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Dalla scoperta del fuoco al calore prodotto per combustione, alla pila di Volta e le lampadine di Edison. Un viaggio tra passato, presente e ... futuro dell'energia.

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Energia: Caratteristiche e Specificità - Francesco Paolo Vivoli -

L'Energia è Libertà

"L’energia è libertà", è questo un concetto che l’uomo ha maturato da epoche remote. Giove, ci dice la mitologia greca, guardando alla terra dall’alto dell’Olimpo, la vide abitata da uomini e animali che vivevano miseramente, nascosti nelle loro tane, dalle quali si avventuravano raramente per cercare cibo di cui riuscivano a nutrirsi con molti stenti.
Il padre degli dei decise di donare agli esseri che popolavano la terra strumenti per procurarsi il cibo senza stenti, gli animali ebbero allora zampe, artigli, ali, fiuto, astuzia, forza.
L’uomo, che impaurito era rimasto nascosto nella sua caverna, non visto, non ricevette alcun dono.
Prometeo, un semidio, che come tale partecipava della natura umana, mosso a compassione rubò una scintilla di quella sostanza sacra di cui era costituito il cielo empireo e gli astri, il fuoco, e lo donò agli uomini perché lo usassero per farsi padroni della terra.
Quindi già nell’immaginario umano dei tempi più remoti il fuoco, la prima forma di energia, viene visto quale strumento di libertà dalla condizione umana di essere debole e esposto ai pericoli dell’ambiente circostante.
L’energia del fuoco permette all’uomo di scaldarsi e sopravvivere, di cuocere la carne per meglio nutrirsi, di fondere i metalli con cui procurarsi strumenti per coltivare la terra e armi per difendersi, etc.

Il calore

Il calore, nell’era “pre-industriale”, era prodotto tramite combustione per vari scopi, quali:

• estrazione, raffinamento e lavorazione di metalli,
• cottura di mattoni, piastrelle e ceramiche,
• produzione di calce,
• manifattura del vetro,
• …….

A queste attività di tipo industriale/commerciale vanno aggiunti altri usi energetici, quali:

• l’ILLUMINAZIONE di strutture pubbliche e private,
• il riscaldamento di strutture e la cottura dei cibi,
• il riscaldamento di acque termali.

Nel corso delle epoche che hanno preceduta quella attuale abbiamo bruciato carburanti non fossili ma contenenti un alto POTENZIALE energetico-chimico, come:

• il legno e il carbone,
• l’olio vegetale derivante da coltivazione o da raccolta,
• la cera d’api,
• il grasso proveniente dalla caccia o dall’allevamento di animali (maiali, bovini, pecore, balene).

L’uso energetico di questi materiali ha comportato il sorgere di alcuni problemi di "non-sostenibilità" come:

• l’esaurimento di materiali non RINNOVABILI,
• la desertificazione di alcune ampie regioni e, come risultato, la repentina alterazione del clima locale,
• l’estinzione, o la diminuzione della popolazione, di specie animali e vegetali.

L’energia meccanica

Lo sfruttamento del lavoro degli animali ha comportato in molti paesi un ampio utilizzo di campi coltivabili per il foraggio e problemi igienici, divenuti insolubili dal XVII secolo in poi, riguardanti lo smaltimento delle deiezioni animali e il trattamento delle carcasse di animali morti.
Usare esseri viventi alla stregua di dispositivi di conversione dell’energia termica del cibo in lavoro meccanico è, dal punto di vista termodinamico, un processo con rendimenti estremamente bassi.
A parte quello muscolare degli animali (e in taluni casi anche di quello di schiavi umani) che è stato prevalente, il lavoro meccanico disponibile per le attività umane proveniva da energia meccanica prelevata da fenomeni naturali senza necessità di conversioni, e quindi con rendimenti tecnici relativamente alti.
L'energia eolica e quella idrodinamica in acqua fluenti o con piccoli dislivelli, sono state la base energetica della navigazione e di tutte le manifatture preindustriali.
Poiché nel passato la tecnologia disponibile non era in grado di effettuare conversioni da una forma di energia all’altra, le fonti di calore a bassa temperatura, come quelle solari e geotermiche, erano usate al posto della combustione in processi a bassa temperatura:

• terme,
• industrie tessili,
• essiccatoi per la conservazione dei cibi, e così via...


Tutti i tipi di energia sono uguali?

