La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Cicli di Seminari di formazione ed informazione politica Ambiente, Inquinamento e Leggi della fisica Democratici di Sinistra Federazione Provinciale di.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Cicli di Seminari di formazione ed informazione politica Ambiente, Inquinamento e Leggi della fisica Democratici di Sinistra Federazione Provinciale di."— Transcript della presentazione:

1

2 Cicli di Seminari di formazione ed informazione politica Ambiente, Inquinamento e Leggi della fisica Democratici di Sinistra Federazione Provinciale di Messina Sezione Antonio Gramsci MESSINA – 18/03/04 (Beniamino Ginatempo)

3 Piano del seminario Parte I: Fondamenti della Fisica 1)La Fisica e la Filosofia 2)La Fisica e la Storia Parte II: lEnergia e la sua utilizzazione (Entropia) 1)Energia 2)Sistemi fisici complessi 3)Utilizzazione dellEnergia e dissipazione 4)Entropia: Sistemi stazionari la vita e la morte (termica) 5)Inquinamento 6)Spartiacque entropico Parte III: Il buco dellozono e leffetto serra 1)Assorbimento 2)Ozonosfera e ciclo dellozono 3)Riflettività 4)Effetto serra

4 La Fisica o Filosofia Naturale Si comincia a fare Fisica nel momento in cui ci si chiede, per esempio: 1)Cosa accade attorno a me? 2)Perché e come avviene un determinato fenomeno? 3)Esistono regolarità e/o analogie fra i fenomeni che osservo? 4)Sono in grado di predire con accuratezza laccadimento di un fenomeno? La Fisica nasce nel momento in cui si cerca di capire la realtà che ci circonda e diventa Scienza nel momento in cui le risposte che si trovano alle domande di cui sopra sono incontrovertibili e verificabili da chiunque. Delle domande di cui sopra, in particolare la no. 4 è rilevante e differenzia la Fisica da altre Scienze, in cui laspetto classificativo (no. 3) può essere preponderante, quali la Mineralogia.

5 Il Paradigma della Fisica La Natura è scritta nel linguaggio della Matematica (G. Galilei) Galileo Galilei, il primo grande fisico sperimentale, si accorse che era possibile riassumere le regolarità osservabili nei fenomeni naturali mediante formule matematiche, a volte anche molto semplici: le Leggi della Fisica. Il suo metodo (provando e riprovando) consisteva nel ripetere, in maniera controllata, molte osservazioni (esperimenti) e dai risultati tramite un procedimento induttivo stabilire Principi e Leggi. Tale metodo è, per forza di cose, insufficiente: pur essendo molti i casi in cui una Legge è trovata valida, il numero di casi esplorati è comunque limitato ed è una pretesa (induzione) voler applicare tale legge a casi non ancora noti.

6 Isaac Newton si accorse che una volta postulati i Principi, tuttavia, tramite la Matematica era possibile dedurre altre leggi (a priori) e formulare delle predizioni (un po come la dimostrazione dei teoremi) di fenomeni non ancora verificati o scoperti. La verifica sperimentale (a posteriori) di questi nuovi fenomeni, qualora positiva, dà forza al metodo ed è una conferma indiretta della validità dei Principi. Qualora, al di là di ogni dubbio, il fenomeno predetto non avvenga, allora si è in presenza di un fatto nuovo che implica la necessità di formulare dei nuovi principi a PARZIALE correzione di quelli già stabiliti (falsificazione).

