2. L’Auto Elettrica !
AREA DI PROGETTO
ITI «Leonardo da Vinci»
Definizione, Scoperta, Normativa,
sull’Auto Elettrica
2013-2014
3. Il principio della unitarietà del sapere, del
processo di educazione e formazione
culturale deve trovare una sua esplicita,
specifica affermazione anche nella
attuazione di un'area di progetto che
conduca al coinvolgimento ed alla concreta
collaborazione fra docenti di alcune o di
tutte le discipline.
4. Perciò la classe IIE1 sperimenta il Progetto:
L’auto Elettrica.
Esso intende coinvolgere gli alunni nello
studio, nella progettazione e nella
realizzazione di un prototipo di auto elettrica
da realizzarsi durante tutto il corso di studi,
dalla seconda alla quinta classe.
5. L’intento è quello di coinvolgere gli alunni in
un progetto pluriennale che li vede attori
protagonisti, potenziando in loro il senso
di appartenenza alla struttura scolastica.
Per questo primo anno gli allievi hanno
affrontato il tema dell’acqua nelle sue
molteplici potenzialità di alimentare
macchine di ogni tipo, da quelle viventi a
quelle inventate dall’uomo…
7. ACQUA CHE CANTI
Acqua che sali e poi discendi
Alternamente...
Acqua di monte,
acqua di fonte,
acqua piovana,
acqua sovrana,
acqua che odo,
acqua che lodo,
acqua che squilli,
acqua che brilli,
acqua che canti e piangi,
acqua che ridi e muggi,
tu sei la vita e sempre
e sempre fuggi.
(Gabriele D’Annunzio)
ITALIANO
9. • L'acqua è una componente fondamentale di tutti
gli organismi viventi presenti sul nostro pianeta. Si
trova in elevate percentuali nelle cellule.
Nel protoplasma di tutte le cellule, sia procarioti sia
eucarioti, l'acqua rappresenta il composto
predominante e agisce come solvente per tutte
le biomolecole. Oltre che come solvente, l'acqua
partecipa attivamente come reagente in
diverse reazioni metaboliche,ed è, assieme
all'anidride carbonica, uno dei principali reagenti
della fotosintesi clorofilliana; è inoltre, sempre
assieme alla CO2, il prodotto conclusivo del processo
di respirazione cellulare.
SCIENZE
10. Essendo il principale costituente della gran parte dei
viventi, l'acqua è quindi presente anche nell'organismo
umano. Risulta quindi di fondamentale importanza per il
trasporto dei nutrienti in tutti i distretti corporei e per
l'eliminazione e l'escrezione, tramite l'urina, delle scorie
prodotte nelle reazioni biochimiche. L'acqua inoltre
svolge una funzione determinante nella regolazione
della temperatura corporea (tramite la sudorazione) e
della concentrazione dei sali minerali; partecipa inoltre
alla digestione, favorendo il transito intestinale e
l'assorbimento delle sostanze nutritive.
SCIENZE
11. Il ciclo dell’acqua
• Il ciclo dell'acqua è la
successione dei fenomeni di
flusso e circolazione
dell'acqua all'interno
dell'idrosfera terrestre e i
cambiamenti del suo stato fisico
(liquido, gassoso e solido). Il
ciclo dell’acqua si riferisce ai
continui scambi di massa idrica
tra l'atmosfera, la terra, le acque
superficiali, le acque sotterranee e
gli organismi. Oltre all'accumulo
in varie zone (come gli oceani che
sono le più grandi zone di
accumulo idrico), i molteplici cicli
che compie l'acqua terrestre
includono i seguenti processi
fisici: evaporazione, condensazio
ne, precipitazione, infiltrazione,
scorrimento e flusso sotterraneo.
SCIENZE
13. • L’ ellenismo è caratterizzato dall’adozione della
lingua greca come lingua internazionale e da una
prodigiosa fioritura della scienza e della tecnica. Nel
settore delle scoperte scientifiche i filosofi ellenistici
ebbero intuizioni straordinarie molte delle quali
vennero confermate sperimentalmente.
• Nel settore della tecnica l’attività si concentrò
soprattutto sulle macchine da guerra. Si costruirono
però anche “macchine meravigliose” per il
divertimento dei potenti: meccanismi che, sfruttando
l’energia del vapore dell’acqua, facevano aprire
“magicamente” le porte di un tempio o scaturire
l’acqua da una fontana o ancora ruotare un soffitto,
perché la scena che vi era dipinta cambiasse a
seconda delle diverse portate di un pranzo.
STORIA
14. La vite di Archimede
• Archimede inventò un
meccanismo per il pompaggio
dell’acqua, impiegato per
l’irrigazione dei campi coltivati,
noto come vite di Archimede, ma
detta anche còclea (dal latino
cochlea, propriamente
"chiocciola"), è un dispositivo
elementare usato per sollevare
un liquido, o un materiale
sabbioso, ghiaioso, o frantumato.
