Le energie non rinnovabili
L'energia è la capacità di un corpo o di un sistema di compiere un lavoro. Quasi tutta l’energia disponibile sulla Terra proviene dal Sole. I vegetali fissano l’energia solare tramite il processo della fotosintesi, con il quale producono materia organica. È grazie a questo meccanismo che ritroviamo oggi nel sottosuolo i combustibili fossili: il carbone, il petrolio e il gas naturale.
Si può trasformare in energia tutto ciò che la natura ha già immagazzinato (fonti esauribili) oppure si può utilizzare ciò che la natura fornisce liberamente (fonti rinnovabili).
Le risorse esauribili (carbone, petrolio, metano) sono limitate nel tempo, possono essere sfruttate facilmente e sono spesso causa di inquinamento ambientale.
Le risorse rinnovabili (sole, acqua, vento) sono illimitate nel tempo ma danno bassi rendimenti e costi più alti.
I combustibili sono quei materiali che, bruciando in presenza di ossigeno, producono calore. Il carbone, il petrolio e il gas naturale vengono comunemente chiamati combustibili fossili a causa della loro origine. Essi sono:
la legna da ardere. Può essere classificata tra le risorse energetiche rinnovabili, solo se considerata come fonte energetica non esclusiva.
i carboni fossili. Derivano da una lenta e graduale decomposizione che ha subito il legno nel corso dei secoli. I giacimenti di carbone si possono trovare a cielo aperto o, più spesso, scavando gallerie e pozzi. Il carbone è stato per molti decenni la principale fonte energetica mondiale, fino a quando non è stato superato dal petrolio.
il petrolio. Il petrolio naturale o greggio è un liquido oleoso, più o meno denso. Si trova comunemente negli strati profondi della crosta terrestre. Attualmente il petrolio è la più importante risorsa energetica mondiale.Tra i derivati del petrolio, separati in raffineria, la benzina, il kerosene e il gasolio forniscono energia per il trasporto; l’olio combustibile è invece utilizzato per produrre energia elettrica nelle centrali termoelettriche.
Il gas naturale o metano. È la più pulita risorsa energetica fra i combustibili fossili. La sua origine è legata a quella del petrolio ed è utilizzato per produrre energia elettrica nelle centrali termoelettriche e per produrre energia termica nell’industria, negli usi domestici e civili (cucine a gas, riscaldamento).
Le centrali termoelettriche utilizzano carbone, olio combustibile e gas metano per produrre energia elettrica. In queste centrali il combustibile, bruciando, sviluppa calore.
Nelle centrali a turbogas si sfrutta un getto d’aria calda che, a una certa pressione, aziona le pale di una turbina. Vengono alimentate con il gasolio e il gas metano.
Due sono i processi che possono produrre energia nucleare: la fissione nucleare e la fusione nucleare.
La fissione nucleare consiste nella disintegrazione del nucleo dell’atomo di uranio per mezzo di piccolissime particelle (neutroni) che lo colpiscono e lo dividono in due nuclei più leggeri. Durante questo processo una parte della materia si trasforma in energia. Nel reattore di una centrale nucleare dove si trova il combustibile, formato da pastiglie di uranio, avviene una fissione controllata. Il vapore prodotto dal calore del processo fa ruotare una turbina, collegata a un generatore di corrente: si ottiene così energia elettrica.
La fusione nucleare consiste nell’unione di nuclei di atomi leggeri per formare nuclei più pesanti. La fusione nucleare controllata è ancora allo stato sperimentale.
Le energie rinnovabili
L'energia idroelettrica è prodotta dalla caduta delle acque di fiumi e torrenti, raccolte in grandi bacini artificiali, creati sbarrando le valli con le dighe. L’acqua mette in rotazione le turbine collegate ai generatori elettrici. Gli impianti di trasformazione dell’energia elettrica si chiamano centrali idroelettriche.
L'energia geotermica, purché piova, è praticamente inesauribile e il suo sfruttamento non produce emissioni di gas che causano l’effetto serra. In una centrale geotermoelettrica il vapore naturale fa muovere una turbina collegata a un alternatore che genera corrente elettrica.
L’energia solare è pulita e inesauribile, distribuita su tutto il globo terrestre. Per la produzione di calore a basse temperature (inferiori ai 100 °C) si utilizzano pannelli solari, si possono così produrre acqua calda per usi sanitari e aria calda per usi agricoli e industriali. Le celle fotovoltaiche trasformano direttamente l’energia luminosa dei raggi solari in energia elettrica. La produzione di calore ad alta temperatura avviene nelle centrali solari.
