Per i Paesi poveri l’alternativa al petrolio potrebbero essere proprio i combustibili ecologici, che a differenza dell’oro nero offrirebbero più stabilità nei costi e un rilancio dell’industria interna. E’ il caso dell’India che, povera di idrocarburi, è costretta ad effettuare grosse importazioni.

Così il governo di New Delhi ha avuto una splendida idea: sarà introdotta sul mercato solo benzina che contenga almeno il 5% di etanolo. In questo modo si favoriscono anche le industrie indiane che producono zucchero di canna, da cui deriva appunto l’etanolo.

Optano per i combustibili ecologici anche Thailandia e Filippine, Mozambico, Etiopia, Angola, Madagascar. In Angola e Nigeria il progetto è appoggiato dalle compagnie petrolifere nazionali, per contenere i consumi locali di petrolio massimizzando i proventi dell’export.

Ovviamente le multinazionali del petrolio si sentono minacciate da questa politica pro combustibili ecologici e ricorrono all’unica difesa possibile: investire a loro volta nei biocarburanti. La D.Oils britannica per esempio, sta investendo ingenti capitali nella jatropha, una pianta da cui si può ricavare alcol e che gode di due cruciali vantaggi su tutte le altre: non è commestibile e può essere coltivata anche in aree semiaride.

Ecco quindi che un’ altra speranza di europei e americani si rivela un’illusione: credevamo che i combustibili ecologici ci avrebbero liberati dalla supremazia energetica araba, invece questi stanno investendo capitali enormi nei biocarburanti, nell’energia rinnovabile, nelle auto a idrogeno e finiranno per avere la supremazia anche in questo campo, prendendosi gioco di noi e di tutto il mondo occidentale.

Idroelettrica
La centrale idroelettrica più grande d’Italia si trova a Presenzano, in provincia di Caserta.

E’ dotata di quattro gruppi turbine/pompe reversibili, per una potenza complessiva di mille Megawatt.

La fonte idrica rimane la maggiore tra quelle rinnovabili (66,7% del totale italiano), con una produzione di energia elettrica pari a 33,8 TWh a livello nazionale nel 2007.

Eolica
A Nicosia (Enna) è stato realizzato il più grande parco eolico d’Italia.

L’impianto è costituito da 55 aerogeneratori con una potenza complessiva di 48 MW, per una produzione media annua di 102 GWh, in grado di soddisfare il fabbisogno energetico di 37mila famiglie. La produzione di energia elettrica da fonte eolica nel 2007 è stata di 4,03 TWh.

Solare fotovoltaico
A Montalto di Castro (Viterbo) è in fase di ultimazione la più grande centrale fotovoltaica d’Italia.

Avrà una potenza di 6 MW con 100mila metri quadri di pannelli solari che produrranno 7 GWh di energia per circa 2.700 famiglie.
E’ stata di 0,57 TWh la produzione da fonte solare in Italia nel 2007.

Solare termodinamico
La centrale Enel di Priolo Gargallo (Siracusa) sarà la prima applicazione al mondo di integrazione tra un impianto a ciclo combinato, attualmente esistente, e uno solare termodinamico, nell’ambito del Progetto Archimede dell’Enea.

L’impianto solare incrementerà la potenza della centrale - pari a 760 MWe - di circa 20 MWe durante il periodo estivo.

Geotermica
Il primo impianto al mondo per la produzione di energia elettrica da fonte geotermica è stato realizzato da Larderello, in provincia di Pisa, nel 1904 (250 kW) e messo in opera nel 1913.

Oggi la potenza installata è di 810 MW. L’energia elettrica di origine geotermica copre oltre l’11% di tutta quella prodotta da fonti rinnovabili in Italia, pari a 5,57 TWh.

Biomasse
In Calabria sono presenti due tra i più grandi e innovativi impianti a biomasse d’Europa, nei comuni di Strongoli e Crotone.
L’energia proveniente da biomasse e rifiuti rappresenta quasi il 14% del totale di quella derivante da fonti rinnovabili, con una produzione complessiva di 6,95 TWh.

