Tema 1: Energía. Conceptos Fundamentales

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1 Tema 1: Energía. Conceptos Fundamentales 1 INTRODUCCIÓN Definición de energía Unidades de medida. Trabajo y potencia FORMAS DE MANIFESTACIÓN DE LA ENERGÍA Tipos de Energía Formas de Energía Transformaciones energéticas. Rendimiento FUENTES DE ENERGÍA Características de una fuente ideal.... Error! Marcador no definido.

2 1 INTRODUCCIÓN. 1.1 Definición de energía. Se define la energía, como la capacidad para producir un trabajo que posee un cuerpo, un sistema o un proceso. Esta capacidad se debe a la constitución del cuerpo (energía interna), a su posición en el espacio (energía potencial) o a su movimiento (energía cinética). La energía puede cambiar por los procesos de conversión pero la cantidad permanece constante (primer principio de la termodinámica). La energía ni se crea ni se destruye. Sólo se transforma. La energía total de un sistema permanece constante. (Ej.- universo) La energía es consecuencia es consecuencia de cuatro tipos de interacciones o fuerzas fundamentales: ü Fuerza nuclear fuerte: mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos. ü Fuerza electromagnética: afecta a los cuerpos cargados eléctricamente. ü Fuerza nuclear débil: responsable de la desintegración beta de los neutrones. ü Fuerza gravitatoria: la responsable de la atracción entre cuerpos con masa. 1.2 Unidades de medida. Trabajo y potencia. ENERGÍA Se mide en el sistema internacional en Julios (J), que se define como el trabajo que realiza una fuerza de 1N cuando se desplaza su punto de aplicación 1m. Existen otras unidades de energía: Caloría: Se usa como unidad de medida del calor y se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14,5 ºC a 15,5 ºC. 1 cal = 4,18 J Kilovatio-hora (kwh): Se usa como unidad de medida de la energía eléctrica. Es la energía consumida o desarrollada por una maquina de 1 Kilovatio de potencia durante una hora. 1 kwh = 1000 Wh = 1000 W * 3600 s/h = 3600*1000 J = 3 6*106 J Electronvoltio (ev): Se utiliza en física nuclear y se define como la energía que adquiere un electrón cuando se mueve entre dos puntos con una diferencia de potencial de 1 voltio. 1 ev = 1' J

3 Kilopondímetro (kpm): Es el trabajo que realiza una fuerza de 1 kp cuando se desplaza su punto de aplicación una distancia de 1 metro en su misma dirección. 1 kpm = 9,8 J Existen otras unidades que se usan para calcular la calidad energética de los combustibles. Estas unidades están basadas en el poder calorífico de estos combustibles. Las más utilizadas son: o Tep: Toneladas equivalentes de petróleo. Energía liberada en la combustión de 1 tonelada de crudo. 1 tep = 41' J o Tec: Toneladas equivalentes de carbón. Energía liberada por la combustión de 1 tonelada de carbón (hulla) 1 tec = 29'3 109 J La equivalencia entre tep y tec es: 1 tep = 1'428 tec o Kcal/kg: Calorías que se obtendrían con la combustión de 1 kg de ese combustible. TRABAJO Se define como el producto de la fuerza aplicada sobre un cuerpo y el desplazamiento que este sufre. Si el objeto no se desplaza en absoluto, no se realiza ningún trabajo sobre él. T = F * d Las unidades de trabajo y energía son las mismas. POTENCIA Es la cantidad de trabajo que realiza o consume una máquina por cada unidad de tiempo. Su unidad en el sistema internacional es el vatio (W) P = Trabajo/tiempo = T/t Una maquina de 1 W de potencia hace el trabajo de un Julio cada segundo. (HP). Otras unidades de potencia: El caballo de vapor (CV), siglas en ingles 1 CV = 735 W

