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Corso di formazione per docenti delle scuole Primarie e Secondarie di II° Progetto INFEA – CEA 2007 Corso di formazione per docenti delle scuole Primarie.

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1 Corso di formazione per docenti delle scuole Primarie e Secondarie di II° Progetto INFEA – CEA 2007 Corso di formazione per docenti delle scuole Primarie e Secondarie di II° Progetto INFEA – CEA 2007

2 Testi e contenuti corso: Crediti e Ringraziamenti Dott. Massimiliano Nurra Dott. Vincenzo Crocetti Illustrazioni corso: Dott. Mattia Guberti Dott.ssa Valeria Melloni CEA capofila progetto Rete CEA e PARTNER del progetto

3 I.1 - Le Proprietà dellEnergia I.2 - Le filiere di produzione dellenergia I.3 - Croni-Storia dellUso & Consumo dellEnergia I° I NCONTRO II° I NCONTRO II.1 - Pro & Contro delle Fonti Energetiche II.2 - Inquinamento Locale & Globale II.3 - Risparmio & Efficienza Energetica Argomenti trattati

4 Modulo Insegnanti I incontro I incontro Modulo Insegnanti I incontro I incontro

5 Le proprietà dellenergia I.1

6 Dal greco:en (dentro) érgon (lavoro) in fisica: Capacità di compiere lavoro ed equivale ad una Forza per uno Spostamento ENERGIA É la capacità di un oggetto, un liquido o un gas di fornire calore, suoni, luce o movimento.DefinizioneDefinizione I.1

7 Come si misura? Caloria LUnità di Misura dellenergia è il Joule (J) Un Joule è lenergia necessaria ad alzare di dieci centimetri un litro di acqua Il Joule è quindi una quantità piuttosto piccola e in effetti si parla di: KiloJoule (kJ) = 1.000J = 10 3 J MegaJoule (MJ) = J = 10 6 J Esistono altre unità di misura per particolari forme energetiche: TEP - Tonnellata Equivalente di Petrolio KiloWattora (kWh) è la quantità di energia necessaria a far aumentare di 1°C (da 14,5° a 15,5 °C) la temperatura di un grammo dacqua distillata a livello del mare. Misura il contenuto energetico di un corpo. 1 cal = 4,186 J il kWh derivata dal Watt (W) e ci fornisce la misura di una Potenza, quindi energia sviluppata nel tempo. Un Watt equivale ad un Joule al secondo. Viene usata nelle misure elettriche e delle potenze di motori e pompe. 1 kWh = kJ questa unità di misura si basa sul potere calorifero dei combustibili, cioè sul calore capaci di sprigionare bruciandone una unità (kg, m 3 ). La tep è quindi la quantità di energia ricavata da una tonnellata di petrolio. 1 TEP = MJ Se noi consumiamo 1500 kcal al giorno: 1500 kcal x 4186 kJ= 6279 kJ / sec. circa 73 Watt

8 Gravitazionale Elettromagnetica Nucleare debole Nucleare forte Riusciamo ad accumulare energia solo se viene compiuto del lavoro contro uno dei campi di forze conservative esistenti in Natura. Lesistenza di queste forze determinano varie tipologie di energia Un corpo che possiede energia potenziale, trasformerà lenergia accumulata in movimento (energia cinetica) se viene lasciato libero di muoversi (palla che cade da un tavolo). Analogamente, se un corpo possiede energia cinetica può trasformare questa in energia potenziale entrando in un campo di forze conservative (palla lanciata in aria). I.1 Forze conservative naturali