Tramite questo lavoro agricolo

L’aratro è composto da tre parti: la prima (coltro) taglia verticalmente una striscia di terreno (fetta), la seconda (vomere) effettua un taglio orizzontale e la terza parte dell’aratro (versoio), formata da un’appendice a forma elicoidale o cilindrica, provoca il rovesciamento della fetta di terreno tagliata.

Queste tre parti, unite fra loro, sono portate da un sostegno detto bure. Questo strumento agricolo ha forme e dimensioni diverse secondo il tipo di terreno e i lavori agricoli da compiere: esistono aratri per terreni sciolti o compatti, per lavorazioni profonde o superficiali. Nel giardinaggio l’aratura non è un’operazione molto frequente, infatti è spesso sostituita dalle vangature e dalle ,appature.

Gli aratri di piccole dimensioni possono essere applicati ai motocoltivatori; in questo caso la profondità della lavorazione non supera i 25-30 cm. L’aratura come lavoro di giardinaggio, oltre a rendere più soffice il terreno e arieggiarlo, serve a interrare i concimi organici e minerali e le erbe infestanti. L’aratura si effettua di solito in autunno.

Il cambiamento di stato, o trasformazione, richiede un trasferimento di energia da o verso la sostanza.

Evaporazione ed ebollizione

Evaporazione

E’ il passaggio di una sostanza dallo stato liquido allo stato gassoso.

Ciò si verifica sempre alla superficie libera del liquido ed è legata all’energia cinetica media delle particelle: più è alta, più è facile per la particella vincere le forze di coesione, sfuggire alla superficie del liquido e, trasferendosi nello spazio su di esso, diventare una particella di gas.

Un liquido che evapora perde parte della propria energia perché diminuisce il numero di particelle con alta energia cinetica: l’evaporazione è un processo di raffreddamento.

In particolari condizioni il cambiamento di stato da liquido a gassoso può avvenire anche sotto la superficie libera: si formano bolle di gas che, per il principio di Archimede, salgono verso l’alto e, arrivate in superficie, si rompono e liberano il gas che le forma.

Questo processo è l’ebollizione: pur ricevendo calore, il liquido in ebollizione ha temperatura costante.

Anche questo dunque è un processo di raffreddamento.

Condensazione

E’ il processo opposto all’evaporazione: il passaggio di una sostanza dallo stato gassoso a quello liquido.

Ciò che si è detto per l’evaporazione vale, in senso inverso, anche per la condensazione.

Questo passaggio di stato corrisponde a un processo di riscaldamento della sostanza, poiché le particelle ad alta energia del gas sono attratte e assorbite dalla superficie libera del liquido.

In caso di condensazione, dunque, il bilancio è positivo in entrata (del liquido), mentre nel caso dell’evaporazione è negativo.

Solidificazione, fusione, sublimazione, brinamento

Il passaggio dallo stato liquido allo stato solido si chiama solidificazione: avviene con perdita di energia dal liquido.

Ciò si riflette in una riduzione dell’energia cinetica media delle particelle che lo compongono e che si aggregano in un reticolo solido.

Il processo inverso è la liquefazione o fusione.

In particolari condizioni di pressione, un solido può passare direttamente allo stato gassoso senza passare per lo stato liquido.

Questo processo prende il nome di sublimazione.

Il processo inverso, con passaggio dallo stato gassoso a quello solido, si chiama brinamento.

Energia e cambiamenti di stato

Nel passaggio dallo stato solido a quello liquido e dal liquido al gassoso, una sostanza assorbe energia.

Le transizioni opposte, ovvero dallo stato gassoso allo stato liquido e da liquido a solido, implicano invece la perdita di energia.

Ciascuna sostanza ha una temperatura di fusione e una temperatura di ebollizione caratteristiche, che però cambiano al variare della pressione e del grado di purezza della sostanza.

Per portarla alla fusione o all’ebollizione, bisogna far assorbire a ogni sostanza una specifica quantità di calore per unità di massa: tali quantità si chiamano calore specifici di evaporazione o di fusione.

