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Piercarlo ROMAGNONIDorsoduro 220630123 Venezia 041 257 12 93
energia – lavoro e potenza
La Forza… ciò che è in grado di modificare la forma, lo stato di quiete o di moto di un sistema
Unità di misura: Newton [N]
Isaac Newton (1642 – 1727)
IIa legge della dinamica
F = m a
Sibi gratulentur mortalestale tantumque exstitissehumani generis decus
La Forza
Prima leggeUn corpo permane in uno stato di quiete o di moto rettilineo uniforme (accelerazione nulla) quando è lasciato a se stesso (la risultante delle forze agenti su di esso è nulla):
a = 0 se Fris = 0
Seconda leggeLa forza agente su di un corpo è data dal prodotto della massa del corpo M per la sua accelerazione a (grandezza vettoriale)
F = M a
Terza leggeQuando due corpi interagiscono, la forza esercitata dal corpo A sul corpo B è uguale ed opposta alla forza esercitata dal corpo B sul corpo A:
FAB = - FBA
Forza peso = massa x acc. gravità = m g
Si misura in Newton [N]
o in kilogrammoforza [kgf]
1 kgf = 9,81 N
Ma…
come posso generare una forza?
forze agenti sulla superficie o sui confini del corpo inoggetto (forze di superficie, surface forces)
forze che agiscono sul corpo (body forces)
Esistono in natura forze che sono generate da«campi» esterni al corpo
Somma e sottrazione di Forze
F2F1
F3 = F1 + F2
F2
-F2
F1
F3 = F1 + (- F2)
a
L’energia - lavoroLa forza applicata ad un corpo origina energia (lavoro meccanico)
La definizione di energia (Oxford Dictionary)
Ability of matter or radiation to do work because of its motionor its mass or its electric charge
Hermann (von) Helmholtz (1821 - 1894) enunciò la leggegenerale sull’energia (Über die Erhaltung der Kraft, 1847):
… energia è qualunque entità che possa convertirsi da unaforma ad un’altra …
l’energia è indistruttibile
“La materia e la forza sono astratte dalla realtà e formate inmodo del tutto uguale; e noi possiamo percepire la materiaproprio soltanto attraverso le forze, insite in essa, ma mai in sée per sé”
Energia in termodinamica
Ogni particella elementare possiede quindi una certa energiacinetica, potenziale, di interazione; in altre parole è dotata dienergia a livello microscopico che non risulta evidente alivello macroscopico.
La somma di tutte le forme di energia microscopiche chepossono essere descritte solo entrando nel merito dellastruttura della materia viene detta energia interna.
Si può pertanto dare la seguente definizione:
“La somma di tutte le forme di energia microscopiche, o inaltre parole legate alle proprietà delle singole particelleelementari e alle loro interazioni, che costituiscono unsistema è detta energia interna”.
Energia Bilancio
In termini generali, individuato un volume di controllo o una massa di controllo, per una grandezza G che si conserva all’interno di tale sistema, anche intuitivamente si può scrivere il seguente bilancio:
Entrata G – Uscita G + Produzione G – Consumo G = Accumulo di G nel sistema dal sistema nel sistema nel sistema nel sistema
Materia massa [kg]
Movimento spostamento [m]velocità [m/s]
Radiazione carica (elettromagnetismo)
posso trasmettere energia a distanza (e nel vuoto)
La materia: la massa
La massa può essere definita come proprietàcaratteristica di ogni particella, che ne determina ilcomportamento quando questa interagisce con altreparticelle e determina l'entità delle sue interazionigravitazionali.
L L
La materia 1
massa e materia
Essa intuitivamente può essere definita come la misura della quantità di materia di un corpo.
Una definizione più precisa può essere data a partire dalla dinamica dei corpi e in particolare riferendosi alla seconda legge della dinamica
F = ma
La massa, m, di un corpo può essere quindi definita proprio come la costante di proporzionalità tra forza applicata su di esso e accelerazione sviluppata.
