L'Energia

Cos'è l'energia?

Nel linguaggio quotidiano la parola energia ha conservato il significato etimologico: capacità di compiere lavoro, dal greco en (dentro) e érgon (lavoro). L'energia è la proprietà fomdamentale della materia che si esprime ogni volta che una forza "entra in azione", o , come si dice in termini fisici, ogni volta che si compie un lavoro; ogni cosa che si trasforma contiene una forma di energia. Le persone dipendono in molti modi dall'energia. Essa fa si che le cose avvengano.

L'energia si trova dappertutto intorno a noi, nei mezzi di trsporto, nell'industria, nelle case e anche nel nostro corpo.

Le forme di energia

L'energia è presente in forme diverse e può essere trasformata da una forma all'altra, mantenendo costante il suo valore complessivo. Si usano abitualmente diversi nomi per indicare la forma in cui l'energia si presenta: energia meccanica, energia idroelettrica , energia geotermica , energia solare , energia nucleare, energia eolica .... I materiali e i fenomeni da cui si ricava energia sono chiamati fonti energetiche; queste fonti si dividono in due gruppi: quelle rinnovabili, cioè sempre presenti come (Sole, acqua e vento), e quelle non rinnovabili destinate cioè ad esaurirsi tanto più in fretta quanto maggiore sarà il loro sfruttamento nei prossimi anni (carbon fossile , petrolio , uranio e gas naturale).

L'energia è fondamentale per lo svolgimento di qualsiasi attività: lo sviluppo e il mantenimento della vita sulla Terra dipendono dall'energia che proviene dal Sole e l'insieme di tutte le attività che gli uomini svolgono quotidianamente richiede un' enorme quantità di energia. Da quando l'uomo ha imparato a costruire macchine complesse in grado di sostituirlo in attività più faticose, il consumo di energia è aumentato vertiginosamente al punto che oggi la produzione e il consumo di energia costituiscono un problema nel rapporto con l'ambiente.

Le fonti di energia

 I primi uomini possedevano solo l'energia muscolare e, dopo la scoperta del fuoco, furono in grado di sfruttare solo l'energia sfruttata come calore nella combustione del legno. Già alcune migliaia di anni fa si iniziò ad utilizzare altre forme di energia: quella degli animali (bue e cavallo), quella ottenuta dallo scorrere dell'acqua e dal movimento di masse d'aria (venti), utilizzata per far muovere le barche per mezzo delle vele.

A partire dal XIX secolo, con l'affermarsi della rivoluzione industriale, il consumo di energia è aumentato vertiginosamente ed è tutt'ora destinato a crescere senza sosta: all'uso di energia è infatti collegato il benessere della nostra civiltà. L'energia non si ricava dal nulla, ma viene prodotta attraverso fenomeni naturali o controllati dall'uomo. La massima parte dell'energia mondiale proviene attualmente dai combustibili fossili (petrolio, carbone e gas naturale), mentre una piccola parte deriva dall'energia idroelettrica, geotermica e nucleare. Queste sorgenti di energia, insieme ad altre meno sfruttate, costituiscono le fonti primarie. Molte di queste fonti energetiche non sono utilizzate così come sono, ma vengono trasformate in fonti di energia più comode, più facilmente trasportabili e immagazzinabili. Chiameremo queste forme trasformate sistemi di energia secondarie. L'energia non si può nè creare nè distruggere, ma può solo trasformarsi. I materiali e i fenomeni da cui si ricava energia sono chiamati fonti energetiche. Queste fonti si dividono in due gruppi: quelle rinnovabili, cioè sempre presenti, come il Sole , il vento, l'acqua ....,e quelle non rinnovabili, destinate cioè a esaurirsi tanto più in fretta quanto maggiore sarà il loro sfruttamento nei prossimi anni. Infatti secondo gli esperti le principali fonti di energia non rinnovabile, cioè i giacimenti di petrolio , carbone , uranio e gas naturale, hanno una durata limitata, forse non più di cento anni; se questo problema non troverà una soluzione, la nostra generazione e quelle seguenti saranno costrette a razionare l'energia.  