4 Unidades básicas SI Ó MKS (metro, Kilogramo, segundo) Magnitud Nombre Símbolo Longitud metro m Masa kilogramo kg Tiempo segundo s Corriente eléctrica amperio A Temperatura termodinámica kelvin K Unidades básicas CGS (centímetro, gramo, segundo) Magnitud Nombre Símbolo Longitud centímetro cm Masa gramo g Tiempo segundo s Unidades básicas ST (metro, Utm, segundo) Magnitud Nombre Símbolo Longitud metro m Masa Unidad técnica de masa Utm Tiempo segundo s 2 FORMAS DE MANIFESTACIÓN DE LA ENERGÍA. El ser humano necesita energía para realizar cualquier actividad, para mantener sus constantes vitales, mandar órdenes al cerebro a través de los nervios, renovar sus células, etc. Además de la energía necesaria para el funcionamiento de su cuerpo, tiene que cubrir sus necesidades de alimentación, calefacción, etc. Para los hombres primitivos, el disponer solamente de la energía obtenida a través de la alimentación, limitaba sus posibilidades de desarrollo y subsistencia. Con el paso del tiempo, fue aprendiendo de la naturaleza y aplicando algunos recursos de ella, como el descubrimiento del fuego, con lo que consiguió un mayor bienestar. Creo diversos utensilios y herramientas como palancas, planos inclinados, etc., que le hicieron más fácil la realización de los trabajos. También utilizo animales domésticos, para ayudarle a realizar distintas labores, maquinas de pequeña potencia (poco trabajo en un determinado tiempo) y rendimiento bajo. Con el paso del tiempo, y el desarrollo industrial se empezaron a aplicar nuevas fuentes de energía, tales como los combustibles fósiles, y otras fuentes ya conocidas desde la antigüedad, como el viento, la madera, el agua, etc.

5 Se consiguió transformar energía en otra forma más adecuada por medio de mecanismos y útiles. Al conjunto de estas piezas y mecanismos, que transforma una energía en otra, se denomina máquina. En el mundo actual, y debido al alto bienestar de las sociedades desarrolladas, el consumo de energía es elevado; nos desplazamos en vehículos que aprovechan la energía térmica o eléctrica; la cocción de alimentos necesita calor que procede de algún gas o de la energía eléctrica y, como estas, existen innumerables aplicaciones donde la energía está presente. 2.1 Tipos de Energía. Energía primaria. Una fuente de energía primaria es toda forma de energía disponible en la naturaleza antes de ser convertida o transformada. Energía secundaria. Es aquella energía que ha sido obtenida de una energía primaria u otra secundaria, es decir, surge de la transformación de otra forma de energía. 2.2 Formas de Energía. La energía se manifiesta de múltiples formas en la naturaleza, pudiendo convertirse unas en otras con mayor o menor dificultad. Entre las distintas formas de energía están: 1. Energía mecánica, la cual se puede manifestar de dos formas diferentes: a) Energía mecánica cinética: Es la energía que posee un cuerpo en movimiento. Ec = ½ * m * v 2 ; donde m es la masa del cuerpo que se mueve a velocidad v. Ejemplo: Un cuerpo de 10 kg que se mueve a una velocidad de 5 m/s, posee una energía cinética Ec = ½ * 10kg * (5m/s) 2 = 125J b) Energía mecánica potencial: Es la energía que posee un cuerpo en virtud de la posición que ocupa en un campo gravitatorio (potencial gravitatoria) o de su estado de tensión, como puede ser el caso de un muelle (potencial elástico). Si un cuerpo de masa m está situado a una altura h, tendrá una energía potencial gravitatoria equivalente a Ep = m * g * h ; donde g es la aceleración de la gravedad g = 9 8 m/s2 (en la Tierra) Ejemplo: Un cuerpo de 10 kg de masa situado a 5 m de altura posee una energía potencial que vale Ep = 20 kg * 9 8 m/s2 * 5 m = 980 J El agua de un embalse posee energía potencial almacenada, puesto que está situada a cierta altura respecto al punto inferior donde se sitúan las compuertas que liberan el agua.

6 La ecuación para la potencial elástica: Epe = ½ * k * x 2 ; donde k es la constante elástica y x la deformación del objeto. 2. Energía térmica o calorífica, es la energía asociada a la transferencia de calor de un cuerpo a otro. Para que se transfiera calor es necesario que exista una diferencia de temperatura entre los dos cuerpos. El calor es energía en tránsito. Todos los materiales no absorben o ceden calor del mismo modo, pues unos materiales absorben el calor con mayor facilidad que otros. Ese factor depende del llamado calor específico del material Ce. Cada material tiene su propio calor específico. Ejemplo: Madera Ce = 0 6 y Cobre Ce = Esto significa que para que un gramo de madera suba su temperatura un grado debe absorber 0 6 cal y para que ocurra lo mismo para un gramo de cobre debe absorber cal. Formas de transmisión de calor: a) Radiación: consiste en la transferencia de calor en forma de ondas electromagnéticas de un cuerpo más caliente a otro más frío. b) Conducción: transferencia de calor de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura por medio de choques moleculares. c) Convección: es la transferencia de calor transportado por un fluido. 3. Energía química, es la energía que almacenan las sustancias químicas, la cual se suele manifestar en otras formas (normalmente calor) cuando ocurre una reacción química. Esta energía esta almacenada, en realidad, en los enlaces químicos que existen entre los átomos de las moléculas de la sustancia. Los casos más conocidos son los de los combustibles (carbón, petróleo, gas,...). Se define el poder calorífico de un combustible como la cantidad de calor liberado en la combustión de una cierta cantidad del mismo. Se mide en Kcal/kg. (nota: el poder calorífico del carbón anda por los 9000 Kcal/kg.).

