Fundamentos de la Energía

Transcripción

1 Área: FÍSICO-QUÍMICA Asignatura: FÍSICA Título Fundamentos de la Prof: BOHORQUEZ MARTINEZ LARGHI ODIZ PAZ VITALLI - WALITZKY Curso: 3er AÑO Año: 2011 Pag.1/27

2 El saber científico en nuestra vida Nos movemos en nuestro ambiente diario sin entender casi nada acerca del mundo. Dedicamos poco tiempo a pensar en el mecanismo que genera la luz solar que hace posible la vida, en la gravedad que nos ata a la Tierra y que de otra forma nos lanzaría al espacio, o en los átomos de los que estamos constituidos y de cuya estabilidad dependemos de manera fundamental. Excepto los niños (que no saben lo suficiente como para no preguntar cuestiones importantes), pocos de nosotros dedicamos tiempo a preguntarnos por qué la naturaleza es de la forma que es, de dónde surgió el cosmos, o si siempre estuvo aquí, si el tiempo correrá en sentido contrario algún día y los efectos precederán a las causas, o si existen límites fundamentales acerca de lo que los humanos pueden saber. Hay incluso niños, y yo he conocido alguno, que quieren saber a qué se parece un agujero negro, o cuál es el trozo más pequeño de la materia, o por qué recordamos el pasado y no el futuro, o cómo es que si hubo caos antes, existe aparentemente orden hoy, y, en definitiva, por qué hay un universo. En nuestra sociedad aún sigue siendo normal para los padres y los maestros responder a estas cuestiones con un encogimiento de hombros, o con una referencia a creencias religiosas vagamente recordadas. Algunos se sienten incómodos con cuestiones de este tipo, porque nos muestran vívidamente las limitaciones del entendimiento humano. Pero gran parte de la filosofía y de la ciencia han estado guiadas por tales preguntas. Un número creciente de adultos desea preguntar este tipo de cuestiones y, ocasionalmente, reciben respuestas asombrosas. Equidistantes de los átomos y de las estrellas, estamos extendiendo nuestros horizontes exploratorios para abarcar tanto lo muy pequeño como lo muy grande... Carl Sagan Universidad de Cornell, Ithaca, Nueva York... Pero siempre, desde el origen de la civilización, la gente no se ha contentado con ver los acontecimientos como desconectados e inexplicables. Ha buscado incesantemente un conocimiento del orden subyacente del mundo. Hoy día, aún seguimos anhelando saber por qué estamos aquí y de dónde venimos. El profundo deseo de conocimiento de la humanidad es justificación suficiente para continuar nuestra búsqueda. Y ésta no cesará hasta que poseamos una descripción completa del universo en el que vivimos... Pag.2/27

3 Stephen W. Hawking Historia del tiempo UNIDAD 1 Fundamentos De la Pag.3/27

4 La importancia de la energía en la escuela En los años 70 la famosa crisis del petróleo acerca a la opinión pública los problemas relacionados con la energía. Se llevan a cabo proyectos en los cuales se desarrollan tecnologías vinculadas a las llamadas energías alternativas, invadiendo el lenguaje cotidiano con terminologías y conceptos propios como: consumo de energía, energías limpias, crisis energética, residuos energéticos. Desde entonces, aumenta el interés por una educación energética que podría promover un nuevo patrón del comportamiento, tanto personal como social, enfocado al uso racional de los recursos naturales necesarios para la producción de energía. Un impulso adicional viene con la creciente conciencia de la importancia de recuperar y mantener el equilibrio ecológico dañado seriamente por una explotación irresponsable de la riqueza natural, pensada intencionalmente o por ignorancia, como algo que se puede usar eternamente sin consecuencia alguna. El concepto de energía y los temas relacionados con ella, son reconocidos como el contenido clave de la cultura científica de la ciudadanía. Varios proyectos de enseñanza de la ciencia tomaron la como eje curricular, o como una de entre pocas Grandes ideas de la Ciencia. Pag.4/27

