Energia e lavoro - Watt e kWh

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Introduzione

Negli ultimi tempi si parla sempre di più di aumento dei costi dell’energia e del costo del kWh (chilowattora). Vediamo qualche dettaglio di cosa sia l’energia per poi arrivare al kWh. La comprensione del tutto ci dovrebbe poi aiutare al risparmio consapevole, potendo dunque affrontare il rincaro per mezzo del risparmio.


Energia e lavoro

La parola energia deriva dal greco en (all'interno) più ergon (lavoro) ed è una grandezza che appunto quantifica la capacità di un sistema di compiere lavoro. Se prendiamo per esempio l’acqua di un lago di montagna, questa ha una certa energia potenziale dovuta al fatto che si trova ad una certa quota dal livello del mare. L’acqua del lago può infatti potenzialmente far girare le pale di una turbina di una centrale idroelettrica posta a valle della montagna e può comunque scorrere verso il mare. Dunque l’acqua del lago di montagna ha una capacità di compiere lavoro, ovvero ha energia. Il fatto però che si abbia un lago in montagna, non significa necessariamente che l'acqua del lago compierà del lavoro, ma potenzialmente lo potrebbe compiere, per tale ragione si parla di energia potenziale.
Altro esempio è l'energia chimica del cibo che può essere sfruttata dai nostri muscoli per compiere lavoro. Unica eccezione alla definizione di energia è l'uomo pigro che pur mangiando ha una capacità nulla di compiere lavoro!
L’energia si misura in Joule (J) o in calorie (cal). A queste dimensioni siamo abituati qualora si leggano le etichette del cibo in scatola. L’energia che possiede il cibo è quantificata allo stesso modo dell’acqua del lago di montagna.

Da quanto appena detto non ci dovrebbe sorprendere che energia e lavoro abbiano la stessa unità di misura, ovvero il Joule. Il lavoro nei libri di fisica viene definito come:



dove:
L: Lavoro
F: Forza applicata
s: spostamento

Senza entrare nel dettaglio, il prodotto tra F e s è di tipo scalare. La simbologia della formula ignora poi le grandezze scalari e vettoriali.  

In particolare il lavoro di 1 Joule equivale al lavoro compiuto da una forza F di 1 Newton (N) il cui punto in cui viene applicata si sposta di 1 metro (m).

Considerando che un oggetto di massa m lasciato sul tavolo, soggetta al campo gravitazionale terrestre è soggetta ad una forza:



dove:
F: Forza
m: massa del corpo
a: accelerazione gravitazionale circa 9.81 m/s^2

Si ha che un oggetto di circa 100g come un cellulare è soggetto ad una forza gravitazione di circa 1N. La forza necessaria per spostare il cellulare, nella direzione del campo gravitazionale, deve essere superiore a quella derivante dalla massa stessa del corpo. Come ordine di grandezza spostare il cellulare per rispondere equivale a circa a 1 Joule (supponendo di averlo alzato di 1m).

Da quanto appena detto, possiamo ridefinire il lavoro in maniera più “rigorosa”, ovvero come il trasferimento o scambio di energia tra due sistemi, a causa del quale avviene uno spostamento. Spingendo il carrello della spesa si compie lavoro, l’uomo trasferisce energia muscolare derivante da energia chimica, in energia cinetica (movimento) del carrello che si muove.

Spingendo un muro, supponendo di non riuscire a buttarlo giù, non c’è alcun spostamento. Dunque secondo la formula precedente e quest'ultima definizione, non compiamo lavoro, sebbene stiamo consumando energia.

Il Watt

Quando compiamo lavoro, trasferiamo energia da un sistema all’altro. Fornendo 1 Joule per un secondo, consumiamo 1W. Il Watt però non è associato necessariamente al lavoro e il movimento. Per questo è più corretto dire che il Watt (potenza) si esprime in di J/s indipendentemente dal lavoro. Il motore da 1000W gira e può far muovere una macchina, ma una stufetta da 1000W scalda e rimane ferma…al più lo spostamento della persona vicino la stufetta può derivare indirettamente dal volersi scaldare o perché ci si sta bruciando. In sistemi elettrici la potenza consumata o generata da un sistema sono associati alla tensione e corrente del sistema stesso. In particolare il prodotto dei due determina la potenza in gioco. In sistemi a corrente alternata, visto che tensione e corrente non sono sempre in fase, è importante conoscere lo sfasamento tra corrente e tensione, per comprendere realmente il consumo del sistema.

