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CORSO di SISTEMI ENERGETICI
ingegneria gestionale magistrale
- Le Dispense -
Professoressa Silvia Ravelli
dott.Ing. Davide ALBERTI
dott. Ing. Adriano CARRARA
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CAPITOLO 1
INTRODUZIONE
1.1. Il corso di SISTEMI ENERGETICI
Il corso si prefigge principalmente due obiettivi: naturalmente far apprendere allo
studente gli argomenti costituenti il programma e, contemporaneamente, contribuire alla
formazione del futuro “Ingegnere” chiamato a confrontarsi con il mondo lavorativo.
Le dispense, qui raccolte, costituiscono per l’allievo la base di riferimento per gli
elementi fondamentali del programma di insegnamento; esse dovranno essere integrate
con gli spunti derivanti dalle spiegazioni in aula e opportunamente maturate attraverso
gli approfondimenti bibliografici.
Sono ben accetti eventuali commenti che possano migliorare questa raccolta,
rendendola più accessibile e quindi più utile agli studenti: fine per il quale è stata
realizzata questa raccolta.
Per consentire all’allievo, fin da subito, di individuare il percorso formativo nel seguito
si rappresenta la struttura del corso.
Infatti dopo aver richiamato concetti generali e di base che rappresentano la
“grammatica del corso”, ci si concentra sui fabbisogni e sulle relative produzioni di
energia necessarie alle diverse realtà territoriali, a livello mondiale, nazionale, regionale
fino al dettaglio del nostro territorio locale.
Compresa l’importanza dell’energia a tutti i livelli, il cammino prosegue analizzando le
fonti primarie che sono in grado, attraverso specifici processi, di mettere a disposizione
dell’uomo forme di energia utilizzabili. Si trattano successivamente i richiami di fisica
tecnica necessari al proseguo del corso. Si prosegue con le equazioni di conservazione,
l’introduzione alle turbomacchine, gli impianti idraulici e la teoria della similitudine. Si
analizzano poi le principali diverse tipologie di impianti di conversione dell’energia
primaria. Si studiano inoltre particolari impianti, oggi di estrema attualità, quali i
termovalorizzatori (o semplicemente un tempo inceneritori di rifiuti) e gli impianti
nucleari a fissione.
Le lezioni sono completate da esercitazioni che hanno un duplice obiettivo: da un lato
completare la trattazione teorica del corso con aspetti tecnici legati alla progettazione,
realizzazione e gestione degli impianti, dall’altro sviluppare la capacità di impostare
correttamente e risolvere problemi applicativi di interesse ingegneristico.
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1.2. SISTEMA, GRANDEZZE E UNITÀ di MISURA
Sistema
Si definisce sistema fisico “A” un qualunque insieme di uno o più elementi reali
racchiusi da un contorno.
In base alle necessità di studio il contorno può essere di un tipo piuttosto che di un altro;
di interesse risulta la permeabilità di un contorno all’attraversamento della massa, del
lavoro e del calore.
Attraversamento
del contorno da
parte di:
CONTORNO che non si fa
attraversare si dice:
CONTORNO che si fa
attraversare si dice:
MASSA IMPERVIO POROSO
LAVORO RIGIDO MOBILE
CALORE DIATERMICO o DIABATICO ADIABATICO
Il CONTORNO può inoltre essere classificato come:
REALE: ad esempio un sistema “bombola del gas”, in cui il contorno è il
recipiente che contiene il gas.
IDEALE: ad esempio individuare in una lastra di rame (dimensioni:
“l”x”p”x”s”) una sola parte lunga “l1” e larga “p1” e spessa “s”, con l1 < l e p1
< p.
SOLO PENSATO: ad esempio il sistema solare che può essere solo pensato.
Il particolare sistema è caratterizzato da:
Un certo numero di proprietà possedute dal sistema – GRANDEZZE -, quali ad
esempio la lunghezza, la massa, l’energia, la resistenza elettrica, ecc.. Tali
grandezze sono caratterizzate dalla peculiarità di essere misurabili.
esterno al sistema Sistema “A” esterno al sistema
contorno
contorno
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E un certo numero di proprietà non possedute dal sistema, ovvero
GRANDEZZE atte a rappresentare l’interazione tra il sistema e il “mondo
esterno al sistema.
Il legame tra le diverse grandezze prende il nome di LEGGE.
