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1 PREGUNTASY RESPUESTAS

2 Laenergía,hoymásquenunca,esunapalabraqueestáenbocadetodos. Se habla de alimentos energéticos, de carestía de la electricidad, de pobreza energética, de petróleo, de gas, de prospecciones, de fraking, de cambio climático, del fin del petróleo, de energías renovables, de soberanía energética, etc. En realidad hablar de energía es hablar de vida, pues ella es su motor, su impulso. Si no hubiera energía simplemente no habría vida sobre La Tierra. Anteuntematantrascendentalparatodoslainformaciónnosllegaatravésdelosmediosdeprensaodela televisión, siempre puntual y convertida en noticia, o en la época de estudiante de primaria o secundaria, conunsesgocasisiempreteórico yacademicistaquemásprontoquetardepasaalolvido. Para salvar en parte esta situación la Mancomunidad Intermunicipal del Sureste de Gran Canaria ha encargado la confección del documento que ahora tienes en tus manos. Es un documento dirigido a todos los públicos, incluso los no versados en estas materias, redactado en un lenguaje llano, comprensible y directo. Se ha configurado en una serie de 159 preguntas y sus correspondientes respuestas y todas y cada una de ellas puede consultarse por separado, aunque es preferible seguirlas correlativamente para una mejor comprensión global. Obviamente dado el carácter y objetivos de este documento no están todas las preguntas que podrían realizarse en un tema tan amplio como este, pero sí las más importantes y de más actualidad con lo que se espera que todos los ciudadanos que las consulten puedan no solo estar mejor informados, sino también más capacitados para tomar parte en las decisiones que en este tema deben tomarse en el futuro si se desea alcanzar un mundo más sostenible y duradero. El conjunto de preguntas y respuestas se han estructurado en los 10 bloques siguientes:

3 ÍNDICE Bloque 1: Conceptos básicos (preguntas 1 a 21) Bloque 2: Conceptos prácticos (preguntas 22 a 26) Bloque 3: Fuentes de energía en la Tierra (preguntas 27 a 34) Bloque4: Tecnologías energéticas (preguntas 35 a 60) Bloque 5: Proceso de uso de los combustibles fósiles (preguntas 61 a 97) Bloque 6: Datos sobre los recursos energéticos fósiles (preguntas 98 a 112) Bloque 7: Datos sobre los recursos energéticos renovables (preguntas 113 a 120) Bloque 8: Coste y precio de la energía (preguntas 121 a 131) Bloque 9: Energía y medioambiente (preguntas 132 a 148) Bloque 10: Perspectivas del futuro energético mundial (preguntas 149 a 159)

4 ÍNDICE Bloque 1: Conceptos básicos 1. Qué es la energía? 2. Cómo se manifiesta la energía? 3. Cuál es la manifestación gravitacional o energía gravitatoria? 4. Cuál es la manifestación cinética o energía cinética? 5. Cuál es la manifestación electrostática o energía electrostática? 6. Cuál es la manifestación nuclear o energía nuclear? 7. Cuáles son los errores más extendidos en la terminología energética? 8. Qué es la materia y como se manifiesta? 9. Cómo es la materia a escala microscópica, invisible? 10. Cómo es la materia a escala macroscópica, visible? 11. Como es la materia a escala universal (visible e invisible)? 12. Cuál es la escala de la materia en su conjunto? 13. Qué relación existe entre la energía y la materia? 14. Cómo se transforman la energía y la materia? 15. Cómo ocurren las transformaciones por reacción química? 16. Cómo ocurren las transformaciones por cambios de estado? 17. Cómo ocurren las transformaciones complejas? 18. Son reversibles las transformaciones energéticas? 19. Cuáles son los principios de la termodinámica? 20. Qué es el rendimiento de una transformación energética? 21. Es correcto el término consumo de energía?

5 ÍNDICE 22. Qué es la potencia? 23. Cómo medimos la energía y la potencia? 24. Para que utilizamos la energía normalmente? 25. Cuánta potencia y energía utilizamos normalmente? 26. Cómo ha evolucionado el consumo de energía? Bloque 2: Conceptos prácticos

6 ÍNDICE Bloque 3: Fuentes de energía en la tierra 27. Cuáles son las fuentes energéticas de la Tierra? 28. Cómo se transforma la energía solar sobre La Tierra? 29. Cómo almacena La Tierra la energía solar? 30. Cuál es el origen del carbón? Cuál es su potencial? 31. Cuál es el origen del petróleo y gas natural? Cuál es su potencial? 32. Para qué otros fines se usa el petróleo? 33. Cuál es el conjunto de energías disponibles en la Tierra? 34. Cómo ha evolucionado el uso de las diferentes fuentes de energía?

