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Una delle caratteristiche fondamentali dell'energia è la possibilità di un suo passaggio da una forma all'altra. L'energia piò trasformarsi naturalmente senza che l'uomo intervenga: dall'energia solare, detta anche radiante, si ottiene energia chimica nelle piante e muscolare nell'uomo che le consuma.
Ma l'energia si trasforma anche per l'intervento di macchine costruite dall'uomo: un mulino a vento sfrutta ad esempio l'energia cinetica del vento per muoversi; si ottiene così energia meccanica, utile a far ruotare gli ingranaggi. Anche la ruota idraulica sfrutta lo stesso principio, ma utilizza la velocità dell'acqua in movimento; in questo caso, l'energia dell'acqua è acquisita, in quanto essa acquista velocità scendendo da un bacino posto ad altezza elevata; l'acqua del bacino ha in sé un forma di energia potenziale, in virtù della propria posizione.
Bruciando un combustibile, si provoca una reazione chimica: gli elementi del combustibile si separano e reagiscono con l'ossigeno, la loro energia chimica muta dunque in calore, ovvero in energia termica. Questa, può a sua volta essere trasformata in energia meccanica. L'energia elettrica si ottiene invece in apposite centrali che sfruttano energia cinetica dell'acqua, energia chimica o energia nucleare.
L'energia è definita come la capacità di compiere un lavoro, ovvero di spostare un corpo. Con il termine "lavoro", infatti, non si intende un'attività generica, bensì lo spostamento di un corpo da un punto ad un altro grazie ad una forza ad esso applicata.
Per poter misurare l'energia impiegata, è necessario conoscere il lavoro compiuto. Possiamo dunque dire che il lavoro è dato dal prodotto della forza impiegata per lo spostamento del corpo avvenuto nella direzione della forza:
La forza si misura in Newton, lo spostamento in metri. L'unità di misura del lavoro è il joule, ovvero il lavoro compiuto da un Newton per spostare un corpo di un metro.
Anche il calore, in quanto energia termica, può essere misurato in joule. L'unità di misura del calore è la caloria (cal), corrispondente al calore necessario ad innalzare la temperatura di un grammo di acqua distillata da 14,5°C a 15,5°C. Più comunemente viene utilizzata la kilocaloria (Cal), equivalente a 1000 calorie: 1 Cal = 4,186 joule.
L'energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma. L'energia dunque si conserva, ma una parte di essa, durante la trasformazione, si disperde sotto forma di calore. Lo si può notare osservando, ad esempio, un elettrodomestico in funzione: esso, infatti, con l'uso si riscalda.
L'energia in questo modi dispersa rientra sotto la definizione di entropia.
La scienza, attualmente, dedica molti studi all'entropia: l'impiego dell'energia dispersa sotto forma di calore consentirebbe un notevole risparmio e la possibile risoluzione di molti problemi dell'umanità.
In ogni modo, durante le sue trasformazioni, dall'energia di partenza di ottengono altri due tipi di energia: l'energia utile, impiegata per compiere uno specifico lavoro, e energia dispersa sotto forma di calore.
Un fattore da considerare per stabilire l'effettiva efficienza di una macchina è il rendimento.
Per esempio, il motore di un'automobile trasforma solo una piccolissima parte dell'energia chimica del combustibile in energia di movimento delle ruote: fornendo 100 joule, ne utilizzerà solo 25; i restanti 75 joule verranno dispersi sotto forma di calore. Possiamo quindi notare il basso rendimento di tale motore.
In conclusione, il rendimento è il rapporto tra energia utile ed energia fornita
Il rendimento di una macchina è universalmente rappresentato simbolicamente dalla lettera greca h (eta).
Negli ultimi anni, il progresso tecnologico ha portato ad un aumento del rendimento delle macchine; tuttavia, non potrà mai esistere una macchina in grado di utilizzare tutta l'energia fornita.
Al rendimento è strettamente legato il concetto di risparmio energetico: più basso è il rendimento di una macchina, più alto è lo spreco di energia.
La potenze delle macchine
Altro elemento indispensabile per lo studio dell'energia e delle macchine è la potenza, ovvero la quantità di lavoro compiuto da una macchina nell'unità di tempo. La potenza è una grandezza fisica data dal rapporto tra lavoro compiuto e tempo impiegato per compierlo.
Potenza = lavoro/tempo
La potenza si misura in Watt, che corrisponde alla potenza di un motore in grado di compiere il lavoro di un joule in un minuto secondo.
1 watt = 1 joule/1 secondo
Nel settore automobilistico, la potenza si misura in cavalli vapore (CV): 1 CV = 735 watt.
Le macchine che trasformano l'energia
Il petrolio, il carbone, il metano, l'acqua, il vento contengono energia trasformabile in energia termica, meccanica, elettrica e dunque in lavoro.
Nel corso del tempo, l'uomo ha perfezionato macchine convertitrici o convertitori di energia, in grado cioè di trasformare l'energia in forme diverse consentendo all'uomo di compiere le proprie attività con minore fatica e tempo.
Macchina a vapore
La macchina a vapore, perfezionata e completata da James Watt nel 1769, è così chiamata perché per mezzo della forza di espansione del vapore trasforma l'energia contenuta nei combustibile nel movimento di una ruota.
