energia e lavoro
energia e lavoro
Compagni inseparabili, preziosi per gli esseri umani
La conquista dell'energia ha condizionato lo sviluppo delle civiltà passate e presenti. Gli esseri umani hanno bisogno dell'energia immagazzinata nel cibo per vivere e si servono di quella prodotta dai combustibili e dall'elettricità per azionare le macchine. Non si può compiere lavoro senza spendere energia. L'energia può assumere forme diverse: radiazione solare, calore, energia elettrica, energia nucleare e chimica e altre ancora. Lavoro ed energia si trasformano l'uno nell'altra senza scomparire mai: si conservano e non si distruggono. Ma è altrettanto vero che l'energia utilizzabile per compiere lavoro si consuma, trasformandosi in calore, una forma poco pregiata e poco adatta a ricavare nuovo lavoro
Siamo circondati dall'energia
Ci sono molte forme di energia, quella raggiante come la luce e il calore, quella elettrica, di cui ci serviamo tutte le volte che azioniamo un interruttore; per mantenere i processi interni dell'organismo serve un costante apporto dell'energia immagazzinata nei cibi; nei carburanti è accumulata energia chimica rilasciata durante la combustione. Gli atleti hanno bisogno di energia per muovere i muscoli, gli alberi per crescere; tutti i corpi in movimento possiedono energia cinetica e quelli grandi e veloci ne hanno molta di più di quelli piccoli e lenti.
Anche i corpi che si trovano a una certa altezza hanno un'energia, quella potenziale gravitazionale (gravitazione), che si trasforma in energia cinetica quando cadono a terra; dal cuore degli atomi si ottiene l'energia nucleare. L'energia permette a un sistema di svolgere un lavoro, come dice l'etimologia visto che energia deriva dal greco èrgon, che significa "opera" o "azione". A compiere materialmente il lavoro è la forza coinvolta nel processo: maggiore è lo spostamento subito dal sistema, maggiore è il lavoro fatto. Se la forza che compie il lavoro è costante e l'oggetto a cui viene applicata si sposta nella sua stessa direzione e nello stesso verso, allora calcolare il lavoro è molto semplice: basta moltiplicare l'intensità della forza per il valore dello spostamento.
Per migliaia di anni le uniche fonti di energia sono state il Sole e la forza muscolare. Gli uomini hanno bruciato il legno (fuoco) per riscaldarsi e con l'aiuto degli animali domestici hanno coltivato i campi. Con il progredire delle conoscenze tecniche hanno anche imparato a sfruttare l'energia dei fiumi per azionare una ruota idraulica e l'energia eolica, grazie a mulini a vento e alle imbarcazioni a vela, ha contribuito allo sviluppo dei trasporti e delle attività umane. Nel Settecento James Watt ha inventato la macchina a vapore e sono stati costruiti treni e autoveicoli. Oggi all'energia termica del vapore si sono sostituite forme più efficienti, come l'energia elettrica (elettricità), e così a casa, a scuola, nei luoghi di lavoro ci sono sempre più oggetti che se ne servono per funzionare.
Energia e lavoro sono inseparabili
Una forma di energia molto familiare è quella gravitazionale che agisce, per esempio, quando si lancia un pallone verso l'alto. Durante il volo esso acquista energia cinetica, sale per un po', ma progressivamente rallenta e si ferma dopo averla esaurita. Dove è scomparsa? Non è scomparsa: si è semplicemente trasformata in energia potenziale: il pallone ora si trova al di sopra dell'altezza da cui è stato inizialmente lanciato. Durante il moto la somma dell'energia potenziale e di quella cinetica non cambia, in certe fasi una prevale sull'altra, ma alla fine del percorso riotteniamo il valore iniziale perché la forza gravitazionale è conservativa, cioè l'energia a essa associata rimane la stessa.