7 4. Energía nuclear, es la energía almacenada en los núcleos de los átomos. Esta energía mantiene unidos los protones y neutrones en el núcleo. Cuando estos elementos se unen o dividen se libera. Se conocen dos tipos de reacción nuclear. a) Fisión nuclear: los núcleos de átomos pesados (como Uranio o Plutonio) se dividen para formar otros más ligeros. Este se emplea comercialmente. b) Fusión nuclear: Se unen núcleos ligeros para formar otros más pesados. Está en fase experimental. En ambos procesos se produce una disminución neta de masa que se transforma directamente en energía, según la ecuación de Einstein: E = m * c 2 (c: velocidad de la luz 3*10 8 m/s) 5. Energía eléctrica, es la energía asociada a la corriente eléctrica, es decir, a las cargas eléctricas en movimiento. Es la de mayor utilidad por las siguientes razones: ü Es fácil de transformar y transportar. ü No contamina allá donde se consuma. ü Es muy cómoda de utilizar. Suele ser una energía secundaria que generalmente procede de otras energías primarias como la térmica o nuclear, y siempre se transforma en otra, en función de la potencia del dispositivo que la emplea. Expresiones para la energía eléctrica: E = P * t ; donde P es la potencia (vatios) de la maquina que genera o consume la energía durante un tiempo (segundos) t E = V * I * t ; donde V es el voltaje (voltios), I es la intensidad de corriente eléctrica (Amperios). 6. Energía electromagnética, es la cantidad de energía almacenada en una región del espacio por la presencia de un campo electromagnético. Su valor depende de las intensidades de los campos magnético y eléctrico que la componen. El campo electromagnético se manifiesta en forma de ondas, se caracterizan principalmente por: la frecuencia y la longitud de onda.

8 En comparación con las demás regiones, la luz visible es una región muy estrecha. Es importante pues nuestra retina es sensible a las radiaciones de estas frecuencias. 7. Energía sonora, es aquella que surge de la vibración mecánica o variación local de la densidad o la presión de un medio continuo. Se transmite a las partículas del medio que atraviesan en forma de energía cinética (movimiento de las partículas), y de energía potencial (cambios de presión producidos en dicho medio, o presión sonora). Al irse propagando el sonido a través del medio, la energía se transmite a la velocidad de la onda, pero una parte de la energía sonora se disipa en forma de energía térmica. 2.3 Transformaciones energéticas. Rendimiento. El principio de conservación de la energía establece que la energía ni se crea ni se destruye, simplemente se transforma. Aunque la energía no se destruye, no toda ella es aprovechable, pues una parte se desperdicia en cualquier proceso tecnológico. Surge así el concepto de rendimiento de una máquina, como la relación que existe entre el trabajo útil que aprovechamos de la maquina y la energía que consume la maquina. El rendimiento de una maquina se expresa en %. Segundo principio de la termodinámica: En un sistema no toda la energía puede ser transformada de una forma en otra. Parte de ella se disipa en forma de calor o energía térmica. η = W Trabajo realizado ó Energía utilizada 100 Energía aportada

9 El Trabajo realizado o Energía absorbida por el sistema es la Energía útil que se emplea para realizar un trabajo. La Energía aportada es la Energía total, es decir, la energía útil más la energía que se pierde, normalmente en calor. Al tratarse de un cociente entre mismas unidades, el rendimiento es adimensional.

