le fonti di energia, come il nome lascia ben intuire, cedono energia. Da dove ricevono però l'energia che cedono? La ricevono da altre fonti? Osserva la figura 1. Il motore elettrico rappresenta la fonte e la pompa il ricevitore. Questa situazione è anche rappresentata nella figura 1 in basso. Nel caso del riscaldamento centrale nella figura 2 il bruciatore rappresenta la fonte e il calorifero il ricevitore.
Nella metà superiore della figura 1 vedi chiaramente che anche il motore elettrico riceve energia, e più precisamente attraverso un cavo. Allo stesso modo il bruciatore nella figura 2 riceve la nafta attraverso un tubo. Le fonti quindi non solo hanno un'uscita per l'energia, ma anche un'entrata. Il motore elettrico ed il bruciatore non sono solo fonti di energia, ma allo stesso tempo sono anche ricevitori. Il portatore di energia, grazie al quale ricevono energia, non è però il medesimo col quale cedono energia.
Osserva ora i ricevitori nelle figure 1 e 2, la pompa e il calorifero. Cosa succede con l'energia che ricevono? L'energia che fluisce con la quantità di rotazione nella pompa, se ne va con l'acqua, e l'energia che con l'acqua calda giunge nel calorifero, se ne va con l'aria che vi sta attorno. Anche i ricevitori hanno quindi un'entrata ed un'uscita per l'energia. Non sono solo ricevitori: sono ricevitori e fonte nello stesso tempo. Il portatore di energia con cui però cedono l'energia è diverso da quello con cui ricevono energia.
Ciò che abbiamo chiamato fonte è quindi anche ricevitore di energia e ciò che abbiamo chiamato ricevitore è anche fonte. Tutti questi apparecchi svolgono quindi un'attività comune: trasferiscono l'energia da un portatore ad un altro. Li chiameremo quindi trasferitori di energia.
Il motore elettrico trasferisce energia dall'elettricità alla quantità di rotazione.
La pompa ad acqua trasferisce energia dalla quantità di rotazione all'acqua che si mette in movimento.
Il bruciatore trasferisce energia dalla nafta all'acqua che si riscalda.
Il calorifero trasferisce energia dall'acqua calda all'aria.
Poiché la maggior parte degli apparecchi sono dei trasferitori di energia conviene introdurre un simbolo per descriverli. Puoi comporre un tal simbolo partendo da quelli che già conosci. Per un trasferitore "bruciatore" le cose stanno così: una volta il bruciatore è ricevitore di energia, figura 3 in alto, una volta è fonte di energia, figura 3 in mezzo. Sovrapponendo i due disegni si ottiene la figura 3 in basso. In tal modo abbiamo trovato un simbolo per un trasferitore di energia. Nella figura 4 è riportato ancora una volta il simbolo per un bruciatore. Osservandolo è facile riconoscere cosa succede in un bruciatore: scarica l'energia dal portatore nafta e la carica sul portatore acqua.
Un simbolo è una rappresentazione semplificata di un apparecchio. Dalla figura 4 non si può capire se si tratti di un bruciatore di una centrale a carbone o di un riscaldamento centrale.
La figura 5 può rappresentare: il diagramma di flusso dell'energia di un aspirapolvere, di un ventilatore, o di un compressore. Questi apparecchi si differenziano in molti aspetti, ma hanno una cosa in comune: scaricano l'energia dall'elettricità e la caricano sul movimento dell'aria.
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Riassunto: Un motore elettrico, una pompa ad acqua, un bruciatore, un calorifero sono esempi di trasferitori di energia. Scaricano l'energia da un portatore e la caricano su di un altro. |
Esercizi:
Non solo per l'energia ci sono dei trasferitori, ma anche per altre cose.
La figura a lato rappresenta un porto nel quale della sabbia viene scaricata dalla nave e caricata su di un autocarro. La sabbia arriva con il portatore "nave" nel porto. La gru la trasferisce dalla nave all'autocarro. La sabbia lascia il porto con il portatore "autocarro". Il porto può quindi essere visto come un trasferitore di sabbia. Navi e autocarri possono essere visti come portatori di sabbia del tipo vuoto a rendere.