5 Qué es la energía? "Es una magnitud escalar, fundamental, característica de los sistemas, en virtud de la cual éstos pueden transformarse, modificando su estado o situación, así como actuar sobre otros sistemas originando en ellos procesos de transformación" Para comprender el concepto de energía es necesario analizar la evolución temporal de un sistema material. Entendemos por sistema material a un cuerpo o conjunto de cuerpos que se aíslan para su estudio. Si a lo largo del tiempo el sistema conserva sus propiedades: color, volumen, posición, velocidad, temperatura, densidad, etc., es decir que no se observan cambios en los valores de las mismas, decimos que el sistema está en equilibrio, por lo tanto, no cambia de estado. Por ejemplo: La pelota sobre el césped Una botella cerrada con un líquido a temperatura ambiente Un fósforo sin encender Un auto estacionado con el motor apagado Cuando un sistema sufre cambios en todas o algunas de sus propiedades, se dice que el sistema experimenta un cambio de estado. Por ejemplo: Si alguien patea la pelota, hay un cambio en su velocidad, en su posición Si colocamos la botella en la heladera, el sistema disminuye la temperatura Al raspar el fósforo contra la cajita este se enciende. Si ponemos en funcionamiento el auto, comenzará a andar En todos los casos se produce una transformación del sistema material, gracias a la intervención de alguna forma de energía que se transmite y/o se transforma dentro del mismo sistema o en su interacción con el medio que lo rodea. Pag.5/27

6 Actividad N 1 Objetivo: aplicar la definición de energía a situaciones cotidianas En las siguientes situaciones delimita el sistema, indica su estado inicial y final, nombra las formas de energía que están presentes en ambos estados del sistema y completa el siguiente cuadro Sistema Estado inicial Estado final Formas de energía iniciales Formas de finales 1. Niño arriba de un tobogán, niño cayendo por el tobogán 2. Auto en reposo funcionando, auto andando a 40 km/h 3. Recipiente con agua a temperatura ambiente sobre la hornalla encendida, agua en ebullición 4. Jugador de tenis pegándole a la pelota con su raqueta, pelota que sale disparada a una velocidad de 90 km/h 5. Estufa a gas apagada, estufa de gas encendida Pag.6/27

7 Formas de la Podemos clasificar a las energías en dos grandes grupos: las potenciales y las cinéticas s potenciales: son aquellas que están relacionadas con la posibilidad que tienen los cuerpos de modificarse o modificar a otros sistemas, produciendo distintos procesos La energía solar es la que proviene del sol, y se origina en los procesos de Fusión que en él ocurren. La energía eléctrica es la que permite el pasaje de cargas eléctricas a través de un conductor La energía química es la energía interna del sistema asociada a procesos químicos. Pag.7/27

8 La energía geotérmica es la que está presente en el interior de nuestro planeta y se manifiesta en las erupciones volcánicas, los géiseres y las aguas termales La energía nuclear es la energía liberada durante los procesos de fusión y fisión de los núcleos de átomos inestables La energía potencial gravitatoria es la relacionada con la posibilidad que tienen los sistemas de modificarse o modificar a otros debido a la interacción gravitatoria entre cuerpos Pag.8/27

9 cinética: son aquellas formas de energía que están relacionadas con el movimiento de partículas, cuerpos o sistemas. Son ejemplo de esta: La energía mareomotriz es la asociada al movimiento de grandes masas de agua producido por las mareas La energía eólica es la asociada al movimiento de las masas de aire La energía hidráulica es la energía que posee el agua en movimiento o al cambiar de altura Pag.9/27

10 Otra clasificación de las energías La energía mecánica es la asociada a cambios de posición y/o velocidad del sistema. Puede presentarse en forma de cinética, de potencial gravitatoria, o ambas. La energía interna de un sistema está relacionada con el estado de agitación de las moléculas y de sus posiciones relativas dentro del sistema Pag.10/27