10 3 FUENTES DE ENERGÍA. Una fuente de energía es todo sistema natural, artificial o yacimiento que pueda suministrar, por sí mismo o mediante procesos tecnológicos, alguna de las formas conocida de energía. La cantidad disponible de energía de estas fuentes se denomina recurso energético. La Tierra posee grandes cantidades de recursos energéticos, pero uno de los grandes problemas de la humanidad es la extracción y transformación de estos recursos. Las fuentes de energía más buscadas son aquellas en las que la energía está muy concentrada. A continuación se muestra un cuadro de las fuentes de energía más importantes. FUENTES Y TIPOS DE ENERGÍA Fuente Nombre Manifestación Usos Sol Solar Luminosa y calor Calor y luz Viento Eólica Mecánica, eléctrica Movimiento y electricidad Carbón, petróleo, gas natural De combustión de fósiles Luminosa, química, eléctrica y calor. Calor, luz y reacción química Caídas de agua Hidráulica Mecánica (potencial y cinética) Movimiento Desechos orgánicos Biomasa Lumínica y calor Calor y luz Calor de la Tierra Geotérmica Eléctrica Electricidad Átomos Nuclear y atómica Eléctrica Electricidad Olas del mar Marítima Mecánica Movimiento Reacciones químicas Química Química, eléctrica y calor. Reacción química y electricidad Sonido Sonora Mecánica y sonora Movimiento y sonido Clasificación de la energía. Podemos clasificar las distintas fuentes de energía según varias características. 1. Según su disponibilidad en la naturaleza, ya hemos hablado de ello, ya sean las que se obtienen directamente de la naturaleza (primarias) o las que se obtienen de la transformación de otra forma de energía (secundarias). 2. Según su capacidad de renovación, distinguimos entre las renovables y las no renovables. La clasificación de la UNESCO según esta característica es la que se muestra: A. Fuente de energía no renovable, es la que se encuentra en una cantidad limitada en la naturaleza y, por tanto, se agotan con su utilización.

11 Recursos de combustibles: o Recursos carboníferos. o Recursos de gas. Energía nuclear. Recursos petrolíferos. B. Fuente de energía renovable, tienen un potencial inagotable que la naturaleza regenera con rapidez. De ellas podemos obtener energías de forma continuada. Biogas. Energía de la biomasa. Energía hidroeléctrica: o Energía de las mareas. Energía solar. Energía del vapor. Energía térmica: o Energía geotérmica. Energía eólica. 3. Según su uso en el tiempo, tenemos convencionales y no convencionales. A. Convencionales, se denomina así a todas las energías que son de uso frecuente en el mundo o que son las fuentes más comunes para producir energía eléctrica. Las que más se están utilizando tenemos la energía nuclear, la energía térmica, la energía hidráulica. B. No convencionales, son las que, por estar en una etapa incipiente de desarrollo o por sus elevados costes de extracción y aprovechamiento, no generan gran cantidad de energía útil. Es el caso de la energía solar, la geotérmica, la eólica y de la biomasa.

12 EVALUACIÓN 1. La energía potencial depende de: a. La masa y el volumen de un cuerpo. b. La masa y la velocidad de un cuerpo. c. La masa y la altura a que se encuentre un cuerpo d. La presión y la masa de un cuerpo. 2. Las fuentes fósiles de energías son: a. Las primarias y las secundarias. b. Las no renovables, excepto la nuclear. c. Las primarias y renovables. d. Todas las no renovables. 3. Las fuentes renovables de energía son: a. Las no convencionales. b. Las secundarias. c. Las fósiles. d. Las convencionales. 4. Forma de energía es sinónimo de: a. Fuente de donde procede. b. Tipo de energía. c. Cantidad de energía. d. Unidad de energía. 5. El sistema de unidades más utilizado es: a. El sistema internacional, SI. b. El sistema cegesimal, CGS. c. El sistema Giorgi, MKS. d. El sistema técnico terrestre, STT. 6. Un cuerpo de masa 50kg pesa: a. 375kgf. b. 130kgf. c. 225kgf. d. 490kgf. 7. En el proceso de cocción de un alimento es un horna a gas se produce una transformación: a. De energía eléctrica a energía cinética. b. De energía mecánica a energía eléctrica. c. De energía cinética a energía química. d. De energía química a energía térmica. 8. Según el segundo principio de la termodinámica, el rendimiento de una transformación: a. Casi siempre es menor que 1. b. Siempre es menor que 1. c. Siempre es mayor que 1. d. Puede ser menor o mayor que Una potencia de 25Mw equivale a: a ,5CV. b ,8CV. c ,2CV. d ,3CV. 10. El kilogramo es una unidad de: a. Fuerza. b. Potencia. c. Presión. d. Trabajo. 11. El agua, el átomo y el Sol son fuentes de energía: a. Primarias. b. Renovables. c. Convencionales. d. Fósiles. 12. Una potencia de 30kgm/s son: a. 0,332Kw. b. 0,590Kw. c. 0,294Kw. d. 1,234Kw.