Il sole                

Il Sole è la fonte diretta o indiretta, di quasi tutta l'energia che utilizziamo. Quando mangiamo, riforniamo il nostro corpo dell'energia che gli serve per muoversi, giocare, lavorare, pensare. Questa energia viene ricavata dagli alimenti, che a loro volta viene immagazzinata dal Sole! I vegetali accumulano energia solare grazie alla fotosintesi clorofilliana, mentre gli animali la ricevono, ormai trasformata, nutrendosi di vegetali e di altri animali erbivori. La catena alimentare è quindi anche il modo attraverso il quale si trasmette energia trasformata da un essere vivente ad un altro. La maggior parte dell'energia che serve a far funzionare i mezzi di trasporto, le industrie e a riscaldare le nostre abitazioni, proviene da combustibili fossili: carbone , petrolio e gas naturale.

Ma i fossili derivano dalla trasformazione di esseri viventi, vissuti milioni di anni fa, in materia organica. Tutti gli organismi ricavano la loro energia dal Sole: possiamo concludere quindi, che anche l'energia ricavata dai combustibili è di origine solare. Anche il movimento dell' acqua e del vento viene ricavato per utilizzarne energia. Anch'essi sono fenomeni messi in moto dall'azione del Sole: i corsi d'acqua sono originati dalle precipitazioni atmosferiche, e il vento è uno spostamento di enormi masse d'aria causato dal modificarsi della temperatura e dalla pressione. Il Sole è quindi la nostra principale fonte di energia: senza la sua presenza la vita sulla Terra non sarebbe mai nata.    

Il carbon fossile

Il carbon fossile è una roccia costituita da resti di vegetali carbonizzati. Esso deriva dalla trasformazione che il legno delle piante ha subito nel corso di milioni di anni. Il carbon fossile è di colore nero e brucia producendo molto calore (energia termica). Milioni di anni fa, certe zone della Terra erano ricoperte da estese foreste. Successivamente le foreste furono sepolte da strati di fango,sabbia e materiali argillosi. In assenza di ossigeno, il legno delle piante si trasformò lentamente in carbon fossile. In seguito, sui giacimenti di carbone si accumularono strati di roccia e di materiali vari. Così oggi il carbon fossile si può trovare a profondità che in certi casi possono raggiungere i 1200 metri di profondità. Il carbon fossile può essere di vari tipi, secondo il periodo di tempo trascorso sotto terra. Più è antico e più è antica la sua trasformazione. Il carbone più antico è l'antracite. Questo carbone risale a circa 400 milioni di anni fa L'antracite presenta un colore nero e una lucentezza metallica, Dà una fiamma corta, con poco fumo e, sviluppa moltissimo calore. Il litantrace risale a circa 250 milioni di anni fa. E' il carbone più diffuso in natura; sviluppa meno calore dell'antracite. La lignite risale a circa 80 milioni di anni fa. Questo carbone presenta ancora, in alcuni casi, la struttura del legno da cui ha avuto origine. La torba non è un carbone vero e proprio. deriva dall'accumulo di piante palustri che hanno subito solo un principio del processo di fossilizzazione. La torba sviluppa poco calore. Il carbone si estrae dalle miniere. Solitamente il carbone è disposto a strati e i minatori devono scendere lungo il pozzo con ascensori per raggiungere le gallerie che si allungano fino ai filoni del carbone. Qui i minatori scavano il carbone e lo caricano sui carrelli che lo convogliano fino al nastro trasportatore che lo porta in superficie dove viene caricato sui vagoni dei treni. Così il carbone può raggiungere le fabbriche e i luoghi dove viene utilizzato. Talvolta nelle miniere di carbone si forma una miniera di gas altamente esplosivo, il grisou. Basta una scintilla per farlo esplodere. L'esplosione fa crollare le gallerie e può provocare la morte di molti minatori; per questo è severamente vietato accendere il fuoco e provocare qualsiasi tipo di scintilla. Tutti i minatori sono costretti a portare in testa un casco con torcia elettrica incorporata.

