Unidad 2. La energía y su transformación

Transcripción

1 Unidad 2. La energía y su transformación 1. Ciencia, tecnología y técnica 2. Concepto de energía y sus unidades 3. Formas de manifestación de la energía 4. Transformaciones de la energía 5. Fuentes de energía 6. Combustibles fósiles 7. Energía nuclear 8. Energía hidráulica 9. Energía solar 10. Energía eólica

2 Unidad 2. La energía y su transformación 11. Biomasa 12. Energía geotérmica 13. Energía maremotriz 14. Residuos sólidos urbanos (RSU) 15. Energía de las olas 16. Sistema eléctrico 1

3 1 Ciencia, tecnología y técnica Ciencia, tecnología y técnica. Relación entre ciencia, tecnología y técnica. 2

4 1 Ciencia, tecnología y técnica Relación entre ciencia, tecnología y técnica Ciencia, tecnología y técnica. Características más relevantes de la ciencia, la tecnología y la técnica. 3

5 1 Ciencia, tecnología y técnica Terminología de tipo científico y tecnológico Ciencia, tecnología y técnica. La terminología es el conjunto de vocablos o palabras propios de una determinada profesión, ciencia o materia. Características de los nuevos términos Normalización de términos 4

6 1 Ciencia, tecnología y técnica Origen de los viejos y nuevos términos Ciencia, tecnología y técnica. Formación de palabras o términos técnicos. 5

7 1 Ciencia, tecnología y técnica Sistema de unidades Ciencia, tecnología y técnica. 6 Sistemas de unidades y sus equivalencias.

8 2 Concepto de energía y sus unidades La energía es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo. Está presente en los seres vivos, desde su propia alimentación hasta la realización de un trabajo. Ciencia, tecnología y técnica. Evolución de las formas de energía utilizadas por el ser humano. 7

9 2 Concepto de energía y sus unidades Unidades de energía Ciencia, tecnología y técnica. Unidades de energía utilizadas en el SI y el ST. Otras unidades de energía ampliamente utilizadas. 8

10 Eléctrica Mecánica Em = Ec + Ep 3 Formas de manifestación de la energía Formas Tipos Explicación Fórmulas Cinética Es la energía que posee un cuerpo debido a su velocidad. Todos sabemos que, para una misma masa, cuanto mayor velocidad tiene el objeto, mayor energía cinética posee. Ec = 1/2 m v2 m = masa del cuerpo que se mueve. v = velocidad lineal del objeto. Es la energía de un cuerpo debido a la altura a la que se encuentra dentro de un campo de Potencial Ciencia, tecnología y técnica. fuerzas determinado. Nosotros nos vamos a centrar exclusivamente en el gravitatorio terrestre. Ep = m g h g = gravedad = 9,8 m/s2 h = altura a la que se encuentra el cuerpo. v = 2 g h Ee = P t = V I t = I2 R t Es la energía que proporciona la corriente P = V I eléctrica. Se trata de una energía de Según la ley de Ohm: V = I R. transporte, no siendo (mayoritariamente) ni P = potencia expresada en vatios (W). primaria ni final. Generalmente siempre se t = tiempo en segundos. transforma y procede de otro tipo de energía, V = voltaje en voltios (V). tal como calor, energía mecánica, etcétera. R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω). Otras unidades de energía ampliamente utilizadas.manifestaciones I = intensidad de corriente de en la amperios energía. (A). Manifestaciones de la energía. 9

11 Térmica 3 Formas de manifestación de la energía Formas Tipos Explicación Fórmulas Conducción Paso de calor (energía) de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor, por efecto de choques moleculares. Por ejemplo, un trozo de carne que se cocina en una sartén. Q = (λ/d) S (Tf Ti) t λ = coeficiente de conductividad (tabla en la páginas siguientes) en kcal/m h C. d = espacio entre dos superficies del mismo cuerpo (m). S = superficies del mismo cuerpo (m2). t = tiempo en horas. Ciencia, tecnología Convección y técnica. El calor asciende. Para ello es necesario que haya algún fluido que lo transporte. Ejemplo: calor del radiador que asciende hasta el techo porque el aire caliente tiene menos densidad. Q = a S (Tf Ti) t a = coeficiente de convección en kcal/m2 h C. t = tiempo en horas. Radiación El calor se transmite en forma de ondas Q = c S [(T2/100)4 (T1/100)4] t electromagnéticas. Un cuerpo más c = coeficiente de radiación. caliente que el ambiente que lo rodea T2 = temperatura absoluta del objeto que irradia calor en forma de ondas que se irradia calor. Otras unidades de energía ampliamente utilizadas.manifestaciones de la energía. transmiten a distancia. Por ejemplo, al situarse en los laterales de una estufa, se recibe calor por radiación. T1 = temperatura absoluta del objeto irradiado. t = tiempo en horas. Manifestaciones de la energía (continuación).. 10