11 PROPIEDADES DE LA ENERGÍA Transformación y transferencia de la energía En la naturaleza ocurren una serie de transformaciones que están relacionadas con diversas formas de energía. Por ejemplo: Las plantas con clorofila reciben la energía solar que es utilizada por estos seres vivos para realizar la fotosíntesis. La fotosíntesis, como ustedes saben, transforma la energía solar en energía química que se almacena en los frutos, tallos y hojas de estas plantas. Cuando otros seres vivos se alimentan de plantas o de los frutos y semillas, obtienen parte de esa energía química almacenada en los tejidos vegetales; es el caso de los seres herbívoros. Estos, a su vez, sirven de alimento a seres vivos carnívoros, por lo que la energía química original queda almacenada en las células, tejidos, órganos y sistemas de esos seres vivos herbívoros y carnívoros. Los seres vivos hacen uso de alguna forma específica de energía para producir cambios o transformaciones en su ambiente natural. Los seres humanos descubrieron desde épocas muy remotas la manera de aprovechar cierta forma de energía. Por ejemplo: Utilizaban la combustión del carbón o de la madera para cocinar alimentos o calefaccionar sus viviendas; las corrientes de los ríos y la energía eólica fueron aprovechadas para navegar o mover molinos. La energía eólica es la energía cinética del aire, que a su vez hace mover a los molinos y los barcos o botes a vela. La corriente de un río se produce gracias a la energía cinética de las masas de agua, las que provocan el movimiento de los cuerpos que navegan en ellas y de molinos construidos en sus orillas. Es necesario tener en cuenta que en los procesos nombrados anteriormente, la energía almacenada en un sistema se transfiere a otro, o bien se transforma en otra forma de energía. Hablamos de transferencia cuando la energía pasa de un sistema a otro. cinética viento del Transferencia cinética en las aspas del molino Pag.11/27

12 Hablamos de transformación de la energía al proceso por el cual cambia la forma de energía, utilizándose para esto un elemento al que llamamos convertidor. solar Hoja (convertidor) química Mecánica Dínamo eléctrica química Pila eléctrica eléctrica Acumulador química eléctrica Motor eléctrico mecánica química Motor de combustión Mecánica Pag.12/27

13 interna Máquina de vapor Mecánica química Quemador interna eléctrica Resistencia interna Ejemplo: En un automóvil (sistema), gran parte de la energía química del combustible se transforma en energía mecánica, gracias a la presencia de un motor de combustión, el cual actúa como convertidor. Pag.13/27

14 FORMAS DE TRANSFERENCIA DE LA ENERGÍA Como vimos anteriormente la energía se transfiere de un sistema a otro. Este intercambio de energía puede realizarse de tres formas diferentes: calor, trabajo y radiación Calor Cuando calentamos los alimentos en el horno, la energía que se libera en la combustión del gas, se transfiere a los alimentos provocando un aumento de su temperatura. Cuando apoyamos la plancha caliente sobre la ropa, le transfiere energía aumentando su temperatura. En los dos ejemplos anteriores el sistema que está a mayor temperatura, le transfiere energía al que está a menor temperatura. A esta forma de transferencia de la energía se la denomina calor. Al soldar se transfiere energía en forma de calor Trabajo El trabajo es otra forma de transferencia de energía que se manifiesta cuando se aplica una fuerza sobre un sistema produciendo un desplazamiento del mismo. Por ejemplo, si una persona desea levantar un paquete del piso y apoyarlo sobre la mesa, la fuerza aplicada para elevarlo realiza un trabajo. Al aplicar una fuerza para desplazar la carretilla, la fuerza realiza un trabajo. Un albañil para desplazar una carretilla llena de ladrillos, debe aplicar una fuerza sobre la carretilla. En caso que el albañil no pueda desplazar la carretilla, no se realiza un trabajo porque no hay transferencia de la energía, a pesar de realizar un esfuerzo físico. Pag.14/27

15 Radiación Los sistemas que poseen luz propia como el sol, lámparas eléctricas, faroles de kerosén o velas, transfieren su energía al medio que los rodea a través de la luz. La luz es un tipo de radiación que resulta visible al ojo humano. La radiación es otra forma de transferencia de energía que se realiza mediante ondas electromagnéticas. Existen otras radiaciones no visibles que transportan energía como los rayos X con los que nos sacamos las radiografías, las microondas de los hornos, las ondas de radio, los rayos ultravioleta de los que nos protegemos con filtros solares. Los radares captan la energía transferida en forma de radiación Pag.15/27