Ricapitolando, analizzando un sistema fisico questo è rappresentato da un certo numero
di parametri detti grandezze fisiche, che hanno la peculiarità di essere misurabili.
Pertanto all’istante “t” il valore che assumono le grandezze individuate a descrivere il
sistema nel caso in esame si dice STATO di un SISTEMA.
Come si può descrivere un sistema? Esistono due strade differenti di descrizione, che
comunque portano alla stesso risultato.
Descrizione MACROSCOPICA: la descrizione macroscopica di un sistema
consiste nell’individuare i valori di alcune proprietà globali del sistema. Tale
rappresentazione consente di non formulare alcuna ipotesi sulla struttura intima
della materia.
Descrizione MICROSCOPICA: la descrizione microscopica invece passa
attraverso l’analisi della struttura della materia con l’impiego della meccanica
quantistica di un sistema.
Ad esempio consideriamo un sistema molto semplice: un bicchiere di acqua.
Per la descrizione microscopica sono necessari 1024
÷ 1025
parametri.
Per la descrizione macroscopica sono necessari pochi “parametri globali” (pressione,
temperatura, …). Questo è dovuto alla lentezza con cui si misura una grandezza
macroscopica; si tenga presente che in un µs (un milionesimo di secondo) si sono già
avute decine di milioni di vibrazioni molecolari. Quindi la misura delle grandezze
macroscopiche è un’ operazione di media statistica.
sistema
contorno: - impervio
- rigido
- diabatico
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Grandezze ed unità di misura
Un nuovo impianto di prossima realizzazione avrà una potenza elettrica di 800
megawatt (MW) e sarà in grado di produrre annualmente un’energia elettrica pari a
circa 6.000 gigawattora (GWh), da destinarsi, a meno degli autoconsumi della centrale
stessa, alla rete.
Ma ciò cosa significa? Potenza, energia, energia elettrica e anche megawatt,
gigawattora?
Nel seguito si ricordano i concetti base sulle grandezze e sui relativi sistemi di unità di
misura più usati per la potenza e per l’energia; questo risulterà molto utile per la
comprensione dei dati che saranno trattati nel seguito e per eliminare qualsiasi eventuale
dubbio sull’argomento ove presente.
Oggi, in un mondo frequentato da ”energy manager”, costituito da società “energivore”
pure le massaie si intrattengono sul tema dell’energia ed è sempre più difficile
incontrare persone che conoscano la differenza tra 1 kilowatt e 1 kilowattora.
Impadronirsi dell’argomento e dominarlo è necessario.
Nel seguito verranno trattati i seguenti aspetti:
a) grandezze e sistemi di unità di misura;
b) prefissi all’unità di misura (moltiplicativi o riduttivi).
c) grandezze e sistemi di unità di misura;
Le proprietà fisiche possedute da un sistema si dicono GRANDEZZE FISICHE: ad
esempio una lamiera di rame sarà caratterizzata da una serie di proprietà fisiche, ovvero
di grandezze quali la temperatura, la lunghezza o larghezza o spessore, la massa, ecc.
La lunghezza, la larghezza, lo spessore e così l’altezza sono tutte GRANDEZZE
OMOGENEE e per semplicità sono indicate tutte come “grandezza lunghezza”.
Le grandezze si suddividono in FONDAMENTALI E DERIVATE, ovvero alcune
grandezze sono state scelte come fondamentali da cui far derivare le altre. Ad esempio
la “superficie” è una grandezza derivata dal prodotto di due grandezze fondamentali
“lunghezza”.
Per uniformità di scrittura una grandezza viene qui indicata tra parentesi quadre: ad
esempio la grandezza energia [energia].
Nel nostro caso le grandezze di interesse sono:
grandezza tempo = [tempo] = [t];
grandezza energia = [energia] = [E];
grandezza potenza = [potenza] = [P].
L’uomo ha scelto quelle caratteristiche del sistema che era in grado di “gestire” ovvero
di misurare, cioè di effettuare quella operazione detta “misura”. Ecco che le grandezze
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sono intrinsecamente misurabili, ovvero sono confrontabili con un riferimento preso
come unità di misura.
