Cos’è il gas naturale e perché è necessario trasportarlo per lunghe distanze?
Oggi i combustibili fossili sono la fonte di energia più utilizzata nel mondo. Circa l’80% del consumo globale proviene dalla combustione di carbone, petrolio e metano. In particolare quest’ultimo, il gas naturale, è la maggiore fonte di energia in Italia (41,8%). La produzione nostrana di gas naturale contribuisce al 4% del suo impiego complessivo, mentre la restante parte viene importata dall’estero, principalmente da Russia e Algeria. Ma come avviene il trasporto del gas naturale tra i paesi e infine nelle nostre case? Come al solito, la risposta passa dalla comprensione dei fenomeni naturali di ogni giorno.
Lo spostamento dei fluidi in natura: come si producono i venti d’aria?
Focalizzando l’attenzione sul fluido cui siamo incessantemente a contatto, l’aria, ci rendiamo conto che siamo quotidianamente spettatori del suo movimento, che comunemente chiamiamo vento. Ma chi decide riguardo gli spostamenti dell’aria? Chi decide se debba generarsi vento e, in tal caso, in quale direzione debba propagarsi? È una questione di pressione! Nel momento in cui vengono a contatto aree caratterizzate da un diverso valore di pressione, l’atmosfera punta al riequilibrio di quest’ultima e, per ottenerlo, genera flusso di aria dalla zona ad alta pressione verso quella a bassa pressione. La pressione è il parametro fisico che decreta la direzione delle correnti d’aria. In figura è possibile osservare una mappa delle isobare in Europa. Per isobare si intendono le linee bianche che percorrono zone alla stessa pressione. Questa carta consente la previsione della direzione (dall’area ad alta verso quella a bassa pressione) e intensità (tanto maggiore è la differenza di pressione) dei venti in Europa.
Lo sapevi che…
Le zone a bassa pressione sono dette cicloniche o, più semplicemente cicloni (dall’inglese cyclone, derivante dalla parola greca κύκλος, che significa cerchio, giro). Infatti, alla luce di quanto detto in riferimento alla direzione dei venti, in queste regioni tendono a convergere le correnti d’aria, formando quindi i cosiddetti vortici atmosferici. Viceversa vengono dette aree anticicloniche quelle caratterizzate da alta pressione, in quanto da esse tendono a divergere i flussi d’aria.
Lo spostamento dei fluidi da parte dell’uomo
Come funziona un gasdotto?
Per mettere in moto il gas viene impiegato un meccanismo analogo. All’interno delle condutture agiscono una serie di compressori, che, come dice il nome stesso, spremono il gas in entrata, creando dunque una zona ad alta pressione. Così il gas scorre dall’area ad alta pressione verso quella non compressa, a pressione più bassa. Regolando in modo adeguato i compressori, si riesce a far scorrere il gas nella direzione voluta per migliaia di chilometri.
Come viene trasportata la benzina dal distributore al serbatoio dell’auto? Come fa il materassino a gonfiarsi?
Il concetto da applicare è molto semplice: dati due fluidi a contatto, a pressione diversa, questi tendono a riequilibrare il loro valore di pressione, tramite il trasporto del fluido dalla zona ad alta pressione a quella di bassa pressione. È incredibile quanto l’uomo sia abituato a sfruttare questo semplice effetto in innumerevoli attività quotidiane. Ad esempio per gonfiare un materassino si fa forza con il piede sulla pompa, in modo da aumentare la pressione dell’aria al suo interno, che quindi tende a spostarsi all’interno del materassino.
Allo stesso modo facciamo per:
• estrarre il dentifricio, pressando con le dita sull’estremità opposta al foro di fuoriuscita;
• igienizzarci le mani, schiacciando il beccuccio del dispenser;
• sparare con una pistola ad acqua, premendo il grilletto;
• fare benzina, stringendo la leva dell’erogatore;
e davvero in tanti altri casi in cui per svolgere un’operazione è necessario muovere un fluido. In ognuna di queste operazioni, l’azione dell’uomo consiste essenzialmente nello schiacciare un tasto, premere un grilletto, compiere in generale un’azione di compressione. Quest’ultima viene poi propagata e amplificata all’interno del distributore grazie alla sua struttura interna, in modo da aumentare la pressione del fluido al suo interno e mettendolo in movimento verso l’unico sbocco, la zona di più bassa pressione ove si vuole raccogliere il fluido.
La pressione
È stato spiegato come sia possibile il trasporto dei fluidi usando la nozione di pressione, intesa nel senso comune del termine, ma di cosa si tratta più propriamente in fisica? L’ acquisizione di questo concetto è essenziale per comprendere il motivo per cui i fluidi tendano a muoversi verso zone a pressione inferiore.
