Energia, Lavoro, Potenza PDF

L’Energia Energia, Lavoro, Potenza Lavoro Potenza Cos’è l’energia? Le forme dell’energia Fonti di energia Energia cinetica Energia potenziale Conservazione dell’energia meccanica Conservazione dell’energia totale 2 Il...

L’Energia Energia, Lavoro, Potenza Lavoro Potenza Cos’è l’energia? Le forme dell’energia Fonti di energia Energia cinetica Energia potenziale Conservazione dell’energia meccanica Conservazione dell’energia totale 2 Il Lavoro Consideriamo un punto materiale che si sposta da A a B in linea retta sotto l’azione di una forza costante, il lavoro compiuto da tale forza è così definito: Il Lavoro di una forza costante è dato dal prodotto scalare fra la forza e lo spostamento: Il Lavoro è una grandezza scalare e la sua unità di misura, nel S.I., è il joule: 3 Il Lavoro Poiché il cosα assume valori compresi fra -1 e +1, il lavoro assumerà, a seconda dell’angolo fra forza e spostamento, valori negativi, positivi o nulli: Lavoro motore (α=0°) Lavoro resistente (α=180°) Lavoro nullo (α=90°) 4  La potenza Supponiamo di dover portare una cassa dal piano terra all’ultimo piano di un palazzo, possiamo compiere questa operazione salendo per le scale o usando l’ascensore. In entrambi i casi la forza che compie il lavoro è la forza peso e lo spostamento è sempre lo stesso, coincidente con il dislivello h che dobbiamo far fare alla cassa, quindi il lavoro è lo stesso. È però ovvio che il tempo impiegato nei due casi è ben diverso, la grandezza fisica che esprime la rapidità con cui si svolge un lavoro è chiamata potenza. Si definisce Potenza media il rapporto tra il lavoro e l’intervallo di tempo in cui tale lavoro è stato svolto: La Potenza è una grandezza scalare e la sua unità di misura, nel S.I., è il watt: Poiché il watt è un’unità di misura piccola molto spesso si usano i multipli di tale unità di misura: 1 kW=1000 W. 5 Che cos’è l’Energia? Il termine Energia proviene dalla contrazione di due parole greche: en – dentro ed ergon – lavoro. Da ciò segue una delle definizioni tautologiche di energia: L’Energia è la capacità di un sistema di compiere un lavoro o un’azione. L’energia dà il movimento alla materia che riempie il nostro universo. Se non ci fosse energia, ogni cosa, ogni particella di materia sarebbe ferma e fredda, quindi l’energia può essere pensata come una misura della capacità di un sistema di evolversi. Gli esseri umani hanno bisogno di energia per tutte le funzioni che svolgono: per camminare, correre, alzarsi, sedersi … Anche la nostra vita quotidiana richiede continuamente energia: per scaldare l’acqua della doccia al mattino, per raffreddare e conservare il cibo, per riscaldare le case in inverno, per spostarci con l’auto, la moto, il treno o l’aereo. 6  Le forme dell’energia L'energia può assumere forme diverse. Nel cibo, ad esempio, è immagazzinata l'energia chimica che il nostro corpo utilizza per correre, giocare, pensare e fare moltissime altre cose. Le centrali elettriche e le pile forniscono energia elettrica. Le pale eoliche, l'acqua che scorre, un'automobile che si muove o un'onda sonora sono tutte forme di energia meccanica. Nelle nostre case, le caldaie, le stufe e il forno producono energia termica. L'energia nucleare si libera quando si rompono o si fondono i nuclei atomici. 7  Le Fonti di Energia FONTI DI ENERGIA NON RINNOVABILI Sono destinate in periodi più o meno lunghi ad esaurirsi. Per rigenerarle occorrono milioni di anni, per questo non possono essere considerate “rinnovabili”. I combustibili fossili (petrolio, carbone, gas naturale) ma anche il “combustibile” per l'energia nucleare, appartengono a questa categoria. La maggior parte dell'energia oggi utilizzata è ottenuta da combustibili fossili. FONTI DI ENERGIA RINNOVABILI Sono tutte le fonti di energia non fossili : solare, eolica, idraulica, geotermica, del moto ondoso e le biomasse che vengono continuamente riprodotte, in tempi brevi, come ad esempio dagli alberi e dagli arbusti che crescono utilizzando l'energia solare. Tra breve dovremmo cambiare il nostro utilizzo dell'energia e passare dallo sfruttamento di materiali non rinnovabili alle risorse rinnovabili 8  L’Energia Cinetica Si definisce Energia Cinetica l’energia posseduta da un corpo in movimento, dovuta al movimento stesso. Tale energia è proporzionale al quadrato della velocità ed alla massa del corpo: L’energia cinetica è legata al lavoro dal: TEOREMA DELL’ENERGIA CINETICA Il lavoro L compiuto dalla forza risultante F su un corpo di massa m che si sposta dalla posizione A (al tempo t0) alla posizione B (al tempo tF), lungo un tratto della sua traiettoria, è dato dalla variazione dell'energia cinetica tra l'istante t0 e l'istante tF: L’Energia cinetica è una grandezza scalare e la sua unità di misura, nel S.I., è il joule così come per il Lavoro. 