TEMA 1. La energía: Tipos y transformaciones

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1 TEMA 1 La energía: Tipos y transformaciones INDICE 1-Introducción Concepto de energía Formas de energía Energía mecánica Energía nuclear Energía interna Energía térmica Energía química Energía radiante Energía eléctrica Transformación de la energía Dispositivos Rendimiento Fuentes de energía renovable y no renovable... 8 BIBLIOGRAFÍA Página 1 de 10

2 Asignatura: Tecnología Industrial I Tema 1 La energía: Tipos y transformaciones Introducción La sociedad actual cubre sus niveles de eficacia y de confort gracias a la energía. Cada aparato que se construye, cada edificio que se levanta, supone un consumo de energía; incluso el uso diario de las cosas más elementales, supone también un consumo de energía. La energía se puede considerar un lujo, pero también una necesidad. En la era actual, consumir energía es sinónimo de actividad, de transformación y de progreso. Los países con mayor nivel de vida, de bienestar y más avanzados industrialmente, son los que más energía consumen, los que lo hacen de una forma más eficiente y los que con la misma cantidad de energía son capaces de obtener una mayor riqueza y satisfacción de necesidades. Ahora bien, los recursos energéticos son limitados y, en sus procesos de transformación, se emiten muchas sustancias contaminantes que afectan al medioambiente. Minimizar estas emisiones y sus efectos nocivos se presenta como uno de los retos clave en el futuro de la humanidad. 2-Concepto de energía La Ciencia no dispone aún de una definición correcta de la energía. Sabemos cómo se manifiesta, qué efectos produce pero desconocemos su naturaleza, lo que impide concretar en palabras su significado. Por ello, tenemos que conformarnos con establecer a modo de definición- que la energía es la capacidad para realizar un trabajo. La energía se identifica con el trabajo; de ahí que se mida en las mismas unidades. En el sistema internacional es el Julio que es el trabajo que hay que realizar con una fuerza de un Newton para recorrer un metro en la misma dirección que se aplica esta fuerza. Recordemos que la expresión para calcular el trabajo es W = F d (producto escalar de los vectores F y d). Además del Julio como unidad de energía y trabajo en el Sistema Internacional existen otras unidades (Kilográmetro, Caloría, Kilovatio hora) que no pertenecen a dicho Sistema pero que se siguen utilizando para determinadas aplicaciones. Al contenido de este tema, se agregan (en ficheros aparte) un apéndice completo con las unidades de las diferentes magnitudes y un formulario con las diferentes expresiones utilizadas para calcular la energía dependiendo de su tipo (mecánica, térmica, etc.) 3-Formas de energía La energía se puede presentar de diferentes formas, pudiendo convertirse unas en otras con mayor o menor dificultad. En la actualidad el índice de consumo de energía por habitante se mide en TEC (toneladas de carbón equivalente) y permite comparar, con un grado bastante bueno de aproximación, los niveles de desarrollo de los distintos países. 3.1-Energía mecánica Es la energía almacenada en los cuerpos materiales, y puede definirse como la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de su velocidad (energía cinética), de su posición en un punto de un campo gravitatorio (energía potencial gravitatoria) o de su estado de tensión (energía potencial elástica) La energía cinética es la energía que posee un cuerpo en movimiento de masa m, debido a su velocidad v. Página 2 de 10