Il petrolio    

Il petrolio è un liquido formato da una mescolanza di idrocarburi, cioè da sostanze composte soprattutto da carbonio e idrogeno. Nel carbonio si trovano anche piccole quantità di altre sostanze. Centinaia di milioni di anni fa sul fondo di antichi mari si depositarono, insieme con il fango, la sabbia e altri materiali, grandi ammassi di organismi marini animali e vegetali. In seguito questi organismi animali e vegetali furono ricoperti da successivi depositi di materiali impermeabili. In assenza di ossigeno gli organismi marini si decomposero e si trasformarono in un liquido nero, denso e oleoso, chiamato petrolio. Successivamente il petrolio si accumulò nei giacimenti. Al giorno d'oggi i giacimenti si trovano a profondità che vanno da poche decine di metri a migliaia di metri. I giacimenti di petrolio possono trovarsi o sotto le terre emerse o sotto il mare. Il giacimento è sormontato da una cupola di roccia impermeabile che impedisce al petrolio di sfuggire verso l'alto. Quasi sempre sotto il petrolio c'è uno strato di acqua salata. Al di sopra del petrolio ci sono i gas. L'uomo per raggiungere il giacimento di petrolio, deve scavare un pozzo, cioè deve forare il terreno con una trivella. La trivella è formata da una asta di trivellazione che termina con lo scalpello perforatore. La trivella ruota su se stessa , mossa da un motore. L'asta di trivellazione è sostenuta da una torre metallica alta circa 50 metri. A mano a mano che l'asta perfora il terreno si calano dei tubi di ferro per impedire che le pareti franino. L'asta di metallo è cava all'interno. Durante la perforazione del terreno, nell'asta viene pompato a forte pressione uno speciale fango che, uscendo attraverso lo scalpello perforatore, trascina in superficie il materiale scavato. Quando si raggiunge il giacimento, il petrolio grezzo sale in superficie, ma più spesso deve essere pompato, poi il petrolio grezzo viene convogliato nelle raffinerie per essere lavorato. Spesso il petrolio grezzo giunge nella raffineria per mezzo di un oleodotto. Nella raffineria il petrolio viene riscaldato nel forno di vaporizzazione dove passa allo stato di vapore. Poi il vapore viene convogliato nella torre di distillazione e attraverso complesse lavorazioni, le sostanze che compongono il petrolio vengono separate, raffreddate e fatte diventare liquide (gas liquefatto, benzina, cherosene, gasolio, olio combustibile). Questi prodotti vengono chiamati combustibili perché sono sostanze capaci di bruciare all'aria, fornendo energia. L'industria petrolchimica riesce sd ottenere direttamente da petrolio o dai residui della sua lavorazione circa 3000 prodotti. I principali prodotti del petrolio sono: lubrificanti, anticongelante, detersivi, vernici, bitume, insetticida, acetone, gomma sintetica, plastica, fertilizzanti, ammoniaca. Il petrolio e i suoi prodotti sono utilissimi per il progresso tecnico dell'uomo, ma sono tra i maggiori responsabili dell'inquinamento. Il fumo e i gas (specialmente l'anidride solforosa) che escono dalle raffinerie e dagli stabilimenti petrolchimici inquinano l'aria con grave danno per la natura. Il petrolio che viene scaricato in mare durante l'operazione del lavaggio delle cisterne inquina il mare. I detersivi non sono tutti biodegradabili, cioè non possono essere trasformati dai batteri naturali; inquinano l'acqua dei fiumi e fanno morire piane e animali. Gli insetticidi che i contadini spargono sulle coltivazioni, per far morire gli insetti nocivi, avvelenano il terreno e le acque dei fiumi. I motori delle auto, bruciando benzina, fanno uscire dai tubi di scappamento due potenti veleni: il piombo tetraetile e l'ossido di carbonio.

Le fonti di energia alternativa

 Per ovviare all'esaurimento dei combustibili di origine fossile e evitare i pericoli insiti nello sfruttamento dell'energia nucleare, è da anni allo studio la possibilità di ricavare energia da fonti pulite e rinnovabili, che per loro natura non si esauriscono mai. Il Sole produce una quantità immensa di energia che viene liberata sotto forma di radiazioni. Si tratta di energia illimitata e non inquinante, ma molto difficile da sfruttare. L'intensità delle radiazioni non è omogenea: all'Equatore è tre volte più forte che sull'Europa; inoltre durante la notte, d'inverno e ogni volta che il cielo è coperto dalle nuvole, l'energia solare non è disponibile. Attualmente lo sfruttamento dell'energia solare è applicato solo a piccoli impianti che catturano l'energia solare con pannelli e la trasformano in calore e energia elettrica.  