7 ÍNDICE Bloque 4: Tecnologías energéticas 35. Cuáles son los equipos usados para las transformaciones energéticas? 36. Cómo funciona una caldera de vapor? 37. Cómo funciona un motor de explosión? 38. Cómo funciona una turbina de vapor? 39. Cómo funciona una turbina de gas? 40. Cómo funciona una turbina hidráulica? 41. Cómo funciona una turbina eólica? 42. Cómo funciona un panel solar térmico? 43. Cómo funciona un panel solar fotovoltaico? 44. Cómo funciona una pila de combustible? 45. Cómo funciona un generador eléctrico? 46. Cómo funciona una central de ciclo combinado? 47. Cómo está formada una red eléctrica? 48. Cómo varía la demanda en una red eléctrica? 49. Cómo varía la oferta en una red eléctrica? 50. Cómo se acoplan la oferta y la demanda en una red eléctrica? 51. De que formas se puede almacenar la energía? 52. Cuáles son los equipos para almacenar electricidad? 53. Cómo se almacena la electricidad en forma de agua en altura? 54. Cómo se almacena la electricidad en forma de hidrógeno? 55. Cómo se almacena la electricidad en forma de aire comprimido 56. Cómo se almacena la electricidad en forma de inercia? 57. Cómo se almacena la energía en baterías? 58. Qué es el rendimiento global de un proceso de conversión energética?

8 ÍNDICE Bloque 4: Tecnologías energéticas 59. Qué tiene mayor rendimiento, un calentador eléctrico o uno de gas? 60. Cuál es el rendimiento energético global de un automóvil?

9 ÍNDICE Bloque 5: Proceso de uso de los combustibles fósiles 61. Cómo es el proceso para uso energético del carbón? 62. Cómo se extrae el carbón? 63. Cómo se transporta el carbón? 64. Cómo se limpia y pulveriza el carbón? 65. Cómo es una caldera para quemar carbón? 66. Cómo se controlan las cenizas en una central de carbón? 67. Cómo se convierte el vapor en electricidad en una central de carbón? 68. Cómo es un intercambiador de calor en una central de carbón? 69. Cómo funciona una central eléctrica de carbón? 70. Cuál es el tamaño de una central eléctrica de carbón? 71. Cómo es el proceso para uso energético del petróleo? 72. Cómo se busca el petróleo convencional? 73. Cómo se realiza una perforación de petróleo convencional? 74. Cómo se extrae el petróleo convencional? 75. Cómo se extrae el petróleo no convencional? 76. Qué tratamientos recibe el petróleo crudo? 77. Cómo se transporta el petróleo crudo? 78. Cómo se refina el petróleo? 79. Cómo se traslada el petróleo refinado? 80. Cómo funciona una central eléctrica de petróleo? 81. Cuál es el tamaño de una central eléctrica de petróleo? 82. Cómo es el proceso para uso energético del gas? 83. Cómo se extrae el gas natural? 84. Cómo se extrae el gas no convencional?

10 ÍNDICE Bloque 5: Proceso de uso de los combustibles fósiles 85. Cuál es el tratamiento primario que recibe el gas natural? 86. Cómo se transporta el gas natural? 87. Para qué se licua el gas natural? 88. Cómo es el proceso de licuefacción del gas natural? 89. Cómo es el proceso de licuefacción del gas natural? 90. Cómo funciona una licuadora de gas natural? 91. Cómo es un tanque de GNL? 92. Cómo se llena un tanque de GNL? 93. Cómo se transporta el GNL? 94. Cómo se descarga el GNLde los buques metaneros? 95. Cómo se regasificael gas natural? 96. Cómo funciona una central eléctrica de gas natural? 97. Qué significan recursos, reservas y tasa de retorno energético?

11 ÍNDICE Bloque 6: Datos sobre los recursos energéticos fósiles 98. A cuánto ascienden las reservas de carbón? 99. Cuánto carbón se produce y se consume? 100. Cuánto va a durar el carbón? 101. Cuál es el precio del carbón? 102. Cuánto es la energía neta del carbón? 103. Cuántas son las reservas de petróleo? 104. Cuánto petróleo se produce y se consume? 105. Cuánto va a durar el petróleo? 106. Cuál es el precio del petróleo? 107. Cuánto es la energía neta del petróleo? 108. Cuántas son las reservas de gas natural? 109. Cuánto se produce y cuanto se consuma de gas natural? 110. Cuál es la duración prevista del gas natural? 111. Cuál es el precio del gas natural? 112. Cuál es la energía neta del gas natural?

12 ÍNDICE Bloque 7: Datos sobre los recursos energéticos renovables 113. Cuántas son las reservas de energía hidráulica? 114. Cuál es la producción y el consumo de energía hidráulica? 115. Cuántas son las reservas de energía de la biomasa? 116. Cuál es la producción y el consumo de energía de la biomasa? 117. Cuántas son las reservas de energía solar y cuánto se consume? 118. Cuántas son las reservas de energía eólica y cuánto se consume? 119. Cuántas son las reservas de energía geotérmica y cuánto se consume? 120. Cuántas son las reservas de energía de las mareas y cuánto se consume?