9 ENERGIA MECCANICA ENERGIA TERMICA ENERGIA CHIMICA ENERGIA NUCLEARE ENERGIA ELETTRICA ENERGIA ELETTROMAGNETICA In natura esistono due tipi di energia meccanica: potenziale e cinetica. La prima è legata alla posizione, o meglio alla quota di un oggetto soggetto alla forza di gravità. Quella cinetica è legata al movimento di gas, solidi e liquidi. Nasce dalle forze di legame tra molecole e atomi delle sostanze. Si manifesta sotto forma di energia termica ed elettrica attraverso opportune reazioni quali ad esempio ossidazioni e riduzioni. È generata dal movimento di ioni o elettroni liberi presenti in materiali detti conduttori (in particolar modo metalli). In natura si manifesta ad esempio con i fulmini: enormi quantità di energia non utilizzabile dalluomo. È legata al movimento caotico delle molecole che costituiscono la materia. Maggiore è il movimento molecolare, maggiore è la temperatura di un corpo e quindi la quantità di energia termica (calore). È chiamata anche atomica perchè legata alle forze di legame presenti nei nuclei atomici. Viene liberata da elementi radioattivi, oppure nei processi di fissione e fusione. Detta anche energia radiante, è lunico tipo di energia che si trasmette senza il supporto di mezzi fisici, quindi anche nel vuoto. Si manifesta attraverso onde elettromagnetiche come ad esempio i suoni, le onde radio, le radiazioni solari, la luce, i raggi x, ecc. I.1 Tipi di energia

10 Tipo di energiaTipo di materiaJ/kg Meccanica 1 kg di acqua che cade da unaltezza di 200 m 2,0 x 10 3 Termica 1 kg di acqua a 100°C che cede calore a un corpo a 20°C 3,3 x 10 5 Chimica combustione di 1 kg di metano 4,9 x 10 7 Nucleare - radioattività1kg di 238 U1,6 x Nucleare - fissione1kg di 235 U8,0 x Nucleare - fusione1kg di 2 H+ 3 H3,4 x I.1 Energia da 1 kg di materia

11 il Sole con le sue onde elettromagnetiche Nel quotidiano, siamo abituati a confrontarci maggiormente con manifestazioni energetiche (forme di energia: luce, suoni, calore, ecc.) e con materiali e fenomeni da cui si può ricavare energia (fonti di energia: petrolio, vento, sole, fuoco, ecc.) Tutta lenergia utilizzata sulla Terra trae origine da tre principali fonti: lenergia di legame degli Atomi Ciclo dellAcqua; fotosintesi clorofilliana e ciclo del Carbonio; dinamiche degli oceani e dellatmosfera I.1 Forme e fonti di energia il calore presente allinterno della Terra

12 P RIMARIE : sono presenti in natura e vengono usate senza aver subito una trasformazione da parte delluomo – – Combustibili fossili (petrolio, carbone, gas naturale) – – Biomasse (legno) – – Solare (calore, luce) S ECONDARIE : derivano da una trasformazione a cui sono sottoposte le fonti primarie – – Energia elettrica – – Benzina A seconda di come vengano utilizzate dalluomo, le fonti si distinguono in: I.1 Fonti di energia

13 N ON RINNOVABILI: fonti che presentano un grande tempo di rigenerazione (milioni di anni) e quindi destinate ad esaurirsi se sfruttate ad un ritmo maggiore del tasso di rigenerazione – Combustibili fossili (petrolio, carbone, gas naturale) – Uranio A parte luranio (energia atomica) e la geotermia, tutte le altre fonti, sia rinnovabili che non rinnovabili, sono generate dal Sole I.1 Fonti di energia R INNOVABILI: fonti con un breve tempo di rigenerazione e quindi considerate inesauribili – Sole – Acqua – Vento – Geotermia – Biomasse

14 Lenergia ha tre importanti proprietà e può essere: TRASFORMATACONSERVATATRASPORTATA Queste proprietà devono, inevitabilmente, fare i conti con le leggi della termodinamica Prima Legge Legge della Conservazione dellEnergia Lenergia non si crea e non si distrugge, ma si trasforma da una forma allaltra Seconda Legge Legge dellEntropia Lenergia può cambiare stato, ma solo in ununica direzione: da disponibile a indisponibile, da utilizzabile a inutilizzabile Lenergia si manifesta sempre in più forme contemporaneamente, con generazione di calore. Il Sole ci illumina e ci scalda, una lampadina accesa scalda, un atleta in corsa si muove e si riscalda. I.1 Proprietà dellenergia