Tuttavia l'esempio del pallone è rigorosamente vero solo in un mondo ideale, dove non c'è nessun attrito con l'aria. Nel mondo reale una piccola diminuzione di energia utilizzabile si registra sempre. Per far quadrare i conti basta però includere nel bilancio il lavoro fatto dalle forze d'attrito che hanno trasformato parte dell'energia in calore. Nell'Ottocento, lo scienziato inglese James Joule ha scoperto che il lavoro meccanico svolto per muovere gli ingranaggi di un mulinello a palette si può trasformare completamente in calore, la forma termica dell'energia, come si può verificare mettendo il dispositivo nell'acqua (v. fig.). Viceversa un corpo riscaldato può compiere un lavoro, come accade a un gas che si espande e spinge un pistone: in questo modo l'energia termica si trasforma in energia meccanica. Lavoro (in questo caso meccanico) ed energia (in questo caso termica) sono come due facce della stessa medaglia e quindi si misurano entrambi in joule (simbolo J), in onore dello scienziato che per primo ha dimostrato la loro equivalenza.
L'energia si conserva insieme al lavoro
L'energia non scompare mai, ma si trasforma da una forma all'altra: da potenziale diventa cinetica, da meccanica termica. In tutti i casi si può dimostrare che si conserva a patto di prendere in considerazione anche il lavoro compiuto dalle forze d'attrito; quest'ultimo tipo di lavoro si ritrova, alla fine del processo, nel calore generato. Tuttavia il calore è, come forma di scambio dell'energia, una moneta meno pregiata nel mercato delle risorse. Per questo si dice che l'energia si consuma: in realtà è più corretto dire che diminuisce la parte di energia in grado di compiere lavoro perché diventa sempre meno utilizzabile per far funzionare macchine e dispositivi.
In tutte le trasformazioni di energia del mondo reale ci sono forze d'attrito che trasformano in calore una parte, anche consistente, dell'energia. Per esempio, quando un corpo si muove in un fluido, come l'acqua e l'aria, incontra una resistenza che genera calore, e infatti nell'esperimento di Joule l'acqua si riscalda a causa dell'attrito. Un forma di attrito provoca anche perdite di energia elettrica, come testimonia il fatto che i cavi percorsi da corrente si riscaldano. Quello della perdita di energia utilizzabile è un problema serio perché la maggior parte delle macchine funziona grazie all'elettricità.
Magazzini di energia
Il modo in cui cambia l'energia del pallone lanciato in aria mostra che tutta l'energia potenziale accumulata dal corpo si ritrasforma in energia cinetica: è questo un esempio di come si può accumulare energia, ma ci sono molti altri possibili 'serbatoi' di energia.
Sotto forma di radiazione, il Sole fornisce buona parte dell'energia presente sulla Terra e molti sistemi naturali sono in grado di funzionare come depositi di energia. Per esempio gli alimenti sono notevoli magazzini di energia chimica indispensabile per la crescita e lo sviluppo di piante e animali. Lo stesso avviene per i combustibili fossili, che derivano dalla decomposizione di organismi vissuti milioni di anni fa e rimasti imprigionati fra strati di roccia e sedimenti.
L'energia elettrica può essere immagazzinata all'interno di una pila o di un accumulatore, come nel caso delle batterie per automobile. In questi dispositivi avvengono reazioni chimiche in grado di mettere in moto le cariche elettriche e generare così corrente continua. Grazie alle pile, piccoli apparecchi come radio e torce possono funzionare anche se non collegati alle grandi reti elettriche.
Un altro modo per immagazzinare energia è quello di sbarrare l'acqua di un fiume con una diga. L'acqua raccolta nello sbarramento acquista energia potenziale che si può sfruttare per produrre energia elettrica. Basta liberare l'acqua convertendo così la sua energia potenziale in energia cinetica da usare per azionare la turbina di una centrale idroelettrica.
Energia elettrica
L'uso dell'energia elettrica ha cominciato a diffondersi quando la lampada a incandescenza, scoperta nel 1879 da Edison, ha sostituito l'illuminazione a gas nelle città. Le prime centrali elettriche per la sua produzione sono sorte a Londra, New York e Milano (1883). Sotto forma di elettricità l'energia entra oggi nelle nostre case per illuminarle quando fa buio, per riscaldarle durante l'inverno e per far funzionare i vari elettrodomestici collegati alle prese di corrente. Le stesse macchine industriali in genere usano energia elettrica perché è facile da ottenere e da trasportare a grande distanza.