7 Possiamo quindi individuare la seguente procedura: 1)Osservazione sperimentale di un numero grande ma limitato di fenomeni per postulare la validità generale di Princìpi e/o Leggi 2)Deduzione teorica di possibili fenomeni dai principi (tesi) 3)Verifica sperimentale delle deduzioni (antitesi) 4)Eventuale correzione dellinsieme dei Principi (sintesi). Osservazioni Princìpi Predizioni Sì conferma Principi No elaborazione nuovi Principi Verifica Induzione Deduzione

8 La Fisica e la Storia La Storia non è altro che una complicata sequenza di fenomeni fisici Questi fenomeni per quanto complicati e contraddittori sono stati e saranno regolati dalle leggi della Fisica Va detto che nello studio di sistemi fisici molto complessi, quale lUmanità, le leggi della Fisica perdono predittività (Ilya Prigogine, La fine delle certezze) Ciò è dovuto al fatto che le predizioni fisiche risultano dalla imposizione di condizioni al contorno su certe equazioni: al cambiare delle condizioni cambiano i risultati. Esempio: se unautomobile viaggia a 100Km/h arriverà da Messina- Tremestieri a Catania-S.Gregorio in 45 minuti. Questo sarà vero se lautomobile non si guasta, se non cade un viadotto, se non ha incidenti, ecc.

9 EnergiaABBA Lenergia è una grandezza fisica che misura la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro Lenergia si può trasferire da un sistema ad un altro, e ciò accade per mezzo di forze B A B AA B ABABABA B A BB A BABAB A B Lenergia di un sistema isolato si conserva (non si crea e non si distrugge) I o principio della Termodinamica

10 Lanimazione precedente esemplifica lenergia meccanica. Ma il concetto di energia è molto più vasto e profondo In generale lenergia rappresenta le risorse possedute da un sistema fisico Anche il concetto di sistema fisico è estremamente generale I sistemi possiedono risorse (Energia) e possono, interagendo, scambiarsele Un sistema fisico può essere molto complesso, perché costituito da molti sottosistemi, e questi a loro volta da molti altri e così via fino ad arrivare ad elementi, le particelle, che si presuppongono non ulteriormente scindibili La complessità consiste nel fatto che i molti sottosistemi possiedono energia e possono scambiarsela. Più sono i sottosistemi più complicato è ricostruire e controllare tutti i passaggi di energia ovvero predire levoluzione del sistema stesso.

11 Non è ancora possibile calcolare (predire) il moto di tutte le particelle di una mole di gas Bisogna risolvere un sistema di 6x10 23 equazioni differenziali in 6x10 23 incognite per ogni istante Presto si costruiranno computers (World Simulator) capaci di eseguire ben operazioni al secondo Per eseguire operazioni ci vorranno 10 9 secondi Tutti i sistemi naturali sono sistemi complessi, nel senso che la loro evoluzione dipende dal comportamento individuale delle singole particelle: queste possono essere moltissime (e.g. in una mole di una sostanza vi sono sono atomi!!) e quindi le difficoltà di predire levoluzione di un sistema sono spesso tecnicamente insormontabili

12 Alcuni tempi caratteristici in secondi EventoTempo (sec) Periodo dellelettrone Onde di spin Diffusione degli atomi10 -6 Battito cardiaco1 Rotazione terrestre (giorno)86.4x10 3 Rivoluzione terrestre31.6x10 6 Secolo3.2x10 9 Tempo dalla Nascita di Cristo63.2x10 9 Età della Terra0.5x10 13 Nascita delluniverso10 18

13 Dissipazione e Equipartizione dellEnergia La complessità di un sistema fisico risiede nel fatto che i suoi sottosistemi, ovvero le sue particelle possiedono dei gradi di libertà Il punto materiale, la particella elementare della Fisica Classica, possiede 3 gradi di libertà traslazionali Un manubrio (e.g. una molecola biatomica) ha 3 gradi di libertà traslazionali, (il suo baricentro può traslare in tre direzioni ortogonali), più 2 gradi di libertà rotazionali simulazione

14 Lenergia di un sistema isolato tende a ripartirsi fra tutti i suoi gradi di libertà microscopici (Principio di equipartizione dellenergia), man mano che il sistema tende allequilibrio, in assenza di altri vincoli Pendolo di Osborne In assenza di attrito questo moto continuerà per sempre (lenergia si conserva) Ma cosa succederebbe se esistessero dei gradi di libertà interni al corpo?