12 Nuclear Química 3 Formas de manifestación de la energía Formas Tipos Explicación Fórmulas Combustión química Se origina al reaccionar dos o más productos químicos para formar otro distinto. Así tenemos: alimentos al digerirlos los seres vivos, el carbón, materias vegetales e hidrocarburos (combustibles derivados del petróleo) al quemarse, etcétera. Q = Pc m (sólidos y líquidos) Q = Pc V (gases) Pc = poder calorífico de un cuerpo al arder en kcal/kg o kcal/m3. m = masa del cuerpo que se quema (en kg). Radiante Ciencia, tecnología Es propia y técnica. de las ondas electromagnéticas, como ondas infrarrojas, luminosas, ultravioleta, microondas, electromagnética etcétera. Se obtiene al romper un núcleo de un material fisionable (uranio o plutonio). Fisión Fusión Se obtiene al unir dos núcleos de dos átomos (litio y tritio) formando helio y desprendiendo gran cantidad de calor. Einstein demostró que la materia se podía transformar en energía según la fórmula: E = m c2 E = energía producida en julios (J). m = masa que desaparece (en kg). c = velocidad de la luz (3 108 m/s). Manifestaciones de la energía (continuación). 11

13 3 Formas de manifestación de la energía 3.1 Energía mecánica Em = Ec + Ep Ec = ½mv 2 Ep = mgh 12

14 3 Formas de manifestación de la energía 3.2 Energía calorífica o térmica Transmisión del calor por conducción 13 Coeficientes de conductividad térmica (λ) de algunos materiales.

15 3 Formas de manifestación de la energía Transmisión del calor por convección Coeficientes de convección (α). 14

16 3 Formas de manifestación de la energía Transmisión del calor por radiación 15 Coeficientes de radiación (c).

17 3 Formas de manifestación de la energía Acumulación de energía térmica en los cuerpos Q = Ce m (Tf Ti) Q = cantidad de calor en kcal. T f = temperatura final en ºC. C e = calor específico en kcal/kg ºC. T i = temperatura inicial en ºC. m = masa en kg. 16 Calor específico (C e ) de algunos combustibles.

18 3 Formas de manifestación de la energía 3.3 Energía química Poder calorífico (P c ) Materiales sólidos y líquidos: Q = P c m; donde m es la masa en kg. Combustibles gaseosos: Q = P c V; donde V es el volumen en m Poder calorífico (P c ) de algunos combustibles.

19 3 Formas de manifestación de la energía 3.4 Energía nuclear E = m c 2 E = energía calorífica obtenida en J. m = masa que ha desaparecido en kg. c = velocidad de la luz (3 108 m/s). 18

20 4 Transformaciones de la energía 19 Transformación de la energía y máquinas utilizadas.

21 4 Transformaciones de la energía 4.1 Consumo energético Primer principio de la Termodinámica Q 20 W Q es la energía que recibe la locomotora (carbón) y W es el trabajo que realiza al Q es la energía que recibe la locomotora arrastrar los vagones. (electricidad) y W es el trabajo que realiza al arrastrar los vagones.

22 4 Transformaciones de la energía 4.2 Rendimiento Se llama rendimiento de una máquina a la relación entre el trabajo o energía suministrado por una máquina y la energía que ha sido necesario aportarle. Viene dada por la expresión: Lo ideal sería que fuese igual a 1. Eso querría decir que la máquina no desperdiciaría ninguna energía. Desgraciadamente, siempre es menor que 1 (nunca mayor). Q es la energía que recibe la locomotora (carbón) y W es el trabajo que realiza al arrastrar los vagones. 21

23 5 Fuentes de energía Fuentes de energía primarias Ciencia, tecnología y técnica. Las fuentes de energía primarias son todas aquellas formas de energía naturales que actualmente utiliza el hombre. Se pueden clasificar en renovables y no renovables. 22

24 5 Fuentes de energía Fuentes de energía primarias Ciencia, tecnología y técnica. Fuentes de energía primarias. Consumo de energía primaria en España en el año

25 5 Fuentes de energía Fuentes de energía secundarias Las energía secundarias o finales son aquellas Ciencia, tecnología y técnica. energías resultantes de la transformación de las energías primarias en otro tipo de energías. 24 Consumo de energía secundaria en España en el año 2010.