15 TRASFORMAZIONE CONSERVAZIONE TRASPORTO É la proprietà principale. Lenergia che ci circonda non si consuma ma si trasforma, passando da un livello di maggiore utilità ad uno minore. In questo processo percorre delle vie preferenziali e dissipa inevitabilmente una parte dellenergia in ingresso Lenergia elettrica può essere conservata in batterie, nella rete elettrica nazionale e internazionale o generando idrogeno. I combustibili in depositi, cisterne, barili, legnaie e carbonaie. Il calore in accumulatori termici Lenergia elettrica può essere trasporta nei cavi elettrici. I combustibili in oleodotti, petroliere, autocisterne, barili, camion, serbatoi. Lenergia può essere trasporta sotto forma di calore (acqua o vapore) negli impianti di teleriscaldamento, di riscaldamento domestico o frigoriferi I.1 Proprietà dellenergia

16 I.1 Generare elettricità Energia primaria Movimento meccanico Energia elettrica Generatori di corrente alternata Calore non sempre presenti

17 I.1 Produzione di energia elettrica Nelle centrali elettriche viene trasformata una fonte energetica per far ruotare una turbina e generare energia meccanica. La rotazione della turbina viene prodotta in maniera diversa a seconda del tipo di centrale (termoelettrica, idroelettrica, nucleare, ecc.). Alla turbina è collegato un generatore, detto anche alternatore, nel quale avviene la trasformazione da energia meccanica in elettrica. Schema centrale termoelettrica

18 I.1 Trasporto dellenergia elettrica Lenergia elettrica prodotta viene trasportata attraverso la linea di trasmissione. Per ridurre le perdite di energia lungo la linea, viene aumentare la tensione della corrente elettrica prodotta nelle centrali, da a volt (linee ad alta tensione). Prima di essere utilizzata la corrente elettrica subisce un abbassamento di tensione, che la porta nuovamente a volt e infine, prima di entrare nelle nostre case, a 220 volt.

19 I.2 Le filiere di produzione dellenergia

20 I.2 Esempio filiera: Energia dal carbone Energia elettrica nelle nostre case Produzione di vapore Combustione nelle caldaie delle centrali termoelettriche (energia chimica trasformata in calore) Rotazione di una turbina (calore trasformato in energia meccanica) Movimento dellalternatore che produce energia elettrica (energia meccanica trasformata in energia elettrica) Trasporto mediante elettrodotti Estrazione Trasporto Depurazione (Desolforazione) Combustione ed utilizzo di calore (energia chimica trasformata in calore) Filiera del calore Filiera dellelettricità

21 I.2 Mappa concettuale: Filiera Fonti

22 I.2 Filiera Fonti Fonti Rinnovabili Fotovoltaico: Sole / pannello fotovoltaico / inverter / cavi elettrici / lampadina-elettrodomestico Solare Termico: Sole / collettore solare / scambiatore di calore / tubo / acqua calda Eolico: Vento / pala eolica / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomestico Idroelettrico: Acqua / diga-condotta forzata / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettr. Calore da Geotermia: Geyser / tubi captatori / tubi (teleriscaldamento) / termosifone Elettricità da geotermia: Geyser / tubi captatori / centrale geotermica / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomestico Elettricità da biomassa: Legno / centrale termoelettrica (piccola) / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomestico Calore da biomassa: Legno (pellets-legna) / caldaia / tubi / termosifone Fonti Non Rinnovabili Elettricità da carbone: miniera / Carbone / centrale termoelettrica / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomestico Elettricità da petrolio: Piattaforma off-shore / petroliera / raffineria (portuale) / barile / oleodotto / centrale termoelettrica / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomestico Elettricità da gas naturale: pozzo di estrazione / Gas / gasdotto / centrale termoelettrica / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomestico Calore da gas naturale: pozzo di estrazione / Gas / gasdotto / terminale di distribuzione / tubi gas cittadino / caldaia domestica / termosifone Nucleare: giacimento / Uranio / blindati da trasporto / centrale termonucleare / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomestico

23 I.3 Croni-Storia dellUso & Consumo dellEnergia

24 Lenergia nella storia Fin dai tempi antichi, le manifestazioni e le fonti energetiche sono state studiate da illustri filosofi, scienziati, ingegneri, architetti con lobiettivo di facilitare le attività umane, alleviare dolori, alleggerire fatiche. La storia dello sfruttamento delle fonti di energia da parte delluomo, coincide in larga misura con la storia della tecnologia. Ogni innovazione introdotta nel corso dei millenni ha sempre comportato un diverso e, spesso maggiore, ricorso allenergia. In numerose occasioni lUomo è stato stimolato nello studio e nella ricerca a seguito di un evento spontaneo naturale. I fulmini, la scoperta casuale del fuoco, la capacità di alcune pietre di attrarre metalli, le proprietà termiche e meccaniche dei minerali ferrosi. … CURIOSITA CASUALITA… PROGRESSO I.3

25 La preistoria I.3 Gli uomini preistorici vivevano esclusivamente di caccia e pesca. Non cucinavano gli alimenti e le uniche fonti di energia erano il cibo, che veniva trasformato in forza muscolare e i benefici raggi del sole… … circa 450 mila anni fa il nostro antenato Homo Herectus per caso scopre e domina il fuoco, utilizzato per scaldarsi fare luce e cucinare… … con la nascita dellagricoltura ( – a.C.) luomo comincia ad addomesticare alcuni animali e a utilizzare la loro forza. Essi divengono una fonte di energia per trainare laratro e trasportare materiali.

26 Le antiche civiltà I.3 … a.C. gli egizi presero a sfruttare il moto delle acque per muovere le prime macine; comincia ad essere sfruttata lenergia cinetica contenuta nellacqua… Le antiche civiltà col tempo impararono ad utilizzare altre forme di energia… … nellAsia minore e del Nord Africa inventano la vela (3.200 a.C. circa), viene così facilitato il trasporto via mare e via fiume con imbarcazioni… … d.C. in Cina prima e in Persia dopo, vengono costruiti i primi mulini a vento, in Europa appariranno nel 1105 d.C.; lenergia del vento viene sfruttata per svolgere lavori faticosi: sollevare pesi, macinare il grano, attingere acqua dai pozzi.

27 La rivoluzione industriale I.3 Per tutto il medioevo le fonti di energia continuano ad essere: la legna, la forza muscolare degli animali e degli uomini, il vento e lacqua corrente. Nel XVII secolo gli inglesi cominciano ad utilizzare sistematicamente come combustibile il carbone, che permette di accelerare i processi industriali. Questo combustibile, particolarmente adatto per il riscaldamento dei forni di fusione dei metalli, diede un grande impulso ai processi produttivi. Inizio così, in Inghilterra verso la fine del Seicento, la rivoluzione industriale. Il salto tecnologico successivo e determinante fu l'invenzione, nel 1769, da parte di James Watt della macchina a vapore. Nel 1814 George Stephenson, sfruttando linvenzione della macchina a vapore, inventò la locomotiva, che rivoluzionò il sistema di trasporto ancora basato sulla forza animale.

28 I.3 Lenergia elettrica Nel 1799 con linvenzione della pila da parte di Alessandro Volta, inizia lera dellenergia elettrica. Nel 1878 Thomas Edison inventa la prima lampadina a incandescenza, che rivoluziona il sistema di illuminazione fino ad allora basato su lampade alimentate ad olio o a gas e candele. Nel 900 aumenta lutilizzo di energia elettrica, nascono le prime centrali termoelettriche capaci di produrne grandi quantità. Esse vengono alimentate allinizio con il carbone, successivamente con petrolio e gas naturale; fonti non rinnovabili e inquinanti. Nel 1888 il fisico piemontese Galileo Ferrarsi realizza il primo motore elettrico a corrente alternata.