Forse ti sarai reso conto che ogni porto, ogni stazione ferroviaria, ogni aeroporto è un trasferitore: non un trasferitore di energia, bensì un trasferitore di merci e di passeggeri. In un aeroporto, ad esempio, i passeggeri vengono trasferiti dal portatore aeroplano al portatore automobile e viceversa.
Le figure 6 e 7 mostrano i diagrammi di flusso dell'energia di un motore elettrico e di una dinamo. Chi non sa cosa sia un motore elettrico e una dinamo, può facilmente capire dai disegni quello che i due apparecchi fanno: il motore elettrico trasferisce energia dall'elettricità alla quantità di rotazione e la dinamo dalla quantità di rotazione all'elettricità. La dinamo svolge esattamente il processo inverso del motore elettrico. Puoi facilmente convertire il diagramma di flusso dell'energia della dinamo in quello del motore elettrico: basta semplicemente invertire il verso di tutte le frecce, come illustrato nella figura 8. Se ti dà fastidio vedere l'energia fluire da destra a sinistra e non come d'abitudine da sinistra a destra, puoi semplicemente ruotare l'intero schema. In tal modo ottieni la figura 7.
Così come la coppia "motore elettrico - dinamo", anche la coppia "cella solare - lampadina" hanno dei diagrammi di flusso dell'energia che si differenziano solo nel verso delle frecce. La cella solare trasferisce energia dalla luce all'elettricità e la lampadina trasferisce energia dall'elettricità alla luce, figura 9.
Di solito i trasferitori di energia i cui diagrammi di flusso dell'energia si differenziano solo nel verso delle frecce sono macchine completamente diverse. A volte però può essere possibile che il trasferimento dell'energia in un verso o nell'altro possa avvenire con una medesima macchina. Una pompa ad acqua può ad esempio funzionare sia come turbina (l'energia passa dall'acqua alla quantità di rotazione) sia come motore idraulico (l'energia passa dalla quantità di rotazione all'acqua).
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Riassunto: Motore elettrico e dinamo, cella solare e lampadina, pompa ad acqua e turbina ad acqua sono coppie di trasferitori di energia con diagrammi di flusso dell'energia in cui le frecce sono capovolte. |
Esercizi:
Fino ad ora abbiamo considerato solo dei singoli trasferitori di energia. Avrai però certamente già visto che diversi trasferitori possono essere collegati tra di loro. Per fare ciò vi è una sola regola che deve essere osservata. Puoi scoprirla da solo osservando la figura 10. Perché non è possibile collegare una lampadina direttamente a una turbina (figura 10 in alto) mentre è possibile farlo con una dinamo (figura 10 in basso)?
L'energia può uscire dalla turbina solo con il portatore quantità di rotazione, mentre può entrare nella lampadina solo con il portatore elettricità. I due trasferitori non vanno dunque d'accordo. Dinamo e lampadina invece vanno d'accordo. Infatti l'energia esce dalla dinamo con lo stesso portatore col quale entra nella lampadina.
La regola per il collegamento dei trasferitori è quindi la seguente: il portatore che esce dal primo trasferitore deve essere lo stesso che entra nel secondo trasferitore.
Una dinamo può esser collegata a una turbina, figura 11 in alto, poiché sia l'energia che esce dalla turbina che quella che entra nella dinamo viene trasportata dal medesimo portatore: la quantità di rotazione (entrambe le macchine hanno un albero di trasmissione).
Come avrai notato quanto assemblato corrisponde a una centrale elettrica. Invece di ricorrere a due simboli, possiamo rappresentare una centrale elettrica attraverso un solo simbolo. Se non siamo interessati alla struttura interna della centrale elettrica è sufficiente per la sua rappresentazione un diagramma di flusso come quello della parte inferiore della figura 11.