Queste energie sono restituite nelle transizioni inverse: i passaggi di stato sono sempre reversibili.

Diciamo che il ghiaccio è freddo e il caffè appena fatto è caldo: ciò che misuriamo col tatto è una grandezza fisica scalare detta temperatura, che ci dice quanto è caldo o freddo un corpo rispetto ad un corpo di riferimento.

Per misurare la temperatura si usa il termometro, strumento basato sulla proprietà dei corpi di dilatarsi o contrarsi se rispettivamente, sono riscaldati o raffreddati.

A livello microscopico la temperatura è la misura dell’energia cinetica media delle particelle che compongono il corpo (siano atomi o molecole) e che sono in continuo movimento.

Se riscaldiamo un corpo, aumentiamo l’energia cinetica delle sue particelle; viceversa, se lo raffreddiamo, la diminuiamo.
Sulla base di questa considerazione, i fisici hanno definito una scala di temperatura detta assoluta perché non definita rispetto a un corpo di riferimento, ma basata sull’energia cinetica media delle particelle: dato che l’energia cinetica non può mai essere negativa, allo zero assoluto, una temperatura che non è fisicamente raggiungibile, siamo alla temperatura anche teoricamente più bassa possibile (lo zero assoluto corrisponde allo zero sulla scala Kelvin, e a -273 gradi Celsius).

Il calore

Due corpi a temperatura diversa a contatto, dopo un lasso di tempo adeguato avranno la stessa temperatura.

Globalmente, il corpo caldo ha ceduto parte della sua energia al corpo freddo.

L’energia che si trasmette da un corpo ad un altro a causa di una differenza di temperatura è detta calore.

I corpi non “contengono” calore: esso è legato esclusivamente al passaggio di energia da un corpo ad un altro.

Quando due corpi a contatto raggiungono la stessa temperatura - e il calore cessa di fluire - sono in equilibrio termico.

Un termometro indica sempre la propria temperatura, misurare la temperatura di un corpo con un termometro significa perciò portare lo strumento all’equilibrio termico col corpo.

Per questo i termometri devono essere abbastanza piccoli da non influenzare la temperatura che devono misurare.

Energia interna

L’energia cinetica delle particelle di un corpo non è la sola energia presente nel corpo stesso: c’è l’energia cinetica degli atomi dentro le molecole e c’è l’energia potenziale dovuta alle forze d’interazione fra molecole o fra atomi.

La somma di queste energie si definisce energia interna del corpo.

Se un corpo cede o assorbe calore, la sua energia interna varia a seconda dello stato fisico in cui esso si trova.

Sostanze diverse hanno diversa capacità di assorbire ed immagazzinare energia interna: il calore specifico è la grandezza che misura questa capacità.

In particolare, il calore specifico di una sostanza per definizione è la quantità di calore necessaria per innalzare di un’unità di temperatura l’unità di massa della sostanza.

L’acqua, per esempio, ha un calore specifico più alto di quasi tutte le altre sostanze: per questo, grandi estensioni d’acqua influenzano in modo significativo i climi locali; essa infatti immagazzina lentamente grandi quantità di energia solare che cede con altrettanta lentezza.

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Il PRINCIPIO ZERO si riferisce alla possibilità di definire la temperatura di un oggetto: un corpo caldo ha una temperature più alta di un corpo freddo e se fra i due corpi posti a contatto non c’è passaggio di calore, allora essi hanno la stessa temperatura.

Più rigorosamente, se due corpi A e B sono in equilibrio con un terzo corpo C (termometro), allora lo sono anche fra loro.

Nella sua sostanza, il PRIMO PRINCIPIO afferma che l’energia si conserva. Considerando tutti i contributi dati da flusso di calore, energia interna di un sistema e lavoro compiuto su o dal sistema, la variazione di energia che ha luogo nel sistema stesso durante una trasformazione qualsiasi, è uguale alla quantità di energia che il sistema riceve dall’ambiente (o gli cede).