13 ÍNDICE Bloque 8: Coste y precio de la energía 121. Cuál es la diferencia entre el coste y el precio de la energía? 122. Qué factores encierra el coste interno de generación de la energía? 123. Qué factores encierra los costes externos de generación de la energía? 124. Cuáles son los agentes económicos involucrados en el suministro de electricidad? 125. Qué es el mercado de la energía? 126. Cómo se fija el coste de generación de la electricidad? 127. Qué otras alternativas existen para fijar el coste de generación de la electricidad? 128. Qué factores encierra el precio de venta de la electricidad en España hoy? 129. Qué factores encierra el precio de compra de la electricidad para el usuario final en España hoy? 130. Qué factores encierra el precio de venta de los combustible de automoción en España hoy? 131. Qué son las reservas estratégicas y las de seguridad?

14 ÍNDICE Bloque 9: Energía y medioambiente 132. Qué es la fotosíntesis? 133. Qué supone para la Tierra la fotosíntesis? 134. Cuál es la importancia del CO 2 en la Tierra? 135. Qué es el efecto invernadero? 136. Qué relación guarda el CO 2 con el mar? 137. Qué puede parar la fotosíntesis? 138. Qué impide que se pare la fotosíntesis? 139. Qué es el recalentamiento de la atmósfera? 140. Cuánto ha aumentado el CO 2 en la atmósfera? 141. Cuáles son las consecuencias del recalentamiento de la atmósfera? 142. Cuáles son las consecuencias del recalentamiento del mar? 143. Cuáles son las consecuencias globales del cambio climático? 144. Qué es la capa de ozono? 145. Por qué se destruye la capa de ozono? 146. Qué es la lluvia ácida? 147. Qué es el potencial de calentamiento global? 148. Qué es el protocolo de Kyoto?

15 ÍNDICE Bloque 10: Perspectivas del futuro energético mundial 149. Cuál es la tendencia del consumo de energía primaria en el mundo? 150. Qué efectos tendrá sobre el ecosistema la tendencia al incremento del consumo de recursos fósiles? 151. Cuáles son las previsiones de duración del petróleo a largo plazo? 152. Cuáles son las previsiones de duración del carbón a largo plazo? 153. Cuáles son las previsiones de duración del uranio a largo plazo? 154. Cuáles son las perspectivas energéticas globales a largo plazo? 155. Cuáles serían las bases de un nuevo modelo energético? 156. Cómo se puede ahorrar energía? 157. Cómo se puede absorber el CO 2 en exceso? 158. Cuáles son los dos modelos energéticos en liza? 159. Se puede llegar a un 100% de energía renovable en el mundo?

16 1. Qué es la energía? La realidad es que la energía es un fenómeno misterioso, del cual conocemos y comprendemos sus efectos, pero no su naturaleza originaria. En el campo de la física, se define la energía como una propiedad de los cuerpos o sistemas materiales en virtud de la cual estos pueden transformarse(a sí mismos) modificando su estado o situación, así como actuar sobre otros cuerpos, originando transformaciones en ellos. La energía indica la capacidad de un cuerpo o sistema para producir transformaciones, con independencia de que estas se produzcan o no. En forma incorrecta se define la energía como la capacidad para producir un trabajo. La energía está directamente asociada con la vida, tanto en cantidad como en calidad

17 2. Cómo se manifiesta la energía? Manifestación gravitacional Manifestación cinética Manifestación electrostática Conocemos la existencia de energía por sus cinco manifestaciones Manifestación electromagnética Manifestación nuclear

18 3. Cuál es la manifestación gravitacional o energía gravitatoria? Eslaenergíaquesemanifiestaporlaatraccióndedosmasasentresí,sean dos cuerpos celestes (la Tierra y la Luna, por ejemplo), sean dos masas cualquiera. Lacausadeestaatracciónesaúnunmisterio. La realidad es que cada masa crea a su alrededor un campo gravitatorio, queatraeacualquierotramasaquecaigaensucampodeacción.

19 3. Cuál es la manifestación gravitacional o energía gravitatoria? La fuerza con la que se atraen dos masas es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. r F 21 F 12 M 1 M 2 Un caso particular de la energía gravitatoria es la energía potencial, o sea, la atracción de la masa Tierra sobre cualquier otra masa en su cercanía (un satélite artificial) o en su superficie (enelcasodeunapersona,estafuerzaeselpesodelamisma)

20 4. Cuál es la manifestación cinética o energía cinética? Es la energía implícita en una masa en movimiento. Para una masa m, que se desplaza a la velocidad v, la energía cinética vale la mitad del producto de la masa por el cuadrado de la velocidad. La energía cinética viene en Julios, la masa en Kg y la velocidad en m/s. M Un caso particular de la energía cinética es la energía térmica (vulgarmente conocida, de forma incorrecta, como energía calorífica ) V

21 4. Cuál es la manifestación cinética o energía cinética? UN CASO PARTICULAR DE LA ENERGÍA CINÉTICA ES LA ENERGÍA TÉRMICA En la forma gaseosa, las moléculas tienen total libertad para moverse. Cuando se les suministra energía se mueven más rápido(incrementan su energía cinética) y el gas se dice que está más caliente(que tiene más temperatura). Gas poco caliente (Movimiento molecular lento) Gas muy caliente (Movimiento molecular rápido) En el caso de líquidos ocurre algo parecido al gas, aún cuando la movilidad de las moléculas por todo el volumen está más limitado. En el caso de sólidos, la aportación de energía cinética (térmica) desde el exterior excita las moléculas, que se ponen a vibrar más o menos intensamente alrededor de la posición de equilibrio en la estructura original.

