Ateneo - UPO

Il corso affronta da un punto di vista fisico le principali questioni relative all'energia: le forme di energia (dai sistemi più semplici ai sistemi complessi), le trasformazioni dell'energia e le leggi che le governano, le fonti energetiche, gli usi dell'energia, la relazione tra energia e informazione.

Robert L. Jaffe & Washington Taylor, The Physics of Energy, Cambridge University Press (2018) - ISBN: 9781107016651

Fornire le basi fisiche e gli strumenti teorici per l'analisi dei processi energetici. Lo studente dovrà essere in grado di studiare un processo fisico dal punto di vista energetico, individuando le forme di energie coinvolte e i meccanismi di trasformazione. Dovrà essere in grado di valutare comparativamente le varie fonti di energia e di analizzare i sistemi energetici nazionali e internazionali.

Nessun prerequisito è necessario. Conoscenza delle materie di Mat I, II, Fis I Fis II.

Lezioni frontali. Seminari monografici da seguire. Analisi testo per la relazione finale.

Nessun informazione addizionale

L'esame è diviso in due parti: la prima parte (primi 3 CFU) lettura e analisi di un articolo scientifico pertinente e relazione. La seconda parte esame orale. La media di voti è il voto finale.

Fisica dell’energia e dei sistemi energetici
Programma sintetico delle lezioni universitarie
Parte I — Fondamenti fisici
Lezione 1 — Energia: concetti, unità e scale
Definizione e forme dell’energia; unità di misura e analisi dimensionale; scale energetiche; conservazione dell’energia; energia cinetica, potenziale e rotazionale.
Lezione 2 — Energia elettromagnetica e onde
Campi elettrici, capacità, correnti, resistenza e campi magnetici; motori e generatori; induzione elettromagnetica; equazioni di Maxwell; onde elettromagnetiche e trasporto dell’energia.
Lezione 3 — Calore e primo principio della termodinamica
Temperatura, calore, pressione e lavoro; energia interna; primo principio della termodinamica; capacità termica, entalpia e transizioni di fase.
Lezione 4 — Trasferimento del calore e processi termici
Conduzione, convezione e irraggiamento; equazione del calore; isolamento termico; applicazioni agli edifici e ai sistemi energetici.
Lezione 5 — Entropia e secondo principio della termodinamica
Entropia termodinamica ed entropia dell’informazione; equilibrio termico; temperatura assoluta; secondo principio della termodinamica; processi reversibili e irreversibili; limiti all’efficienza della conversione energetica.
Lezione 6 — Fisica quantistica ed energia nella materia
Funzioni d’onda e stati quantistici; equazione di Schrödinger; sovrapposizione e misura; particelle in presenza di potenziali; energie molecolari, chimiche e di legame; radiazione di corpo nero.
Parte II — Conversione e fonti di energia
Lezione 7 — Macchine termiche e cicli di potenza
Macchine di Carnot e Stirling; cicli Otto e Diesel; motori a combustione interna; ciclo Rankine; turbine a gas; cicli combinati; frigoriferi e pompe di calore.
Lezione 8 — Energia nucleare
Struttura nucleare ed energia di legame; decadimento radioattivo; fissione e fusione; sezioni d’urto; reattori nucleari; sicurezza dei reattori; esperimenti di fusione; interazione radiazione–materia e radioprotezione.
Lezione 9 — Energia solare
Origine nucleare dell’energia solare; radiazione solare e insolazione; interazione della radiazione con l’atmosfera; collettori solari termici e sistemi a concentrazione.
Lezione 10 — Energia fotovoltaica
Elementi di fisica dello stato solido; struttura a bande e semiconduttori; giunzioni p-n; effetto fotovoltaico; celle solari al silicio; limiti di efficienza e tecnologie fotovoltaiche avanzate.
Lezione 11 — Energia eolica e dinamica dei fluidi
Proprietà e dinamica dei fluidi; leggi di conservazione; viscosità, resistenza e portanza; caratteristiche delle risorse eoliche; aerodinamica delle turbine; teoria della quantità di moto assiale e limite di Betz.
Lezione 12 — Energia idroelettrica, marina e geotermica
Sistemi idroelettrici; energia delle onde, delle maree e delle correnti marine; conversione dell’energia termica oceanica; calore interno della Terra; risorse idrotermali, sistemi geotermici avanzati e pompe di calore geotermiche.
Lezione 13 — Energia chimica, biologica e fossile
Fotosintesi e conversione biologica dell’energia; biomasse e biocombustibili; carbone, petrolio e gas naturale; combustione, conversione degli idrocarburi, disponibilità delle risorse e conseguenze ambientali.
Parte III — Sistemi energetici e impatto ambientale
Lezione 14 — Energia, clima e ciclo del carbonio
Bilancio radiativo terrestre; albedo ed effetto serra; fisica dell’atmosfera; flussi energetici globali; ciclo del carbonio; retroazioni climatiche, modelli climatici, conseguenze, mitigazione e adattamento.
Lezione 15 — Efficienza energetica, accumulo e reti elettriche
Efficienza secondo il primo e il secondo principio della termodinamica; exergia; risparmio energetico; accumulo elettrico e termico; sistemi di accumulo per la rete e per la mobilità; produzione, trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica; integrazione delle fonti rinnovabili variabili.
Attività conclusiva proposta
Confronto tra le diverse fonti di energia in termini di:
efficienza di conversione;
disponibilità delle risorse;
densità energetica;
impatto ambientale;
necessità di accumulo;
affidabilità e integrazione nella rete elettrica.

- Conoscenza e comprensione: Acquisizione delle leggi e delle metodologie fisiche che permettono di analizzare i processi di produzione, trasformazione e uso dell'energia.
- Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Saper applicare le nozioni e le tecniche apprese all'analisi dei sistemi energetici e alla valutazione comparativa delle varie fonti di energia.
- Autonomia di giudizio: Saper analizzare in modo critico la letteratura recente in campo energetico.
- Capacità di apprendimento: Acquisizione della capacità di approfondire alcuni temi sulla letteratura specialistica e di aggiornare le proprie conoscenze alla luce dei progressi delle ricerche in campo energetico.