I.T.I.S “Leonardo Da Vinci” 10/03/1 4 IIE 1 A.S. 2013/2014
I.T.I.S “Leonardo Da Vinci”
10/03/14 IIE1
A.S. 2013/2014
L’ Auto Elettrica !AREA DI PROGETTO
ITI «Leonardo da Vinci»Definizione, Scoperta, Normativa,
sull’ Auto Elettrica
2013-2014
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.
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.
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…
I.T.I.S “Leonardo Da Vinci”
10/03/14
Classe IIE1A.S.
2013/2014
ACQUA CHE CANTI
Acqua che sali e poi discendiAlternamente...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
SCIENZE
Il Ciclo dell’acqua
• 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
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
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, condensazione, precipitazione, infiltrazione, scorrimento e flusso sotterraneo.
SCIENZE
Le macchine ad acqua
in epoca ellenistica
STORIA
• 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
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
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
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
L’ organo idraulico
STORIA
L'acqua in musica, Fontana dell'organo a Villa d'Este (Tivoli)
Il Motore di Stirling
FISICA
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
La prima automobile a vaporeIl 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
Macchina a vaporeLa 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
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
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
• 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
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
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
Motore di Stirling fatto in casa
FISICA
Fuel CellCelle a combustibile
Sir William Grove
CHIMICA
Fu il primo a sviluppare la Fuel Cell
1839: “batteria a gas”
CHIMICA
Francis Bacon1950: prima vera Fuel Cell
• Elettrolita alcalino (KOH) al posto dell’acido fosforico
• Elettrodi in polvere di nichel sinterizzata
CHIMICA
NASA (National Aeronautics and Space Administration)
1960: studi aeronautici e aerospaziali
CHIMICA
Attuali applicazioni
CHIMICA
La Manhattan Scientifics ha prodotto la Hydrocycle, ossia una bicicletta da montagna che usa idrogeno e aria comecombustibile ed emette solo vapore acqueo come residuo.
Autonomia: 70100 km (lungo una superficie piana)Velocità max: 30 km/hTempo rifornimento: pochi minuti
CHIMICA
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 illimitataCHIMICA
Produzione da combustibili fossili:
• Steam Reforming (gas naturale)
es. CH3OH + H2O 3H2 + CO2
(metanolo)
CHIMICA
• Ossidazione parziale (combustibili più pesanti e residui petroliferi)
es. C8H18 + 4O2 + 8H2O 17H2 + 8CO2
(benzina)
• Reforming autotermico
CHIMICA
Produzione da energia elettrica
Il sistema attualmente più consolidato è l’elettrolisi
dell’acqua.Prodotto: H2 puro
CHIMICA
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
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
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
2H2 + O2 2H2O + calore + elettricità
CHIMICA
PEMFC (Proton Exchange Membrane)
Elementi costitutivi:
• Anodo: elettrodo negativo
• Catodo: elettrodo positivo
• Elettrolita (isolante elettrico,conduttore di ioni idrogeno)
• Catalizzatore: favorisce la reazione tra O2 e H2
CHIMICA
Piatti Bipolari Sono presenti se la Fuel Cell è costituita
da più elementi in serie
CHIMICA
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
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
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
CHIMICA
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
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
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
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
MATEMATICA
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==12
MATEMATICA
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
• 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
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
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
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
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
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
DISCIPLINA Argomento
ITALIANO Introduzione
SCIENZEL’acqua, limpido motore della vita Il ciclo dell’acqua
STORIALe 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
Si ringraziano i docenti:
Cinzia BottoneAnna Bonifacio
Amalia NocerinoGiuliana
BattimielloGiovanna GambiAntonio Bressy
Annunziata BasileVincenzo Marotta
Pasquale PerriPer il materiale
fornito
Gli alunni:Simone Attanasio
Rocco BassoEmanuele G.
BuonocoreLuigi Corleone
Ciro CalceEmmanuele
CasellaLuigi CorleoneLuca Cunzolo
Enzo M. D’AlessioAlessandro De
BiaseDaniele De
MartinoAntonio Esposito
Ernesto FierroMattia Inprota
Vincenzo LaudieroGennaro MartucciVincenzo PiscopoAntonio RicciardiGiorgio Ricciardi
Gaetano RotaDavide RuoccoUmberto Sicuro
Carmine TammaroGiovanni Vittorio
Coordinamento:Prof. Vincenzo
MarottaProf.ssa
Annunziata Basile
Prof.ssa Cinzia Bottone
Presentazione a cura di:
Prof. Vincenzo Marotta
Si ringrazia il Dirigente
Scolastico Prof.ssa Annabella
MarcelloPer aver concesso
l’opportunità di svolgere questa
attività
Si ringraziano, inoltre, tutti i presenti per
essere intervenuti alla nostra Festa.
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