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Energia termica
Che cos'è l'energia termica?
Data di pubblicazione: 8 marzo 2024
Collaboratori: Tom Krantz, Alexandra Jonker
L'energia termica si riferisce all'energia creata all'interno di un sistema dal movimento casuale di molecole e atomi. Quando il movimento aumenta, si produce più energia. Questa energia viene trasferita sotto forma di calore.
Il flusso di energia termica da un sistema all'altro è la base per un ramo della fisica nota come termodinamica. Gli scienziati hanno fatto passi da gigante in tutte le scienze fisiche grazie alle scoperte nel campo della termodinamica. Oggi, questi risultati stanno contribuendo ad alimentare una nuova era di alternative energetiche.
In questa pubblicazione, abbiamo deciso di riportare le linee guida per assisterti nel tuo approccio alla rendicontazione ESG.
L'origine del termine "energia termica" risale all'antichità (circa 500 AC). Tuttavia, la sua scoperta è spesso attribuita a James Prescott Joule, un fisico inglese del XIX secolo, matematico e birraio.
Joule sperimentò la conversione meccanica dell'energia e notò che più manipolava la velocità di una sostanza, più questa diventava calda. Osservando i cambiamenti nella temperatura attraverso l'attrito e le reazioni chimiche, Joule scoprì che l'energia può manifestarsi sotto diverse forme, come ad esempio il calore, e che c'era una correlazione diretta tra calore e lavoro meccanico (energia trasferita a o da un oggetto applicando la forza).
Joule e le sue scoperte sono state accolte con scetticismo nel corso della sua carriera. Eppure, ora misuriamo la quantità di lavoro prodotta da un sistema in joule, un'unità di energia all'interno del Sistema Internazionale di Unità (unità SI). Le sue scoperte hanno aperto la strada alla legge di conservazione dell'energia, ovvero che l'energia totale di un sistema isolato rimane costante. Questa scoperta ha portato alla creazione della prima legge della termodinamica.
Tra le quattro scienze fisiche, la termodinamica è un ramo della fisica che si concentra su calore, lavoro e temperatura ed esplora il loro rapporto con energia, entropia e proprietà fisiche come materia e radiazione. I comportamenti osservati tra questi elementi sono regolati da quattro leggi:
Inizialmente, la legge zero non era vista come una legge della termodinamica separata poiché è implicita nelle altre tre leggi. Si concentra sull'equilibrio termico, ovvero quando due oggetti vicini raggiungono la stessa temperatura e non si scambiano più energia termica (si pensi all'acqua calda e a una tazza fredda che raggiungono entrambe la temperatura ambiente). La legge afferma che se due sistemi sono ciascuno in equilibrio termico con un terzo, sono anche in equilibrio termico tra loro. In molti modi, la legge zero opera come una proprietà transitiva.
Presentata come formula, la prima legge della termodinamica è un'espressione della legge sulla conservazione dell'energia. Afferma che l’energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma di energia all'altra. Pertanto, il calore all'interno di un sistema sarà uguale al calore proveniente da una sorgente.
Nella sua forma più semplice, la seconda legge della termodinamica afferma che il calore fluisce spontaneamente dalle regioni più calde alle regioni più fredde. Tuttavia, vieta il contrario: il calore non fluirà spontaneamente dalle regioni fredde a quelle calde. Questa distinzione è fondamentale perché stabilisce il concetto di entropia (il grado di disturbo o incertezza in un sistema) come proprietà fisica. L'entropia aumenterà fino a raggiungere il suo massimo all'equilibrio termico.
Anche se considerata impossibile, la terza legge della termodinamica afferma che quando la temperatura di un sistema si avvicina allo zero assoluto, l'entropia del sistema si avvicinerà a un valore minimo. Il concetto di zero assoluto, in cui tutta l'attività all'interno di un sistema si arresta, è considerato irraggiungibile poiché le molecole non possono mai diventare completamente immobili. Tuttavia, si teorizza che il punto zero, o la temperatura più bassa possibile, sia pari a -273,15 gradi Celsius (o -459,67 gradi Fahrenheit) sulla scala di temperatura Kelvin.
L'energia può essere classificata come energia cinetica o potenziale. L'energia cinetica è misurata dal movimento di un oggetto e rappresenta massa e velocità. L'energia potenziale è la possibilità che un oggetto si sposti in base a diversi fattori come la sua posizione (l'oggetto è sospeso in aria o sul pavimento?), le proprietà (di cosa è fatto l'oggetto?) e la sua relazione con altri oggetti (un altro oggetto potrebbe farlo muovere?).
Considera una palla appesa a una corda. Quando la palla è appesa, immagazzina energia potenziale. Non è in movimento, ma potrebbe esserlo poiché la gravità agisce su di esso come una forza potenziale. Se la corda venisse tagliata e la palla cadesse, avrebbe energia cinetica perché è un oggetto in movimento. Alcuni esempi importanti di energia potenziale e cinetica includono:
Energia potenziale
Energia immagazzinata nei legami di atomi e molecole.
Energia immagazzinata all'interno di un atomo che tiene insieme il nucleo.