Consideriamo ad esempio la grandezza lunghezza [L] e associamo ad essa una unità di
misura detta “metro” cioè la lunghezza di un regolo campione di un particolare
materiale conservato a Sèvre in Francia. L’operazione di “misura” consiste ogni volta,
idealmente, in un’azione di confronto tra l’oggetto in esame (ad esempio la lastra detta
in precedenza) e l’unità di misura metro per verificare quanti “metro” o frazioni di esso
servono per fare la lunghezza in esame. In tal modo si ha la misura della lunghezza della
lastra. Ad esempio da tale operazione si ha che la misura della lunghezza della lastra è
pari a 3,5 volte il campione, ovvero 3,5 metri. (Da tenere presente che in modo meno
corretto si usa dire “la lunghezza di tre metri”).
Si è riusciti quindi a collegare alla particolare grandezza uno scalare (un numero), che
deriva dall’operazione di misura effettuato.
Per uniformità di scrittura l’unità di misura viene qui indicata tra parentesi tonde: ad
esempio il metro (m).
Per una particolare grandezza in esame non esiste una sola unità di misura, ma ve ne
sono diverse in dipendenza al campo di applicazione scientifica in esame, che
storicamente adotta quella a lei più vicina. Ad esempio riconsiderando la grandezza
lunghezza [L] detta in precedenza si può incontrare, oltre al metro (m):
Amstrong (Å), 1 Å = 10-10
metri
Utilizzato per le misure subatomiche o in genere per le lunghezze d’onda.
Fermi (F), 1 F = 10-15
metri
definizione: è la lunghezza di un femtometro, usata in fisica nucleare per le
dimensioni dei nuclei atomici.
Anno luce (al), 1 al = 9,46055x1015
metri
definizione: è la lunghezza percorsa dalla luce in un anno solare
piede (foot), 1 foot = 0,3048 metri
pollice (inch), 1 inch = 1/12 foot = 0,0254 metri
miglio nautico o marino internazionale (M), 1 M = 1852 metri
definizione: è la lunghezza dell’arco di meridiano pari a un minuto
sessagesimale. Dato che tale misura varia al variare della latitudine si assume
la misura della lunghezza media del minuto sessagesimale di meridiano e cioè
1852 metri.
Analogamente per ogni grandezza si individuano diverse unità di misura. Da qui nasce
la necessità di raggruppare sistematicamente le unità di misura in SISTEMI DI
UNITA’ di MISURA.
È consuetudine suddividere i SISTEMI DI UNITA’ di MISURA in base alla scelta
delle massa e della forza come grandezze fondamentali o derivate; da ciò ne derivano 2
macrogruppi:
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SCIENTIFICI: la grandezza massa [M] è una grandezza fondamentale, mentre
la grandezza forza [F] è una grandezza derivata;
TECNICI: la grandezza massa [M] è una grandezza derivata, mentre la
grandezza forza [F] è una grandezza fondamentale.
I sistemi di unità di misura m.k.s., S.I. (derivato dal m.k.s) e c.g.s. fanno parte del
gruppo degli scientifici.
I sistemi detti in generale anglosassoni, che utilizzavano unità di misura tipo piede,
pollice, libbra,ecc, sono anch’essi suddivisi in scientifici e tecnici in base a quanto detto
in precedenza.
Le grandezze di nostro interesse possono pertanto essere esplicitate tramite le grandezze
fondamentali nella seguente maniera:
grandezza simbolo sistema scientifico sistema tecnico
tempo [t] = [t] [t]
energia [E] = [M][L]2[t]-2 [F][L]
potenza [P] = [M][L]2[t]-3 [F][L][t]-1
A questo punto, raggruppate le unità di misura in sistemi omogenei (scientifici o
tecnici), nasce la necessità di individuarne uno in particolare che possa rappresentare
tutta la comunità scientifica e che consenta di colloquiare e diffondere dati con un unico
linguaggio.
Gli sforzi sistematici per sviluppare un sistema di unità di misura universalmente
accettabile risalgono al 1790, quando l’Assemblea Nazionale Francese dette l’incarico
all’Accademia Francese delle Scienze.
La prima versione di sistema metrico trovò una generale approvazione solo nel 1875
all’atto della firma del “trattato sulla convenzione metrica” da parte di diciassette paesi.
Da quella data fu fissato che ogni sei anni si sarebbe tenuta una conferenza generale sui
pesi e misure. Solo nel 1960 la conferenza detta sviluppò il Sistema Internazionale
(S.I.), basato su 6 grandezze fondamentali, le cui unità di misura erano state adottate
precedentemente.