STORIA
15. La macchina di Erone
• La Macchina di Erone è un
dispositivo descritto da
Erone di Alessandria nel suo
trattato sulla pneumatica (I
secolo). Tale macchina
permetteva di aprire le porte
del tempio di Serapide ad
Alessandria e può essere
considerata uno dei primi
esempi di macchina a vapore
della storia.
STORIA
16. L’ organo idraulico
• L'organo idraulico era uno strumento
che produceva i suoni per mezzo
dell'aria prodotta da un salto d'acqua
che azionava un mantice. La sua
invenzione si deve allo scienziato
greco Ctesibio di Alessandria, un
ingegnere del periodo ellenistico.
Questo fu il primo strumento musicale
a tastiera e fu l'antico predecessore
del moderno organo a canne.
STORIA
19. La nascita dell’ automobile
Il primo motore per autotrazione fu quello a vapore che utilizzava
acqua come fluido termodinamico. Tuttavia per la pericolosità si
propose di sostituire l’acqua con un gas, più sicuro. Dopo una
prima fase di applicazione con buon successo del motore Stirling
di dimensioni commerciali il suo uso fu abbandonato.
Ma i vantaggi che stanno facendo apprezzare di nuovo lo Stirling
non sono secondari. In primo luogo non avendo combustione
interna la manutenzione è ridotta al minimo e non è nemmeno
paragonabile ad un motore a combustione interna. In secondo
luogo lo Stirling è il motore policarburante per eccellenza, potendo
utilizzare qualunque tipo di calore, anche residuo.
Recentemente il motore Stirling con l’uso di fluidi termodinamici
più performanti è tornato a riscuotere un certo interesse.
FISICA
20. La prima automobile a vapore
Il carro di Cugnot
Progettato nel 1769 era azionato da
un motore a vapore a due cilindri
verticali. Questo "mostro", in
grado di portare un carico di oltre
4 tonnellate, soprannominato
"macchina azionata dal fuoco"
procedette lentamente solo per una
dozzina di minuti, raggiungendo
una punta di velocità stimata
inferiore ai 10 km/h; questa pur
brevissima esibizione segnò l'inizio
della storia della motorizzazione: si
tratta infatti della prima
dimostrazione pratica fornita al
mondo da un veicolo "auto-
mobile" nel senso letterale del
termine, vale a dire che si muove
da sé tramite una forza non
animale, non immagazzinata per
mezzo di molle e che non utilizzava
gli effetti del vento. FISICA
21. Macchina a vapore
La macchina di Newcomen,
sviluppata appunto da Thomas
Newcomen, sostanzialmente la
prima applicazione del vapore
ad un processo industriale, è
in sostanza una pompa a
pistone azionata da un motore
a vapore a condensazione
interna. Essa fu protagonista
della prima rivoluzione
industriale, in quanto appunto
primo esempio di applicazione
dell'energia trasmissibile con il
vapore, ossia della
trasformazione di energia
chimica (data dalla
ossidazione combustiva del
carbonio con ossigeno) in
energia meccanica (espressa
in lavoro di sollevamento).
FISICA
22. La caldaia produce vapore, che si espande
nella camera, raggiungendo la pressione
che compete alla temperatura
raggiungibile dall'acqua. Il pistone si
solleva. Nel suo movimento, il pistone
libera il bilanciere che, grazie al
contrappeso, si sposta verso il basso.
Quando il pistone raggiunge il punto
morto superiore , dal serbatoio viene
alimentata acqua, sia sulla faccia
superiore del pistone sia all'interno del
cilindro. Il vapore presente all'interno di
questo è così condensato, e la pressione
interna cade a valori molto bassi: la
pressione atmosferica agisce allora sul
pistone facendolo scendere, e quindi
abbassando il braccio destro del
bilanciere e contemporaneamente
sollevando il sinistro; il pistone della
pompa si solleva, estraendo acqua. Al
termine dell'estrazione, l'acqua viene
drenata, e il ciclo si ripete.
FISICA
23. Il Motore di Stirling
• All'inizio del 1800, in Inghilterra
i motori ad aria calda
competevano con il motore a
vapore per fornire energia
meccanica ai macchinari
industriali della prima
rivoluzione industriale
• I motori a vapore avevano
caratteristiche superiori di
quelli ad aria, e il motore ad
aria presentava il vantaggio
di essere meno pericoloso
FISICA
24. • Con lo sviluppo
dell'elettronica, l'uso dei
primi apparecchi radio e lo
sviluppo dell'aviazione,
nel 1950 si ebbe una
seconda applicazione del
motore Stirling.
