Fisica tecnica - parte 1

Le leggi dell'energia (1)

I principio della termodinamica

L'energia non si crea, non si distrugge, ma al più si trasforma.

2 modalità con cui questo può avvenire, o se il sistema che la trasforma è un sistema aperto, cioè un flusso di massa lo attraversa e quindi è questa massa che lo attraversa che mette in moto qualcosa, che grazie a questo moto produce o del lavoro;

oppure se il sistema è chiuso, qualcosa al suo interno viene messo in movimento (varia di volume o di pressione) e fa muovere una superficie di questo elemento che contiene la massa.

Concetto fondamentale: non è possibile creare dal nulla l'energia "la possiamo" solo trasformare.

Le principali tipologie sotto le quali l'energia si presenta sono: la meccanica, l'elettrica, la termica e la chimica, e nucleare.

Un'energia può trasformarsi da una tipologia all'altra e può anche essere scambiata sotto forma di lavoro e calore, però più passaggi faccio per ottenere quello che voglio e più per strada perdo. L'energia è conservativa, ma se parto da 100 magari ottengo 87 per i "cavoli tuoi" che hai pagamenti l'energia fare per fare le mie trasformazioni la quantità di energia si conserva in tutte le trasformazioni ed in tutti gli scambi, ma la quantità complessiva dell'energia si degrada.

Esempio -> energia meccanica -> energia termica.

L'energia termica ottenuta è di quantità inferiore dal momento che non può essere ritrasformata integralmente in energia meccanica.

In termini più tecnici, si può affermare che i bilanci dell'energia rientrano nel campo di applicazione del I principio della termodinamica. Tale principio è basato sulla constatazione, assunta a postulato, del fatto che l'energia totale si conservi in quel momento.

particolare "universo" costruito dal sistema indagato e dal "sistema esterno" che lo avvolge.

Le considerazioni sull'inevitabile degrado dell'energia conservata rientrano, invece, nel campo di applicazione del secondo principio della termodinamica. Tale principio è basato sulla constatazione, assunta a postulato, del fatto che l'entropia dell'universo tende ad aumentare e può, al meglio, restare costante.

Funzione di stato termodinamica, il cui aumento di valore è un indice della diminuzione dell'energia associata al sistema e, quindi, dell'aumento di energia degradata, o anche di disordine.

Il Principio della Termodinamica (2 formulazioni)

1. In un processo termodinamico il calore non può essere integralmente convertito in energia.
2. Il calore non fluisce spontaneamente ad un corpo più freddo ad un corpo più caldo.

Il I ed il II principio, presi insieme, consentono di arrivare al concetto di energia utilizzabile, od "exergia", intesa come frazione del contenuto totale di energia posseduta da un sistema che può ancora essere trasformata in lavoro meccanico.

I bilanci di energia utilizzabile portano poi a constatare che l'energia utilizzabile totale tende a diminuire e può, al meglio, restare costante se nei processi esaminati non vi sono generazioni di entropia.

Il lavoro meccanico è dato da una forza per uno spostamento.

le energie meccaniche cui si fa riferimento, quando parliamo di

FONTI ENERGETICHE (2)

Un sistema energetico si distingue tra fonti primarie, fonti secondarie e consumi finali.

I trasferimenti dell'energia dalle fonti primarie, vengono trasportati dai luoghi di provenienza negli eventuali luoghi di trasformazione.

Alcune fonti primarie sono immediatamente spendibili; altre invece necessitano di raffinazioni, di processi di trasformazione per renderle utili, non sempre a buon mercato.

Tutti questi trasferimenti vengono realizzati attraverso dei vettori energetici rappresentati come linee o ideali di collegamento.

Nelle valutazioni di sistema i fabbisogni di fonti primarie, sono valutati in base alle quantità di energia richieste in entrata per fare fronte agli impieghi in uscita.

Le principali fonti primarie naturali di energia si dividono in:

• fossili
• nucleari
• geotermiche
• rinnovabili

L’uso di fonti non rinnovabili (nel tempo) corrisponde al depauperamento di un “capitale energetico”, mentre l’impiego di fonti naturali rinnovabili si può assimilare all’utilizzo dei soli interessi di questo capitale. Di altra parte alcune fonti non “rinnovabili” sono pressoché inesauribili e quindi per esse non si pone il problema della progressiva riduzione del capitale.

LE FONTI NON RINNOVABILI = FONTI INESURIBILI

Le fonti primarie naturali non si utilizzano direttamente nella forma in cui si presentano (eccezione il gas naturale, biomasse, energia solare).

Il petrolio viene inviato alle raffinerie, il carbone fossile alle c...

Il carbone viene sottoposto ad ossidazione parziale in difetto di ossidante facendolo reagire con ossigeno ed acqua in apparecchiature che prendono il nome di: gassificatori.

Fissa l’ortogonalità non si può avere se non una volta al giorno.

Gli effetti che l’attraversamento dell’atmosfera ha sui raggi solari possono essere analizzati secondo due diversi punti di vista:

Effetti globali

• Riflessione
• Assorbimento
• Diffrazione

Effetti spettrali

Si può stimare che dell’energia totale incidente al limite esterno dell’atmosfera:

• 30% riflesso nello spazio
• 9% perduto verso lo spazio esterno
• 16% assorbito dai costituenti atmosferici
• 30% raggiunge la superficie della Terra sotto forma di radiazione diretta
• 17% sotto forma di radiazione diffusa

Meno dello 0,5% convertito in energia cinetica e potenziale chimico.

La massa d’aria

Rapporto tra il cammino della radiazione solare nell’atmosfera ed il minimo cammino entrando perpendicolarmente dallo zenit.

Il punto sulla sfera celeste intercettato dalla retta verticale all’osservatore.

Il flusso solare netto in arrivo su una superficie terrestre unitaria orientata in direzione ortogonale ai raggi, si può valutare in base alla relazione empirica:

Cn = m^mCo

coefficiente di trasmissione dell’atmosfera

2) L’elettrone può irraggiare energia soltanto nella transizione da un’orbita ad un’altra, cioè passando da uno stato energetico più alto ad uno più basso.

3) I raggi delle orbite degli stati stazionari devono soddisfare la condizione che il momento della quantità di moto dell’elettrone sia un multiplo intero di h/2π, cioè:

meVr = nh/2π, con n = 1, 2, 3, …

Con questi postulati è possibile ricavare i raggi delle varie orbite e le energie relative per l’elettrone dell’atomo di idrogeno, i valori così ottenuti vengono indicati con il nome di livelli energetici stazionari o stati energetici stazionari.

Normalmente, l’elettrone tende ad occupare lo stato energetico a valore di energia più basso, anche chiamato stato fondamentale.

Se si fornisce all’elettrone energia dall’esterno, questo va ad occupare stati energetici a valori di energia più alti e con orbite di raggio crescente, diventando così sempre più lassamente legato al proprio nucleo. Viene definito POTENZIALE DI IONIZZAZIONE l’energia che è necessario impartire all’elettrone affinché esso si stacchi dal proprio nucleo.

• Metodi utilizzati: collisioni con altre particelle
• Urti con le pareti del contenitore
• Interazione con fotoni

Dai livelli energetici alle bande di valenza

La teoria di Bohr non è in grado di spiegare i fenomeni riguardanti atomi con più di un elettrone. Introdotta la meccanica quantistica che è in grado di fornire i livelli energetici per sistemi più complessi. Quando si costituisce un sistema formato da due atomi identici per ogni livello energetico