Il primo principio, perciò, è un’estensione del principio di conservazione dell’energia meccanica: una parte di questa viene sempre dissipata in calore, ma l’energia complessiva sistema - ambiente rimane comunque costante.

Il SECONDO PRINCIPIO afferma che certe trasformazioni avvengono di preferenza in un verso piuttosto che nell’altro.

Il suo primo enunciato, detto enunciato di Kelvin, afferma che non è possibile realizzare una trasformazione dove il solo risultato sia l’assorbimento di calore da una riserva termica e la sua completa conversione in lavoro.

Esso sancisce l’impossibilità di convertire completamente il calore in lavoro: proprio in questa impossibilità sta una fondamentale asimmetria della natura.

L’altro enunciato, noto come enunciato di Clausius, afferma che non è possibile realizzare una trasformazione dove il solo risultato sia il trasferimento di calore da un corpo più freddo a un corpo più caldo.

Ciò esprime l’osservazione, basata sull’esperienza, che qualunque trasformazione naturale che implichi il trasferimento spontaneo di energia (cioè in assenza di un intervento esterno) si sviluppa in modo che il calore fluisca dal corpo caldo al freddo, non viceversa.

Si può dimostrare che i due enunciati sono equivalenti.

Il secondo principio della termodinamica può essere espresso ricorrendo a una grandezza termodinamica, l’entropia, che fornisce, in un certo senso, la misura del disordine di un sistema o, in altre parole, la qualità dell’energia che esso contiene: qualunque trasformazione spontanea è accompagnata da un’aumento dell’entropia complessiva del sistema e dell’ambiente che lo circonda (questo è l’enunciato formale del secondo principio, che riassume i precedenti enunciati).

Benché la quantità totale di energia si conservi, come sancisce il primo principio, ciò che si modifica irreversibilmente è la sua qualità.

In altre parole l’energia non si crea né si distrugge ma si deteriora, nel senso che una frazione sempre minore della stessa quantità di energia rimane utilizzabile.

Il secondo principio indica proprio la direzione verso la quale si muovono i vari processi di trasformazione naturale dell’energia affinché essa si deteriori sempre più.

Questa è la freccia del tempo: esso scorre inesorabilmente nella direzione in cui l’energia si degrada.

Il TERZO PRINCIPIO si occupa del comportamento della materia a bassa temperatura, affermando in particolare che non è possibile raggiungere la temperatura dello zero assoluto con un numero finito di passaggi.

Più semplicamente, volendo raffreddare la materia indefinitamente, riusciremo a farle raggiungere lo zero assoluto solo dopo un tempo infinitamente lungo.

A parte la fissione, esiste anche un altro processo nucleare in grado di produrre energia: la fusione. Qualsiasi sistema di particelle che passa da uno stato di maggiore a uno stato di minore energia libera energia tipicamente sotto forma di energia cinetica delle particelle risultanti e di energia radiante, cioè fotoni ad alta energia, come i raggi γ (gamma).

La fissione è un processo che, alzando l’energia di legame per nucleone, permette questo passaggio: l’energia di legame dei nuclei risultanti, infatti, è maggiore di quella dei nuclei che subiscono la fusione. In altre parole, i nuclei di arrivo sono più stabili di quelli di partenza.

Per la fusione sui nuclei leggeri si può fare un ragionamento analogo a quello sulla fissione di nuclei ad alto numero di massa: poiché infatti la massima energia di legame per nucleone si ha per un numero di massa attorno a 56, è possibile produrre energia – cioè attivare una reazione esoergonica – combinando due o più nuclei leggeri per formare un nucleo con numero di massa intermedio, che ha maggiore energia di legame rispetto ai nuclei di partenza (vuol dire che il legame è più forte, quindi ci vorrebbe più energia per spezzarlo).

A differenza della fissione, nella fusione è necessario che i nuclei reagenti abbiano un’energia sufficiente a superare le reciproche barriere di potenziale coulombiano generate dal fatto che ciascun nucleo ha un certo numero di protoni ( almeno uno, nel caso dell’idrogeno) che, avendo carica positiva, si respingono tra loro: perché si verifichi la fusione nucleare occorre vincere l’intensa forza di repulsione elettrostatica fino a portare i nuclei ad una distanza tale da sottoporli all’azione attrattiva della forza nucleare forte.