Energia immagazzinata in un oggetto in base alla sua posizione in un campo gravitazionale.
Energia cinetica
Energia prodotta dalle particelle cariche chiamate elettroni.
Energia prodotta dalla radiazione elettromagnetica.
Energia prodotta dal calore o dal movimento degli atomi.
L'energia termica è l'energia cinetica totale all'interno di un sistema, osservata come energia cinetica vibrazionale, rotazionale o traslazionale. Tuttavia, esiste anche un'energia "nascosta" (o piuttosto microscopica) sotto forma di energia interna che considera tutte le particelle in un sistema, e tiene conto sia dell'energia cinetica che di quella potenziale.
Come funziona il trasferimento termico di energia?
L'energia termica può essere trasferita attraverso tre metodi: conduzione, convezione e radiazione. Per capire meglio come funziona ciascuno di essi, prendiamo ad esempio una pentola di acqua bollente su un fornello.
- La conduzione è il flusso di energia attraverso i materiali solidi. Man mano che la fiamma riscalda la pentola, l'energia viaggia in tutto l'oggetto e ne aumenta la temperatura superficiale.
- La convezione è il flusso di energia attraverso il movimento fluido. Man mano che la pentola diventa più calda, l'acqua si adatta alla differenza di temperatura. L'acqua calda sale verso l'alto mentre l'acqua fredda viene tirata verso il basso, creando una corrente circolare nota come moto di massa del fluido.
- La radiazione è il flusso di energia attraverso le onde. L' energia cinetica della fiamma viaggia attraverso le onde elettromagnetiche e viene convertita in calore quando tocca un oggetto, in questo caso la pentola.
Il calore distribuito in questo esempio si sposta attraverso tre diversi stati: solido, liquido e gassoso. L'energia termica può alterare gli oggetti in ogni stato e può persino innescare un cambiamento di fase, a seconda della quantità di calore applicata. Ciò dipende dal calore latente e sensibile.
Il calore latente si riferisce alla quantità di calore o di energia necessaria per innescare un cambiamento di fase (trasformando l'acqua bollente in vapore). Il calore sensibile si riferisce all'energia necessaria per aumentare la temperatura di una sostanza (la fiamma che rende la pentola più calda). Ogni oggetto ha la sua capacità termica specifica, che è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un grado Celsius. L'acqua ha un calore specifico elevato, il che significa che ci vuole molta energia per aumentare la sua temperatura, mentre l'aria ha un calore specifico basso poiché i gas hanno in genere una capacità termica specifica inferiore.
L'energia termica viene spesso utilizzata in modo intercambiabile con il calore, sebbene vi siano lievi sfumature. L'energia termica si riferisce al movimento di molecole e atomi all'interno di un sistema. Il calore, d'altra parte, è il trasferimento o il flusso di energia termica da un sistema a un altro. Sia l'energia termica sia il calore si misurano in joule.
La temperatura si riferisce all' energia cinetica media generata all'interno di un sistema, ed è misurata in Celsius, Fahrenheit, Kelvin o Rankine. È importante notare che la temperatura registra il "caldo" o il "freddo" di un oggetto in un momento specifico, ma non la sua energia. Ad esempio, la temperatura non può indicare la quantità di calore che lascia un sistema.
Un altro modo di pensare alla relazione tra i tre tipi è che l'energia termica è la quantità totale di energia in un sistema, il calore è il flusso di energia da quel sistema a un altro e la temperatura è l’energia cinetica media delle molecole.
In un momento in cui i timori relativi al cambiamento climatico stanno aumentando, la spinta per le aziende verso le operazioni net zero sta crescendo. L'energia termica offre alle organizzazioni l'opportunità di abbracciare le fonti di energia rinnovabile e rinunciare ai combustibili fossili.
Ecco alcuni esempi:
L'energia solare viene prodotta raccogliendo e concentrando i raggi solari. Grazie a riflettori e ricevitori, l'energia solare viene amplificata e indirizzata verso un tubo che contiene un fluido per il trasferimento del calore. Questo processo attiva una turbina idraulica, la quale produce elettricità.
L'energia geotermica si trova nella crosta terrestre, rendendola una risorsa abbondante. Si ottiene perforando in profondità i serbatoi dove può fluire acqua calda. L'acqua viene sfruttata e utilizzata per azionare turbine che producono elettricità.
La conversione dell' energia termica oceanica (OTEC) utilizza la variazione della temperatura dell'oceano (più calda in superficie, più fredda in profondità) per produrre lavoro utile, tipicamente sotto forma di elettricità. L'OTEC è una valida alternativa data l'abbondanza di acqua oceanica e il suo fattore di elevata capacità.
Sfruttare l'energia termica come fonte di energia rinnovabile può essere un modo efficace per le aziende per diversificare la propria strategia di gestione energetica. Inoltre, può aiutare le aziende a mitigare eventuali ulteriori danni al pianeta riducendo i consumi e migliorando il risparmio energetico.
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Risorse
L’energia rinnovabile è l’energia generata da fonti naturali che si rigenerano più velocemente di quanto vengono utilizzate.
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