9  L’Energia Cinetica Il Teorema dell’Energia Cinetica è una diretta conseguenza del II Principio della Dinamica, come possiamo vedere in un caso semplice quale quello di un corpo inizialmente in quiete che, sotto l’azione di una forza, inizia a muoversi di moto rettilineo uniformemente accelerato: 10  L’Energia Potenziale Si definisce Energia Potenziale l’energia associata alla posizione di un corpo in un campo di forze generato da altri corpi. Tale energia è legata al lavoro che il corpo, in virtù della sua posizione, può potenzialmente compiere. Possiamo calcolare l’energia potenziale e verificare come questa sia legata strettamente alla posizione nel semplice caso della forza gravitazionale. Supponiamo di avere un corpo di massa m posto ad una altezza h rispetto al suolo e consideriamo trascurabile la resistenza dall’aria. Sappiamo che su tale corpo agisce la forza gravitazionale pertanto, se il corpo è libero di muoversi, cadrà sotto l’azione della forza peso e, al termine della caduta, avrà acquisito una velocità che dipende solo dall’altezza iniziale e non dal percorso seguito. Ciò significa che quando il corpo si trova ad una altezza h possiede una certa quantità di energia potenziale gravitazionale, legata essenzialmente alla sua posizione ed alla forza peso, che gli consente di compiere un lavoro: 11  L’Energia Potenziale Consideriamo ora gli andamenti dell’energia potenziale (gravitazionale) e dell’energia cinetica durante il moto descritto in precedenza. Quando il corpo è fermo, ad un’altezza h possiede solo energia potenziale, mentre cade la sua energia cinetica aumenta (perché passa da una velocità nulla ad una velocità non nulla) e quella potenziale diminuisce (perché diminuisce la quota in cui si trova), al termine del moto il corpo possiede solo energia cinetica (arriva al suolo con la velocità massima) in quanto la sua quota è divenuta nulla. Negli istanti in cui il corpo occupa posizioni intermedie possiede entrambe le forme di energia e, considerando il lavoro compiuto, si ha: h h1 h2 dove EM, somma di Energia Potenziale e Cinetica, costituisce l’Energia Meccanica. 0 12 Conservazione dell’Energia Meccanica Nel caso precedentemente esaminato è risultato che, istante per istante, l’energia meccanica posseduta dal corpo è costante. Ciò vale perché quella gravitazionale è una Forza Conservativa, cioè una forza il cui lavoro su un oggetto lungo un percorso dipende esclusivamente dalla posizione iniziale e finale, e non dalla natura del percorso. Per tali forze vale la: LEGGE DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA MECCANICA Se un corpo è sottoposto solo a forze conservative l’energia meccanica è costante durante il moto: La forza peso e la forza elastica sono due esempi di forze conservative. Per tali forze si ha: 13 Conservazione dell’Energia Non tutte le forze sono conservative, alcune, come ad esempio l’attrito, sono dissipative. Ciò significa che, nel caso siano presenti tali forze, la legge di conservazione dell’energia meccanica non è valida e questo perché una parte dell’energia si trasforma in un altro tipo di energia, ad esempio quella termica nel caso dell’attrito. Se però consideriamo l’insieme di tutte le energie, non solo la meccanica, la legge di conservazione è ancora applicabile. Si parla in questo caso di: LEGGE DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA TOTALE In un sistema isolato la somma di tutte le forme di energia è costante nel tempo: 14 Sistemi Isolati Quando si esaminano problemi connessi alla conservazione di grandezze fisiche è particolarmente importante valutare se il sistema, cioè l’ambiente, in cui le grandezze in esame interagiscono fra di loro sia o meno “isolato”. Per valutare se un sistema è isolato dobbiamo innanzitutto definire: ❑ Forze interne: Forze esercitate dai corpi che fanno parte del sistema; ❑ Forze esterne: Forze esercitate dai corpi che non fanno parte del sistema. Su questa base diamo la seguente definizione di sistema isolato: Si definisce SISTEMA ISOLATO un sistema in cui la risultante delle forze esterne applicate al sistema è uguale a zero. In un sistema isolato, quindi, agiscono solo forze interne che, per il principio di azione e reazione, hanno una risultante nulla sul sistema. 15 Energia Cinetica e Energia Potenziale Le diverse forme di energia (trasformabili le une nelle altre) sono riconducibili a due tipologie: Energia Cinetica Potenziale (associata al movimento dei corpi ) (associata alla posizione di un corpo in un campo di forze ) Anche l’energia termica e quella chimica sono riconducibili rispettivamente a energia cinetica (l’agitazione termica è connessa al calore) ed energia potenziale (i legami chimici sono connessi all’attrazione tra cariche elettriche) L'energia cinetica si trasforma in energia potenziale e viceversa. Le conversioni dell'energia da una forma a un'altra sono governate dai principi della termodinamica. 16  Unità di misura dell’energia L’unità di misura dell’energia coincide con quella del lavoro, quindi, nel S.I., è il joule (J = N ∙ s). Esistono però altre UM utilizzate. kWh (chilowattora): energia sviluppata da una potenza di 1 kW per un periodo di 1 h 1 kWh = (1 kW)(1 h) = (1000 W)(3600 s) = 3,6 · 106 J = 3,6 MJ kcal: energia necessaria per innalzare di 1 °C la temperatura di un kg di acqua distillata alla pressione di 1 atm 1 kcal = 4,186 · 103 J = 4,186 kJ tep (tonnellata equivalente di petrolio) o toe (ton of oil equivalent): energia sviluppata dalla combustione completa di 1 tonnellata di petrolio 1 tep = 1 toe = 4,1868 · 1010 J = 41,868 GJ Btu (British thermal unit): la quantità di calore per innalzare di 1 °F la temperatura di una libbra d'acqua distillata alla pressione di 1 atm 1 btu = 1,055 · 103 J = 1,055 kJ eV (elettronvolt): energia posseduta da una carica elettrica elementare, accelerata da una differenza di potenziale di 1 V. 1 eV = q · V = 1,6 · 10-19 C · 1 V = 1,6 · 10-19 J 17