Il generatore eolico, cioè mosso dal vento, funziona come un mulino: le pale, azionate dal vento, fanno girare un alternatore che produce elettricità. L'energia eolica non inquina, è inesauribile e gratuita. Ma il vento non soffia costantemente e non mantiene sempre l'intensità necessaria ad azionare il generatore. Nelle zone vulcaniche, o dove esiste un forte calore sotterraneo, si può produrre energia geotermica, che sfrutta cioè il calore proveniente dal sottosuolo. Le centrali geotermiche sono realizzabili solo in determinate zone e non possono quindi risolvere che in piccola parte il fabbisogno energetico. La più importante in Italia si trova a Lardarello in Toscana. è' possibile produrre energia anche attraverso la combustione dei gas che si sprigionano dal letame o dai rifiuti agricoli. Le aziende agricole, grazie ad una piccola centrale, possono rendersi autosufficienti, non usare prodotti inquinanti e riciclare i loro sottoprodotti. Il difetto di queste centrali, chiamate a biomassa, è il costo elevato di realizzazione e la scarsa potenza. Anche l'acqua costituisce una fonte di energia pulita gratuita e inesauribile, viene sfruttata per produrre energia elettrica nelle centrali idroelettriche. Le centrali idroelettriche sono realizzabili solo in zone ricche di acque, solitamente in montagna. Come vedi, nessuna di queste fonti alternative è oggi in grado di sostituire le fonti energetiche tradizionali. Ciò a causa dei costi molto elevati e dell'incostanza e scarsità del rendimento. E’ necessario che la ricerca di fonti alternative non si interrompa, perché ogni riduzione del consumo di energia costosa e inquinante, anche piccola, è un vantaggio per l'umanità.

L'energia idroelettrica

 L'acqua viene sfruttata per produrre energia elettrica nelle centrali idroelettriche. L'uomo costruisce la diga per chiudere il bacino artificiale di raccolta dell'acqua. In genere la diga viene costruita in montagna, in modo da sfruttare l'energia potenziale che l'acqua possiede quando si trova in alto e può scendere. Attraverso le condotte forzate l'acqua precipita a valle, sviluppando energia cinetica, cioè di movimento. Giunta all'interno della centrale, alla base delle condotte, l'acqua mette in moto una ruota simile a quella che si trova nei mulini, la turbina, che trasforma l'energia cinetica in energia meccanica. La turbina è collegata al generatore, che trasforma l'energia meccanica in energia elettrica. Attraverso i cavi l'energia elettrica viene poi trasportata ovunque, anche nelle nostre case, dove viene utilizzata per far funzionare gli apparecchi elettrici quali televisore e frigorifero e dove la lampada a incandescenza trasforma l'energia elettrica in energia luminosa.                             

L'energia nucleare  

L'energia nucleare (o atomica) sfrutta alcune particolarità del nucleo degli atomi. Gli atomi sono le particelle, invisibili anche con particolari microscopi, che compongono tutta la materia organica e inorganica. Anche le cellule, che sono di dimensioni microscopiche, sono composte da un numero enorme di atomi. Ogni atomo è costituito da una parte centrale, il nucleo, a sua volta composto da un certo numero di protoni e neutroni, intorno al quale ruotano altre particelle chiamate elettroni. In alcuni elementi chimici, come per esempio nell'uranio 235, che ha 92 protoni e 143 neutroni, il nucleo può essere instabile. L'instabilità può portare l'atomo a disgregarsi, sviluppando energia sotto forma di radiazioni nucleari. Questo fenomeno, chiamato fissione nucleare, viene prodotto artificialmente nelle centrali nucleari, "bombardando" l'uranio con un neutrone. Il nucleo dell'atomo di uranio di spezza, alcuni neutroni si liberano e colpiscono a loro volta altri atomi di uranio, si innesca così una reazione a catena che produce un'enorme quantità di energia, chiamata energia nucleare o atomica. Se la reazione è prodotta in una centrale nucleare, è sempre controllata e i nuclei che vengono colpiti e si spezzano sono in numero limitato; l'energia liberata anche sotto forma di calore, viene quindi trasformata in energia elettrica. Se la reazione a catena non è controllata, si produce invece un'esplosione. E' il principio su cui si basa la bomba atomica.