Nel 1971 la conferenza generale aggiunse una settima grandezza fondamentale con
relativa unità di misura: [quantità di materia] espressa in moli (mol). Tra le diverse
convenzioni adottate si ricorda che si è definito di indicare in minuscolo i nomi delle
unità di misura, anche se derivanti da nomi propri di scienziati (es. watt, erg, joule),
mentre il relativo simbolo risulta maiuscolo nel caso di nomi propri (W,J,ecc.).
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Il sistema di misura internazionale (S.I.) è costituito da 7 grandezze fondamentali che
sono:
le grandezze fondamentali del S.I.
grandezza unità di misura simbolo
lunghezza Metro m
massa Chilogrammo kg
tempo Secondo s
temperatura grado kelvin K
intensità di corrente Ampère A
intensità luminosa Candela cd
quantità di materia Mole mol
Così definite:
[L] ↔ (m)
Il metro è la lunghezza del tragitto compiuto dalla luce
nel vuoto in un intervallo di tempo di 1/299792458 di
secondo.
(17° Conf. Gen. Pesi e Misure, risoluz. A).
[M] ↔ (kg)
Il chilogrammo è pari alla massa del prototipo
internazionale.
(3° Conf. Gen. Pesi e Misure).
[t] ↔ (s)
Il secondo è la durata di 9.192.631.770 periodi della
radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli
iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di Cesio
133.
(13° Conf. Gen. Pesi e Misure, 1967, risoluz. 1).
[I.C.E.] ↔ (A)
L’ampère è l’intensità di una corrente elettrica costante
che, mantenuta in due conduttori paralleli rettilinei di
lunghezza infinita, di sezione circolare trascurabile,
posti alla distanza di un metro l’uno dall’altro nel vuoto,
produrrebbero tra questi conduttori una forza uguale a
2x10-7
N su ogni metro di lunghezza.
(9° Conf. Gen. Pesi e Misure, 1948).
[T] ↔ (K)
Il kelvin è la frazione 1/273,16 della temperatura
termodinamica del punto triplo dell’acqua.
(13° Conf. Gen. Pesi e Misure, 1967, risoluz. 4).
[I.L.] ↔ (cd)
La candela è l’intensità luminosa, in una determinata
direzione, di una sorgente che emette una radiazione
monocromatica di frequenza di 540x1012
hertz e la cui
intensità energetica in tale direzione è di 1/683 watt allo
steradiante.
(13 Conf. Gen. Pesi e Misure, 1979, risoluz.3).
[Q.materia] ↔ (mol) La mole è la quantità di sostanza di un sistema che
contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in
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0,012 kg di carbonio 12.
(14 Conf. Gen. Pesi e Misure, 1971, risoluz.3).
Quindi considerando le tre grandezze di interesse nel S.I. si ha:
grandezze S.I.
in unità fondamentali definizioni
tempo s s
energia kg x m2 x s
-2 joule = J = N x m
potenza kg x m2 x s
-3 watt = W = J/s
Il S.I., come gli altri sistemi, utilizza dei prefissi con il significato di multiplo. Essi
sono:
prefisso simbolo multiplo
tera-xxxx T 1012
giga-xxxx G 109
mega-xxxx M 106
chilo-xxxx k 103
centi-xxxx c 10-2
milli-xxxx m 10-3
micro-xxxx μ 10-6
nano-xxxx n 10-9
pico-xxxx p 10-12
Per le grandezze di riferimento (energia e potenza) e per la grandezza pressione si
riportano nel seguito anche le unità di misura di altri sistemi oltre il S.I., completate dal
relativo valore di conversione.
Infine si vuol solo precisare che l’analisi per il rispetto dell’omogeneità dimensionale
è e deve essere uno strumento inseparabile dell’ingegnere.
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Riepilogando, si sono trattati i seguenti temi:
Grandezza e sua misurabilità
Sistemi di unità di misura (scientifici e tecnici)
Il sistema di misura internazionale (S.I.)
I prefissi moltiplicativi e riduttivi
Le grandezze di nostro interesse nel S.I. e negli altri sistemi utilizzati
L’analisi dimensionale.
Le convenzioni da adottare sono:
Tra parentesi quadre la grandezza;
(esempi: [L], [M], [E], [P])
Tra parentesi tonde le unità di misura;
(esempi: (m), (kg), (kWh), (W), (J))
In minuscolo i nomi delle unità di misura, anche se derivanti da nomi propri;
(esempi: metro, chilogrammo, chilowattora, watt, joule)
In maiuscolo il simbolo dell’unità di misura se si riferisce ad un nome proprio.