E’ chiaro che l’effetto della repulsione coulombiana è minore se i nuclei hanno un basso numero di protoni, cioè se sono nuclei con Z (numero atomico) piccolo. Ecco il motivo per cui il nucleo più usato nei processi di fusione, siano essi naturali come quelli che si verificano nelle stelle o artificiali come quelli riprodotti in laboratorio, è appunto quello dell’idrogeno (1H), insieme ai sue due isotopi, deuterio (2H) e tritio (o trizio, 3H).

La sorgente di energia del Sole e della maggior parte delle stelle è proprio la fusione di quattro protoni (quattro nuclei d’idrogeno) in un nucleo di elio; essa passa attraverso alcune fasi intermedie corrispondenti alla produzione di nuclei di deuterio (o deutoni) che liberano ognuno un po’ d’energia.

Tale reazione si chiama catena protone – protone: perché si realizzi occorre che i protoni si muovano a velocità sufficientemente elevate da superare la barriera elettrostatica. Ciò si verifica a temperature molto elevate, a partire da circa 107 K: proprio perché indotte dalla temperatura, queste sono dette reazioni termonucleari.

In generale la fusione è più efficiente della fissione, nel senso che libera più energia per nucleone. Un suo impiego nella produzione di energia d’uso civile sarebbe auspicabile anche perché non lascia residui radioattivi inquinanti.

Sebbene siano già stati ottenuti processi di reazione termonucleare controllata e incontrollata (nell’esplosione delle bombe termonucleari a fusione, il cui innesco è dato da una bomba a fissione), non si è ancora riusciti a costruire un reattore a fusione efficiente, in grado di produrre più energia di quella consumata per alzare la temperatura dei nuclei da fobdere e per tenerli confinati in uno spazio ristretto in cui farli reagire.

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Studiando la struttura dei nuclei atomici

Ciò implica che, spezzando un nucleo con numero di massa molto alto in nuclei più leggeri (ma comunque più pesanti di ferro e nickel) si può produrre energia. In particolare, poiché l’energia di legame per nucleone di un nucleo pesante (A= ~240) è ~7,5MeV (eV = elettronvolt, unità di misura di energia molto usata in fisica nucleare e delle particelle), mentre quella di un nucleone di un nucleo con A = ~120 è ~ 8,5 MeV, scindendo il primo nucleo in due frammenti di circa la metà della massa di questo otteniamo un aumento dell’energia di legame. L’energia liberata sta proprio in questa differenza: il processo di frammentazione di un nucleo pesante in due nuclei più leggeri, detto fissione nucleare, è una reazione esoergonica cioè che libera energia.

Anche se energeticamente vantaggiosa, la scissione spontanea di un nucleo pesante ha una bassissima probabilità di verificarsi: il nucleo di uranio-235 (235U), per esempio, si scinde per decadimento α con un tempo di dimezzamento di oltre 700 milioni di anni. Tuttavia è possibile accelerare il processo di fissione fornendo energia addizionale al nucleo, tramite un urto con un neutrone il quale, essendo neutro, attraversa senza problemi la barriera coulombiana data dalla carica elettrica dei protoni presenti.

L’assorbimento del neutrone induce il nucleo a scindersi rapidamente (in circa 10-21 secondi) in due nuclei più leggeri, detti frammenti o prodotti di fissione, i quali, a loro volta, sono radioattivi per eccesso di neutroni e decadono spontaneamente con emissione di elettroni (decadimento β-).