15 Lenergia del corpo è lenergia di tutte le particelle che lo costituiscono: se esse possono muoversi lo faranno utilizzando la parte di energia totale che compete loro Nel moto del pendolo la Forza di Gravità trasforma continuamente lEnergia Potenziale e in Cinetica e viceversa, lasciandone inalterata la somma, lEnergia Totale

16 Ma quando ciò accade, i moti dei singoli individui non saranno coordinati e differiranno dal moto del baricentro del corpo (che, p.es., cercherà di oscillare) Si comprende quindi che una volta che parte dellenergia viene ceduta ai gradi di libertà microscopici difficilmente potrà accadere che le particelle si coordinino nel loro moto in maniera completa. Di conseguenza il moto del baricentro, ovvero il moto del corpo come un tutto, perderà via via sempre più energia fino a fermarsi del tutto, cioè lampiezza delle oscillazioni si ridurrà fino a zero Questo fenomeno è onnipresente in Natura e va sotto il nome di DISSIPAZIONE. Ma lEnergia totale si conserva, solo che non può più essere UTILIZZATA

17 Utilizzabilità dellEnergia Nelle trasformazioni di energia non è sempre possibile utilizzare tutta lenergia disponibile Ciò è ben illustrato dal Problema del Bravo Tipografo: Ritagliare un cartoncino di forma 100x70 cm 2 nel massimo numero di pezzi 40x30cm Questo è un problema di ottimizzazione, molto difficile da impostare ed ancor più da risolvere: minimizzare lo sfrido

18 Commenti sul Problema del Tipografo Il tipografo ha fatto un ottimo lavoro, il migliore possibile date le circostanze: ha minimizzato lo sfrido È cruciale per la minimizzazione dello sfrido che i tagli siano assolutamente coordinati: se il primo taglio fosse il seguente non sarebbe più possibile ottenere cinque pezzi Ciò vuol dire che se il cartoncino fosse in un magazzino e differenti utenti andassero separatamente a prelevare un pezzo singolo, si potrebbe avere facilmente uno spreco di cartoncino se gli utenti non seguissero la regola di buon utilizzo, cioè di coordinazione, stabilita dal bravo tipografo

19 Il cartoncino rappresenta le risorse disponibili, cioè lenergia. Al momento del suo utilizzo però non è stato possibile sfruttare tutte le risorse disponibili. Ciò è quasi sempre vero, perché solo in particolarissime circostanze è possibile utilizzare tutte le risorse Pensate, per esempio, al bilancio di una regione: ad ogni assessorato vengono assegnate delle risorse finanziarie che un buon assessore vorrà spendere interamente nellinteresse pubblico. Egli le utilizzerà in vari tronconi, di solito mediante gare dappalto. Ma alcuni lavori di grande utilità magari non si potranno effettuare perché i fondi non basteranno, specialmente se le risorse verranno spese in tanti piccoli/medi appalti NON COORDINATI fra loro. Alla fine dellanno ci saranno delle risorse non utilizzabili: i residui passivi dei bilanci. In tal caso lassessore non sarà stato un bravo tipografo.

20 Le risorse non più utilizzabili sono un danno. Se il bravo tipografo non è più in grado di riciclare il cartoncino di sfrido rimastogli (p.es. per fare dei biglietti da visita), lo butterà nel bidone della spazzatura, e da lì finirà magari in discarica o bruciato: contribuirà allinquinamento Questo avanzo di risorse non utilizzabili è un costo enorme per la società: si pensi che dietro allo smaltimento dei rifiuti ci sono 1)le cosidette ecomafie; 2)linquinamento delle falde acquifere a causa delle discariche; 3)linquinamento da diossina dellaria se si bruciano insieme carta e plastica; 4)etc.