22 5. Cuál es la manifestación electrostática o energía electrostática? Es la energía que se manifiesta por la atracción (o repulsión) de dos cargas eléctricas entre sí. Experimentalmente se ha comprobado que esta fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. (Sisondediferentesignoseatraenysondelmismosignoserepelen). La causa de esta fuerza es también un misterio. La realidad es que un cuerpo cargado positivamente (o negativamente) crea a su alrededor un campo eléctrico que atrae (o repele) acualquierotracargaeléctricaqueseencuentreensuradiodeacción. q 1 (+) r F 21 F 12 Un caso particular de la energía electrostática es la energía química, entendida como laquemantieneunidosentresíalosátomosqueconformanunamolécula,oavarias moléculas entre sí formando cuerpos. q 2 (-)

23 5. Cuál es la manifestación electrostática o energía electrostática? Es la energía asociada a una carga eléctrica en movimiento. Su origen es otro misterio, pero la realidad es que una carga eléctrica en movimiento (o un conjunto de estas formando una corriente eléctrica, por ejemplo), crean a su alrededor un campo electromagnético, que actúa no sólo sobre cargas eléctricas, sino también sobre imanes(cuerpos magnetizados). q (-) Teniendo en cuenta que la materia está compuesta de electrones y estos están en movimiento, todos los cuerpos irradian energía electromagnética en más o menos cantidad (al tiempo que también la reciben, si se encuentran en equilibrio). V

24 5. Cuál es la manifestación electrostática o energía electrostática? LONGITUD DE ONDA EN METROS Rayos Gama Rayos X Ultravioleta Visible Infrarojo Microondas Ondas de Radio 400 nm 500 nm 600 nm 700 nm LONGITUD DE ONDA EN NANÓMETROS Los campos electromagnéticos tienen naturaleza ondulatoria, variando su intensidad tanto a lolargodelespaciocomodeltiempo(paraunmismopuntodelespacio). La energía electromagnética recibe diversos nombres en función de la longitud de la onda portadora: microondas, ondas de radio, rayos x, infrarrojos, ultravioleta, luz visible (formadaporunconjuntodefrecuenciasquevandesdeelrojohastaelazul),etc.

25 6. Cuál es la manifestación nuclear o energía nuclear? Eslaenergíaalmacenadaenlosnúcleosdelosátomos,enelmomentodesuformación. Es la que mantiene unidos los protones y los neutrones (fuerzas nucleares fuertes y débiles), y también constituye otro misterio su existencia.

26 7. Cuáles son los errores más extendidos en la terminología energética? Aún cuando las formas, las manifestaciones últimas de la energía en el universo, son las cinco mencionadas, en la práctica del lenguaje cotidiano(producto de la evolución del conocimiento y el uso de la energía) la energía recibe multitud de nombres, entre los que destacan: energía calorífica, energía mecánica, energía eléctrica, etc. Algunos de estos términos pueden considerarse correctos, desde el punto de vista de reflejar una auténtica fuente de energía, pero otros no lo son, debiendo considerarse más bien como un estado intermedio de la energía, o mejor, una forma enque esta es transmitida desde un punto a otro; lo que se conoce vector energético. En este contexto merecen una explicación adicional las que se conocen como energía eléctrica, energía mecánica y energía calorífica. La energía eléctrica no es más que el flujo de electrones en el seno de un conductor, que a su vez crea a su alrededor un campo electromagnético. El origen del movimiento de los electrones puede ser un generador eléctrico (accionado por una fuente de energía externa), una pila eléctrica (a partir de una reacción química), una fuente de calor(termopar), etc. Por tanto la electricidad no es energía en sí misma sino un medio para transportar la energía.

27 7. Cuáles son los errores más extendidos en la terminología energética? Igualmente ocurre con la llamada energía mecánica, que debe ser considerada como una forma de transferir la energía cinética de un punto a otro por medio de un sólido o un fluido usados como elementos transmisores. En un automóvil la energía cinética contenida en los gases de la combustión de la gasolina se transfiere al pistón(el incremento de la presión en la cámara de combustión impulsa el pistón). La energía cinética de este, que ahora se llama energía mecánica, es la que se transfiere a través de diferentes mecanismos del automóvil hasta las ruedas (convirtiéndose de nuevo en energía cinética de todo el vehículo). Lo mismo puede decirse de la energía calorífica, que no es más que la transferencia de energía cinética de un punto a otro por medio de la excitación molecular (de mayor agitación térmica a menor agitación)(de más a menos temperatura) (El término traspaso de calor tiene el mismo sentido erróneo que el término cantidad de lluvia caída.enefecto,nocaelluvia,sinoaguaenformadelluvia)