La parte inferiore della figura 12 rappresenta il diagramma di flusso dell'energia in un aspirapolvere. Sopra si trova il diagramma di flusso dell'energia nel dettaglio.
Ovviamente si possono collegare anche più di due trasferitori tra di loro. Si può 'costruire unintera catena di trasferitori. La figura 13 mostra il diagramma di flusso dell'energia di un aspirapolvere che riceve l'energia da una centrale idroelettrica. Nel percorso dall'acqua della centrale idroelettrica all'aria dell'aspirapolvere l'energia cambia portatore ben quattro volte.
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Riassunto: Due trasferitori collegati tra di loro generano un nuovo trasferitore. Nel collegamento il portatore dell'energia in uscita dal primo trasferitore deve essere il medesimo di quello in entrata nel secondo trasferitore. |
Esercizi:
Capita spesso di dover collegare tra di loro differenti trasferitori di energia. A tale scopo è utile preparare delle tesserine, tipo quelle per il gioco del domino, su cui è raffigurato il diagramma di flusso dell'energia di un trasferitore. La figura a lato mostra come appare una di queste tesserine. Nella costruzione delle stesse presta attenzione al fatto che le frecce siano disegnate alla stessa altezza in modo da poterle facilmente collegare tra di loro. Può essere utile utilizzare colori diversi per portatori diversi.
Molti degli apparecchi incontrati fino ad ora sono in realtà dei trasferitori di energia. Questi sono stati raggruppati nella seguente tabella. Vediamo cosa si può fare con la tabella. Se parti dalla cella solare a ti sposti a sinistra, troverai il portatore con cui l'energia fluisce nella cella solare: la luce. Se invece dalla parola cella solare ti sposti verso l'alto, troverai il portatore con cui l'energia abbandona la cella solare: l'elettricità. Nello stesso modo è possibile leggere dalla tabella, ad esempio, che il trasferitore calorifero riceve l'energia con il portatore "acqua calda" e la trasmette col portatore "aria calda". Nella tabella figurano trasferitori composti da più trasferitori come la centrale idroelettrica e trasferitori semplici come la turbina ad acqua.
Esercizi:
A prima vista la serie di trasferitori riportata nella figura 3 sembra priva di senso. Una dinamo trasferisce energia dalla quantità di rotazione all'elettricità, il motore elettrico la ritrasferisce al portatore quantità di rotazione. Si potrebbe semplicemente lasciare l'energia al portatore quantità di rotazione, risparmiando così due trasferitori. Ciononostante questa sequenza di trasferitori trova ampio utilizzo e, come vedremo, a ragion veduta!
Nella turbina di una centrale idroelettrica l'energia viene caricata sul portatore quantità di rotazione. Nelle case dove si ha bisogno di energia, questa viene utilizzata grazie al portatore di energia quantità di rotazione: pensa a tutti gli apparecchi che funzionano grazie a un motorino elettrico. Non si potrebbe ora rinunciare al generatore nelle centrali elettriche e ai motori elettrici negli apparecchi domestici? Sì, questo sarebbe possibile, ma vi sarebbe un alto prezzo da pagare! L'energia dovrebbe essere trasportata dalla centrale elettrica alla casa con il portatore quantità di rotazione. In altre parole bisognerebbe collegare centrale e casa, invece che con dei cavi elettrici, con un albero di trasmissione. Ti puoi facilmente immaginare le complicazioni di una tale operazione.
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Riassunto: Non è pratico trasportare energia con il portatore quantità di rotazione su grandi distanze. Di conseguenza la si carica prima sul portatore elettricità e poi nuovamente sul portatore quantità di rotazione. |
Esercizio:
Quali portatori di energia vanno bene per trasportare energia su grandi distanze e quali no? Perché?