(esempi: (m), (kg), (kWh), (W), (J))
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1.3. TABELLE NOTEVOLI di CONVERSIONE
Nel seguito vengono riportate le tabelle di conversione delle differenti e più usuali unità
di misura delle grandezze:
- pressione,
- energia,
- potenza.
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RELAZIONI TRA LE UNITA’ DI MISURA della grandezza “PRESSIONE”
PRESSIONE Pa = N m-2
Atm (atmosfera
fisica)
at (atmosfera
metrica) kg cm-2
dyn cm
-2 Psi (pound force in
-2)) mmbar torr (mm Hg)
Pa = N m-2
1 9,869x10-6
10,20 x10-6
10 14,50 x10-5
10-2
750,1 x10-5
Atm (atmosfera fisica) 1,013 x105 1 1,033 1,013 x10
6 14,70 1013 760
Atm (atmosfera fisica) kg
cm-2
9,806 x10
4 0,9678 1 9,806 x10
5 14,22 980,6 735,6
dyn cm-2
0,1 9,869 x10-7
10,20 x10-7
1 14,50 x10-6
10-3
750,1 x10-6
Psi (pound force in-2)
6,895 x103 6,805 x10
-2 7,031 x10
-2 6,895 x10
4 1 68,95 51,71
mmbar 102 0,9869 x10
-3 1,020 x10
-3 10
3 14,50 x10
-3 1 0,7500
torr (mm Hg) 1,333 x102 1,316 x10
-3 1,360 x10
-3 1,333 x10
3 1,934 x10
-2 1,333 1
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RELAZIONI TRA LE UNITA’ DI MISURA della grandezza “ENERGIA”
ENERGIA erg J cal BTU Libbra piede Wh
Erg 1 10-7
2,389 x10-8
9,48 x10-11
7,376 x10-8
2,778 x10-11
J 107 1 0,2389 9,48 x10
-4 0,7376 2,778 x10
-4
Cal 4,186 x107 4,186 1 0,003968 3,087 0,001163
BTU 1,055 x1010
1055 252 1 778 0,293
Libbra piede 1,356 x107 1,356 0,3239 0,001285 1 3,767 x10
-4
Wh 3,6 x1010
3600 860 3,413 2655 1
Kgm 9,806 x107 9,806 2,343 9,30 x10
-3 7,24 2,724 x10
-3
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RELAZIONI TRA LE UNITA’ DI MISURA della grandezza “POTENZA”
POTENZA W kgm/s CV kcal/h
W 1 1,0197 x10-1
1,359 x10-3
8,60 x10-1
kgm/s 9,806 1 1,333 x10-2
8,436
CV 7,355 x102 75 1 6,33 x10
2
kcal/h 1,162 1,185 x10 1,58 x10-3
1
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ORDINI DI GRANDEZZA
Nel seguito si riepilogano i valori assunti dalla grandezza potenza elettrica nei più comuni
sistemi di impiego quotidiano.
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apparecchiatura potenza media
W CV
lampadina tascabile 1 ---
rasoio elettrico 10 ---
lampadina di casa 100 ---
ferro da stiro 1.000 ---
scaldabagno elettrico 2.000 ---
motore ausiliario imbarcazione a vela da 42 piedi (12 metri) 50.000 68
automobile Tdci moderna (Alfa 147) 95.615 130
automobile Jaguar S-Type 3000 V6 176.520 240
termovalorizzatore RSU moderno (Milano-SIlla2) 60.000.000 ---
modulo di ciclo combinato (gas-vapore) 400.000.000 ---
centrale nucleare di Caorso 850.000.000 ---
potenza inviata dalla Terra al Sole 8,E+16 ---
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1.4. L’ENERGIA: definizioni
COSA E’ L’ENERGIA
Etimologia del termine:
dal latino tardo ”energĩa”,
dal greco ”ενέργεια”, derivazione di ”ενεργής” (attivo), da ”εργον” (opera)
Definizioni:
in fisica:“l’energia di un sistema è l’attitudine del sistema a compiere un lavoro, sia come
energia in atto, che opera cioè in un processo in cui si produce lavoro e che è commisurata al
lavoro fatto, sia come vera e propria attitudine , cioè come energia potenziale commisurata
allora al lavoro fatto al momento in cui essa si traduce o si tradurrebbe in energia in atto …”
nella tecnica:“con riferimento alle modalità di sfruttamento dell’energia e alle forme in cui
questa si rende disponibile ai fini pratici, si parla correntemente di energia meccanica,
termica, elettrica, idrica, ecc. e si dice fonte di energia qualsiasi sostanza o processo capaci
di mettere a disposizione dell’uomo un una certa quantità di energia utilizzabile.”