28 8. Qué es la materia y cómo se manifiesta? Según el diccionario, materia es la sustancia de que están constituidas las cosas. También, cualquier cosa que ocupa espacio, añadiéndose también en algunas definiciones que la materia posee masa y que puede presentarse en tres estados : Sólido, Líquido y Gaseoso. Estas definiciones son absolutamente simples y nuestros conocimientos actuales sobre la materia muestran que es algo tan misterioso e incomprensible como la energía. Al igual que la energía, la materia la conocemos por sus manifestaciones. Estas manifestaciones se encuentran a tres niveles: Microscopio o materia invisible Macroscopio o materia visible y próxima Universal o materia visible e invisible

29 9. Cómo es la materia a escala microscópica, invisible? La parte más pequeña que por ahora se conoce de la materia son los gluones, quarks, mesones, etc.queformanpartedelnúcleodelosátomosyconformanlosneutronesylosprotones. La unión de varios protones y neutrones en un núcleo y electrones orbitando a su alrededor conforman los átomos. Esta unión se garantiza por la atracción entre los protones del núcleo con carga positiva y los electrones con carga negativa que giran a su alrededor en diversas órbitas o capas (cada una con una energía particular asociada), lo que significa que la distancia entre capas no puede ser cualquiera. Se dice que las capas (o mejor, la energía total de los electrones que la componen) están cuantificadas. Neutrón Protón Núcleo Electrón

30 9. Cómo es la materia a escala microscópica, invisible? Ejemplo: Elátomomássencilloeselhidrógeno,quecontieneunprotónyunelectrón. La figura comparativa muestra la enorme distancia relativas entre los electrones y el núcleo (un protón) en este átomo. Si el tamaño del protón fuera de 1 metro el electrón se encontraría a metros de distancia. protón m m - electrón X m + 1 m - electrón

31 9. Cómo es la materia a escala microscópica, invisible? El siguiente nivel de agrupación de la materia es la molécula, compuesta por la agrupación de varios átomos, iguales o diferentes. Lasfuerzasquemantienenunidoslosenlacesentresisedenominan fuerzasdeenlace,yson de varios tipos: iónico, covalente y metálico. En la figura se muestra el enlace iónico del cloruro de sodio sal común) El enlace iónico se da entre átomos que tienen facilidad para ganar o perder un electrón de su última capa, convirtiéndose así en iones negativos o iones positivos, respectivamente (átomos que les falta un electrón para completarlaúltimacapa,oquesólotienenunelectrónen ella). Los iones formados, al tener carga eléctrica diferente, se atraen electrostáticamente (fuerza de Coulomb) y así quedan unidos, enlazados.

32 9. Cómo es la materia a escala microscópica, invisible? El enlace covalente consiste en la compartición de electrones de la última capa, de dos átomos, para conseguir en ambos una configuración estable. Cada par de electrones comunes define un enlace. Los átomos están muy próximos entre sí (más que en el caso del enlace iónico) y las fuerzas de enlace son más intensas. Como resultado de estos enlaces se forman moléculas independientes (y noredes,comoeraelcasodelenlaceiónico). Este enlace es el que presentan las sustancias líquidas y gaseosas a temperatura ambiente. En la figura se muestra una molécula de oxigeno

33 9. Cómo es la materia a escala microscópica, invisible? El enlace metálico se caracteriza porque los átomos se agrupan formando redes cristalinas compactas (de tipo hexagonal, cúbica centrada en las caras y cúbica centrada en el centro), con los nudos ocupados por los átomos del metal. Todos los átomos están ionizados positivamente (cationes), pues cada uno de ellos ha cedido uno o varios de sus electrones de valencia. Estos electrones cedidos son comunes a todos los átomos, comportándose como una nube o gas que los envuelve. La red cristalina mantiene su estabilidad por medio de las acciones mutuas entre los iones metálicos y la nube electrónica.(esto explica la gran movilidad de los electrones en los metales y consecuentemente, su alta conductividad eléctrica. Nube electrónica deslocalizada Red cristalina iónica Cualquiera que sea el tipo de enlace, los átomos (y las moléculas) no permanecen fijos en sus posiciones, sino que oscilan más o menos fuertemente alrededor de su posición de equilibrio. Estas oscilaciones se incrementan si a la sustancia se le comunica energía desde el exterior (por ejemplo energía cinética en forma de impactos de otras moléculas, lo que se dice coloquialmente suministrar energía térmica o sea, calentándola)

34 10. Cómo es la materia a escala macroscópica, visible? El siguiente nivel de agrupación de la materia son las uniones entre moléculas que puede presentarse en tres estados de agregación(en condiciones normales, no excitada): sólido, líquido y gaseoso. GASEOSO LÍQUIDO SÓLIDO La materia en estado sólido se caracteriza por tener una forma y un volumen propios, como resultado de las fuertes uniones entre sus moléculas (como se vio en el punto anterior, están formados por enlaces de tipo iónico, metálico y otros). La materia en estado líquido se caracteriza por poseer un volumen definido, pero no una forma definida (adopta la forma del recipiente donde se encuentra dos líquidos son perfectamente elásticos y extremadamente incomprensibles). La materia en estado gaseoso se caracteriza por carecer de forma y de volumen (adopta la formadelrecipientequeloencierrayloocupaensutotalidad) Los gases son perfectamente elásticos y extremadamente comprensibles. Las moléculas de los gases se encuentran en continuo movimiento, describiendo trayectorias rectilíneas(pero en direcciones aleatorias) hasta que chocan elásticamente entre ellas, o contra las paredes del recipiente que las contiene. Precisamente a este choque contra las paredes se las denomina presión del gas. Depende, del número de choques por unidad de tiempo (número relacionado con el número de moléculas presentes en el recipiente) y de la velocidad de tales moléculas(su energía cinética).