Il kWh

Da quanto appena detto, l’unità di misura del Watt, che definisce la potenza di un sistema, è associata alla quantità di energia che si sposta o consuma nel tempo. Spesso per quantificare l’energia nel tempo si fa uso di una quantità derivata, il kWh (chilowattora). Tale unità di misura, anche se usata spesso per quantificare l’energia elettrica consumata al mese, è utilizzata anche per il gas o i consumi di un’abitazione nel suo insieme. Come il Watt, il kWh è utilizzabile per quantificare nel tempo una qualsivoglia energia.

La quantità di energia 1 kWh equivale al consumo di una stufetta da 1000W (1kW) tenuta accesa per un’ora.

Per la fornitura del gas, per i privati, il costo è però al metro cubo e non kWh. Infatti per determinare il kWh associato alla fornitura del gas, bisognerebbe conoscere la miscela di gas fornita ad ogni utente. Questa informazione non è nota, visto che i contatori del gas degli utenti finali è spesso fatta da una rotellina che gira o nei più moderni viene fatto una misura del flusso per mezzo di sensori ad ultrasuoni. Dunque è noto solo il flusso che permette di determinare il volume di gas consumato.
I grossi consumatori di gas pagano però il kWh e non il metro cubo, visto che ricevere il gas da un paese piuttosto che un altro, vuol dire spesso ricevere una miscela diversa del gas, dunque una quantità di energia diversa. I contatori del gas che permettono la misura del kWh, oltre alla misura del flusso del gas, ne determinano la composizione o parte di essa, per mezzo dell’implementazione di spettrometri di massa più o meno complessi.

I costi associati al servizio di fornitura dell’energia elettrica, viene effettuato in funzione ai kWh consumati, visto che per calcolarli basta misurare tensione e corrente. Come per il gas, i piccoli utenti hanno solo un contatore economico ma c’è un vincolo nel massimo sfasamento tra corrente e tensione permesso. I grossi utenti industriali, hanno contatori diversi che permetto di misurare anche lo sfasamento tra tensione e corrente per meglio calcolare la potenza consumata dai grossi carichi induttivi. I nuovi contatori elettronici, anche delle piccole utenze, sono ora capaci di misurare lo sfasamento, mentre i vecchi contatori a disco erano piuttosto semplici.

I costi del kWh, per l’energia sono variabili, visto che sono associati al modo con cui questa viene generata. L’energia elettrica realizzata per mezzo della combustione di carbone fossile o gas, subirà notevoli rincari a causa delle tensioni internazionali e guerre in corso.

Consumi e risparmio

Un sistema che consuma 20W impiegherà 50 ore per consumare 1kWh. Basta fare 1000W diviso la potenza del carico, per il calcolo delle ore. Per potenze superiori a 1000W, il calcolo è più facile. Un fono da 1600W consuma 1.6kW, ovvero 1,6kWh.

Il risparmio energetico può essere fatto con il controllo delle piccole cose.
Supponiamo che il sistema televisivo, stereo e altoparlanti WiFi in sala sia in stand-by piuttosto che spento. Probabilmente i consumi di tutti i sistemi sarà di circa 3W...non molto, ma non facendo nulla, è pure troppo.

Per consumare 1 kWh sono necessarie 333 ore. Ogni circa 14 giorni i sistemi in sala consumano 1kWh. Ogni anno consumano circa 26kWh. Assumendo un costo di circa 0.25Euro il kWh, si sono consumai circa 7Euro per nulla.

In casa, oltre che in sala, ci sono molti altri sistemi in stand-by che aggiungono costi che non necessariamente sono indispensabili.

In alcuni casi, senza alcun sacrificio in comodità, ad alcuni sistemi si potrebbero mettere degli interruttori per staccare l’alimentazione piuttosto che mandarli in stand-by.  In questo modo si potrebbero risparmiare diverse decine di euro l’anno da poter spendere in una serata in pizzeria con la famiglia.

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