I vantaggi offerti dall'energia nucleare sono molti, almeno per i Paesi che dispongono della tecnologia avanzata per realizzare le centrali; tuttavia la produzione di energia attraverso la fissione dell'atomo presenta degli inconvenienti gravissimi e di difficile soluzione. Nelle centrali nucleari possono infatti verificarsi dei guasti, come è accaduto a Chernobyl, in Russia, nel 1986. Qui le radiazioni fuoriuscite dalla centrale hanno contaminato l'ambiente circostante che resterà radioattivo per centinaia di anni, hanno causato la morte di migliaia di persone e prodotto gravissime malformazioni fisiche in numerosissime altre, soprattutto tra i bambini che all'epoca si trovavano nell'utero materno. Inoltre dalla centrale in fiamme si sono alzate nuvole cariche di particelle radioattive che i venti hanno sparso per tutta l'Europa e anche più lontano, con conseguenze che è difficile prevedere con sicurezza. Un altro grave problema delle centrali nucleari è costituito dallo smaltimento dei rifiuti radioattivi, le scorie, generati dal processo di fissione. Attualmente l'opinione pubblica e il mondo politico e scientifico sono divisi sull'opportunità di continuare a costruire centrali nucleari. Chi è favorevole sottolinea che le fonti fossili sono in esaurimento e l'umanità rischia di trovarsi, tra pochi anni, in piena crisi energetica. Chi è contrario sottolinea invece la chiusura di tutti gli impianti nucleari e una maggiore applicazione nello studio delle fonti di energia rinnovabili e non pericolose. In Italia attraverso un referendum, la maggioranza dei cittadini si è espressa contro le centrali nucleari, che sono state chiuse, aggravando però i problemi di approvvigionamento energetico del nostro Paese. Per risolvere il problema, gli scienziati di tutto il mondo sono oggi impegnati a trovare il modo per produrre energia attraverso la fusione, anziché la fissione, nucleare. Questo procedimento, la cui attuazione è però ancora lontana, dovrebbe fornire energia più "pulita" e quindi meno pericolosa per l'uomo e l'ambiente."

Il gas naturale o metano

Il gas naturale, comunemente detto metano, per l'alto potere calorifico, per la mancanza di tossicità ed impurità, rappresenta un'ottima fonte energetica, ed anche la più pulita tra i combustibili fossili. Il gas naturale, al pari del petrolio, si è formato per la lenta decomposizione di sostanze organiche durante centinaia di migliaia di anni. La sua origine è legata a quella del petrolio, perciò abbonda nelle regioni petrolifere, ma può anche trovarsi in zone povere o addirittura prive di petrolio perchè i gas tendono a spostarsi nel sottosuolo con maggiore facilità dei liquidi, e si accumulano in sacche. I giacimenti di gas naturale sono ricercati con gli stessi sistemi e mezzi impiegati per il ritrovamento del petrolio.  Il metano si trova nel sottosuolo sotto forte pressione: quando la sonda raggiunge la sacca dove si è accumulato il gas, fuoriesce con grande violenza. Il metano è un gas incolore, inodore, che non è respirabile, ma non è velenoso. Era conosciuto un tempo con il nome gas delle paludi, perché dalla putrefazione delle sostanze organiche presenti nelle acque stagnanti, si forma una notevole quantità di metano. Si sviluppa anche nelle miniere di carbone dove, mescolato all'aria, forma il gas delle miniere o grisou, altamente esplosivo. Dai pozzi di produzione il metano viene trasportato ai luoghi di consumo per mezzo di grandi condutture, dette gasdotti o, più comunemente, metanodotti. Il metano è impiegato per produrre energia termica nell'industria, negli usi domestici e civili (cucine a gas, riscaldamento....), nelle centrali termoelettriche, nell'industria chimica di trasformazione e nell'autotrazione.