35 10. Cómo es la materia a escala macroscópica, visible? Este comportamiento de los gases explica la Ley de Boyle-Mariot, según la cual la presión del gas aumenta a medida que el volumen encerrado disminuye (suponiendo que no hay modificación de la temperatura). En efecto, al disminuir la distancia entre las paredes, y mantener las moléculas su velocidad, las distancias recorridas por estas son muy cortas, conlocualelnúmerodeimpactos(porunidaddetiempo)contralaparedseincrementa.

36 11. Cómo es la materia a escala universal (visible e invisible)? El último nivel de agrupación de la materia lo constituyen los cuerpos celestes, desde planetas, satélites, estrellas, sistemas solares, galaxias y sistemas de galaxias, sin olvidar la materia difusa, o materia oscura existente en el universo. Nuestro sistema solar Nuestro cielo nocturno consta de una pequeña selección de las estrellas más brillantes y cercanas dentro del círculo verde Nuestra galaxia

37 11. Cómo es la materia a escala universal (visible e invisible)? Ejemplo:Sisesuponenunacanicade2cmdediámetro,unapelotadetenisde7cmyunglobo de700cm(7metros)nuestrosistematierra LunaSolquedaríarepresentadocomoseveenla figura: Unfutbolista situado en una portería tendría la pelota de tenis a sus pies, la canica a dos pasos yelgloboaunadistanciade8camposdejuego. Canica 2 cm Pelota tenis 7 cm Globo 700 cm Distancia canica pelota 200 cm Distancia pelota globo cm

38 12. Cuál es la escala de la materia en su conjunto? En esta imagen se expone una visión comparativa de los tamaños de la materia y hasta donde llega nuestra comprensión de la misma. La unidad de medidaempleadaeselmetro(10 0 ) Niño 10 4 Gran Ciudad 10 1 Casa de 3 plantas 10-3 Grano de arena 10-6 Célula 10 9 Dos esferas: Tierra y Luna 10 6 Esfera terrestre 10-9 Moléculas Conjunto de sistemas solares próximos Sistema solar Átomo (núcleo y electrón) Vía láctea sistemas solares Núcleo (neutrones y protones) universo Conjunto de galaxias Protón (3 quarks y gluones)

39 13. Qué relación existe entre la energía y la materia? Materia y energía son aspectos diferentes de una misma cosa, o en otras palabras, que materia y energía son equivalentes. De acuerdo con la teoría de Einstein la energía contenida en una masa es el valor de esta por el cuadrado de la velocidad de la luz. CURIOSIDAD! No todos los físicos están de acuerdo con este planteamiento simple de la equivalencia entre la masa y la energía, o lo que es igual, que la masa pueda transformarse en energía y viceversa. Sostienen que los cambios de energía van asociados a cambios en la masa, y que ambos cambios son formas alternativas de descripción de un fenómeno único

40 14. Cómo se transforman la energía y la materia? Se ha visto que la energía es la capacidad que tiene la materia para realizar transformaciones, bien dentro de un mismo cuerpo, bien entre varios. Estas transformaciones de la materia pueden ocurrir a nivel atómico (tanto en su núcleo como en los electrones que le rodean), a nivel molecular (mediante lo que se conoce como reacciones químicas) o a nivel de estado de agregación(que implica sólo cambios físicos). Atómico Transformaciones de la materia Nivel Denominación Resultado Transmutación Ionización Nuevo átomo Átomo ionizado Molecular Reacción química Nueva sustancia Macroscópico Cambio de estado de agregación Nuevo estado de la misma sustancia Todas estas transformaciones de la materia van acompañadas de transformaciones de la energía, incluyendolospasosdeestadeunoscuerposaotros. Sin embargo, tanto la materia (masa), como la energía, se conservan en todos los procesos, de manera que puede afirmarse: En toda transformación de la materia de tipo químico (reacción química) o físico (cambios de estado),lamasatotalseconserva(enunareacciónquímica,la masatotaldelosreactivosesiguala la masa total de los productos ). Igualmente en toda transformación de la energía esta ni se crea ni se destruye, sólo se transforma (Primer principio de la termodinámica).

41 15. Cómo ocurren las transformaciones por reacción química? Un caso particular de transformación de la materia son las reacciones químicas, donde las sustancias iniciales (denominadas genéricamente reactivos ) se transforman en otra u otras finales(denominadas también genéricamente productos ). En paralelo a las transformaciones de la materia también se producen transformaciones energéticas, de manera que la diferencia de las energías asociadas a los productos y a los reactivos se intercambian con el medio en forma de energía cinética(térmica), energía electromagnética(luz visible o no), etc.

