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MESSINA – 25/05/2010 La generazione dellenergia elettrica e linquinamento Beniamino Ginatempo Dipartimento di Fisica Facoltà di Ingegneria Università

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Presentazione sul tema: "MESSINA – 25/05/2010 La generazione dellenergia elettrica e linquinamento Beniamino Ginatempo Dipartimento di Fisica Facoltà di Ingegneria Università"— Transcript della presentazione:

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2 MESSINA – 25/05/2010 La generazione dellenergia elettrica e linquinamento Beniamino Ginatempo Dipartimento di Fisica Facoltà di Ingegneria Università di Messina Salita Sperone Messina

3 Piano del seminario 1)Premessa: A che serve la Fisica? 2)Leggi di conservazione 3)Energia 4)Utilizzazione dellEnergia e dissipazione 5)La generazione di energia elettrica 6)Lenergia nucleare e le scorie radioattive 7)Lenergia solare Ci son più cose in cielo e in terra, Orazio, che non ne sogni la tua filosofia (W. Shakespeare)

4 Chiediamoci Perché? 1)Perché il Sole sorge e tramonta? 2)Perché gli oggetti cadono? 3)Perché esistono solidi e fluidi? 4)Perché vedo? 5)Perché ci sono oggetti caldi o freddi? 6)Perché una pallina che rotola sul pavimento si fermerà? 7)Perché ci sono i fulmini? 8)Perché un oggetto esposto al sole si riscalda? 9)Perché il mare ed il cielo sono azzurri? 10)Perché posso udire e produrre suoni? 11)Perché il rosso Ferrari è diverso dal rosso della salsa di pomodoro? 12)Perché il gesso aderisce alla lavagna o una matita scrive? 13)Perché una bussola segna il nord? 14)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 dellumanità.

5 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): a)Principio di conservazione della Massa b)Principio di conservazione della Carica Elettrica c)Principio di conservazione della Quantità di Moto d)Principio di conservazione del Momento Angolare e)Principio di conservazione della Parità (Mec. Quant.) f)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)

6 Energia Lenergia 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 lazione di una forza In generale lenergia rappresenta le risorse possedute da un sistema fisico Lenergia, come la massa, la quantità di moto, il momento angolare è soggetta ad un principio di conservazione: per un sistema isolato lenergia non si crea e non si distrugge

7 AB Un biliardo senza attrito 1) Entra energia dallesterno 2) Lenergia entrata resta per sempre, se non viene dissipata o non fuoriesce AB A B A BBABA B A B AABA B A B ABABABAB A B A BAB A B A BAB 3) Eventualmente lenergia si trasferisce da un sottosistema ad un altro

8 Utilizzabilità dellEnergia Nelle trasformazioni di energia non sempre è possibile utilizzare tutta lenergia disponibile Pensate, per esempio, ad unarea di parcheggio: non è possibile utilizzarla tutta, perché le automobili hanno bisogno di spazio (le risorse disponibili) per parcheggiare Luso scoordinato delle risorse non ne consente il pieno utilizzo

9 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 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 delluomo, cioè che sono il progresso, hanno un rendimento inferiore ad 1 Lo sfrido di energia e massa in una trasformazione èlinquinamento

10 La generazione di energia elettrica Lenergia meccanica si può trasformare in energia elettrica mediante delle macchine termiche dette ALTERNATORI (o dinamo o turbine)

11 B t Contatti striscianti (spazzole)Poli dellelettromagnete R Lalternatore trasforma lenergia meccanica usata per far ruotare una spira in energia elettrica

12 Centrali idroelettriche Le centrali idroelettriche usano lenergia cinetica dellacqua alla base di una cascata per far ruotare le turbine. Basso rendimento e grande impatto ambientale (dighe, deviazioni di corsi dacqua, creazioni di invasi artificiali, ecc.)

13 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

14 Centrali termoelettriche Le centrali termoelettriche convenzionali trasformano lenergia 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

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

16 Australia Costa Est degli USA

17 Centrali nucleari Le centrali termonucleari trasformano lenergia termica che si sviluppa nella fissione nucleare dellUranio 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.