Per fare ciò, il combustibile viene fatto bruciare sotto una caldaia contente acqua che, riscaldandosi, genera vapore. Il vapore così ottenuto viene introdotto in un cilindro nel quale scorre uno stantuffo. La pressione del vapore spinge lo stantuffo verso l'estremità opposta del cilindro. Quando lo stantuffo sta per terminare la sua corsa, il vapore viene introdotto dalla parte verso cui lo stantuffo sta muovendosi, spingendolo dall'altra parte. Il movimento rettilineo alternato dello stantuffo si trasforma in moto rotatorio tramite un sistema di biella manovella.
La macchina a vapore ha un rendimento molto basso, del 20%. Nel secolo scorso, questa macchina veniva utilizzata per azionare i macchinari industriali, per essere oggi sostituita da motori a benzina. Diesel o elettrici.
Motori a scoppio e motori diesel
- Il motore a scoppio viene comunemente applicato a molti veicoli (moto, automobili, imbarcazioni . ) e generalmente avviato da un apposito motorino elettrico. Esso è attualmente il più diffuso convertitore di energia chimica in energia meccanica.
Il suo principio di funzionamento è simile a quello della macchina a vapore; la combustione del carburante avviene però direttamente nel cilindro e più rapidamente.
Le componenti principali di un motore a scoppio sono il carburatore, il cilindro o i cilindri, un sistema di valvole e un sistema di bielle.
Il carburatore ha il compito di preparare la miscela di aria e benzina. Il cilindro è un involucro metallico nel quale scorre un pistone (simile allo stantuffo della macchina a vapore). Il sistema di valvole consente l'introduzione della miscela nel cilindro e lo scarico dei gas successivi alla combustione. Il sistema di bielle permette di trasformare il movimento dei pistoni nel movimento rotatorio; le bielle fanno infatti ruotare l'albero motore che trasmette il moto rotatorio alle ruote del veicolo.
Il motore a scoppio più utilizzato compie il proprio ciclo operativo in quattro tempi (con quattro movimenti del pistone) ed è perciò chiamato motore a quattro tempi:
prima fase: aspirazione. Il pistone scende aspirando la miscela introdotta dal cilindro da una valvola collegata al carburatore; l'albero motore compie mezzo giro;
seconda fase: compressione. Il pistone risale verso la testa del cilindro comprimendo la miscela; l'albero motore compie un altro mezzo giro;
terza fase: scoppio - espansione. Il pistone, risalito, non tocca la testa del cilindro, creando così uno spazio chiamato camera di scoppio, dove una scintilla prodotta dalla cosiddetta candela provoca la combustione della miscela. Il pistone scende violentemente a causa dell'espansione del gas, e in questa fase si compie il lavoro meccanico; l'albero motore compie mezzo giro;
quarta fase: scarico. Il pistone risale ed espelle i gas prodotti dalla combustione tramite un'apposita valvola di scarico, aperta al momento opportuno; l'albero motore compie un altro mezzo giro.
La risalita del pistone è assicurata dalla rotazione dell'albero motore, che spinge la biella e riporta il pistone verso l'alto. Il ciclo si ripete.
Il motore con un solo cilindro viene applicato solo alle moto, con quattro alle automobili, con otto o dodici alle auto da corsa che necessitano di maggiore potenza.
- Nel motore diesel l'esplosione non necessita di scintilla. Il pistone sale infatti sino a comprimere l'aria già presente nel cilindro; a questo punto viene introdotto nel cilindro il gasolio che, a contatto con l'aria calda, esplode e spinge il pistone verso il basso.
Il rendimento di questi motori è del 25 - 40% circa.
Motori elettrici e generatori
- Il motore elettrico trasforma energia elettrica in energia meccanica, è silenzioso e poco inquinante, perciò adatto a molti usi. Ha un rendimento molto alto, del 90%.
- Il generatore elettrico, o dinamo o alternatore trasforma energia meccanica in energia elettrica. Hanno un rendimento del 98%.
Turbine
Le turbine producono direttamente il movimento rotatorio tramite una ruota detta girante, azionabile con acqua, gas o vapore.
- Turbine a vapore: simili alle turbine a gas, si differenziano soprattutto per la forma delle pale che costituiscono la girante; le pale sono messe in movimento dal vapore surriscaldato ricavato scaldando l'acqua in grosse caldaie. Vengono utilizzate soprattutto nelle centrali termoelettriche, termonucleari e geotermoelettriche, per mettere in funzione l'alternatore che produce energia elettrica.
- Turbine idrauliche: la girante è messa in movimento dall'energia cinetica dell'acqua, e vengono usate soprattutto nelle centrali idroelettriche.
- Turbine a gas: qui, la miscela di combustibile a aria brucia in una camera di combustione; il gas così ottenuto mette in movimento le pale di una girante; esse vengono impiegate nelle centrali termoelettriche per azionare l'alternatore che produce energia elettrica. Lo stesso tipo di turbina è applicata ai motori turbo compressori di alcune automobili; in questo tipo di motore, il gas di scarico fa ruotare la turbina connessa ad un compressore, costituito da palette rotanti e fisse che spingono quindi una maggiore quantità d'aria nei cilindri aumentando il rendimento dei motori. Con le turbine si realizzano anche i motori degli aerei a reazione.
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