42 15. Cómo ocurren las transformaciones por reacción química? Ejemplo: Desde el punto de vista del aprovechamiento energético, una de las reacciones más importantes son las denominadas de combustión. En ellas, un combustible (butano, propano, alcohol, etc.) se une a un carburante (el oxígeno del aire) para convertirse en anhídrido carbónico (si la combustión es completa) y agua(ésta en forma de vapor). Por ejemplo, la combustión del butano: 2C 4 H O 2 8CO 2 +10H 2 O Enestareacciónlamasadelosreactivosesidénticaalamasadelosproductos. Así mismo, la energía electrostática (química) de los primeros no es igual a la de los productos, pues una parte de ella se emplea en aumentar la energía cinética (la temperatura) de las moléculas de CO 2 y agua, que se mueven violentamente. Se dice que esta reacción es exotérmica. Este movimiento es trasladado al aire circundante, agitando sus moléculas (oxígeno, nitrógeno, etc.)( calentándolo ). (También se produce una pequeña parte de energía en forma electromagnética, en ciertas franjas del espectro, incluyendo luz visible).

43 16. Cómo ocurren las transformaciones por cambios de estado? Las otras transformaciones de la materia que también son muy usuales se refieren a los cambiosenlos estadosdeagregación,esdecir,lospasosdesólidoalíquido,deésteagas,y viceversa. Estas transformaciones tienen lugar suministrándole a la sustancia energía desde el exterior, o sustrayéndosela. En el caso de sólidos (en los cuales sus moléculas, aún vibrando alrededor de sus posiciones de equilibrio, se mantienen formando una estructura cristalina), al suministrar energía térmica(porejemplo,mediante elimpactosobresusmoléculasdelas moléculasde CO 2 ydel vapor de agua fuertemente aceleradas como resultado de la combustión de un combustible cualquiera), se consigue aumentar tanto la vibración de las moléculas que terminan por romper la estructura cristalina, pasando del sólido al estado líquido. Si se sigue aumentando el suministro de energía térmica, las oscilaciones de las moléculas del líquido aumentan aún más, venciendo las fuerzas de cohesión entre las mismas, y la sustancia se transforma finalmente en un gas.

44 16. Cómo ocurren las transformaciones por cambios de estado? Ejemplo: Desde el punto de vista del aprovechamiento energético uno de los cambios de estado más importantes se produce en las calderas de vapor (compuestas por una cámara de combustión y un conjunto de tubos por donde circula agua). EnestaslasmoléculasdeCO 2 yagua(vapor)producidasporlacombustióndeuncombustibleen reacción exotérmica están fuertemente aceleradas (alta temperatura) y golpean los tubos de agua de la caldera por su parte exterior, haciendo vibrar sus moléculas (metálicas), que a su vez hacen oscilar las del agua al otro lado del tubo, convirtiéndola en vapor de agua (con sus moléculas también moviéndose violetamente). Elaguaenelinteriordelostubospasadelestadolíquidoalestadodevapor.

45 17. Cómo ocurren las transformaciones complejas? La mayor parte de las transformaciones de la materia y de la energía son procesos complejos en los que se intercambian diferentes manifestaciones de ambas. Además todos estos procesos interactúan con el medio, dado que no existen sistemas totalmente cerrados. Unos ejemplos aclararán estos conceptos. Ejemplo 1: Un proceso de transformación de materia y energía muy importante es la conversión de un combustible fósil en electricidad. La cadena de procesos es la siguiente: 1º. Los productos químicos que componen el combustible reaccionan con el oxígeno del aire produciendo CO 2 y vapor de agua (materia transformada), ambos fuertemente acelerados (calientes) La energía química ha pasado, en parte, a cinética. 2º El CO 2 y el vapor impactan contra las paredes exteriores de los tubos con agua, haciendo oscilar sus moléculas y luego escapan a la atmósfera, impactando con las moléculas de esta y acelerándolas(atmósfera calentada). 3º. Las moléculas del tubo de metal impactado transmiten sus oscilaciones al agua líquida de su interior, aumentando su energía cinética (calentándola) y convirtiéndola en vapor (cambio deestado). 4º. Las moléculas de vapor encerradas en el tubo hace aumentar la presión del vapor y son estasmoléculasdeaguaaalta presiónytemperaturalasquesehacenincidircontralosálabes de una turbina para hacerla girar. La energía cinética del vapor se transfiere a la turbina comunicándole una energía cinética(ahora denominada mecánica). 5º. La energía cinética de la turbina girando mueve un alternador y se convierte en energía electromagnética. El transporte de esta energía por un cable es la electricidad.