3 El trabajo realizado por una fuerza sobre un cuerpo durante cierto tiempo es igual a la variación de la energía cinética experimentada por dicho cuerpo en ese tiempo. La energía potencial gravitatoria es la energía que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa en un campo gravitatorio. Esta posición viene dada por la altura h respecto a un nivel de referencia. En la expresión anterior, g representa la aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 en la superficie de la Tierra). Si se realiza trabajo sobre un cuerpo (en contra del campo gravitatorio) y su altura aumenta, también aumentará su energía potencia gravitatoria. Por el contrario, si el cuerpo se acerca al nivel cero, disminuyendo el valor de h y, por lo tanto, su energía potencial gravitatoria, es precisamente el campo quien realiza trabajo a expensas de la energía perdida por el cuerpo. La energía potencial elástica es la energía que posee un cuerpo elástico (resorte) en virtud de su estado de tensión. En la expresión anterior k es la constante elástica del resorte (medida en N/m) y x su deformación (medida en m) 3.2-Energía nuclear Es la energía propia de la materia que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Esta liberación puede ser una fisión fragmentación del núcleo- o una fusión unión de varios núcleos- de determinados átomos. Estas reacciones se dan en los núcleos de algunos isótopos de ciertos elementos químicos, siendo la más conocida la fisión del U 235 (Uranio-235) con la que funcionan los reactores nucleares, y la más habitual en la naturaleza (en el interior de las estrellas), la fusión del par H 2 -H 3 (deuterio-tritio). Sin embargo, para producir este tipo de energía aprovechando reacciones nucleares pueden ser utilizados muchos otros isótopos de varios elementos químico (Torio, Plutonio, Estroncio, Polonio, etc.) La transformación de la materia en energía se rige de acuerdo con la expresión de Einstein: En esta expresión, c representa la velocidad de la luz ( Km/s) y si se realiza la operación, podríamos comprobar que 1 gramo de masa, transformado íntegramente en energía, equivale a Julios. La energía que se libera por nuestra estrella más próxima (el Sol) es energía nuclear de fusión: en cada segundo algo más de 4 millones de toneladas de masa se convierten en julios de energía, que es enviada desde el Sol a todo el espacio. De esta energía emitida, la mayor parte se pierde en el espacio. A la Tierra sólo le llega una pequeña fracción de esa energía: en las capas altas de la atmósfera sobre una superficie de 1 m 2 situada perpendicularmente a los rayos solares incide cada segundo una cantidad de energía de 1,38 kj. Página 3 de 10

4 3.3-Energía interna La materia está formada por moléculas y átomos que se encuentran en constante movimiento. A su vez, en los átomos existen otras partículas que también se mueven. Aunque un cuerpo esté en reposo, todas estas partículas están en continua agitación y poseen, por consiguiente, energía cinética. Además, también existen fuerzas de atracción y repulsión entre dichas partículas, lo que significa que el sistema posee energía potencial. La energía interna (U) de un cuerpo intenta ser un reflejo de la energía a escala macroscópica. Más concretamente, es la suma de las energías de todas las partículas que lo constituyen. La energía interna no incluye la energía cinética del cuerpo como un todo y tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo. La energía interna de un cuerpo depende también de su temperatura y de la presión a la que está sometido, y puede aumentar cuando se realiza un trabajo sobre el mismo o se le pone en contacto con otro a mayor temperatura. 3.4-Energía térmica Es una forma de energía debida a la agitación de las moléculas que componen un cuerpo (y como tal es una parte de la energía interna), que se manifiesta por las variaciones de temperatura, cambios de estado y de volumen de los mismos y que se transmite de unos a otros como consecuencia de una diferencia de temperatura. Esta transmisión de calor puede tener lugar de tres maneras diferentes: Conducción Es un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo a mayor temperatura a otro de menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad térmica, mientras que la propiedad inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. Los metales son buenos conductores del calor y sin embargo, sustancias como el corcho, la madera, el plástico, etc. se utilizan como aislantes del calor. El aire es un buen aislante también (siempre y cuando no esté en movimiento). Convección Es un transporte de energía que se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. En este caso, hay transporte de materia. Las moléculas de los fluidos disminuyen su densidad al calentarse, y ascienden en el seno del fluido, siendo ocupado su lugar por otras moléculas más densas, que se calentarán de igual modo, estableciéndose así las llamadas corrientes de convección. Radiación Consiste en la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. De esta forma se propaga la energía del Sol a través del espacio. Página 4 de 10