I fisici hanno una chiara idea circa la nozione di "qualità dell’energia" e spesso danno per scontato che questo concetto sia conosciuto da tutti.
In realtà, è necessario chiarire questo concetto perché su di esso si basano molte questioni tecniche e economiche, e con più consapevolezza di questo concetto potrebbero evitarsi molti errori e irrazionalità.
Come, ad esempio, nel caso dell’energia POTENZIALE gravitazionale.
Ciascuno può comprendere che secondo la meccanica fisica la stessa quantità di energia è correlabile a:
1.000 m3 di acqua a 1.000 metri di altezza sul livello medio del mare, oppure
1 milione di m3 di acqua ad 1 metro di altezza sul livello del mare.
Ma la trasformazione del potere meccanico è differente nei casi sopra menzionati a causa delle modalità proprie della produzione di energia da liquidi dinamici.
La qualità dell’energia, per alcuni aspetti, può essere banalmente comparata alla moneta convertibile, il cui cambio può avvenire in un senso pagando una commissione bassa, mentre nel senso opposto potrebbe risultare impossibile o richiedere una commissione molto alta.
Il significato di "Energia" come contenuto termico può essere associato alla temperatura come indice della sua "qualità".
L’energia meccanica, in tutte le forme, può sempre trasformarsi completamente in calore, così come l’energia chimica POTENZIALE e quella elettrochimica, per le quali la temperatura limite ottenibile dipende dalla tecnologia utilizzata per la trasformazione.
Dovremmo considerare il collegamento costante fra i prodotti delle attività umane e l’energia convertita in ogni fase di lavoro, anche quelle accessorie, per ottenere i prodotti finiti.
Ciascun bene fabbricato richiede conversioni di energia, e altra energia viene convertita per i trasporti e per consentire il lavoro delle persone che hanno concorso alla lavorazione.
In molti casi il consumo d’energia è regolato dalle variazioni di entropia.
Per esempio, se dell’acqua potabile fosse imprudentemente mischiata con un flusso d’acqua di scarto alla stessa temperatura, sembrerebbe non esserci nessuna conversione di energia, ma c’è una forte variazione entropica ed è necessario un ammontare considerevole di energia di alta qualità da convertire per ripristinare le cose come erano all’inizio.

I cambiamenti ambientali occorsi durante l’era pre-industriale sono stati spesso considerati trascurabili.
In realtà in passato la domanda di combustibile è stata molto alta perché venivano adottati processi spesso finalizzati solo all’ottenimento di alte temperature con ridotto recupero di calore.
L’estrazione di combustibile dall’ambiente naturale era determinata da vicende naturali o dal commercio, senza considerare il ciclo di rigenerazione.
L’uso del legno per la costruzione di edifici, per la combustione o per la produzione di carbone ha comportato l’estinzione di grandi ecosistemi forestali (DEFORESTAZIONE) e l’alterazione di equilibri idrogeologici e biologici.
Per queste ragioni, il crescente uso di combustibili fossili (primo tra tutti il carbone) era accolto dagli scienziati dell’epoca dell’Illuminismo come elemento di salvaguardia dell'ambiente naturale, non più saccheggiato indiscriminatamente dal prelievo di combustibile.
L’uso del carbone divenne allora il simbolo dello sviluppo economico, veniva impiegato per uso termico civile (riscaldamento delle abitazioni) e termico industriale: nei processi di siderurgia e per fornire l’energia necessaria alle attività industriali e al settore dei trasporti.
La stessa agricoltura si trasformò drasticamente: l’attività agricola, una volta coinvolgente in larga misura il lavoro umano, divenne oggetto di meccanizzazione e coinvolse un numero sempre più limitato di lavoratori.
La trasformazione dell’agricoltura ha effetti non previsti e molto pericolosi per l’equilibrio ecologico globale.
Basti pensare che l’uso di trattori potenti per l’aratura, che arrivano ad arare spessori molto profondi, comporta la formazione della cosiddetta "soletta di lavorazione" che innesca i movimenti franosi, in quanto, in corrispondenza di tale superficie, si forma un accumulo di acqua che contribuisce, insieme ad altri fattori geologici, allo scorrimento del suolo sovrastante, provocando movimenti franosi grandi e piccoli con pericolo di catastrofi idrogeologiche (alluvioni, grandi frane).

Tratto da: “ENERGIA PER UN FUTURO SOSTENIBILE E FONTI RINNOVABILI"
a cura di Francesco Paolo Vivoli