Transferencia de energía eléctrica en túnel de viento.

Transcripción

1 Transferencia de energía eléctrica en túnel de viento. Introducción. Los seres humanos cada vez buscan formas más eficientes de realizar el trabajo, no existen máquinas que conviertan la totalidad de su energía en productividad, se debe a las industrias y la producción en serie desde el siglo XX, cada vez se necesitan más y mejores artefactos para satisfacer la demandada del mundo. Por lo mismo es necesario idear nuevos y mejores métodos de transferencia de energía, el día de hoy se conocen formas de transferir energía a través de un medio físico que se deteriora y sobre todo conlleva un costo, es por esto lo importante de buscar formas de transferir energía con recursos renovables y siempre disponibles. Un túnel de viento es una herramienta en las investigaciones para estudiar los efectos del movimiento del aire y su relación con otros objetos sólidos. El túnel debe permanecer y estacionarse mientras se propulsa aire o gas alrededor de él. En su mayoría son artefactos accionados por un motor donde el aire fluye de forma constante. El inicio de este artefacto se remonta a los años 1,700 donde se realizan experimentos para probar teorías de aviación. 200 años después los hermanos Wright usaron un túnel simple para estudiar la corriente del aire que pasaba mientras desarrollaban su Wright Flyer, que fue algo revolucionario. Una de las mayores ventajas de un túnel de viento es que se observa el movimiento del medio con relación a un cuerpo inmóvil. Es más económico realizar experimentos en túneles de viento que hacer pruebas con aeronaves reales y diferentes posibilidades de fallas. Planteamiento del problema. En la actualidad la única forma de transmitir energía eléctrica es a través de algún medio físico como cobre, oro, hierro y aluminio, por lo que se requiere de múltiples instalaciones para uso doméstico o industrial, con el avance de la tecnología se logró el envió de datos de manera inalámbrica, pero no así de la energía.

2 El túnel de viento no tiene como fin generar la energía sólo conducirla de un lugar a otro. El aire se comporta como un aislante, Cómo es posible transmitir energía a través de un aislante? Se observa que en una tormenta eléctrica los rayos atraviesan el aire sin dificultad, cuando la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos supera cierto límite se produce el fenómeno que permite al aire ser un conductor eléctrico. Con esta investigación se busca dar respuesta a la siguiente pregunta: Cómo conducir energía eléctrica a través de un túnel de viento? Justificación. El rápido desarrollo tecnológico ha mejorado de manera notable la calidad de vida, pero también produce un incremento importante en el consumo de energía para satisfacer nuestras necesidades básicas. México debe buscar de manera urgente formas prácticas de aprovechar la energía eléctrica, si bien nuestro país tiene recursos minerales como plata, mercurio, plomo y cobre en abundancia para la producción de medios de transmisión, su uso excesivo puede generar impacto sobre el medio ambiente, lo que implicar la exterminación de las reservas naturales. Es por eso necesario el desarrollo de nuevas tecnologías, con recursos renovables, para remplazar a las obsoletas y optimizar el uso de nuestros recursos. Con la investigación de una alternativa para la transmisión de energía, se ahorraran costos para instalaciones eléctricas y miles de kilómetros de cables de cobre, plata y oro, así mismo se impulsará al sector energético para alcanzar a las poblaciones de más bajos recursos. Marco Teórico. 1. Fuentes de energía. La fuente primordial que el ser humano puede tener de energía es el Sol, el cual proporciona luz y calor, sin esta energía no es posible la vida, y el desarrollo de nuestras actividades. Roldan [1] enlista algunas de estas energías para la subsistencia de las necesidades cotidianas, principalmente el sol con luz y calor, pero también el viento, cuya fuerza fue empleada desde los inicios del siglo para mover barcos y molinos. La energía hidráulica es otra opción, que proporciona energía del agua de los ríos. La leña y el carbón provee de fuego al hombre. Y las más contemporáneas, químicas (pilas y baterías) hechas con hidrocarburos, gas natural, nuclear, biomasa, etc., es posible dividir estas fuentes de energía según su estado, en dos:

3 1.1 Energía Potencial. En un sistema, esta energía es la que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar una tarea. José Roldan lo define así La energía contenido en un cuerpo o elemento está latente, sin desarrollar un trabajo; por ejemplo el agua contenida en un pantano, un trozo de carbón, un depósito de gasolina, una bomba de butano, etc. [1] Los objetos que almacena este tipo de energía tienen el potencial de crear una actividad pero esta energía tiene importancia solo cuando cambia, de esta manera se transforma la energía en algún trabajo. 1.2 Energía Cinética. La energía cinética es la consecuencia que posee cualquier cuerpo como consecuencia de su movimiento. Corresponde al desarrollo o materialización de la energía por el movimiento de un cuerpo; por ejemplo, el salto de agua que mueve una turbina, el carbón que se quema y genera calor, la gasolina que alimenta la combustión de un motor de explosión, etc. [1] De manera opuesta a la energía potencial, solo se considera cuando un cuerpo se encuentra en movimiento y para que este cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo de magnitud igual en dirección opuesta que el que realiza el objeto, según su capacidad de ser convertidas y/o transferida. 1.3 Energía Renovable. Virtualmente inagotables, porque son capaces de regenerarse por medios naturales, se considera que el Sol abastecerá las fuentes de energía, como radiación solar, viento, lluvia) durante los próximos cuatro mil millones de años, de manera que seguirán dando energía de manera constante e ilimitada. Una definición sencilla y fácil de entender: La energía que utilizamos y se renueva. Ejemplos: La fuerza del viento, la luz del Sol (calor y luz), el agua de los ríos, etc. [1] 1.4 Energía No renovable. Este tipo de energía degrada el medio ambiente. La energía, una vez que la consumimos, desaparece de esa forma de energía y se transforma en otra, Ejemplo: un barril de gasolina que se gasta en un motor y se transforma en energía mecánica. [1] Lamentablemente esta energía se encuentra en la naturaleza en cantidades limitadas, las cuales, si son consumidas en su totalidad no podrán ser sustituidas, es necesario ser cuidadoso y tratar de gastar lo menos posible los recursos no renovables al realizar tareas cotidianas.

4 2. La conservación de la energía. La conservación de la energía es el primer principio de la termodinámica, y se postula a partir del siguiente enunciado: Primera ley de la termodinámica: en un sistema aislado, la energía total del sistema permanece constante. [2] Se define la energía interna como la energía total que se compone de diferentes tipos de energía como la química, nuclear, electrónica y cinética. Si se tiene un sistema aislado quiere decir que no permite la entrada o salida de energía de un cuerpo, esto no significa que el cuerpo no cambiará o sea estático, sino que la energía se conserva en su estado actual. 3. La transferencia de energía. 3.1 Conducción. Serway, en su libro [3], describe el proceso de transferencia de energía por calor como el intercambio de energía cinética entre partículas microscópicas en la que las partículas con menos energía ganan esta energía en colisiones con otras partículas. En general los metales son buenos conductores térmicos no así con gases y materiales como asbesto, corcho o papel. La transferencia de electrones se presenta cuando hay una diferencia de temperaturas entre el medio de conducción. 3.2 Convección. Cuando se transfiere energía por el movimiento de una sustancia caliente se habla de convección, Serway, explica como el aire que está arriba de una llama se calienta y se expande, como resultado, el aire se eleva y toca las manos debido a la disminución de la densidad del aire, los líquidos y gases transmiten el calor principalmente por convección. 3.3 Radiación. La radiación es un fenómeno que consiste en la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas. La energía solar atraviesa primero el espacio y después la atmosfera terrestre, y calienta la superficie de la Tierra. Esa energía no atraviesa la atmósfera por conducción, porque el aire es mal conductor. Tampoco pasa por convección, porque ésta sólo comienza después de haberse calentado la Tierra [4] De esta forma se observa que no solamente tenemos conducción o convección, sino cuando la energía se irradia, se llama energía radiante, esta energía es de ondas electromagnéticas, como radio, microondas, infrarrojo o ultravioleta. Esta onda electromagnética se relaciona con su frecuencia.

