Energia e potenza sono grandezze, le quali, all’interno dei paesi aderenti, vengono espresse mediante le unità di misura definite nel SI – il sistema internazionale. Il SI è lo standard comune e condiviso da molti paesi del mondo con cui esprimere le misurazioni. Aggiornato periodicamente da tre diversi organismi di controllo: l’Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure, la Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure e il Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure a Sèvres, in Francia, esso vanta 60 paesi membri e 42 stati associati.
Il sistema internazionale delle unità di misura è nato con l’introduzione del sistema metrico decimale al tempo della Rivoluzione Francese, il sistema anche detto mks (metro-kg-secondo) e pone le sue basi moderne nel 1960. Esso comprende 7 unità di misura di base dalle quali discendono tutte le altre. Il 16 novembre 2018 il SI viene riformulato in funzione delle costanti fondamentali della fisica così da poter riprodurre ovunque campioni ancora più stabili e precisi.
Approfondiremo questo argomento in futuro, nel frattempo rimando al sito: https://www.bipm.org/en/home
Per questioni di praticità, tuttavia, è comune la prassi per la quale vengono utilizzate unità di misura differenti, a seconda della natura della sorgente in grado di fornire energia elettrica nonché del tipo di processo di conversione utilizzato. Soprattutto quando il processo produttivo coinvolge l’approvvigionamento di combustibili. Per questo motivo, prima di procedere alla valutazione e comparazione della efficienza di una qualsiasi fonte energetica, è sempre meglio conoscere le varie unità di misura e le loro relative conversioni. Partiamo dalla definizione canonica di energia e potenza.
Unità di misura prese dal SI
All’interno del SI, il Joule (J) è l’unita di misura fondamentale della energia, del lavoro e del calore. Poiché il suo nome deriva dal fisico James Scott Joule il simbolo va posto con la maiuscola. E’ una grandezza derivata ed è definita come il lavoro compiuto da una forza di 1 N per compiere uno spostamento di 1m lungo la direzione di applicazione della forza
O, equivalentemente, il lavoro svolto per fornire la potenza di un watt per un secondo
Il Watt (W), invece, è una unità di misura derivata nel SI (dipende cioè da una combinazione delle grandezze fondamentali) ed è il riferimento per la misura della potenza. Viene definito come il rapporto fra il lavoro svolto da una forza e l’intervallo di tempo in cui viene applicata
Il suo nome deriva dall’ingegnere scozzese James Watt ed è quindi convenzione scriverla in maiuscolo.
| nel SI | nel sistema cgs | in termodinamica |
|---|---|---|
| 1 W | 0.239 cal |
1 erg (ergon) è il lavoro compiuto da una forza di una dina necessario per spostare di un centimetro un corpo di massa pari ad un g lungo la direzione su cui tale forza è applicata. E’ l’unita di misura del sistema cgs. 1 cal (caloria) è la quantità di calore necessaria ad innalzare di un grado centigrado la temperatura di un chilogrammo d’acqua.
Altre unità di misura
Come abbiamo visto, l’attuale standard internazionale è il sistema internazionale di unità di misura (SI). Questo sistema deriva dal sistema MKS, basato sul metro, chilogrammo e secondo, con l’aggiunta di altre quattro unità fondamentali: il kelvin, l’ampere, la candela, e la mole. Senza scendere troppo nei dettagli, vediamo quali altri standard esistono.
L’Inghilterra è tra i paesi che ha aderito al sistema metrico decimale, formalmente, nel 1995. Tutt’oggi però vengono impiegate sia unità di misura del SI che unità di misura del sistema imperiale britannico, grazie alla doppia notazione. Questa pratica è stata accettata solo dal 2009 e solo così l’Inghilterra è passata effettivamente all’uso di unità del SI (in mezza parte).
Il sistema imperiale britannico, è stato l’unico standard britannico fino a all’adesione al SI. Adottato nel 1824 con il British Weights and Measures Act, deriva dalle antiche unità inglesi, evoluzione delle unità di misura celtico, anglosassoni e romane. Le unità imperiali erano usate in tutti i paesi del commonwealth e dell’impero britannico.