21 Cosa accomuna il Pendolo di Osborne ed il problema del tipografo? Il pendolo di Osborne e il problema del tipografo hanno una chiave di interpretazione comune dal punto di vista dellutilizzo dellEnergia Il fatto che le singole particelle allinterno del corpo oscillante si muovano in maniera disordinata è il motivo per il quale il moto del corpo come un tutto si arresta. Se il taglio dei pezzi del cartoncino avviene in maniera disordinata, ci sarà molto sfrido Quindi, il disordine è la chiave di interpretazione Il disordine ovvero lassenza di regole osservate da tutti gli individui non consente lutilizzo di tutte le risorse disponibili, e di conseguenza crea un danno per il comportamento collettivo

22 Trasformazioni dellenergia e inquinamento Qualunque applicazione tecnologica delluomo è una macchina termica: un apparato che consente di trasformare Energia da un tipo ad un altro P.es. un motore dauto trasforma energia chimica in meccanica; un alternatore trasforma lenergia meccanica in elettrica; una lampadina trasforma lenergia elettrica in luce; una stufa trasforma lenergia elettrica in energia termica; etc. Tuttavia accanto a queste trasformazioni, che sono irreversibili, vi sarà sempre una parte della energia inizialmente disponibile trasformata in calore, a causa della dissipazione. Tutte queste macchine, che servono a migliorare la vita delluomo, cioè che sono il progresso, hanno un rendimento inferiore ad 1 Questo fatto è inevitabile a causa del II o principio e porta ad un aumento dellEntropia dellambiente.

23 Entropia Abbiamo visto come lutilizzazione dellenergia disponibile sia soggetta a limitazioni che sembrano negare il I o principio della termodinamica Ciò suggerisce che si possa introdurre un nuovo principio di Fisica: il II o Principio della Termodinamica Una possibile formulazione rigorosa: Esiste una funzione di stato, lEntropia, le cui variazioni misurano quanta energia, ad una fissata temperatura, diventa inutilizzabile in una data Trasformazione: lEntropia di un sistema isolato non può diminuire LEntropia è massima quando un sistema isolato raggiunge lEQUILIBRIO Equilibrio significa che tutti i sottosistemi (e.g. anche le singole particelle) hanno tutti la stessa energia, e quindi non si possono più avere scambi energetici da un sottosistema ad un altro: la morte termica

24 Lequilibrio termico assoluto è statico, ma fortunatamente esistono altre forme di equilibrio dinamico o stazionario La stazionarietà è, per esempio, caratteristica di quei sistemi non isolati che ricevono continuamente dallambiente esterno la stessa quantità di Energia per unità di tempo (p.es. al giorno) e ne restituiscono una parte Sistema stazionario E1E1 E2E2 E1E1 E2E2 Questo è il caso degli esseri viventi che si nutrono (cioè interagiscono con lambiente), ovvero è il caso della Terra che riceve dal Sole più o meno la stessa quantità di energia ogni giorno e che viene utilizzata dagli esseri viventi, dallatmosfera, etc.

25 Un essere vivente si nutre di Entropia (E. Schrödinger). Questo vuol dire che un essere vivente è capace, sfruttando lEnergia che riesce ad assorbire dallambiente in cui vive (il nutrimento), di diminuire la propria entropia. Ma lEntropia del sistema isolato {essere vivente + ambiente} comunque aumenterà, per il II principio della Termodinamica Come è usata lenergia da un sistema fisico? LEnergia viene usata da un sistema fisico tramite continue trasformazioni da un tipo in un altro. Come vedremo queste trasformazioni producono un aumento di Entropia totale ma si possono avere diminuizioni locali (e.g. in un singolo sottosistema) di Entropia, cosa che si può ottenere solo usando lenergia esterna. Sistema stazionario E1E1 E2E2 È possibile che