L'elettricità che oggi utilizziamo viene prodotta nelle centrali che convertono una fonte disponibile in natura (energia chimica contenuta nei combustibili, energia cinetica ottenuta dalla caduta dell'acqua e così via) in questa forma di energia. Tra le centrali più diffuse ci sono quelle di tipo termoelettrico: qui il vapore acqueo prodotto dalla combustione fa funzionare gli alternatori, dispositivi che generano la corrente distribuita nelle abitazioni.
Nei principali elettrodotti che collegano le centrali con i punti in cui l'energia viene utilizzata, la tensione è di centinaia di migliaia di volt, mentre nelle nostre case la tensione è bassa, di soli 220 V. Questa grande differenza dipende dal fatto che tensioni elevate permettono di trasportare la corrente limitando l'effetto Joule (il riscaldamento del filo percorso da corrente), ma sarebbero molto pericolose nelle prese domestiche. Quindi, prima di arrivare nelle nostre case, la corrente viene portata a una tensione più bassa.
Energia nucleare
Durante il Novecento gli scienziati hanno scoperto che anche i nuclei degli atomi sono una fonte di energia. Due sono i processi che permettono di ricavarla, la fusione, che dà energia alle stelle, e la fissione, che avviene nei reattori nucleari. Durante la fissione il nucleo dell'atomo viene spezzato e alla fine del processo si osserva che parte della massa è scomparsa e si è trasformata in energia, in accordo alla teoria della relatività di Einstein che prevede l'equivalenza di queste due grandezze. L'energia liberata dalla fissione è superiore di più di un milione di volte a quella ottenuta con la stessa quantità di materia in una reazione chimica e basta un chilogrammo di uranio per fornire l'equivalente della combustione di due milioni di litri di benzina!
Per queste sue caratteristiche l'energia nucleare è stata utilizzata tanto per costruire le armi atomiche quanto per generare elettricità a scopo pacifico. Ma la produzione di energia nei reattori nucleari, se sotto certi aspetti è molto vantaggiosa, presenta seri problemi di sicurezza ‒ ci possono essere incidenti o guasti degli impianti, la reazione può diventare incontrollata ‒ e di smaltimento dei materiali di rifiuto radioattivi.
Una forma di energia nucleare che invece non presenta questi problemi è la fusione. È il processo inverso alla fissione: in questo caso nuclei di atomi leggeri si fondono per generare atomi più pesanti. Da questo tipo di reazione nucleare scaturisce l'energia solare: all'interno della nostra stella, nuclei di idrogeno si uniscono per generarne nuclei di elio. L'energia prodotta viene poi dispersa nello spazio sotto forma di radiazione e in parte arriva sulla Terra. Ogni metro quadrato del nostro pianeta riceve dal Sole la stessa energia che potrebbe ricevere da una piccola stufetta elettrica: sarà così ancora per altri cinque miliardi di anni circa, fino a quando il Sole continuerà a splendere.
Il presente e il futuro dell'energia
L'uomo ha escogitato nei millenni tecniche sempre più raffinate per garantirsi la disponibilità di sorgenti di energia con cui soddisfare le proprie necessità. Lo sviluppo dell'agricoltura è un modo per procurarsi il cibo, cioè per immagazzinare l'energia necessaria alla sopravvivenza. L'uomo è un po' come una macchina che usa il cibo come combustibile: lo combina chimicamente con l'ossigeno portato nel sangue grazie alla respirazione e ne ricava energia meccanica.
Oggi nell'America Settentrionale, in Europa, in Australia e nelle altre nazioni industrializzate le case dispongono di un costante approvvigionamento di elettricità e in queste parti del mondo si consumano i 9/10 dell'energia; tra vent'anni la domanda complessiva di energia elettrica sarà una volta e mezza l'attuale perché aumenteranno i consumi anche nei paesi in via di sviluppo. Un problema, visto che attualmente solo il 10% dell'energia spesa proviene da fonti energetiche rinnovabili come l'energia solare, geotermica, eolica, idroelettrica e, almeno allo stato attuale, queste fonti non offrono ancora rendimenti tali da diventare una valida alternativa ai combustibili fossili. I giacimenti di petrolio, gas e carbone continuano quindi ad avere un ruolo predominante nella produzione ma, una volta esauritisi, saranno necessari milioni di anni per disporre di nuove scorte Non resta che risparmiare energia migliorando l'isolamento termico degli edifici e recuperando con attenzione le materie prime riutilizzabili come carta, vetro, alluminio.