Se a = g = 9,81 m/s2 F = Fpeso
La materia 2
Una grandezza derivata legata alla massa è la densità, , la quale rappresenta la massa dell’unità di volume:
3m
kg
V
mDensità di alcune sostanze
Sostanza densità (a 293 K), [kg/m3]
aria 1,21
etanolo 783
petrolio 820
olio 910
acqua 1000
alluminio 2700
ferro 7870
piombo 11340
mercurio 13560
oro 19300
platino 21450
Volume specifico v [m3/kg]: v = 1/
La materia
Quanto vale la pressione atmosferica in termini di altezza [m] di un fluido?
Acqua (densità = 1000 kg/m3)
p = 101 325 N/m2 = ∙ g ∙ h = 1000 ∙ 9,81 ∙ h
h = 10,33 m
Mercurio (densità = 13560 kg/m3)
p = 101 325 N/m2 = ∙ g ∙ h = 13560 ∙ 9,81 ∙ h
h = 0,761 m = 761 mm
La massa è legata al concetto di quantità di materia che:
a) occupa un certo volume [kg]
b) passa attraverso una definita sezione (porzione) di confine diun Sistema termofisico
In questo secondo caso si definisce la “portata” di massa [kg/s]come quantità di materia che attraversa una sezione nell’unità ditempo. Es. portata di combustibile di una caldaia
Energia nella massa: reazioni nucleari
DE = Dm c2
c = 2,99793 · 108 m/s
Se un elettrone passa da un’orbita ad un’altra emette o assorbe un “quanto” di energia DE.
DE = h n
h = 6,6256 · 10-34 J · s = costante di Planck n = frequenza della radiazione [1/s] = [Hz]
La materia 4
Lavoro = forza x spostamento(energia meccanica)
L’unità di misura derivata che corrisponde aquesta relazione, e che si esprime nelle unità dimisura (kg m2)/s2, è detta Joule in onore diJames Prescott Joule (1818-1889).
La forza F viene applicata al suo baricentro pertrascinarlo lungo un piano facendogli compiereuno spostamento s.
La direzione della forza forma con la direzione del moto un angolo .
Il movimento 1
Lavoro = momento x spostamento angolare(energia meccanica, moto rotatorio)
Una forza applicata nel punto non vincolato di uncorpo ne provoca la rotazione se il corpo risultavincolato
forza
asse
La chiave dinamometrica è una chiave di manovra a serraggiocontrollato usata per il serraggio di viti, dadini e bulloni al giusto valoredi coppia.
La chiave dinamometrica è impiegata quando il serraggio è importanteper non danneggiare il filetto o per garantire l'omogeneità del carico inuna parte meccanica tenuta in sede da più viti o bulloni.
La misura del lavoro
1 J = F ∙ s = N ∙ m
1kWh = 3 600 000 J = 1000 J /s x 3600 s/h
Il movimento 2
Potenza meccanica
Una caratteristica importante del lavoro compiuto da una forza è la rapidità con cui esso è stato eseguito, questo concetto viene espresso in termini fisici dalla grandezza fisica che va sotto il nome di potenza.
Se durante un intervallo di tempo D è eseguito il lavoro L, la potenza media impiegata è:
D
LP
Il movimento 3
https://www.youtube.com/watch?v=S4O5voOCqAQ
Elettrostatica e carica elettrica
La struttura corpuscolare delle cariche elettriche q fa sì che esse si possano muovere, separare tra loro, accumulare, generando così differenze di potenziale tra cariche di segno opposto.
Si è constatato per tutti i fenomeni naturali che la carica totale di un sistema isolato rimane invariata(principio di conservazione della carica elettrica).
La carica (elettrica) 1
Elettrostatica e carica elettrica
2bomCoulr
'qqkF
q, q' = cariche elettricher = distanza [m]k = costante = 8,9874 109 (N m2 )/ C
La carica elementare è pari ae = 1,6021 10-19 Coulomb(è la carica del protone e dell'elettrone)
La carica (elettrica) 2
1.hollow metallic sphere (with positive charges)
2.electrode connected to the sphere, a brush ensures contact between the electrode and the belt
3.upper roller (Plexiglass)
4.side of the belt with positive charges
5.opposite side of the belt with negative charges
6.lower roller (metal)
7.lower electrode (ground)
8.spherical device with negative charges, used to discharge the main sphere
9.spark produced by the difference of potentials
Il potenziale elettrico: il volt [V]
Una particella carica, posta in un campo elettrico,a causa dell'interazione con il campo, possiedeenergia potenziale Ep.