26 6 Combustibles fósiles 6.1 El carbón El carbón es un combustible sólido de color negro, compuesto fundamentalmente por carbono y otros elementos químicos, como Ciencia, tecnología y técnica. hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, etc. El origen del carbón. 25

27 6 Combustibles fósiles Ciencia, tecnología y técnica. El consumo de carbón en España en el año 2010 fue de 13,69 Mtep, y procedió de los países indicados en el gráfico. 26

28 6 Combustibles fósiles Tipos de carbón Carbón mineral Carbones artificiales Ciencia, tecnología y técnica. Antracita Hulla Lignito Turba Carbón vegetal Carbón de coque Tipos de carbones minerales. 27

29 6 Combustibles fósiles Aplicaciones del carbón Fabricación de carbón de coque. 28 Proceso de obtención de carbón de coque.

30 6 Combustibles fósiles Aplicaciones del carbón Obtención de productos industriales: 1. Gas ciudad. 2. Vapores amoniacales. 3. Grafito casi puro. 4. Brea o alquitrán. Obtención del carbón vegetal a través de la descomposición por acción del calor (pirólisis). 29

31 6 Combustibles fósiles Aplicaciones del carbón Producción de electricidad en centrales térmicas clásicas. 30 Central térmica clásica (modificada del original de UNESA).

32 6 Combustibles fósiles 6.2 El petróleo El petróleo es un combustible natural formado por una mezcla de hidrocarburos y, en menor proporción, por otros elementos, como Ciencia, tecnología y técnica. azufre, oxígeno y nitrógeno. Composición del petróleo. 31

33 6 Combustibles fósiles Origen del petróleo Pozos petrolíferos 32

34 6 Combustibles fósiles Las refinerías: destilación fraccionada o múltiple del petróleo Refinería de petróleo. Composición típica de un litro de crudo después del proceso de refino. 33

35 6 Combustibles fósiles Países de los que España importó gas natural. Países de los que España importa crudo. 34

36 6 Combustibles fósiles Hidrocarburos líquidos, sólidos y gaseosos 35 Hidrocarburos más importantes.

37 7 Energía nuclear La energía nuclear es aquella que se desprende de los núcleos de ciertos átomos, cuando entre ellos se produce una determinada reacción. Ciencia, tecnología y técnica. Tipos de reacciones nucleares Fisión Fusión 36

38 7 Energía nuclear 7.1 Tipos de reacciones nucleares Fisión Ciencia, tecnología y técnica. 1n U = 93 Cs Rb + 3n 37

39 7 Energía nuclear Componentes de una central nuclear 1. Reactor nuclear. 2. Turbina. 3. Condensador. 4. Edificio Ciencia, tecnología de almacenamiento y técnica. y manipulación. 5. Circuito de refrigeración / generador de vapor. 38 Central nuclear. Componentes de una central nuclear.

40 7 Energía nuclear Ciencia, tecnología y técnica. Central con reactor de agua a presión (PWR). Central con reactor de agua en ebullición (BWR). 39

41 Fusión 7 Energía nuclear Ciencia, tecnología y técnica. Fusión nuclear. Reactor Tokamak. 40

42 8 Energía hidráulica Evolución de las ruedas hidráulicas Ciencia, tecnología y técnica. Ruedas hidráulicas de eje horizontal. Turbina Fourneyron. 41

43 8 Energía hidráulica Evolución de las ruedas hidráulicas Ciencia, tecnología y técnica. Turbina Pelton. Turbina Kaplan. 42

44 8 Energía hidráulica 1.1 Componentes de un centro hidroeléctrico Ciencia, tecnología y técnica. Componentes de un centro hidroeléctrico. 43

45 8 Energía hidráulica Embalses Presa de gravedad Presa de gravedad. Presa de bóveda Presa de bóveda. 44

46 8 Energía hidráulica Conductos de agua Compuertas Tuberías de conducción La toma de agua La chimenea de equilibrio Compuertas. 45

47 8 Energía hidráulica Características de la turbina Kaplan Se trata de una turbina de eje vertical y un rotor en forma de hélice, con aspas (generalmente 5 o 6) de inclinación variable, que va encerrada en una cámara cilíndrica por cuya parte superior llega el agua. Se emplea para saltos de agua inferiores a 25 m y mucho caudal. Su rendimiento suele estar entre el 93 y el 95 %. Es una de las turbinas que más se emplea en la actualidad. Características de la turbina Pelton Se trata de una rueda hidráulica muy perfeccionada, en la que en la periferia de una circunferencia se ha colocado una serie de «cucharas» que pueden soportar el choque de un potentísimo chorro de agua. Las cucharas reciben el agua en un sentido y la expulsan casi en sentido contrario (150º). En instalaciones muy grandes alcanzan empujes de hasta 50 toneladas. Se usa cuando se dispone de un gran salto de agua, pero no de mucho caudal. Su rendimiento puede llegar hasta el 90 %. Gira más lentamente que la Kaplan (entre 3000 y 1800 rpm). Para incrementar la potencia basta aumentar el número de chorros. Características de los principales tipos de turbina. 46