Reazioni a catena

Una tipica reazione di fissione del 235U è:

235U + 141Ba + 92Kr + 3n

dove n indica neutrone/i, 141Ba l’isotopo 141 del bario e 92Kr l’isotopo 92 del kripton. Il processo di fissione del 235U libera più neutroni (in media 2,5) di quanti ne servano per attivarlo. Perciò se i neutroni liberati sono assorbiti da altri nuclei di 235U si può attivare una serie di eventi di fissione che si autosostiene: questo fenomeno è detto “reazione a catena”. Controllando l’ambiente in cui si trovano i nuclei che subiscono la fissione è possibile far sì che ciascun evento di fissione liberi in media un solo neutrone che provoca un’altra fissione.

In queste condizioni la reazione a catena si mantiene stabile e la produzione di energia nell’unità di tempo è costante: la reazione di fissione a catena controllata è alla base del meccanismo di funzionamento dei reattori nucleari impiegati per produrre energia d’uso civile.

La quantità di nuclei di fissione per cui la reazione a catena si mantiene stabile è nota come massa critica. Essa dipende da vari fattori: dalle proprietà nucleari del materiale fissile (per esempio la sua capacità di assorbire neutroni), dalle sue proprietà fisiche (in particolare la densità), dalla sua forma o da altro ancora.

Se il numero di neutroni è maggiore di uno le fissioni aumentano esponenzialmente: in questa situazione incontrollata si arriva rapidamente alla liberazione esplosiva dell’energia prodotta dalla catena, la bomba atomica.

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L’uomo si è sempre domandato quale fosse la sua origine e in cosa consistesse la sua essenza. A questo proposito sono state formulate numerosissime teorie, fra le quali le più importanti sono la Teoria Del Big Bang e la Teoria Delle Stringhe. In Questo articolo parlerò proprio di quest’ultima.

La teoria delle stringhe nasce negli anni ‘70 per rispondere ai cinque grandi problemi tuttora insoluti della fisica teorica: combinare la meccanica quantistica (che descrive le particelle submicroscopiche) con la Teoria della Relatività generale (che si applica allo spazio-tempo su scale cosmologiche); capire come il processo di osservazione influenza l’oggetto osservato in meccanica quantistica; determinare un’unica entità fondamentale che unifichi tutte le particelle e forze conosciute; spiegare i valori numerici delle costanti della natura (come la costante gravitazionale di Newton) e capire l’origine della materia oscura e dell’energia oscura scoperte in cosmologia.

L’idea di base di questa teoria cosmologica è di rimpiazzare tutte le particelle subatomiche con un’unica entità, la stringa, immaginata come un microscopico filamento in vibrazione. Come le corde di una chitarra danno note differenti in dipendenza di come vengono pizzicate, così le diverse modalità di vibrazione delle stringhe darebbero origine alle diverse particelle che osserviamo nell’universo: elettroni, protoni, neutroni e così via.

Inoltre, le stringhe possono essere aperte (una linea con due capi) o chiuse (a formare un anello), e i due tipi di stringa desscrivono tra loro le forze della natura, fra cui anche la gravità. In questo modo la gravità, che secondo Einstein sarebbe collegata alla geometria dello spazio-tempo, viene unificata con tutte le altre forze e particelle, senza bisogno di aggiungerla ad hoc come in altre teorie.

Molto presto le stringhe si rivelano complicatissime da descrivere matematicamente, e fra le pieghe dei più ardui calcoli i fisici scoprono che la teoria può essere formulata solo in un universo a 26 dimensioni, che ovviamente non è il nostro.

In seguito, ulteriori studi riducono il numero di dimensioni a 10 o 11, e oggi si ritiene che le “dimensioni supplementari invisibili siano arrotolate su se stesse in modo da sfuggire alla nostra osservazione. Ma esiste un numero enorme di diversi modi di arrotolare le dimensioni invisibili, a cui corrisponde un vastissimo numero di universi differenti.

La teoria cosmologica delle stringhe si è dunque ridotta a cercare di localizzare il nostro universo nell’immenso panorama delle soluzioni possibili. Un compito irrealizzabile, perchè anche se un esercito di fisici analizzasse un miliardi di miliardi di possibili soluzioni al secondo, l’intera vita dell’universo sarebbe sufficiente a esplorare solo un angolo infinitesimale del panorama.