Il potenziale elettrico V in un punto è definitocome l'energia potenziale Ep posseduta da unacarica unitaria posta in quel punto:
q
EV p
La carica (elettrica) 3
Una corrente elettrica consiste di un flusso di particelle cariche. L'intensità di una corrente elettrica I è definita come la carica elettrica che fluisce nell'unità di tempo attraverso la sezione di una regione di spazio attraversata dalla corrente.
Detto N il numero di particelle cariche, si avrà pertanto che:
Corrente elettrica
DqN
I
La carica (elettrica) 4
Se N particelle, ciascuna di carica q, si muovono nel tempo D attraverso una differenza di potenziale DV, la variazione di energia subita da ciascuna particella è pari a (q DV) e quindi, l'energia totale acquisita dalle particelle cariche è: (N q DV).
La potenza P necessaria a mantenere le particelle in moto sarà pari all'energia sull'unità di tempo, ovvero:
P = I DV
La carica (elettrica) 5
DV = R I
P = R I2 Legge di OHM
Watt = Ohm [W] Ampère [A]2
= Ohm (Coulomb/ secondi)2
= Volt Ampère = Volt Coulomb/secondi =
= (Joule/Coulomb) * (Coulomb/secondi)
La carica (elettrica) 6
La bolletta dell’energia elettrica fornisce i consumi realizzati
Valutare i kWh consumati in una giornata “tipo” in casa
La carica (elettrica) 7
La direttiva 92/75/CEE ha stabilito la necessità di applicareun’etichetta energetica ai principali elettrodomestici.
Nel 1994 è stata emanata la prima direttiva specifica.
La legislazione europea è stata poi recepita in ciascuno deipaesi dell’Unione Europea.
Così in Italia nel 1998 è stato introdotto l’obbligodell’etichettatura energetica per frigoriferi e congelatori, damaggio 1999 è stata introdotta l’etichetta per le lavatrici, dagiugno 2000 quella per le lavastoviglie, da luglio 2002 èobbligatoria l’etichetta per le lampade ad uso domestico eda luglio 2003, infine, sono state introdotte le etichette per iforni elettrici e i condizionatori.
Energia elettrica e luce
La carica (elettrica) 8
Definizioni• Primary energy – Energia primaria come si trova
in natura (carbone, petrolio, gas naturale)• Secondary energy – Energia secondaria è energia
che è stata convertita da energia primaria ad un’altra forma (eletticità, prodotti di raffineria dapetrolio, gas naturale processato)
• Tertiary energy – Energia terziaria: corrispondead uno o più step nella catena – energia nell’usofinale (ad esempio luce, calore, raffrescamento, potenza meccanica)
Conversioni:
• Secondary energy = primary energy x conversion efficiency
• Pertanto, dato un certo valore di energiasecondaria, per avere l’ammontare di energiaprimaria richiesta, si divide l’entità di energiasecondaria per il coefficiente di conversione
Con il termine rendimento, viene valutato il rapporto:
h = E2/E1
dove E2 = energia uscente dalla trasfomazione;E1 = energia entrante nella trasformazione
Il rendimento può essere espresso anche in termini di rapporti di Potenza
Nel caso di una macchina termica l’energia uscente è energiameccanica, l’energia entrante è energia termica
Processi di conversione dell’energia e le macchine termiche
Sorgenti naturali di energia- combustibile fossile- uranio- calore geotermico- radiazione solare
Energia utilizzabile- energia elettrica- calore a bassa temperatura
Esempi di efficienze di conversioneGeneratori elettrici m e 98 - 99 %Turbine a vapore t m 35 – 40 %Caldaie a gas c t 90 – 96 %Bulbo lampada a incandescenza e r 1 – 5 %Lampada fluorescente e r 10 – 12 %Muscolatura mammiferi c m 15 – 20 %
Potenza meccanica
Moto rettilineo
Rotazione
Cinetica
Potenziale
Potenza termica
Potenza elettrica
wFWPm
MWPm
2
2wmPk
VIPel D
tcmqPt D
hgmP p D