La macchina che trasforma l’energia del vento in energia elettrica è il generatore eolico. Le pale trasformano parte dell’energia cinetica del vento in energia meccanica. Il rotore aziona il generatore elettrico.
I metodi più efficaci per ricavare energia dall’oceano sono:
sfruttare il movimento delle onde;
sfruttare le maree;
sfruttare direttamente la grande quantità di energia termica immagazzinata negli oceani.
Le biomasse si ottengono sia dagli scarti e dai residui delle attività agricole, sia da coltivazioni indirizzate alla produzione di energia. I rifiuti organici degli animali e gli scarti dei prodotti agricoli, se sottoposti a fermentazione, producono biogas. Il bioetanolo è un combustibile a base alcolica prodotto dalla fermentazione e dalla distillazione della biomassa. Il biodiesel è un combustibile sicuro e biodegradabile e può contribuire a ridurre l’inquinamento dell’aria. Può essere prodotto da oli vegetali e da grassi riciclati. Gli oli vegetali vengono estratti da semi di mais, girasole, colza, soia e altri ancora.
Lo smaltimento dei rifiuti mediante una combustione ad alta temperatura (incenerimento) può fornire energia elettrica e anche calore.
L'idrogeno non è una forma di energia primaria, bensì un vettore energetico, cioè uno strumento per trasportarla. Nei prossimi anni si prevede un utilizzo sempre maggiore dell’idrogeno sui mezzi di trasporto, grazie all’utilizzo della cella a combustibile.
Le onde radio
Le onde radio sono onde elettromagnetiche generate da una corrente alternata che percorre un filo conduttore. Queste onde si propagano intorno, allontanandosi dal punto di origine, in modo analogo a quello delle onde sulla superficie di uno stagno dopo aver gettato un sasso. Per questo possono essere usate per trasmettere segnali (telefoni cellulari, comunicazioni tra aerei, radar,...).
Magnetismo ed elettromagnetismo
In una calamita esistono due zone chiamate poli magnetici, in cui si avverte molto la forza magnetica. Se si avvicinano due calamite, i poli con lo stesso segno si respingono, mentre i poli con segno opposto si attraggono. Una calamita genera attorno a sé un campo magnetico. Anche un filo percorso da una corrente elettrica genera intorno a sé un campo magnetico. Se si avvolge il filo attorno a un nucleo di materiale ferromagnetico si ottiene un'elettrocalamita. Se si muove una spira di filo conduttore nelle vicinanze di una calamita, si genera una tensione elettrica ai capi della spira. Questo effetto si chiama induzione elettromagnetica ed è alla base del funzionamento delle macchine che trasformano l’energia meccanica in energia elettrica (alternatori e dinamo).
Radioaiuti alla navigazione
Sin dai primi decenni del Novecento sono stati messi a punto e utilizzati sistemi di aiuto alla navigazione grazie ai quali aerei e navi potevano determinare la propria posizione e stabilire la rotta da seguire: il più noto è il radar, basato sull’eco proveniente dagli oggetti bersaglio. Il più recente sistema di navigazione è quello denominato GPS: si basa sui segnali che ciascun satellite invia continuamente verso terra. I ricevitori per GPS sono in grado di indicare non solo la posizione ma anche altri dati utili a chi è in viaggio: la rotta da seguire, la velocità e la direzione.
Tensione e corrente elettrica
Se abbiamo due oggetti conduttori, di cui uno con carica elettrica positiva e l’altro con carica elettrica negativa, possiamo dire che fra loro esiste una differenza di potenziale elettrico, comunemente chiamata tensione elettrica. La tensione elettrica si misura in volt. Se colleghiamo i due oggetti con un filo di metallo, le cariche passeranno dall’uno all’altro fino a stabilizzarsi, ma se aggiungiamo tra i due oggetti uno strumento capace di generare cariche elettriche, queste continueranno a passare da un oggetto all’altro. Questo tipo di strumento si chiama generatore elettrico. Le pile sono generatori di corrente che utilizzano reazioni chimiche per fornire energia elettrica. Ai due estremi sono presenti cariche elettriche di segno diverso. Se si uniscono i due estremi, chiamati elettrodi, con un filo di metallo, attraverso di esso inizia a passare corrente.
Il telefono
Il telefono fisso tradizionale è collegato da una coppia di fili alla centrale locale di commutazione, che mette in collegamento l’apparecchio telefonico da cui proviene la chiamata con quello chiamato. Una rivoluzione nel campo delle comunicazioni si è avuta con la diffusione dei telefoni cellulari; i telefoni mobili sono molto usati anche per trasmettere dati, in particolare per connettere i PC alla rete Internet. Questi telefoni più evoluti sono detti smartphone.