• Nel 1960 l'adozione
del transistor nei circuiti
elettronici rese sufficiente
l'alimentazione con potenze
elettriche limitate, che si
potevano ottenere con
semplici batterie di
accumulatori di piccola
dimensione conseguendo
anche buone autonomie.
FISICA
25. FUNZIONAMENTO DEL MOTORE
STIRLING
Il motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas
come fluido termodinamico, solitamente aria o azoto,
oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto rendimento.
Quando è raggiunta un'opportuna differenza di
temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo, si
innesca una pulsazione ciclica (opportunamente avviata
all'inizio), normalmente trasformata in moto alternato dei
pistoni. La pulsazione perdura fino a quando si continua
a mantenere la differenza di temperatura,
somministrando calore al punto caldo e sottraendone al
freddo.
FISICA
26. La rigenerazione
• Il criterio innovatore di
invenzione di Stirling del
1816 rispetto ai preesistenti
motori ad aria calda è il
rigeneratore, che ha reso
possibile un utilizzo
ragionevole del motore.
• Il rigeneratore è costituito da
una piccola massa di
materiale, buona conduttrice
di calore, con una elevata
superficie di scambio, così
che possa, al flusso del gas
caldo verso il refrigeratore,
catturare parte significativa
del calore FISICA
29. Fu il primo a sviluppare la Fuel Cell
1839: “batteria a gas”
CHIMICA
30. Francis Bacon
1950: prima vera Fuel Cell
• Elettrolita alcalino
(KOH) al posto
dell’acido fosforico
• Elettrodi in polvere
di nichel
sinterizzata
CHIMICA
33. La Manhattan Scientifics ha prodotto la
Hydrocycle, ossia una bicicletta da
montagna che usa idrogeno e aria come
combustibile ed emette solo vapore
acqueo come residuo.
Autonomia: 70100 km (lungo una
superficie piana)
Velocità max: 30 km/h
Tempo rifornimento: pochi minuti
CHIMICA
34. Idrogeno: combustibile del
futuro!
L’idrogeno è l’elemento più abbondante
dell’universo.
La sua molecola (H2) è la componente
fondamentale dell’acqua (H2O).
Caratteristiche:
• 1 elettrone + 1
protone
• 14 volte più leggero
dell’aria
• disponibile in
quantità illimitata
CHIMICA
35. Produzione da combustibili fossili:
• Steam Reforming (gas naturale)
es. CH3OH + H2O 3H2 + CO2
(metanolo)
CHIMICA
38. Produzione da biomasse:
• Gassificazione di biomasse solide (fino
al 35% di H2)
• Fermentazione di rifiuti organici liquidi
(gas ad elevati contenuti di CO e
CH4successivi trattamenti)
• Produzione biologica (fotosintesi)
CHIMICA
39. Immagazzinamento
dell’idrogeno:
• Gas compresso in serbatoi (come si fa per il
metano)
• Stoccaggio sottoforma liquida (punto di
ebollizione: -253 °C)
• Adsorbimento:
1.idruri metallici (ad es.TiH2)
2.carboni attivi a basse temperature e
pressioni
3.nanostrutture di carbonio
• Incapsulamento in microsfere di vetro
CHIMICA
40. Come lavora una cella a
combustibile?
“Una Fuel Cell è un dispositivo
elettrochimico per la conversione
(e non immagazzinamento!) di
energia tramite due elettrodi di
carica opposta che producono
elettricità, acqua e calore per
mezzo di un combustibile e di un
ossidante.”
CHIMICA
44. Benefici per l’ambiente:
• Alta efficienza: 1. aumento anche
del 90%
2. no perdite
3. no combustione
• Basse emissioni: gli unici prodotti
sono acqua ed elettricità
CHIMICA
45. Benefici ingegneristici:
• Flessibilità del carburante
• Alte densità di energie (in kw/l)
• Basse temperature e pressioni operative
(801000°C)
• Capacità di cogenerazione (riscaldamento)
• Rapida risposta alle variazioni di carico:
più combustibile più energia
• Semplicità ingegneristica(silenziosità)
CHIMICA
46. Ostacoli:
• Devono essere accettate dal
mercato
• Devono essere sviluppate
adeguate strutture per la
reperibilità dell’idrogeno (o del
metanolo)
• Fonti d’investimento
• Fattori politici
CHIMICA
48. Conclusioni
• Idrogeno ed ossigeno puro sono
stati sostituiti con combustibili
fossili più comuni e aria
• Sono stati sviluppati elettrodi ed
elettroliti abbastanza economici
ENERGIA PIU’ PULITA!!!
CHIMICA
49. La Proporzionalità e la
stechiometria chimica
Lo studio della nozione di proporzionalità
viene attribuito ad Eudosso di Cnido.