Il problema energetico
Risorse non rinnovabili come i combustibili fossili e l'uranio che alimenta le centrali nucleari non solo hanno una durata limitata nel tempo, ma possono anche rappresentare un rischio per l'ambiente. Le scorie nucleari sono difficili e costose da smaltire ed emettono a lungo radiazioni dannose per l'uomo. Inoltre è molto accreditata l'ipotesi che i gas liberati durante la combustione di petrolio, carbone e metano possano provocare l'effetto serra (clima), un lento riscaldamento dell'atmosfera terrestre potenzialmente molto pericoloso. Anche le fonti rinnovabili possono creare problemi. I bacini idroelettrici che sfruttano la forza di caduta dell'acqua per alimentare le turbine delle centrali elettriche sono importanti magazzini di energia potenziale con disponibilità costante, ma possono avere effetti negativi sul microclima delle aree in cui sono costruiti. L'energia solare è disponibile in grande quantità e si può utilizzare per generare elettricità o direttamente con le celle fotovoltaiche oppure sotto forma di calore prodotto dai pannelli solari. Tuttavia è davvero un'alternativa alle risorse tradizionali solo nelle aree dove la luce del Sole arriva in modo costante durante tutto l'anno. In futuro potrebbero assumere un ruolo importante le energie alternative come quella eolica (del vento), geotermica (della Terra), delle maree e del moto ondoso e quella derivante dai rifiuti solidi urbani e dalle biomasse, che oggi ha ancora in genere costi di produzione superiori rispetto alle altre forme di energia.
L'uomo preistorico ha imparato a conservare il fuoco scaturito dall'energia elettrica dei fulmini. Braci e tizzoni gli hanno permesso di portare con sé il fuoco prezioso alleato per cucinare i cibi, per riscaldarsi, per fare luce e anche per difendersi dagli animali feroci. Ha anche imparato ad accenderlo in modo autonomo grazie alla scintilla che si ottiene sfregando tra di loro due frammenti di selce. Il fuoco appare spesso nei miti. Questo è il racconto mitico di una popolazione africana, i Pigmei: "In tempi lontanissimi, un pigmeo, girando per la foresta, incontrò un branco di scimmie che mangiavano con grande ingordigia banane cotte al fuoco: i frutti arrostiti erano davvero succulenti. Allora il pigmeo che non aveva mai visto il fuoco pensò subito di rubarlo, perché anche i cibi degli uomini fossero altrettanto buoni quanto quelli delle scimmie. Ma quando si avvicinò alle fiamme, in un solo istante, il suo gonnellino di foglie secche prese fuoco. Tuttavia il pigmeo non ebbe paura. Fuggì avvolto dalle fiamme e inseguito dalle scimmie, furiose per essere state derubate del loro bene più prezioso, e portò quel magnifico dono al suo popolo".
Potenza elettrica e consumi
Il lavoro esprime un modo di trasformare energia da una forma a un'altra. La potenza invece è la rapidità con cui si utilizza l'energia e si ottiene dividendo il lavoro per l'intervallo di tempo necessario a compierlo. L'unità di misura della potenza prende il nome da Watt, l'inventore della macchina a vapore e si chiama appunto watt (W). Per illuminare le nostre case usiamo in genere lampadine da 60 W a 100 W, ma per un lume da comodino basta anche una potenza minore, di 25 W. Contatori e bollette dell'energia elettrica riportano i consumi in chilowattora, kWh, un'unità pratica di misura del lavoro. 1 kWh corrisponde a 3,6 milioni di joule e fornisce l'energia necessaria per far funzionare per un'ora un elettrodomestico della potenza di 1 kW, cioè 1.000 W. Così, con la spesa energetica di 1 kWh si può far funzionare un frigorifero (potenza 200 W) per cinque ore oppure una lampadina da 100 W per 10 ore. Con la stessa energia di 1 kWh aspirapolvere, lucidatrice e ferro da stiro (con potenza superiore a 1.000 W) possono invece lavorare per meno di un'ora, e si possono lavare circa 5 kg di biancheria in lavatrice o far funzionare il televisore per sei ore.