26 Accade quindi che lutilizzo dellEnergia da parte del sistema fisico stazionario avviene mediante due tipi di processo in competizione fra loro: Il bilancio dinamico fra questi processi è delicatissimo: se si utilizza troppa energia per i processi entropici potrebbe non restare abbastanza energia per i processi sintropici Il sistema fisico continua a vivere (i suoi sottosistemi possono scambiare energia fra loro) se i processi entropici non soverchiano quelli sintropici In altre parole: se le trasformazioni di energia (e.g da meccanica in elettrica) fanno crescere troppo velocemente lentropia rispetto a quei processi vitali che sono in grado di diminuire lentropia del sistema, il risultato sarà un aumento continuo nel tempo dellentropia del sistema Se laumento di entropia non è accompagnato da un aumento della energia proveniente dallesterno, si arriverà ad un punto di non ritorno, il cosidetto Spartiacque Entropico: da quel momento in poi non sarà più possibile arrestare la continua crescita dellentropia ed il sistema si avvicinerà inesorabilmente e velocemente alla morte termica 1)Processi che fanno crescere lentropia di tutto il sistema stazionario (entropici) 2)Processi che fanno diminuire lentropia di tutto il sistema stazionario (sintropici)

27 In sostanza la vita delluomo sulla Terra è possibile solo perché aumenta lEntropia della Terra e dellambiente che lo circonda. Luomo, di conseguenza, deve inquinare per vivere ma dovrebbe stare attento ad inquinare il meno possibile come il bravo tipografo. Altrimenti: 1)Non utilizza al meglio le sue risorse 2)Fa crescere troppo velocemente lEntropia Altrimenti, cioè, si avvicina cioè allo Spartiacque Entropico

28 Un esempio storico-economico preso da J. Rifkin, Entropia la Legge Fondamentale dellUniverso Alla fine del XV secolo le nazioni che dominavano il mondo e si facevano la guerra erano in una profonda crisi economica (p.es. gli armamenti costavano troppo) e la produttività della nazione non riusciva a coprire i costi. Nel linguaggio di questo seminario non cera sufficiente Energia per ridurre lEntropia del sistema fisico nazione Ci volle infatti la scoperta della America (12/10/1492) per far affluire in Europa risorse sufficienti a governare ed a ricominciare le guerre. Il sistema fisico Europa era vicino allo spartiacque entropico.

29 Lo Spettro delle onde elettromagnetiche Frequenza =10 k Hz k = Lunghezza donda =10 n m n= Radio diffusione (onde medie) Luce visibile Onde radio (lunghe) Onde radio (corte) TV radar infrarosso ultravioletto Raggi X Raggi

30 Assorbimento e Ozonosfera Supponiamo che unonda elettromagnetica piana passi dal vuoto alla materia VuotoMateria -e +e z -e +e -e +e -e +e -e +e Latomo, sotto lazione del campo elettrico, oscillerà come un oscillatore armonico smorzato e forzato. Se la frequenza dellonda è vicina alla frequenza di risonanza dellatomo, allora lampiezza delle oscillazioni sarà grande. Se latomo oscilla vuol dire che londa elettromagnetica compie lavoro, cioè trasferisce energia alla materia. Se latomo non oscilla, perché la sua frequenza propria è molto diversa dalla frequenza dellonda, allora questo trasferimento di energia non avviene.

31 La funzione che descrive la risposta della materia allonda e.m. si chiama suscettività, e tipici andamenti in funzione delle frequenza sono mostrati nella seguente figura: La suscettività quindi assume relativamente grandi valori alla frequenza di risonanza e tende a zero per frequenze elevate. È piccola ma non nulla per bassa frequenza. Ciò vuol dire che per alta frequenza (rispetto alla frequenza di risonanza) la materia assorbe poco le radiazioni. Infatti i raggi attraversano la materia abbastanza indisturbati

32 In pratica succede che lampiezza dellonda, e quindi la sua intensità decresce allinterno della materia Se lampiezza si annulla, cioè londa viene assorbita, allora il corpo investito dalla radiazione sarà opaco. Al contrario se londa viene assorbita poco, il corpo potrà essere trasparente Le diverse sostanze assorbono le radiazioni solari in regioni (o bande) di frequenze a volte differenti. Lozono (O 3 ), per esempio assorbe moltissimo i raggi ultravioletti Siccome lesposizione ai raggi ultravioletti è dannosa per le molecole biologiche (altera le reazioni biochimiche alla base della vita) la presenza nellatmosfera di uno spesso strato di ozono impedisce ai raggi ultravioletti di giungere fin sulla superficie terrestre ed è, quindi, uno dei molti strumenti necessari alla vita su questo pianeta.

