Solitamente
si chiama MACCHINA un insieme di organi costituenti coppie cinematiche in
moto relativo. Addirittura negli ultimi anni con il termine di macchina si
intende designare l'automobile, la quale riassume quasi completamente la precedente
definizione.
Noi adopereremo una definizione più generale, schematizzata nella figura
seguente (l'immagine sopra). In questo modo è una macchina anche il
condensatore, in quanto è sede di una trasformazione di stato, durante
la quale la cessione di energia termica al liquido refrigerante permette il
ricrearsi della forza di coesione fra le molecole di H2O, forza di coesione
che nasconde una energia potenziale.
A maggior ragione è una macchina l'intera centrale termoelettrica,
argomento di queste pagine.
ENERGIA
E VAPORE
Probabilmente
si può affermare che lo sviluppo demografico ed economico nell'Europa
occidentale, a partire dalla metà del 1700, sono insieme causa ed effetto
l'uno dell'altro. Entrambi però legati alla possibilità di avere
a disposizione maggiori quantità di "energia non animale"(*).
Ho messo energia non animale tra virgolette perché questo modo di dire
non ha davvero grande valore etico, in quanto contiene anche il lavoro degli
uomini, donne e bambini che ancora oggi sono sfruttati come forza lavoro quasi
gratuita in gran parte della Terra.
Tralasciando ogni altra considerazione etica, morale o politica, vediamo alcune
considerazioni sull'energia e le sue forme e il perché della supremazia
dell'energia elettrica e del vapore nella sua produzione.
DEFINIZIONE DI ENERGIA: l'energia può essere definita in molti modi
a seconda del problema o dello scopo che si vuole raggiungere. Io ne adotterò
uno abbastanza semplice adatto allo scopo di queste pagine: l'energia è
quella cosa che, direttamente o attraverso opportune operazioni, è
in grado di produrre energia meccanica, cioè di muovere una massa.
In questo modo è energia il cibo che si mangia perché permette
ai muscoli di muovere le braccia ed è energia la luce che nelle cellule
fotoelettriche permette di chiudere un circuito elettrico che aziona un motore.
CLASSIFICAZIONE DELL'ENERGIA: non tutte le forme di energia hanno pari dignità.
Si chiamano primarie quelle che non hanno ancora subito trasformazioni (idraulica,
chimica, nucleare, potenziale, ecc.) e secondarie quelle che già ne
hanno subita almeno una (elettrica, meccanica, termica, cinetica, ecc.).
Ma si può anche dire che alcune forme di energia sono "nobili"
e altre "plebee": le prime sono quelle dalle quali è possibile
ricavare lavoro, le seconde sono quelle dalle quali si è già
estratto tutto il lavoro possibile (almeno per le attuali possibilità
tecnologiche). L'energia più "plebea" è quella termica
a bassa temperatura, almeno per quanto riguarda lo sfruttamento immediato
sotto forma di lavoro(**). D'altra parte, se gli scarichi caldi delle centrali
termoelettriche permettono alle aragoste di crescere più velocemente,
almeno per loro e per i pescatori e per chi le mangia, il calore a bassa temperatura
è una fonte di lavoro non indifferente!
Da ciò segue che la classificazione dell'energia è legata esclusivamente
al tipo di "convenienza" di chi le classifica.
L'ENERGIA ELETTRICA: tra le forme di energia utilizzate in modo massiccio,
spicca quella elettrica per molti motivi. Eccone alcuni: facilità di
trasporto anche a lunghissime distanze con mezzi relativamente semplici ed
economici (i cavi sono praticamente eterni e il trasporto richiede l'impiego
di minime dosi di energia(***); facilità di trasformazione sia sotto
forma di calore, che di luce, che di lavoro; molteplicità di impieghi.
L'unica vera difficoltà è quella della sua conservazione: i
"recipienti" per conservare l'energia elettrica (gli accumulatori)
sono ingombranti, pesanti, costosi, di scarsa capacità, ecc.
IL VAPORE D'ACQUA: fra i mezzi capaci di produrre energia elettrica, dopo
opportune trasformazioni, è ancora prevalente l'uso del vapore d'acqua.
L'unica attuale discussione è sui mezzi utilizzati per produrre il
vapore: combustibili fossili (carbone, petrolio, gas), "combustibile
nucleare" (uranio, plutonio), il Sole (per mezzo di specchi la luce viene
concentrata su caldaie che producono vapore).
In Italia, escluso il nucleare per legge, abbandonato il forno solare per
il costo, in attesa della fusione nucleare(****) controllata, l'energia elettrica
è nella massima parte(*****) prodotta nelle centrali termoelettriche
a vapore d'acqua.
(*) c'erano già
i mulini ad acqua e a vento.
(**) in realtà ciò non è vero in senso assoluto: l'aumento
di temperatura della Terra dovuto a calore a bassa temperatura forse produce
un aumento di biomassa, la quale potrà nel futuro produrre carbone
o petrolio o metano!
(***) sono le "perdite" per effetto Joule, riducibili quasi a piacere.
(****) si tratta di riprodurre in modo controllabile ciò che avviene
nel Sole e nelle altre stelle e nelle bombe a idrogeno (bombe H), cioè
fondere due nuclei di deuterio per ottenere un nucleo di elio (vedi il mio
articolo all'indirizzo http://web.tiscali.it/vanni_38/astro9.htm).