5 3.5-Energía química La humanidad ha utilizado desde el principio de su existencia reacciones químicas para producir energía. Desde las más rudimentarias (combustión de madera) hasta las más sofisticadas, que tienen lugar en los motores de los modernos aviones o naves espaciales. Las reacciones químicas, pues, van acompañadas de un desprendimiento, o en otros casos de una absorción, de energía. Si en la reacción se desprende calor, significa que la energía química de los reactivos es mayor que la de los productos; si, por el contrario, tiene lugar una absorción de calor, será mayor la de los productos que la de los reactivos. No es posible determinar el valor absoluto de la energía química de un compuesto: solo pueden medirse sus variaciones y por ello, se toma arbitrariamente como cero la energía química de los elementos en condiciones estándar (25º C de temperatura y 1 atmósfera de presión). Las sustancias que al arder desprenden energía química en forma de calor reciben el nombre de combustibles, denominándose poder calorífico de un combustible a la cantidad de calor liberado en la combustión de una cierta cantidad unitaria del mismo. 3.6-Energía radiante Es la energía que poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioletas, los rayos infrarrojos, etc. La característica principal de esta energía es que se propaga en el vacío sin necesidad de soporte material alguno. El Sol constituye la fuente principal de este tipo de energía. La energía radiante es una cantidad objetiva que depende sólo de la intensidad de luz y del color de la luz. La intensidad de hecho está relacionada con el número de fotones por unidad de tiempo que inciden en una superficie y el color está relacionado con la longitud de onda o frecuencia de la luz incidente. 3.7-Energía eléctrica Es la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos cuando se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico. Tiene unas características excepcionales porque es muy cómoda de utilizar y puede transformarse con facilidad y sin producir apenas contaminación en muchas otras formas de energía (mecánica, lumínica, térmica, etc.) La energía eléctrica apenas existe libre en la naturaleza de manera aprovechable. El ejemplo más relevante y habitual de esta manifestación son las tormentas eléctricas. Tampoco tiene una utilidad biológica directa para el ser humano, salvo en aplicaciones muy singulares, como pudiera ser el uso de corrientes en medicina. Presenta dificultades para su almacenamiento directo. La cantidad de energía eléctrica consumida por un aparato receptor y transformada en otro tipo de energía viene dada por la expresión: Página 5 de 10

6 Siendo V la diferencia de potencial, I la intensidad de corriente y t el tiempo de funcionamiento. 4-Transformación de la energía 4.1-Dispositivos Como ya sabemos, un principio básico de la naturaleza es que la energía no se crea, sino que se transforma; todos los llamados generadores de energía en realidad son transformadores que convierten una forma de energía que no nos resulta útil para una función determinada en otra de la que si podemos sacar provecho. En este gráfico se ha representado un esquema con algunas transformaciones energéticas, en las cuales se cumple rigurosamente el principio de conservación de la energía. Ahora bien, conocer en detalle cada una de estas transformaciones es interesante, porque en muchos casos la energía se está transformando en algo que no es útil para nosotros. En ese caso hablamos de pérdidas que harán disminuir el rendimiento del proceso. Por ejemplo, cuando quemamos leña en la chimenea para calentarnos, no toda la energía calienta la casa, parte se va por la chimenea con el humo. Veamos en detalle algunas de estas transformaciones. Energía química de una Pila Energía eléctrica aplicada a un motor Página 6 de 10

7 Energías transformadas en el motor de un coche Energía eléctrica aplicada a una resistencia Energías transformadas en un generador eléctrico A continuación, se muestra un resumen con los tipos de energía inicial y final para diferentes dispositivos. Página 7 de 10

8 4.2-Rendimiento En la práctica, ninguna de estas transformaciones energéticas se verifica en su totalidad. Siempre hay una fracción más o menos grande de energía que no se convierte en energía útil. Para cuantificar el aprovechamiento energético de una máquina se considera un parámetro que se conoce con el nombre de rendimiento η. El rendimiento de una transformación energética es el cociente entre la energía o potencia útil que se obtiene y la energía o potencia absorbida en el proceso. Es un número comprendido entre el 0 y el 1, aunque también es frecuente que se exprese en tanto por ciento. La energía no aprovechable generalmente se disipa en forma de calor, que no es sino la forma más degradada (menos ordenada) de la energía. Un proceso de transmisión de energía consta de varias fases, cada una de ellas con un rendimiento. El rendimiento de todo el proceso será el producto del rendimiento de cada una de las fases. 5-Fuentes de energía renovable y no renovable El desarrollo científico y tecnológico que disfruta la humanidad requiere la utilización de energía en cantidades cada vez mayores. Esta energía se obtiene a partir de distintas fuentes naturales, que se conocen como fuentes primarias. Fuentes renovables Las fuentes de energía renovables son inagotables o que pueden ser repuestas a corto o medio plazo, espontáneamente o por intervención humana. Ya están bastante extendidas en todo el mundo, su importancia va aumentando y a día de hoy representan una parte considerable de la producción mundial de energía. Energía Hídrica Es obtenida a partir de un curso de agua y se puede aprovechar por medio de desniveles de dicho curso Energía Eólica Proviene del viento, en la antigüedad ya se aprovechó para mover molinos o impulsar los barcos. Es una de las grandes apuestas en las expansiones de energías renovables. Energía Solar Proviene de la luz del sol. Después de ser captada, puede ser transformada en dos tipos de energía: eléctrica y térmica. Página 8 de 10