18 Latomo ed il nucleo La materia è costituita da tantissimi atomi (spesso legati in molecole). Latomo 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

19 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 238 U, 235 U)

20 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

21 Lisotopo dellUranio utile per le reazioni di fissione nucleare è 235 U ma allo stato naturale è molto più frequente lisotopo 238 U LEU 3-5% di 235 U Reattori nucleari HEU 90% di 235 U Bombe nucleari Uranio arricchito Uranio Naturale

22 Trattamento dellUranio

23 Radioattività I nuclei instabili tendono a raggiungere uno stato più stabile rilasciando particelle ed energia elettromagnetica ad altissima frequenza DecadimentoParticellaPercorso in ariaTrasmutazioneFissione Particelle Nuclei di He6-7 cmSì Particelle Elettroni5-7 metriNo Raggi Onde el. Mag.Qualche KmNo Neutroni liberineutroni30-300mSì

24 Reazioni nucleari Esistono due tipi di reazioni nucleari: la fissione nucleare e la fusione nucleare Una reazione di fissione nucleare consiste nel bombardare degli isotopi pesanti provocando lemissione di protoni, neutroni, elettroni ed energia. Utilizzando i neutroni emessi da un nucleo si può produrre la fissione di altri nuclei vicini dando luogo ad una REAZIONE A CATENA, con una grande produzione di energia e scorie pericolose perché radioattive La fusione nucleare consiste nellunire atomi leggeri, non ha scorie pericolose ma non sappiamo realizzare delle reazioni a catena, purtroppo

25 Scorie radioattive In una reazione nucleare non si ha mai una fissione totale di tutto il "combustibile", anzi la quantità di atomi effettivamente coinvolta nella reazione a catena è bassa. In questo processo si generano quindi due principali categorie di scorie Nuclei trasmutati (di numero atomico più elevato perché hanno catturato protoni e neutroni) Prodotti di fissione (nuclei effettivamente spezzati, più leggeri dei nuclei originari, come il cesio in parte allo stato gassoso) Queste scorie accumulandosi impediscono il corretto funzionamento del reattore, e vanno riprocessate e riutilizzate fin quando è possibile e poi eliminate Purtroppo sono radioattive, quindi pericolose per la nostra salute, per moltissimo tempo

26 Il tempo di isolamento delle scorie varia molto in dipendenza del tipo di reattore che del tipo di combustibile e varia da 300 a 1 milione di anni

27 Energia solare Sfruttando leffetto fotovoltaico si può trasformare la luce solare in energia elettrica Sfruttando delle giunzioni di semiconduttori drogati (silicio) Vantaggi: no scorie o emissioni Svantaggi: costi e durata dei pannelli, basso rendimento funziona solo di giorno

28 Energia solare Solare termico: usa lenergia solare ed un sistema di specchi (Archimede) per riscaldare lacqua o sali fusi per azionare le turbine Vantaggi: no scorie o emissioniSvantaggi: costi, basso rendimento

29 Celle ad idrogeno Le celle a combustibile sfruttano la proprietà di certe superfici metalliche di ionizzare lidrogeno per generare energia elettrica. Vantaggi: no scorie o emissioni Svantaggi: costi e durata delle celle, preparazione e stoccaggio dellidrogeno

30 Conclusioni Le limitazioni nellutilizzo dellenergia che derivano dalle leggi della Fisica fanno sì che sia inevitabile linquinamento, nelle trasformazioni di energia, essenziali per la vita dellUomo sulla Terra È tuttavia possibile, benché difficile, utilizzare le risorse in modo da minimizzare linquinamento VERO PROBLEMA Ma il VERO PROBLEMA è un altro Madre Natura funziona trasformando continuamente i 4 elementi fondamentali: Aria, Acqua, Terra e Fuoco Aria, Acqua, Terra e Fuoco (energia) Come per lAcqua, noi dobbiamo imparare a non sprecarli Dobbiamo costruire un futuro diverso, più sobrio, di decrescita e diminuzione drastica dei consumi individuali Più consumi = Più inquinamento = Minore qualità della vita


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