Ad oggi, solo gli Stati Uniti, la Liberia e la Birmania non hanno ancora adottato il sistema metrico come loro sistema ufficiale di pesi e misure. Tutti gli altri paesi, come la Repubblica Popolare Cinese, la Federazione Russa ecc.. pur avendo mantenuto alcune unità abituali, hanno accettato la convenzione del SI ed hanno standardizzato le proprie unità per arrotondarne i valori in sistema metrico.
Gli USA hanno uno proprio standard, il sistema consuetudinario statunitense il quale, deriva direttamente dal sistema britannico ma che da questi, si è distaccato con la revisione del 1824.
Ad esempio, se stasera doveste andare in un pub a gestione mista con un inglese ed un americano, ed entrambi ordinassero una pinta di birra, l’americano berrebbe meno visto che 1 pinta americana (unità di misura del volume, tipicamente del volume occupato da un liquido) corrisponde a 0,47 litri mentre 1 pinta inglese corrisponde a circa a 0,56 litri.
Ovviamente, per evitare errori di conversione come quello accaduto con la sonda Mars Climate Orbiter che nel 1999 ne causò lo schianto sull’atmosfera di Marte, gli USA in alcuni campi scientifico-tecnologici utilizzano unità di misura del SI.
Nella tabella seguente, riporto solo alcuni esempi di diverse unità di misura della energia usati in Gran Bretagna e negli Stai Uniti.
| sistema internazionale (SI) | sistema imperiale(UK) | sistema americano(USA) |
|---|---|---|
| 1J | 0.7375621492772 lbf.ft | 1.634557634437e-10 bep |
| 0.0009484516527 Btu | 2.388458966275e-11tep | |
| 0.7375621493 ft.lb | 9.480434279734e-9 therm |
Quando si tratta di combustibili..
Il linguaggio che utilizziamo riflette le nostre esigenze. Così come in fisica delle particelle ha più senso utilizzare l’elettronvolt, quando si produce energia a livello industriale e la si commercia ha più senso esprimersi in termine di potere calorifico di un combustibile visto che questo tipo di fonte energetica va tutt’oggi per la maggiore.
Introduciamo, dunque, la convenzione statunitense che definisce il tep – acronimo di tonnellata equivalente di petrolio – come l’energia rilasciata dalla combustione di una tonnellata di petrolio grezzo, corrispondente a circa 41.8 GJ o 11,6 MWh o 6,6 bep e, appunto, il bep – acronimo di barili di petrolio equivalenti – come l’energia rilasciata dalla combustione di un barile di petrolio greggio, corrispondente a circa 6,1 GJ o 1,7 MWh o 0.15 tep.
Nella tabella seguente sono riportati i valori in tonnellate equivalenti di alcune sorgenti energetiche. Risalta subito all’occhio come, rispetto alla energia rilasciata dalla combustione di 1t di petrolio grezzo, il gasolio, il gas naturale, la benzina e il gas naturale liquefatto siano in grado di fornire più energia.
| COMBUSTIBILI 1T | tep |
|---|---|
| gasolio | 1.017 |
| gpl | 1.099 |
| benzina | 1.051 |
| olii vegetali | 0.88 |
| pellet | 0.401 |
| gas naturale | 0.82 |
| gas naturale liquefatto | 1.079 |
| biogas | 0.55 |
| energia elettrica da rete | 0.187 |
| carbon fossile | 0.74 |
| carbone | 0.75 |
| legna da ardere | 0.45 |
| olio combustibile | 0.98 |
Quando si tratta di rete elettrica..
Per quanto riguarda la produzione e distribuzione su scala nazionale, e il consumo domestico e non, di energia elettrica, è ampiamente utilizzata l’unità kWh (chilowattora) e suoi multipli e sottomultipli.
| 1 kWh | 1000 Wh | 3,6×10^5 J | 860,421kCal |
Il kWh è la quantità di energia utilizzata da un carico della potenza di 1kW durante un periodo di tempo di un’ora. Spesso, soprattutto quando si tratta di elettronica e piccoli elettrodomestici al kWh si affianca sull’apparecchio un consumo in VA (voltampere) che rappresenta l’unità di misura elettrica della potenza apparente in un sistema in corrente alternata.