29 I.3 Il 900 nucleare Purtroppo durante la seconda guerra mondiale gli studi sullenergia nucleare sono per fini militari. Gli USA nel 1945 con due bombe distruggono le città di Hiroshima e Nagasaki, uccidendo centinaia di migliaia di persone. Nel 1951 con la costruzione della prima centrale termonucleare, finalmente lenergia nucleare viene posta a servizio dellumanità per la produzione di energia elettrica. Nel 1933 litaliano Enrico Fermi scopre lenergia nucleare di fissione, debutta una nuova era nel settore dellenergia. Nel 1991 al Centro europeo per la fusione nucleare di Culham in Gran Bretagna, viene azionato con successo il JET, una macchina per sperimentare la reazione di fusione nucleare (la stessa reazione fisica che da 4 miliardi di anni tiene acceso il sole); nascita delle speranze per lutilizzo di una energia nucleare pulita, ancora in via di studio.

30 I.3 Il ritorno delle fonti rinnovabili Nell800 e 900 il consumo mondiale di energia è cresciuto a dismisura. Per soddisfare la domanda di energia, lumanità è ricorsa alluso delle fonti non rinnovabili, inquinanti e pericolose, relegando le fonti rinnovabili, note sin dallantichità, ad un ruolo marginale. Infatti le prime centrali idroelettriche vennero costruite alla fine dell800… … nel 1903 a Larderello (Toscana) venne costruito il primo impianto sperimentale per la trasformazione dellenergia geotermica in energia elettrica… … i primi aerogeneratori, capaci di ottenere energia elettrica dal vento vennero installati nel 1905… … nel 1953 il fisico Gerald Pearson realizza la prima cella fotovoltaica in silicio, che permette di convertire lenergia solare direttamente in corrente elettrica continua.

31 Nel mondo il consumo totale di energia nel 2004 è stato di oltre 11 miliardi di tonnellate di petrolio equivalenti (TEP). Tale valore, ormai da 2 secoli, cresce enormemente; è stato calcolato che un abitante di un paese industrializzato, consuma oggi 15 volte più energia che 200 anni fa e 3 volte più che nel La produzione di energia deriva per oltre l80% dalla combustione di fonti fossili. L87% dellenergia prodotta in un anno deriva da fonti inquinanti e non rinnovabili (fossili + nucleare). I.3 Il consumo energetico mondiale Il 20% + ricco della popolazione mondiale consuma l80% dell'energia. In media, ogni americano consuma il doppio di un europeo, più di dieci volte di un cittadino cinese e più di cinquanta volte l'energia consumata da un africano!

32 I.3 Un consumo diseguale TEP per persona allanno Mondo1,5 USA7,9 Russia3,3 Giappone4,0 Cina0,7 Africa0,15 Europa a 253,9 Italia3,5 Germania4,1 Francia4,3 Tale disparità dei consumi energetici genera nel mondo enormi differenze sociali e talvolta conflitti. In certi paesi la mancanza è talmente elevata da impedire lo sviluppo. Però i danni ambientali provocati dai paesi ricchi con la combustione dei combustibili fossili, come il riscaldamento globale del pianeta, sono costretti a pagarli tutti, anche chi non ha accesso allenergia. Molti abitanti di regioni povere ancora oggi utilizzano la legna come unica fonte di energia per cucinare, riscaldarsi e illuminare le abitazioni, comportamento che produce un serio problema di deforestazione quando la foresta non viene curata e rimboschita.

33 In Italia nel 2004 il consumo totale di energia è stato di 196 milioni di tonnellate di petrolio equivalenti (TEP). Negli ultimi 30 anni il fabbisogno di energia primaria è aumentato più del 40%, nonostante la popolazione sia rimasta pressochè stazionaria. I fabbisogni energetici italiani sono coperti dai combustibili fossili per circa il 92%, mentre solamente il 7,7% da fonti rinnovabili. I.3 Il consumo energetico in Italia LItalia ha una dipendenza energetica dallestero che supera l80%.

34 I.3 Il consumo energetico in Italia Nei settori dellindustria, dei trasporti e degli usi civili (residenziale e terziario) consumiamo il 90,1% di tutta lenergia utilizzata.


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