48 8 Energía hidráulica 8.2 Potencia y energía obtenidas en una central hidroeléctrica P = 9,8 Q h E = P t = 9,8 Q h t P = potencia de la central en kw: potencia hidráulica. Q = caudal de agua en m 3 /s. h = altura en metros (desde la superficie del embalse hasta el punto donde está la turbina). t = tiempo en horas. E = energía teórica obtenida en kwh: energía hidráulica. 47

49 8 Energía hidráulica Central hidroeléctrica (modificada del original de UNESA). Embalses Compuertas Transformadores Chimenea de equilibrio 48 Líneas de transporte de energía eléctrica Sala de máquinas Turbinas Toma de agua Alternador

50 9 Energía solar La fórmula que nos indica la energía en forma de calor que llega a un punto de la superficie de la Tierra viene dada por la expresión: Q = K t S Q = energía en forma de calor expresada en vatios por hora (Wh). K = coeficiente de radiación solar, expresado en /m 2. Puede valer desde 0 hasta La media aproximada en un día de verano será K = 950. t = tiempo en horas. S = sección o área en m 2. 49

51 9 Energía solar Aprovechamiento de la energía solar Aprovechamiento de la energía solar. 50

52 9 Energía solar Conversión en energía térmica o calorífica: colectores o captadores planos Hasta temperaturas de 35º C. Hasta temperaturas de 60 ºC. Hasta temperaturas de 120 ºC. 51 Colector solar plano. Partes de un colector.

53 9 Energía solar aprovechamiento para usos industriales: (Fig. 3.7). Los plásticos permit Aprovechamiento pasivo Invernaderos Desalinizadoras de agua marina Fig Invernadero. Recubrimiento transparente Reflector del plástico, debido a la reflexión, quedan re de la temperatura. Desalinizadora de agua marina (Fig. 3.8). C aislados exteriormente. Por un lado lleva un unos 45 con respecto a la horizontal; al fon gotas de agua se condensan y caen al otro re Horno solar rayos solares que inciden en una superficie muy anterior. Para ello se utiliza un espejo de form Invernadero. tudio del punto de fusión de materiales. Su exp actualidad debido a su alto coste. El horno solar (Uzbekistán) que funciona bajo el mismo princi 52 Gotas de agua Fig Desalinizadora. B. Desalinizadora. (Fig. 3.9). Está formado p direccionales (1), de grandes dimensiones, que

54 o del punto de fusión de materiales. Su explotación comercial no es viable en la alidad debido a su alto coste. El horno solar más grande del mundo se encuentra bekistán) que funciona bajo el mismo principio. 9 Energía solar B. (Fig. 3.9). Está formado por una serie de helióstatos o espejos ccionales (1), de grandes dimensiones, que reflejan la luz solar hacia una torre concentrando los rayos solares sobre la caldera (2). El aporte calorífico es absorpor el fluido de la caldera y conducido hacia el generador de vapor (5). Luego nergía se transmite a un segundo circuito, donde el agua que tiene se evapora y a al grupo turbina-alternador (6), que produce electricidad. Finalmente, el fluido ondensado en el aerocondensador (7) para repetir el ciclo. Conversión en energía eléctrica ampo de helióstatos orre aldera macenamiento térmico enerador de vapor urbo-alternador erocondensador ansformadores neas de transporte e energía solar 9 Campo de helióstatos Campo de helióstatos Caldera Torre Almacenamiento térmico Generador de vapor Turbo-alternador Aerocondensador Transformadores Líneas de transporte de energía solar 9. Campo de helióstatos (modificada del origin al de UNESA). Campo de helióstatos (modificada del original de UNESA). 53

55 9 Energía solar Colectores cilíndrico-parabólicos Esquema de una central solar con colectores cilíndrico-parabólicos. 54