ScienzeUnità 2
COME È FATTA UNA CELLULA
Tutti gli esseri viventi sono composti da cellule. Tutte le cellule sono composte da:
una membrana cellulare esterna;
dal citoplasma, in cui vi sono gli organelli, che compiono le funzioni vitali della cellula;
dal nucleo, che contiene le istruzioni per svolgere le funzioni cellulari sotto forma di molecole di DNA.
Alcuni tipi di cellule non hanno questa struttura. I batteri sono organismi Alcuni tipi di cellule non hanno questa struttura. I batteri sono organismi molto semplici e la loro cellula non possiede un nucleo strutturato: il loro DNA è libero nel citoplasma. In questo caso la cellula si chiama procariote.Negli altri organismi viventi (piante, animali, funghi) le cellule hanno il DNA dentro il nucleo, separato dal citoplasma. In questo caso, la cellula si chiama eucariote.
LA STRUTTURA DELLA CELLULA ANIMALE
La cellula animale è composta da diverse strutture.
La membrana cellulare, che la protegge, lascia entrare
le sostanze utili e blocca le sostanze dannose.
il citoplasma, una sostanza gelatinosa che contiene gli organelli. Gli organelli sono:
i mitocondri, in cui avvengono le reazioni chimiche necessarie per fornire energia alla cellula;
i lisosomi, che distruggono le sostanze nocive per la cellula;
i ribosomi, che formano le proteine necessarie per la crescita della cellula;
l’apparato di Golgi, che immagazzina le sostanze prodotte dalla cellula;
Il nucleo, il centro di comando da cui partono le istruzioni per il funzionamento della cellula. Queste istruzioni in codice sono contenute nel DNA.
LA STRUTTURA DELLA CELLULA VEGETALE
La cellula vegetale è composta dalle stesse strutture dalla cellula animale.
Ci sono però alcune differenze:
nella cellula vegetale non ci sono i lisosomi;
la parete della cellula vegetale è rigida ed è formata da cellulosa;
all’interno ci sono i cloroplasti, organelli che contengono la clorofilla. Questa sostanza di colore verde utilizza l’energia della luce del Sole per nutrire la pianta: trasforma l’acqua e l’anidride carbonica assorbite dalla pianta in zucchero. Questa funzione si chiama fotosintesi clorofilliana;
all’interno della cellula c’è inoltre il vacuolo, che contiene acqua, sali minerali e sostanze di riserva.
COME FUNZIONA LA MEMBRANA CELLULARE
La membrana cellulare regola in diversi modi gli scambi
di sostanze tra l’interno e l’esterno:
le molecole di piccole dimensioni come i gas (ossigeno, anidride carbonica) attraversano la membrana per diffusione, cioè si spostano dalle zone in cui sono più concentrate verso quelle in cui sono meno concentrate. Un particolare tipo di diffusione è l’osmosi, che riguarda l’acqua;
le molecole di maggiori dimensioni sono trasportate all’interno della cellula da vettori, cioè particolari proteine della membrana che si spostano insieme alle molecole che trasportano;
alcune sostanze sono introdotte attraverso l’endocitosi: la membrana forma una cavità che si richiude quando vi penetrano le molecole oppure crea dei prolungamenti che catturano le molecole verso l’interno. Il processo contrario si chiama esocitosi.
LA RIPRODUZIONE DELLE CELLULE
La riproduzione delle cellule dipende dal DNA, che contiene le informazioni sul funzionamento della cellula da trasmettere alle nuove cellule.Nella cellula procariote il DNA forma un unico cromosoma che si duplica quando la cellula sta per dividersi. Le due copie si allontanano, la membrana cellulare si divide e si formano due cellule figlie.Nella cellula eucariote la riproduzione avviene attraverso un processo che si chiama mitosi (divisione della cellula): Nella cellula eucariote la riproduzione avviene attraverso un processo che si chiama mitosi (divisione della cellula):
il DNA all’interno del nucleo si duplica e si organizza formando coppie di cromosomi uguali;
le coppie si dividono e ogni cromosoma di ciascuna coppia si porta alle due estremità
opposte della cellula;
intorno a ciascuno dei due gruppi di cromosomi
si forma una nuova membrana nucleare;
il citoplasma si divide in due parti uguali
e si originano due nuove cellule.
Queste cellule sono identiche tra di loro
e alla cellula di partenza.
Videolezioni di Geometria
In questa sezione trovi le videolezioni presenti in apertura di ogni unità relative al volume 1