9 Energía Geotérmica Proviene del aprovechamiento del calor interior de la tierra. También se puede transformar en energía eléctrica o calorífica. Energía Mareomotriz Es obtenida gracias al movimiento de subida y bajada del agua del mar. El movimiento del agua en los océanos del mundo crea un gran almacén de energía en movimiento. Energía de las olas Energía Biomasa Consiste en el movimiento ondulatorio de masas de agua, por el efecto del viento y se puede aprovechar para generar energía eléctrica. La biomasa es el aprovechamiento energético del bosque o de sus residuos, así como los residuos de la agricultura, los de la industria alimentaria o el resultado de las plantas de tratamiento de aguas residuales o industriales. A partir de estos residuos se puede producir biogás o biodiesel. Fuentes NO renovables En la actualidad, las fuentes de energía NO renovables son las que cubre la mayor parte de la demanda energética mundial. Son también las más avanzadas en cuanto a tecnología de extracción o producción, pero suelen causar un gran impacto medioambiental. Carbón Es un combustible fósil extraído mediante exploraciones minerales y fue el primero en usarse a gran escala. También se estima que cuenta con una de las mayores reservas (más de 160 años), suministra el 25% de la energía primaria consumida en el mundo, sólo por detrás del petróleo. Petróleo Se constituye por una mezcla de componentes orgánicos y es una de las principales energías usadas en los medios de transporte, también es una de las mayores fuentes contaminantes de polución en la atmósfera, se estima que el planeta tierra tiene reservas suficientes solo para los próximos 40 años. Gas natural Fisión nuclear Formado por una mezcla de gases ligeros que se suelen encontrar en yacimientos de petróleo, disuelto o asociado con el petróleo (acumulación de plancton marino) o en depósitos de carbón. Su principal composición es metano en proporción que suele superar el 90% y suele contener otros gases como nitrógeno, CO 2, H 2S. Es menos contaminante en lo que a polución se refiere que el petróleo o el carbón pero también afecta a las alteraciones climáticas. Se estima que sus reservas se agotarán en unos 60 años. A partir de un elemento químico radiactivo que existe en la tierra, es muy utilizado en la industria de defensa y civil. Tiene un poder calorífico muy superior a cualquier otro tipo de energía fósil. Antes de convertirse en calor, frío, luz o movimiento, la energía sufre una ruta de transformación más o menos larga, durante la cual una parte se pierde y la otra que llega al consumidor no está plenamente aprovechada. En el gráfico siguiente se indican las diferentes rutas seguidas por la energía. Página 9 de 10

10 No todos los recursos energéticos conocidos y localizados son aprovechables. Para ello, su explotación ha de ser posible y económicamente rentable. Además, es necesario que la energía útil que se obtenga del recurso sea muy superior a la consumida en su extracción y posterior transformación. Los recursos que cumplen estas condiciones reciben el nombre de reservas. En este sentido, se especula mucho acerca de cuál será la energía que se utilizará en gran escala una vez que se hayan agotado las reservas actuales de carbón, petróleo y gas natural. En este sentido, conviene mencionar las investigaciones que se realizan en multitud de centros experimentales acerca del posible aprovechamiento de la energía nuclear de fusión. Aunque los resultados obtenidos hasta la fecha no pueden considerarse concluyentes, cabe mantener la esperanza de que en un futuro no muy lejano sea posible aprovechar a escala industrial esta fuente de energía. BIBLIOGRAFÍA Tecnología industrial 1. Ed. Mcgraw-hill. Tecnología industrial 1. Ed. Donostiarra. Tecnología industrial 1. Ed Everest. Energías renovables. Amarú ediciones. A. Piorno y otros. Material del CIDEAD Página 10 de 10