(*****) altre fonti più o meno importanti sono: la geotermica, l'eolica,
i pannelli solari.
ALCUNE DEFINIZIONI
CALORE: è
una delle forme di energia, dipendente dallo stato di agitazione delle particelle
che compongono i corpi. Nei solidi il calore è legato alla ampiezza
della oscillazione degli atomi intorno alla loro posizione media nel reticolo
cristallino. Nei fluidi il calore è legato alla energia cinetica delle
molecole. Il moto degli atomi e delle molecole a sua volta è legato
alla fornitura ( o sottrazione ) di quanti di energia(*). Il calore quindi
in definitiva è un indice della portata di quanti di energia incidenti
sulla materia.
TEMPERATURA: nei solidi è una misura della frequenza di oscillazione
degli atomi. Nei fluidi è una misura della velocità delle molecole.
In generale la temperatura è un indice della densità di quanti
di energia incidenti sulla materia.
PRESSIONE: per i solidi la pressione ha senso solo come rapporto fra il peso
e la superficie sulla quale esso agisce. Nei fluidi: le molecole nel loro
eterno, disordinato moto, si "urtano" fra loro e "urtano"
contro le pareti dei contenitori. La pressione esercitata è una misura
dell'energia cinetica comunicata da particella mobile a particella mobile,
ovvero alle particelle del contenitore.
La parola "urto" è stata usata in senso figurato. Infatti
gli atomi si presentano verso l'esterno come generatori di campi elettro -
magnetici di uguale segno, per cui fra loro si sviluppano forze di repulsione,
tanto più grandi quanto minore è la reciproca distanza. Ne segue
che il "contatto d'urto" avviene in realtà fra campi di forza
e non fra particelle materiali.
ENERGIA CINETICA: rappresenta una delle forme più comuni di energia
e dipende da due soli parametri: la massa e la velocità. Se il moto
è rettilineo la sua espressione elementare è:
Ec = m v2 / 2
nella quale m è la massa del corpo in moto e v la sua velocità.
L'espressione è di grande importanza applicativa poiché mostra
come tale energia sia funzione del quadrato della velocità, la quale
quindi assume valore prevalente rispetto alla massa. Da ciò segue ad
esempio l'effetto che hanno i proiettili i quali non devono in generale avere
grande massa (più prosaicamente peso) ma piuttosto grande velocità.
Per converso la caduta sulla Terra di meteoriti anche piccoli può portare
a gravi conseguenze poiché durante la caduta essi acquistano grande
velocità.
ENERGIA POTENZIALE: è una forma di energia legata alla presenza di
almeno due masse in quanto è una diretta conseguenza dell'attrazione
gravitazionale universale: data la forza
F = k m1 m2 / r2
dove k è una costante universale, m1 e m2 sono le masse fra le quali
si esercita la forza F ed r la loro distanza reciproca, è facile dedurre
che è presente una energia nascosta (potenziale) che si manifesta non
appena si verificano le opportune condizioni, come per esempio il dissolversi
dei vincoli. Basti pensare ad una pietra appoggiata su una montagna, che è
il suo vincolo, non appena essa viene messa in moto: l'energia inizialmente
nascosta si manifesta trasformandosi in energia cinetica, con effetti talvolta
disastrosi.
Sulla Terra una massa m alla quota h rispetto al suolo possiede una energia
potenziale data da
EP = m g h
essendo g l'accelerazione di gravità del luogo nel quale si trova m(**).
Volendo calcolare la velocità finale della massa che cade basterà
dire che l'energia potenziale iniziale sarà uguale alla energia cinetica
finale meno l'energia Ed dissipata in calore(***) per effetto dell'attrito
e della resistenza dell'aria, cioè:
Ec = EP - Ed
in questa relazione l'unica incognita è proprio la velocità
finale v.
Limitando l'esame allo stato aeriforme, ripensando le definizioni di calore
Q, temperatura T, pressione p e introducendo la grandezza volume specifico
v, risulta evidente il legame intrinseco fra i parametri suddetti Q, T, p,
v e come, agendo sull'uno, si abbiano riflessi e variazioni degli altri parametri.
(*): il quanto
di energia è la minima quantità di energia, sottoforma di radiazione,
che può essere ceduta o assorbita dagli elettroni.
(**): l'accelerazione di gravità cambia al cambiare della quota h,
crescendo verso il suolo. Ne segue che il moto del grave è doppiamente
accelerato: prima perché c'è g, poi perché g è
crescente durante la caduta. Reciprocamente, il moto ascensionale dei razzi
diventa più "facile" perché al crescere della quota
h, g diventa più piccolo.
(***) la differenza fra energia termica e energia meccanica (detta anche lavoro)
è abbastanza semplice: l'energia termica è energia disordinata
posseduta da un insieme di particelle fra loro indipendenti (il loro studio
e la loro rappresentazione è statistica), mentre l'energia meccanica
è energia ordinata posseduta da un insieme di particelle fra loro legate
da una forza, detta coesione, così grande che noi chiamiamo "solido"
l'insieme di tali particelle.
(queste
note tecniche sono del Prof. Ing. GIOVANNI CARUSO)
(elementi di Meccanica, Idraulica, Meccanica Celeste, Astrofisica, Termodinamica,
Ing.Navale)
IL SUO SITO http://web.tiscali.it/vanni_38/