Quando si è in regime AC, infatti, si distinguono sempre due diversi tipi di potenza: la potenza attiva e la potenza reattiva laddove, in regime DC, si ha solo la potenza attiva che coincide con quella reale. Questo è logico: se una grandezza, in questo caso la corrente o la tensione elettrica, è in regime alternato significa che essa è esprimibile attraverso dei fasori. Prendiamo come riferimento l’immagine che segue:
In un sistema elettrico puramente resistivo (scaldabagno, ferro da stiro, asciugacapelli) lo sfasamento è nullo.
In un sistema elettrico di tipo induttivo (motore elettrico, apparecchi elettronici, lampade a fluorescenza) lo sfasamento è sempre inferiore ad 1 perché il
Considerando la potenza come una quantità complessa, si definiscono:
- La potenza attiva è la potenza reale, nel senso che è quella in grado di svolgere lavoro reale
- La potenza reattiva è la parte immaginaria della potenza complessa
- La potenza apparente è la somma quadratica della potenza attiva e di quella reattiva
Ovviamente, dimensionalmente sono la stessa cosa. La potenza reattiva, che si verifica quando si ha sfasamento tensione-corrente, viene prima immagazzinata e poi usata e riguarda le apparecchiature che hanno bisogno di un campo magnetico per funzionare. Per questo, non viene commercializzata ed è infatti obbligo di legge dichiararne l’apporto reale visto che viene detratta dai costi.
Essendo una specie di fantasma, non la si misura direttamente ma si procede come segue:
- Si misura prima la potenza attiva con un wattmetro.
- Poi la potenza apparente con il voltampere.
- E dalla differenza si ricava la potenza reattiva espressa in VAR (voltampere reattivo)
Idealmente si desidera avere un fattore di potenza, cioè il coseno dell’angolo compreso tra V e I misurabile con un cosfimetro, pari a 1 cioè che tutta la potenza svolga lavoro reale.
E’ importante riportare in fase V e I, come rifasatore si può usare un motore asincrono senza carico che fornisce energia reattiva a compensare
Quando si tratta di motori endotermici..
Nel corso dei secoli, grazie allo sviluppo tecnico-scientifico si è saputo approfittare della grande disponibilità di carbone, e quindi di energia, per passare da una produzione la cui forza lavoro è stata fornita principalmente da uomini, bovini ed equini, ad una forza lavoro automatizzata che ha condotto ad una produzione senza precedenti. L’invenzione della macchina a vapore seppe far fiorire il settore dei trasporti e far fronte alla nascente domanda di produzione elettrica. Ma fu solo con la seconda rivoluzione industriale, quando le innovazioni tecnologiche non furono più solo frutto di scoperte occasionali ed individuali, bensì di ricerche specializzate in laboratori scientifici e nelle università che si ebbe una vera e propria crescita della produttività.
Come eco della prima rivoluzione industriale, quando le neonate macchine a vapore andarono pian piano sostituendo l’impiego di cavalli all’interno dei processi lavorativi oggi, in linguaggio automobilistico, si utilizza il cavallo vapore per esprimere la potenza erogata da un motore .
Ad introdurre l’unità di misura dei Cavalli Vapore fu, nel 1787, l’ingegnere scozzese James Watt (1736-1819), noto storicamente per aver dato un decisivo contributo al miglioramento dell’efficienza della macchina a vapore, decretandone così la sua larga diffusione. Pur con i pochi mezzo di cui disponeva, Watt fu in grado di rispondere alla domanda legata alla efficienza dell’impiego di un motore a vapore rispetto all’impiego di un cavallo da tiro: erano circa simili.
Oggi si fissa un valore per il CV pari a 735.5 W. L’Italia abbandonò l’unità di misura del CV nel l’anno 1982 quando aderì al SI. Attualmente viene impiegato soprattutto nei paesi anglofoni seppur in Gran Bretagna assuma una lieve differenza:
| 1 CV britannico (HP) | 1,014 CV europei |
| 1 CV europeo | 0,986 CV britannici (HP) |