16 Actividad Nº 2 Objetivo: Aplicar las características de la energía a situaciones concretas 1) En los siguientes procesos de transformación: a) Discrimina los momentos en los que se producen transferencias o transformaciones de la energía b) En el caso de las transformaciones, indica cuál es el convertidor correspondiente Central hidroeléctrica potencial gravitatoria del agua cinética del agua de cinética de la turbina eléctrica Central eólica mecánica del viento mecánica de las aspas del molino Eléctrica química Ventilador Eléctrica eléctrica mecánica en las aspas del ventilador mecánica del viento Pag.16/27

17 2) a) Teniendo en cuenta los convertidores indicados, completa el cuadro con las formas de energía que pueden considerarse en cada proceso. Pila Motor eléctrico Quemador Máquina Dínamo de vapor b) Relaciona cada proceso con el funcionamiento de un dispositivo que conozcas. Pag.17/27

18 Actividad Nº 3 Objetivo: Analizar la posibilidad de la existencia de una máquina de funcionamiento continuo Podría existir una máquina que funcione continuamente, sin necesidad de entregarle energía, tal como te mostramos en el siguiente esquema? Generador Motor Cables a) Propone una explicación del funcionamiento del sistema. b) Necesitará este sistema una fuente de energía exterior para su funcionamiento o puede comenzar a funcionar por sí misma? Por qué? c) Señala las limitaciones del funcionamiento del sistema d) Como conclusión responde a la pregunta inicial Pag.18/27

19 Conservación y Degradación de la energía En todas las transformaciones, la cantidad total de energía se conserva. Esta característica de la energía constituye un principio físico muy general basado en la filosofía de la naturaleza, los resultados de la observación y la experimentación científica, que se conoce como PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA En todas las transformaciones energéticas que ocurren en un sistema aislado, cambia la forma en la que se presenta la energía pero no cambia la cantidad total de energía, es decir, la cantidad de energía antes de la transformación es la misma que hay después de la transformación. Es importante que comprendamos que este enunciado se cumple si los sistemas que cambian se encuentran aislados de otros sistemas. Si el sistema no cede ni recibe energía del exterior su energía se mantiene constante. Dentro del sistema pueden darse procesos de transformación, pero siempre la energía ganada por una parte del sistema será cedida por otra del mismo sistema. La historia del movimiento continuo Desde tiempos remotos el hombre intentó inventar una máquina de funcionamiento continuo pero todos estos intentos fueron frustrados. En realidad esta denominación se refiere a máquinas que trabajan sin gasto energético, creando ellas mismas la energía necesaria para trabajar. Sin embargo en todos los casos no podemos crear energía de la nada. Por ejemplo: un molino de viento puede sacar agua de un pozo, pero a costa de la energía cinética del viento, que a su vez no sale de la nada, sino que es producida por la energía solar, que al calentar algunos lugares de la Tierra más que otros, provoca corrientes de aire; esta energía solar es generada por la energía nuclear liberada en los procesos de fusión nuclear que se llevan a cabo en el Sol. Pero, si la energía se conserva, toda la energía que se le entrega a un sistema se transforma en energía útil? Veamos un ejemplo: En una central hidroeléctrica, la energía potencial del agua contenida en un dique se transforma en energía cinética al caer. La energía cinética del agua hace mover las turbinas de una usina; estas turbinas mueven a su vez una dínamo, que es un aparato que transforma la energía cinética en energía eléctrica. La energía eléctrica viaja a través de cables hasta un motor eléctrico, que es un aparato que funciona al revés de la dínamo; transforma la energía eléctrica en energía cinética pues pone en Pag.19/27