Ogni economia domestica riceve energia da più portatori. Per il riscaldamento in genere l'energia arriva con il portatore legna, nafta o gas. L'energia necessaria per l'illuminazione, l'aspirapolvere, il televisore, lo stereo, la macchina da lavare arriva con l'elettricità. Le case con un collettore solare ricevono l'energia per riscaldare l'acqua dalla luce del Sole. Le automobili e i motorini presenti nell' economia domestica ricevono l'energia dalla benzina. Infine anche le persone che vivono in casa vogliono mangiare. Ricevono l'energia di cui necessitano dai portatori cibo e ossigeno.
Ma da dove proviene tutta questa energia? Prova a ripercorrere il tragitto dei portatori di energia che abbiamo elencato nel paragrafo precedente. A tale scopo osserva la figura qui sotto.
Gli alimenti di natura vegetale ricevono la loro energia dalla luce che proviene dal Sole. Dal momento che gli animali (che noi chiamiamo erbivori) si cibano di vegetali, anche l'energia che noi riceviamo mangiando carne, burro o uova proviene dal Sole. Tutti i combustibili, cioè carbone, nafta, gas da riscaldamento, provengono da giacimenti formatisi molti milioni di anni fa dalla morte e successiva decomposizione di piante e animali. Anche l'energia presente in questi combustibili proviene quindi dal Sole.
L'energia trasportata dall'elettricità proviene per la maggior parte da centrali a carbone. Anch'essa quindi proviene dal Sole. Una parte proviene da centrali idroelettriche. L'acqua che fa girare le turbine ha comunque anch'essa ricevuto energia dal Sole (se vuoi sapere in che modo ciò accade, puoi leggere il capitoletto successivo). Una piccola parte dell'energia che utilizziamo nelle nostre economie domestiche, il 35% (www.strom .ch/italiano/ch-strom/ch-strom.asp) , proviene dalle centrali nucleari. Le centrali nucleari ricevono la loro energia dall'uranio. I giacimenti di uranio non hanno ricevuto la loro energia attraverso la luce del Sole.
La maggior parte dell'energia che utilizziamo proviene da fonti che prima o poi si esauriranno. Per la formazione dei giacimenti di carbone, petrolio, gas naturale, il Sole ha dovuto brillare per milioni di anni. Noi stiamo consumando queste riserve nell'arco di alcuni decenni o pochi secoli. Anche le riserve di uranio non dureranno molto a lungo. È quindi giunto il momento di chiederci come potremo procurarci energia nel futuro prossimo
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Riassunto: Quasi tutta l'energia che utilizziamo proviene dal Sole. La maggior parte dell'energia che utilizziamo proviene da fonti che si esauriranno nei prossimi decenni o secoli. |
Esercizi:
Sulle superfici degli oceani, dei mari, dei laghi e dei fiumi l'acqua evapora continuamente: essa passa allo stato di vapore e si mescola con l'aria. L'energia necessaria all'evaporazione dell'acqua viene fornita dal Sole. L'acqua evaporata sale in alto. Anche per questo c'è bisogno di energia e anche in questo caso ci pensa il Sole. Più si va in alto e più diventa freddo. Ad un certo punto fa talmente freddo che il vapore acqueo condensa formando tantissime goccioline di acqua liquida. Si formano le nuvole. A un dato momento le goccioline d'acqua diventeranno talmente grandi che ricadranno sulla Terra. Piove. Dal momento che il vento trasporta l'acqua evaporata molto lontano, l'acqua non ricade sotto forma di pioggia sullo stesso posto da dove è evaporata.
L'acqua piovana scorre sulla Terra dalle montagne, nelle valli, verso il mare. L'acqua in movimento trasporta energia. La si può trasferire nelle centrali idroelettriche sul portatore elettricità.
L'energia trasportata dall'acqua dei fiumi, è stata quindi in definitiva caricata sull'acqua dal Sole. Il trasferitore in questo caso non è un apparecchio ma un fenomeno naturale. Per semplicità nel simbolo del trasferitore scriveremo la parola "pioggia". Così come la pioggia, anche il vento viene messo in moto dal Sole.
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