46 17. Cómo ocurren las transformaciones complejas? Ejemplo 2: Laenergíaradiadapor elsolesabsorbidaporlaplanta,atravésdesushojasverdes.por elfenómenodela fotosíntesis, el dióxido de carbono (CO 2 ) contenido el aire, y el agua, se combinan transformándose en moléculas complejas de hidratos de carbono, que forman las hojas, tallo y raíces de la planta. Cuando una persona ingiere la planta, por los fenómenos de la digestión absorbe la energía de ésta, quedando almacenada en las cédulas de su cuerpo en forma de moléculas aún más complejas y en particular en las células de los músculos. La digestión no es más que una serie de reacciones químicas que desprenden calor, el cual a través de la respiración y el sudor es lanzado al aire circundante, calentándolo. La energía almacenada en los músculos de los brazos puede emplearse en subir la masa de 50 kg en 10 metros, es decir, realizar un trabajo. Durante este proceso, la persona suda y este calor, más el de la respiración, pasa también a la atmósfera circundante, calentándola.

47 17. Cómo ocurren las transformaciones complejas? BALANCE ENERGÉTICO En este balance, el tamaño del cuadro A es igual a la suma de B y el B. A su vez, el B es igual a la sumadecmáselc.finalmente,elcesigualaldmáseld. A B C D Energía Solar Energía de la planta Atmósfera calentada B Energía de la persona Atmósfera calentada C Energía de la carga elevada Atmósfera calentada En resumen, la energía procedente del Sol(energía electromagnética) se ha ido transformando en energía de la planta (energía química), energía de la persona (energía química), para terminar como energía potencial (gravitacional) (masa de 50 kg a 10 m. de altura) y energía cinética (calorífica)(aire calentado). No se ha consumido (o perdido ) la energía que llega del Sol. Se ha ido transformando en diferentes tipos de energía, almacenada en otros medios. D

48 18. Son reversibles las transformaciones energéticas? LAS TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS NO SON REVERSIBLES Enlosprocesosdeintercambiodeenergíacinéticaesobvioquelasmoléculasmáslentas(enelcaso de gases), o las que menos oscilan (en el caso de sólidos), no pueden transmitir energía a las más rápidas o que más oscilan. En términos convencionales esto significa que la energía pasa siempre de un foco caliente a otro focofrío,esdecir,decuerposdealtatemperaturaaotrosdemenortemperatura.sinoexisteuna cierta diferencia de temperaturas no puede darse una transferencia de energía térmica. Dicho de otra manera la energía (del tipo que sea), convertida en cinética (térmica), no puede recuperarse íntegramente. Aquíseharepresentadounaconversióndeenergíamecánicaatérmica(atemperaturaT 1 ). Si esta energía quiere trasladarse a otra máquina para convertirlo de nuevo en energía mecánica, la temperatura ha de descender a T 2 (debiendo ser, necesariamente T 2 <T 1 ), con lo cual la energía mecánica obtenible es menor. Trabajo 1 (T 1 ) T 1 > T 2 (T 2 ) Trabajo 2 Trabajo 2 < Trabajo 1

49 19. Cuáles son los principios de la termodinámica? Primer principio: La energía está ahí, ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. Segundo principio: Los procesos de transformación no son reversibles, lo que implica que en todos los procesos de transformación energética una parte de la energía no es recuperable. Tercer principio: La energía no recuperable es la entropía del proceso termodinámico. La entropía aumenta en todo proceso de transformación energética.

50 20. Qué es el rendimiento de una transformación energética? La eficiencia (o rendimiento) de un proceso de transformación energética es el cociente entre la energía utilizable(después del cambio) y la energía inicial(antes del cambio). No todas las transformaciones tienen el mismo rendimiento. Las más bajas son las que transfieren energía cinética(térmica) al medio circundante(atmósfera). Ejemplo: En un motor de combustión interna sólo el 20% de la energía del combustible se transforma en energía mecánica. El 80% restante se transfiere a la atmósfera en forma de calor (gases de escape y aire calentado) y no es recuperable. Gasolina 100% Trabajo Mecánico 20% Motor de Gasolina (Motor de combustión Interna) O 2 Aire Calor a la atmósfera 80%

51 21. Es correcto el término consumo de energía? La frase consumo de energía es incorrecta en términos conceptuales. La energía no se consume sino que se transforma enotro tipo de energía, de acuerdo conel primer principio y si La Tierra fuera un sistema cerrado el total de energía permanecería constante. Pero si se considera la Tierra dentro del conjunto del Universo sí cabe hablar de consumo energético temporal. Enefecto, el balance energético de todo el planeta consta de unas entradas de energía, que es la quellegadelsol,yunas salidas,queeslasumadepartedelaquellegadelsolyesreemitida,más la emitida procedente de las fuentes energéticas de la Tierra, fósiles o nucleares, que han sido explotadas en ese período. En los últimos 100 años es obvio que la Tierra ha emitido al espacio más energía que la que ha recibido del Sol. Ese exceso de emisión energética es precisamente parte de la energía solar almacenadaenformadecarbón,petróleoygasentodalavidapasadadelplaneta. CURIOSIDAD! Algún científico, en términos jocosos, asegura que la Tierra nunca será visitada por seres extraterrestres inteligentes. Estos observarían con curiosidad la anomalía de nuestro pequeño planeta, por la gran cantidad de energía radiada al espacio exterior, de lo cual deducirían que no podría haber vida inteligente en el mismo.

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