20 movimiento una rueda. El movimiento de esta rueda se transmite a una bomba de agua y esta bomba envía el agua hasta un tanque, convirtiendo la energía cinética en energía potencial gravitatoria. Si no hubiese pérdidas en el camino la cantidad de energía almacenada al final, en el tanque, sería igual a la que primitivamente se tenía en el dique. De la energía inicial entregada al sistema, no toda se transforma en energía útil, sino que parte de ella se va perdiendo en las distintas etapas del proceso de transferencia y/o transformación. La pérdida de energía se debe a que se transforma en energía interna de las distintas partes del sistema (convertidores, cables) y del medio ambiente, lo cual se manifiesta mediante el aumento de la temperatura. A esta característica de la energía por la cual parte de ella se transforma en energía no aprovechable, la denominamos DEGRADACIÓN. Una analogía que nos ayuda a comprender las ideas de conservación y degradación Hemos dicho que la energía total de un sistema se transforma parte en energía útil y parte en energía no aprovechable. Para comprender mejor estos conceptos recurriremos a una analogía: Tienes depositado en el Banco Galicia $100 y los deseas transferir al Banco Francés; para esta operación los bancos te descuentan lo correspondiente a su comisión. Una vez depositado el dinero en el Banco Francés decides convertir tu dinero en dólares, nuevamente te cobran un porcentaje por la comisión de venta Comisión $2 Diferencia por cambio $100 $98 Casa de cambio $1 $97 Transferencia de dinero Cambio de moneda Pag.20/27

21 Para realizar un diagrama de acuerdo a la analogía anterior, debes tener en cuenta que el área del rectángulo inicial, debe ser igual a la suma de las áreas de los rectángulos posteriores. De la misma manera podemos representar una transferencia o una transformación de la energía utilizando este tipo de diagrama. Debemos tener en cuenta que en todo proceso de transformación, al producirse una degradación, solo una parte de ella se transforma en energía útil. Una forma de expresar la relación entre la cantidad de energía suministrada y la cantidad de energía utilizada es el rendimiento el cual puede ser calculado mediante la siguiente ecuación. utilizada Rendimiento = x 100 suministrada Veamos un ejemplo: Una batidora eléctrica transforma el 62 % de la energía eléctrica que se le entrega en energía cinética y el 38 % restante se disipa en forma de energía interna de sus partes, del aire que la rodea y en sonido. eléctrica 100% Motor eléctrico E. interna y sonido 38 % cinética 62 % Pag.21/27

22 Actividad N 4 Objetivo: analizar las transformaciones energéticas producidas en distintos sistemas Delimita los siguientes sistemas y analiza las transformaciones y/o transferencias energéticas que se producen en ellos realizando el diagrama correspondiente, elaborando un informe de laboratorio. a) Reproducción de sonido en un parlante Conecta dos cables a las terminales de un parlante. Con los extremos libres de los mismos, raspa los polos (+ y -) de una pila de 1,5 V, cuidando de no dejar el circuito conectado demasiado tiempo, para evitar daños en el parlante. b) Termocupla Conecta un alambre de hierro con un alambre de cobre, enrollando fuertemente las puntas de una pinza. Conecta un multímetro a los extremos libres de los alambres y calienta los extremos unidos con una llama c) Una pila casera Introduce chapas de metales diferentes (cobre y zinc, cobre y magnesio) en un limón cortado. Comprueba su funcionamiento mediante un tester como el que utilizaste en la estación de la pila d) Efecto fotoeléctrico Conecta una celda fotovoltaica a un pequeño motor de corriente continua e ilumina la celda con una lámpara incandescente de 100 W. e) Válvula de seguridad para quemadores de gas Estando frío el dispositivo, comprueba que la válvula se encuentra cerrada Presiona el botón de llama piloto y calienta el sensor con una llama, hasta comprobar que la válvula queda abierta. Deja enfriar el sensor y verifica que la válvula se cierra. Desarma el dispositivo y analiza el principio de funcionamiento f) Máquina vapor Introduce agua hasta la primer marca de la calderita, luego colocale el fuego por debajo de la misma y espera unos minutos hasta que el sistema comience a funcionar. g) Generador de Hidrógeno Mediante este dispositivo podrás ver la descomposición del agua en oxigeno e hidrógeno y su posterior recombinación, liberando como consecuencia energía eléctrica que se manifiesta por el movimiento del motor eléctrico conectado en maqueta. h) turbina Sopla mediante el tubito y veras girar el eje de la turbina. Pag.22/27