Tendenza verso l’equilibrio: la pressione come parametro responsabile dell’equilibrio meccanico
Buona parte dei fenomeni fisici, se lasciati liberi di evolvere a partire da una configurazione iniziale, tende verso una finale statica, detta di equilibrio, con caratteristiche che rimangono costanti nel tempo. Ad esempio, se mettiamo un pendolo in oscillazione, dopo un tempo sufficiente, esso si fermerà. Lo stato finale di equilibrio ha caratteristiche che non si modificano con il tempo, difatti il pendolo rimarrà da quel momento in poi fermo in posizione verticale se non viene nuovamente perturbato.
Fortunatamente è molto semplice descrivere questi stati finali di equilibrio, infatti basta specificare i valori di pochi parametri che li caratterizzano, quali ad esempio pressione e temperatura. Ciascuno di questi parametri è responsabile di una particolare forma di equilibrio.
In particolare, concentrandoci sulla pressione, essa è la responsabile dell’equilibrio meccanico. L’equilibrio meccanico è la forma di equilibrio più semplice da comprendere in quanto strettamente legata al movimento. Si dice infatti che un corpo sia in equilibrio meccanico (statico) se esso è fermo. Condizione necessaria affinché ciò avvenga è che la somma delle forze agenti sul corpo sia zero.
Tornando alla pressione, essa è responsabile dell’equilibrio meccanico del sistema nel
seguente senso: Posti due corpi A e B, caratterizzati da differenti valori di pressione (ad esempio PA > PB ), a contatto, il sistema tenderà all’equilibrio meccanico (stato finale in cui non si osservano movimenti relativi tra i due corpi in esame), il quale sarà caratterizzato da un valore uniforme della pressione di tutto il sistema. Affinché ciò accada, nel corso del processo, dovrà diminuire la pressione di A e aumentare quella di B fino a pareggiarsi.
Per ottenere questo riequilibrio della pressione ci sarà, nella fase intermedia, uno spostamento di materia, che avverrà dalla zona a pressione maggiore verso quella a pressione minore. Per comprendere il motivo per cui si debba avere flusso di materia in questa direzione bisogna indagare, con la lente di ingrandimento, sugli aspetti microscopici della materia.
Interpretazione microscopica della pressione
Ogni oggetto con cui siamo abituati ad interagire ha in realtà una struttura interna molto complessa, non visibile ad occhio nudo. I gas non sono altro che l’insieme dei costituenti microscopici che li compongono, i quali sono in continuo e disordinato movimento. La pressione è finora stata introdotta come una grandezza che descrive lo stato del corpo macroscopico per intero, senza legarla alle entità che lo costituiscono.
È possibile conferire alla pressione un’interpretazione microscopica, ricordandosi che essa è la grandezza responsabile dell’equilibrio meccanico, nel senso già ampiamente spiegato. Considerata la parete del recipiente che contiene il gas, la pressione rappresenta la forza media (per la precisione la componente della forza perpendicolare alla parete) causata dagli urti delle particelle del gas su una superficie di area unitaria della parete.
Come si fa a trasportare il gas naturale per condotti lunghi migliaia di chilometri?
Lungo il gasdotto operano dei compressori, il cui ruolo è quello di spremere il gas in un volume più piccolo. In questo modo aumenta l’intensità degli urti delle particelle costituenti il gas, con la conseguente formazione di una zona ad alta pressione. Si innesca perciò una differenza di pressione tra regioni di gas a contatto, quella compressa e quella non compressa. Il sistema tende naturalmente all’equilibrio meccanico, cioè al bilancio delle pressioni nelle due zone. Per riuscire nell’intento è necessario diminuire l’intensità degli urti nella zona di alta pressione e invece aumentarla nella zona adiacente. Così infine si genera una corrente di gas dall’area ad alta pressione verso quella a bassa pressione.
Più in generale, quale trucco usa l’uomo per spostare dei fluidi, come ad esempio la benzina dal distributore al serbatoio dell’auto, o l’aria dall’esterno all’interno di un materassino per riuscire a gonfiarlo? In natura si osservano di continuo fenomeni di trasporto di fluidi, come ad esempio l’aria, che muovendosi genera i venti, ma in base a cosa lo fa?
Il principio di funzionamento del gasdotto è lo stesso alla base della formazione naturale dei venti e viene sfruttato dall’uomo per compiere tutte quelle azioni in cui è necessario spostare un fluido. Per quanto riguarda il primo caso, l’aria si muove spontaneamente dalle zone ad alta pressione (anticicloni) a quelle a bassa pressione (cicloni). Per quanto concerne invece le applicazioni di tale fenomeno di trasporto spontaneo a favore dell’uomo, in genere, è necessario applicare della pressione attraverso un tasto, una leva o un grilletto, a seconda dei casi, per creare differenze di pressione che consentano, per esempio, di far finire aria in un materassino, benzina nel serbatoio dell’auto, o sapone sulle mani.
a cura di Giuseppe Mansi