LE FORME DI ENERGIA
Ogni campo di applicazione (meccanica, termodinamica,ecc.) ha le proprie tipologie di
forma di energia.
Complessivamente si ricordano:
energia potenziale
energia cinetica
energia elastica
energia termica
energia elettrica
energia chimica
energia nucleare
LA MASSA DELL’ENERGIA
A) L’energia ha una massa! (relatività ristretta di Albert Einstein del 1905)
Con la ben nota formulazione: E = m x c2
con
E = energia (Joule);
m = massa (kg);
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c = velocità della luce = 3 x 108 m/s
si possono calcolare le masse delle seguenti energie:
energia di 1 tep (4,186x1010
J) → m = 0,465x10-6
kg
bomba atomica URSS (57 Megatoni) → m< 8 kg
energia annuale umanità (8x109 tep/a) → m< 4 ton
B) La massa dell’energia per la vita dell’uomo sulla terra può essere
trascurata! (NO su scala cosmica).
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1.5. Breve storia dell’ENERGIA
Nel seguito si riportano alcuni esempi notevoli dello sfruttamento controllato dell’energia da parte
dell’umanità. Questo breve excursus storico è stato tratto da appunti inediti del maestro Prof. Mario
Silvestri.
1. L’uomo controlla il fuoco
L’uomo paleolitico cacciatore (fabbisogno stimato per persona di circa 0,2 tep/anno) da 2,5
milioni a 20.000 anni fa (che per l’Europa corrisponde alla fine della glaciazione wurmiana).
1.a. La fiamma: prima manifestazione dell’energia al servizio dell’uomo
prima era la violenza della natura che con fulmini e saette incendiava i boschi e
uccideva esseri viventi;
poi si otteneva strofinando particolari sostanze dure che generavano scintille, le
quali appiccavano il fuoco a pagliuzze secche e poi tale fuoco veniva mantenuto
bruciando legna.
1.b. Quando l’uomo controllò il fuoco?
Secondo la mitologia greca avvenne ad opera di Prometeo, che rubò il segreto
del fuoco agli dei.
Archeologicamente la scoperta del fuoco viene datata qualche centinaio di
migliaio di anni fa.
1.c. Che caratteristiche aveva il fuoco?
Il controllo del fuoco mise a disposizione dell’uomo un’energia termica ad alta
temperatura (circa 1.000 °C), ottenuta bruciando della legna secca.
Solo più tardi comparve, oltre alla legna, il carbone di legna.
1.d. Che cosa ha comportato per l’uomo?
La disponibilità del fuoco ha consentito all’uomo di potersi scaldare e
sopravvivere alle diverse età glaciali.
Ha aumentato la frazione commestibile per l’uomo del “cibo recuperato” (a
parità di peso vivo disponibile). Infatti:
l’alimentazione a base di erbe e carni crude è possibile, ma lo scarto è elevato. (i
vegetali e gli animali contengono veleni al loro interno);
mediante la cottura (inizialmente a fiamma viva e poi utilizzando acqua in bollitura)
molti veleni presenti nei vegetali e negli animali vengono distrutti.
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2. L’uomo utilizza la fonte di energia animale e l’energia solare
L’uomo neolitico agricoltore (datazione che varia da Regione a Regione e può essere considerata
iniziare dal 8°/4° millennio a.C. fino al 3°/2° millennio a.C.).
Il passaggio dall’uomo paleolitico (prevalentemente cacciatore dopo la scoperta del fuoco)
all’uomo neolitico (prevalentemente agricoltore) introduce per l’uomo lo sfruttamento di altre due
fonti di energia:
L’energia animale: l’uomo neolitico con l’allevamento del bestiame scopre tale
forma di energia, utilizzata prevalentemente in:
lavori agricoli (principalmente bovini);
trasporto terrestre (cavalli, asini, muli, cammelli).