23 Actividad N 5 Objetivo: resolver problemas de energía 1) Dados los siguientes esquemas a) Explica el funcionamiento de los sistemas b) Delimita él o los sistemas involucrados c) Realiza mediante un diagrama las transformaciones y transferencias de energía presentes en él. A) El rendimiento del calentador solar es del 62% B) el rendimiento del reactor nuclear es del 30 % Pag.23/27

24 Convertidor Rendimiento Central hidroeléctrica 75% al 90 % Calentador solar 60% Reactor nuclear 30% Panel fotovoltaico 20% Locomotora de vapor 10% Motor eléctrico grande 90% Motor eléctrico chico 60% Lamparita 5% Tubo fluorescente 25% Horno de gas 85% Motor a nafta 30% Generador eólico 10% 2) En las siguientes cadenas de transformaciones indica las formas de energía que corresponden y da ejemplos de sistemas en los que se produzcan estos procesos. Indica cuándo hay una transferencia y cuándo hay una transformación pila resistencia calor Pag.24/27

25 Panel fotovoltaico motor trabajo 3) Un horno a gas necesita para funcionar 8000 Kcal. Si su rendimiento es del 85 %. a. Qué cantidad de energía se aporta a los alimentos durante este tiempo? b. Realiza el diagrama energético correspondiente 4) A una bomba de agua que eleva agua hasta un tanque situado en el techo de una casa, se le suministran 0,5 Kw-h. Su rendimiento es del 60% a) qué cantidad de energía tiene el agua del tanque? b) Realiza el diagrama energético correspondiente Pag.25/27

26 Potencia La potencia es una magnitud escalar que permite conocer la rapidez con que se producen los intercambios de energía. Por ejemplo, si una plancha transforma J de energía eléctrica en energía interna en 10 segundos y otro modelo de plancha tarda 20 segundos en realizar la misma transformación, entonces el primero será el de mayor potencia porque permite transformaciones de energía más rápidos. La potencia de un sistema la simbolizamos con la letra P y se calcula mediante la siguiente fórmula: P = Es t Donde Es es la variación de energía suministrada en un intervalo de tiempo y t es dicho intercambio de tiempo. Siguiendo el ejemplo del primer párrafo, las potencias de las planchas serán: j P = = 1000 j /s 10 s y j P = = 500 j /s 20 s La unidad j/s recibe el nombre de Watt (W) Por lo tanto 1000 j/s = 1000 W y 500 j/s = 500 W Pag.26/27

27 Actividad N 6 Objetivo: resolver problemas de potencia y energía 1) Una batidora eléctrica tiene una potencia de 200 W, si se la mantiene en funcionamiento durante 20 segundos, calcular la cantidad de energía transferida por la misma. 2) Una estufa a gas tiene una potencia de 3400 W, transfiere j de energía al ambiente. Calcular el tiempo que estuvo en funcionamiento. 3) Calcular la potencia de un aire acondicionado sabiendo que en una hora y media de funcionamiento transfirió 3240 Kcal 4) Una estufa eléctrica tiene una potencia de 400 W. El rendimiento de la misma es del 90 %. Suponiendo que estuvo encendida durante 1 hora, calcular la cantidad de energía transferida al aire y la energía degradada. Expresar el resultado en calorías. Realizar el diagrama energético 5) Un calefón eléctrico de 1000 W funciona durante 25 minutos para calentar agua. Sabiendo que el rendimiento del sistema es del 60 % a. Calcular la cantidad de energía transferida al agua. Que cantidad de energía se degrada? b. Realiza el diagrama energético correspondiente 6) Una bomba de agua funciona durante 4 horas diarias y consume 2 Kwh. Su rendimiento es del 70% a) qué cantidad de energía se aporta al agua? b) Realiza el diagrama energético correspondiente 7) Calcular la energía suministrada y la degradada de un motor que funciona durante 3.5 hs diarias, sabiendo que su rendimiento es del 60% y la potencia del mismo es de 800W. Pag.27/27