56 Fig Desalinizadora. 9 Energía solar Horno solar Horno solar de Odeillo. (Fig. 3.9). Está formado la por enu direccionales (1), de grandes dimensiones, que llega refl (3), concentrando los rayos solares sobre la caldera es co( bido por el fluido de la caldera y conducido hacia e la energía se transmite a un segundo circuito, dond llega al grupo turbina-alternador (6), que produce e es condensado en el aerocondensador (7) para repet 1- Ca 2- To 3- Ca 4- Al 1- Campo de helióstatos 2- Torre 5- Ge 3- Caldera 6- Tu 4- Almacenamiento térmico 7- Ae 5- Generador de vapor 8- Tra 6- Turbo-alternador 9- Lín 7- Aerocondensador de 8- Transformadores 9- Líneas de transporte de energía solar 55 Fig Horno solar de Odeillo. Fig Horno solar de Odeillo. Fig. 3.9

57 9 Energía solar Placas fotovoltaicas Detalle de una placa fotovoltaica. 56

58 10 Energía eólica Tiene como fuente al viento, es decir, al aire en movimiento. Lo que se aprovecha es su energía cinética. Ciencia, tecnología y técnica. Molino americano utilizado para bombear agua. 57

59 10 Energía eólica 10.1 Clasificación de las máquinas eólicas Aeroturbinas de eje horizontal De potencias bajas o medias (hasta 50 kw). De potencia alta (más de 50 kw). Parque eólico. 58

60 10 Energía eólica Aeroturbinas de eje vertical Aeroturbina Darrieus. Aeroturbina Savonius. Aeroturbinas Savonius y Darrieus. 59

61 10 Energía eólica Cálculo de la energía generada en una turbina La potencia máxima teórica que se puede obtener del viento viene dada por: P viento = 0,37 S v 3 S = sección barrida por las aspas o palas al girar (m 2 ). v = velocidad del viento (m/s). P = potencia (en vatios). 60

62 10 Energía eólica Rendimiento aerodinámico Se define como rendimiento aerodinámico ( η) a la relación entre: 61

63 11 Biomasa Se denomina biomasa al conjunto de materia orgánica renovable (no fósil) de procedencia vegetal, animal o resultante de una transformación natural o artificial. 62 Esquema de los procesos de transformación de biomasa.

64 11 Biomasa 11.1 Por extracción directa 11.2 Procesos termoquímicos 11.3 Procesos bioquímicos Fermentación alcohólica. Pirólisis. Fermentación anaeróbica. Pirólisis. 63

65 12 Energía geotérmica La energía geotérmica es la energía calorífica que procede del interior de la Tierra. Proceso de obtención de energía geotérmica.. 64

66 12 Energía geotérmica 12.1 Tipos de yacimientos Yacimientos hidrotérmicos. Yacimientos geopresurizados. Yacimientos de roca caliente. 65 Yacimiento hidrotérmico. Yacimiento de roca caliente.

67 13 Energía maremotriz Central maremotriz y detalle de un grupo turbina-alternador (La Rance). 66

68 14 Residuos sólidos urbanos (RSU) Incineración Fermentación de residuos orgánicos 67

69 15 Energía de las olas Proyectos en funcionamiento Ciencia, tecnología y técnica. El movimiento del cilindro se transmite a las bombas (patas) que bombean agua a gran presión (como bombas de bicicleta). Cada uno de los flotadores (con forma de ala de pato) gira sobre el eje de hormigón. 68 Ejemplos de aprovechamiento de la energía de las olas.

70 15 Energía de las olas Técnicas de aprovechamiento de la energía de las olas Ciencia, tecnología y técnica. Indicado para aguas profundas y de gran oleaje. Se trata de estructuras fijas sobre las que se sitúan dispositivos flotantes. Estos aparatos emplean el efecto bombeo. Es decir, cada vez que se desplaza el pistón, provoca el mismo efecto que la bomba de una bicicleta. En vez de aire se emplea aceite, que hace girar una turbina, arrastrando un alternador. 69 Técnicas de aprovechamiento de la energía de las olas.

71 alter 15 Energía de las olas 30> Explica con detalle el funcionamiento de los proyectos pato de Salter y cilinqué principios o técnicas de aprovechamiento energético utiliza cada uno de estos proyectos. ola Presión Ciencia, tecnología Generador y técnica. Salida y entrada de aire Turbina de aire Flotador Ola Cámara de aire Ola Columna de agua El volumen de aire que hay en el interior de una cámara es comprimido y obligado a mover una turbina. Fijo a la turbina hay un alternador que genera electricidad. 70 Técnicas de aprovechamiento de la energía de las olas (continuación).

72 16 Sistema eléctrico Generación, transporte y distribución de la electricidad. 71

73 16 Sistema eléctrico Generación, transporte y distribución de la electricidad. 72