5 4. Corriente eléctrica. Una corriente eléctrica es una carga en movimiento, las partículas como electrones o protones son los portadores de cargas capaces de transportarlas gracias a su movimiento, esta transferencia de cargas por un punto se mide en coulomb/s o amperes, Edward M. Purcel [5], informa que 6.24*10 a la 18 de cargas elementales es igual a 1 Amper, también describe la corriente como estacionar, sin variación, lo que permite medir y calcular corriente en cada punto del sistema. Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito y se genera un movimiento de electrones a través de un medio conductor y las cargas eléctricas se desplazan para obtener un trabajo como resultado. 5. Túneles de viento. Los túneles de viento o túneles aerodinámicos son una herramienta importante de investigación para ayudar en el estudio y experimentación de los efectos del aire alrededor de objetos estáticos. Se simulan distintas condiciones en estos túneles, de forma principal se utilizan para industrias de automóviles y aviones. Estos túneles están formados por enormes ventiladores, un sistema de admisión de aire y un conducto que canaliza el aire hacia la cámara donde se realizan las pruebas, normalmente esta cámara es transparente para observar el comportamiento del cuerpo, pero con la integración de sensores necesarios para obtener información suficiente y no, depende de la observación del ojo humano. En su libro [6], Agueda, separa los túneles de viento en dos categorías, según sus instalaciones básicas y según el tipo de pruebas a realizar: 5.1 Instalaciones básicas. Sistemas de circuito abierto. Este es un sistema que se basa en un túnel Eiffel, esto quiere decir que el aire se succiona de un extremo del túnel, genera así una corriente de aire. Sistemas de circuito cerrado. En estos casos la masa de aire solo se mantiene en circulación dentro del túnel de viento, por lo que necesita menos energía que un sistema de circuito abierto.

6 5.2 Pruebas a realizar. Túnel de viento aeroacústico. Este túnel de viento tiene como propósito observar el flujo de aire en el cuerpo pero también analiza las fuentes de ruido que se generan. Túnel de viento térmico. En este tipo de túnel se realizan experimentos a objetos en condiciones extremas, se reproducen condiciones climáticas como el viento, calor y hielo, en algunos casos se combinan para su estudio más exhaustivo.

7 Análisis de Congruencia. TEMA Transferencia de energía eléctrica en túnel de viento. RESUMEN OBJETIVO PREGUNTA Esta línea de investigación desarrolla 3 direcciones: 1) identificar la posibilidad de la transferencia de energía a través de una ráfaga de viento. 2) aislar la mejor opción de experimento posible. 3) Elaborar pautas y estrategias para llevar a cabo la experimentación. Lograr la fase de experimentación con un conocimiento teórico y generar una hipótesis a respaldar con el experimento. Cómo transmitir energía de a través de un túnel de viento? Qué cantidad de voltaje es necesario insertar en la ráfaga? Existe alguna restricción física que impida esta transferencia? Qué características debe de tener el entorno para lograr tener éxito? HIPÓTESIS VARIABLES PROCEDIMIENTO Tomando como base la transferencia de energía en una tormenta eléctrica, es factible simular el fenómeno natural transfiriendo energía eléctrica por este recurso renovable. *Temperatura atmosférica. * Humedad en el ambiente. * Cantidad de energía aplicada. * Velocidad del viento. *Presión atmosférica. 1)

8 Bibliografía. [1] José Roldan, Fuentes de Energía, Editorial Cengage 2008, España. [2] David W. Ball Fisicoquímica, Editorial Thompson 2004, México. [3] Física para ciencias e ingeniería, Raymond A. Serway,J, Editorial Cengage Learning [4] Fisica Conceptual, Paul G. Hewitt, Editorial Pearson Educación, Mexico, [5] Electricidad y magnetismo, Edward M Purcel, Editorial Reverté, [6] Estructuras del vehiculo, Tomas Gomez Morales, Editorial Parainfo, 2010.