Nel IV sec. a.C. egli riuscì a fornire
un’incredibile definizione del
significato di uguaglianza tra due
rapporti.
Tale definizione fu ripresa da Euclide e
costituisce l’oggetto del V libro degli
Elementi.
MATEMATICA
50. La teoria delle proporzioni ha consentito
di trattare rigorosamente quelli che,
oggi, sono chiamati numeri reali ed ha
aperto la possibilità di definire modelli
fisico – matematici per lo studio di
svariati fenomeni.
MATEMATICA
51. Rapporti e Proporzioni
• Il rapporto tra 2 numeri è il risultato della divisione
tra i 2 numeri
• Rapporto tra a e b r=a/b
• Il rapporto inverso si ottiene scambiando
l’antecedente con il conseguente b/a=1/r
• Una proporzione è un’uguaglianza tra 2 rapporti
• E.s 15/5=21/7 15:5=21:7
MATEMATICA
53. Proprietà fondamentale della
proporzioni
• Il prodotto dei medi è uguale al
prodotto degli estremi
• 10:5=8:4
• Una proporzione che ha medi o gli
estremi uguali si dice continua
• Es. 9:6:6:4 ⇔ 6:9=4:6
• 36:x=x:4
• x2=144 x= 𝟏𝟒𝟒=12
MATEMATICA
54. Water and Energy
Acqua e Energia
Hydro-power and water power is power derived from
the energy of falling water and running water which
may be engaged in useful purposes. Kinetic energy
of flowing water rotates the blades of turbine which
rotates the axle.
L’energia idroelettrica e la potenza dell’acqua è
derivata dall’ energia della caduta dell’ acqua e lo
scorrere dell’ acqua che può essere utilizzata per
diversi scopi. L’ energia cinetica dell’ acqua che
fluisce fa ruotare le pale della turbina che fa ruotare
l’asse.
INGLESE
55. • The axle has a coil rotate in magnetic field it induce
an electrical current in the coil due to change in flux.
Hence , kinetic of flowing water water is converted to
eletrical energy.
• L’ asse ha un bobina che ruota in un campo
magnetico che, quando la turbina ruota, induce una
corrente elettrica nella turbina a causa del
cambiamento del flusso.
Quindi, l’energia cinetica fa fluire l’acqua e la
converte in energia elettrica.
INGLESE
56. Centrale idroelettrica
Per centrale idroelettrica si
intende una serie di opere
di ingegneria idraulica
posizionate in una certa
successione, accoppiate ad
una serie di macchinari
idonei allo scopo di
ottenere la produzione di
energia elettrica da masse
di acqua in movimento.
SCIENZE APPLICATE
57. Centrali ad acqua fluente
L'acqua viene convogliata
in un canale di derivazione
e attraverso questo inviata
alle turbine che ruotano
grazie alla spinta
dell'acqua, producendo
così il movimento degli
organi rotanti, ognuna delle
quali è accoppiata a un
alternatore che trasforma il
moto di rotazione in energia
elettrica.
SCIENZE APPLICATE
58. Centrali a bacino
A differenza delle "centrali
ad acqua fluente" viene
creato un lago artificiale per
mezzo dello sbarramento di
una gola fluviale con una
diga, da cui partono delle
condotte forzate, le quali
vengono arricchite da un
pozzo piezometrico che
smorza ed evita gli effetti
dirompenti del colpo
d'ariete.
SCIENZE APPLICATE
59. Centrali con impianti ad
accumulazione
le centrali con impianti ad
accumulazione sono dotate
di un bacino di raccolta
anche a valle: l'acqua che ha
generato energia elettrica
durante il giorno passando
nelle turbine può essere
riportata dal bacino di valle
al bacino di monte durante
le ore di minor richiesta di
energia mediante
pompaggio,
SCIENZE APPLICATE
60. Centrali con impianti ad
accumulazione
utilizzando per questa
operazione l'energia
elettrica in eccesso prodotta
dalle centrali di tipo "sempre
acceso" e non diversamente
accumulabile. In altre parole
il bacino di monte viene
"ricaricato" durante la notte
e le masse d'acqua riportate
a monte possono quindi
essere riutilizzate nelle ore
di maggiore richiesta
energetica SCIENZE APPLICATE
61. DISCIPLINA Argomento
ITALIANO Introduzione
SCIENZE
L’acqua, limpido motore della vita
Il ciclo dell’acqua
STORIA
Le macchine ad acqua nell’età
ellenistica
FISICA Motore di Stirling
CHIMICA Le celle a combustibile
INGLESE Water and Energy
MATEMATICA Rapporti e proporzioni
SCIENZE APPLICATE Centrale idroelettrica