33

34

35

36

37

38

39

40

41 Riflettività ed Effetto Serra Accanto al fenomeno dellassorbimento cè un altro fenomeno rilevante per i problemi ambientali: la riflettività Quando unonda elettromagnetica investe la superficie di un corpo parte dellenergia trasportata viene trasmessa (e quindi magari assorbita) parte viene rimandata indietro i r2r2 r1r1 Quanta energia può passare al secondo mezzo e quanta ritorna nel primo, tramite londa riflessa, dipende dalle proprietà del secondo mezzo. P. es. largento rimanda indietro quasi tutta lenergia che linveste (fino alla luce visibile) ed è, infatti, il miglior materiale per costruire gli specchi

42 Lemisfero terrestre assorbe energia dal Sole per dodici ore e nelle successive dodici si raffredda emettendo radiazione infrarossa (come tutti i corpi a temperatura non nulla) Questa cessione di energia è vitale: così infatti la Terra si mantiene in equilibrio termico e i fenomeni biofisici e biochimici che avvengono sulla sua superficie possono continuare ad avvenire (p.es. il ciclo dellacqua, la funzione clorofilliana, i ghiacciai, etc.) Il vetro (o il nylon) che racchiude una serra consente alla luce di passare ma impedisce al calore di fuoruscire perché è un ottimo isolante termico: cioè ha la proprietà di riflettere la radiazione infrarossa Ora, se la Terra fosse avvolta da uno strato di grande riflettività nellinfrarosso, queste radiazioni ritornerebbero sulla sua superficie e la Terra non si potrebbe raffreddare con la conseguente alterazione dei processi biofisici e biologici che su di essa avvengono Purtroppo così è. I motori ad idrocarburi, particolarmente quelli delle centrali elettriche, producono una enorme quantità di cosidetti gas serra come lanidride carbonica. Questi gas si stabilizzano ad una certa quota nellatmosfera e costituiscono uno strato che ha una grande riflettività nellinfrarosso. Questo rallenta la velocità di raffreddamento della Terra ed ha drammatiche conseguenze come la desertificazione, la tropicalizzazione del Clima, etc. Si rifletta che tutto ciò dipende dalla produzione di Entropia, cioè del forse non ottimale uso delle risorse

43

44 Stima dellAumento di alcuni Gas Serra dalla Rivoluzione Industriale ad Oggi

45 Effetto di una piccola centrale termoelettrica sulla formazione di nuvole dense (PM10) Distanza = 130Km

46 Australia Costa Est degli USA

47 Conclusioni Le limitazioni nellutilizzo dellenergia che derivano dal II 0 Principio della Termodinamica fanno sì che sia inevitabile laumento dellEntropia, e quindi linquinamento, nelle trasformazioni di energia, essenziali per la vita dellUomo sulla Terra È tuttavia possibile benché difficile, come il problema del tipografo dimostra, utilizzare le risorse in modo da minimizzare gli aumenti di Entropia e quindi linquinamento Recenti studi sostengono che agli attuali ritmi di consumo 1)il petrolio prodotto basterà al massimo per altri 20 (40?) anni 2)il combustibile nucleare al massimo per altri 30 (50?) anni Siamo vicini ad un nuovo storico spartiacque entropico? Che fare? Le migliori ricette sembrerebbero: 1)Diminuire DRASTICAMENTE i consumi 2)Utilizzare al meglio le risorse, cosa che si può ottenere solo con AZIONI COORDINATE E SOLIDALI perché solo un comportamento collettivo minimizzerà gli aumenti di ENTROPIA


Scaricare ppt "Cicli di Seminari di formazione ed informazione politica Ambiente, Inquinamento e Leggi della fisica Democratici di Sinistra Federazione Provinciale di."

Presentazioni simili


Annunci Google