L’energia solare: l’agricoltura neolitica utilizza l’energia solare diretta per la
crescita e la produzione dei generi alimentari (anche l’uomo cacciatore la usava, ma
in modo non controllato).
3. Dal mondo greco-romano la basso medioevo
3.a. L’energia eolica
Alle forme già dette in precedenza si deve aggiungere in questa epoca il grande utilizzo
dell’energia eolica (cioè del vento contro le vele delle navi).
L’utilizzazione principale era per la movimentazione di navi:
commerciali: le navi commerciali dell’impero di Roma, stimate in molte migliaia di
unità, erano di dimensioni rilevanti e la potenza media propulsiva eolica di ciascuna si
aggirava tra i 30-40 kW, per un valore di potenza complessiva di 100.000 kW;
da guerra: le navi da guerra erano completate da schiere di rematori, che
aggiungevano qualche centinaio di kW di spunto utile per la manovra, ai chilowatt
detti in precedenza.
Una stima ragionevole del fabbisogno annuo procapite durante l’impero di Roma è di 0,5 tep,
così suddiviso:
0,15 tep/(annoxab): per l’alimentazione con energia solare diretta;
0,15 tep/(annoxab): per i trasporti con energia animale ed eolica;
0,15 tep/(annoxab): per la coltivazione con energia animale e poi anche idraulica;
0,05 tep/(annoxab): per il resto, compresa l’illuminazione e la metallurgia.
Pensando di attribuire la stessa necessità energetica annua a tutta la popolazione mondiale, stimata
in 300 milioni di esseri al momento della nascita di Cristo, si otterrebbe un fabbisogno annuo
totale di 150 milioni di tep.
3.b. L’invenzione del mulino ad acqua ad asse orizzontale
L’invenzione romana più interessante del I secolo d.C. fu il mulino ad acqua ad asse orizzontale,
principalmente usato per muovere la macina del grano. Un esemplare romano di 2 kW, trovato a
Venafro, poteva macinare 3.600 kg/giorno di grano. Si diffuse lentamente ma con l’impianto del II
Pagina 21 di 21
secolo d.C., ubicato a Arles, della potenza idraulica netta di 40/50 kW si può dire che iniziò la sua
penetrazione, che vide nel IV secoloalcune centinaia di esemplari solo in Gallia.
Più avanti tale mulino ad acqua verrà utilizzato anche per il taglio e la levigatura del marmo.
3.c. L’utilizzazione del campo gravitazionale
Dislivelli del campo gravitazionale dei corsi d’acqua venivano sfruttati per far affluire l’acqua ai
centri abitati attraverso enormi condotti.
3.d. L’energia elastica
L’immagazzinamento di energia meccanica elastica venne usato in tutte le armi da getto
dell’antichità.
4. Dall’alto medioevo al tardo rinascimento
Nel corso del medioevo non si ebbe un sensibile aumento delle fonti primarie di energia sfruttate,
bensì un maggiore impiego di quelle già conosciute.
Si ricorda che l’invenzione della bussola, datata XIII secolo d.C., fu la prima utilizzazione pratica
di un campo magnetico in tal caso terrestre.
5. La macchina a vapore
Se si pensa che:
1452-1519 Leonardo da Vinci → il genio;
1564-1642 Galileo Galilei → l’ideatore della logica induttiva/deduttiva alla
base della fisica moderna;
1642-1727 Newton → il vero fondatore della fisica moderna, che
scopre le leggi della meccanica e studia i
problemi di trasmissione del calore,
nemmeno Newton pensò di collegare il calore al movimento.
Il collegamento tra fuoco e movimento avvenne in Inghilterra al di fuori dal modo della scienza e
dettato da necessità.
Il continuo sviluppo dell’uso della combustione e del carbone portò alla fine del secolo XVII ad
utilizzare la forza del vapore.
Ovvero, utilizzando il calore della combustione del carbone, veniva prodotto vapore atto alla
realizzazione di energia meccanica.
Da questo momento in poi si ebbe uno sviluppo e una diffusione su scala planetaria della macchina
a vapore.
6. La fonte nucleare
Un gruppo di scienziati italiani (“i ragazzi di via Panisperna a Roma”), diretti da Enrico Fermi,
consentirono all’umanità di raggiungere una conquista scientifica senza uguali: la fissione nucleare.
Si rimanda l’approfondimento ai capitoli dedicati.
