Energies renovables 4t ESO diversificació. TEMA 1: INTRODUCCIÓ A LES ENERGIES

Transcripción

1 TEMA 1: INTRODUCCIÓ Actualment el concepte d energia no tan sols és fonamental en física i en els camps científic i tecnològic, sinó que també és utilitzat amb freqüència per economistes, polítics, mitjans de comunicació, etc. Encara que la forma d energia més coneguda i utilitzada avui en dia és l electricitat, present en totes les activitats diàries (electrodomèstics, ordinadors, la llum, aire condicionat, etc. Si ens aturem a pensar com seria la nostra vida sense ella, veuríem que canviaria tant que ni la reconeixeríem: sense llum, rentadora, nevera, televisió, radio, ordinador, walkman, etc. 1. L ENERGIA I LES SEVES TRANSFORMACIONS L energia és una propietat o atribut de tot cos o sistema material en virtut del qual aquests poden transformar-se modificant la seva situació o estat, així com actuar sobre d altres originant en ells processos de transformació. Sense energia, cap procés físic, químic o biològic seria possible. És a dir, tots els canvis materials estan associats a una certa quantitat d energia que es posa en joc, es cedeix o es rep. L energia es pot definir com la capacitat per a realitzar un treball. L energia és la força vital de la nostra societat. D ella depenen la il luminació d interiors i exteriors, l escalfament i la refrigeració de les nostres cases, el transport de les persones i les mercaderies, l obtenció d aliment i la seva preparació, el funcionament de les fàbriques, etc. En definitiva les activitats que els éssers humans desenvolupen diàriament tenen la necessitat d utilitzar i transformar l energia. Així, les persones consumim energia quan caminem, realitzem un treball o simplement quan pensem. També quan obtenim calor per mitjà de la combustió del carbó, el petroli, el gas la llenya, etc. D aquesta manera podem veure que l energia es pot manifestar en diferents formes, és a dir, pot estar associada a canvis materials de diferent naturalesa. Així podem parlar de diferents tipus d energia: - QUÍMICA: Quan la transformació afecta a la composició de les substàncies. Exemple: Aigua + Sodi = explosió. - CINÈTICA: És la transformació associada als canvis de moviment. Exemple: pas d una certa velocitat a una altra. (És aquella energia que té un cos pel simple fet de moure s). - POTENCIAL GRAVITATÒRIA: És la transformació associada al canvi d altura. Exemple: Qui es farà més mal, una persona que cau d un primer pis o una que cau d un cinquè pis? (És aquella energia que té un cos pel simple fet de estar a una determinada altura). - MECÀNICA: És la forma d energia associada als canvis de posició i/o velocitat (Energia cinètica + potencial) 1

2 - TÈRMICA: Quan la transformació està associada a fenòmens calorífics. Exemple: Pas de gel a aigua líquida. - NUCLEAR: Quan les transformacions afecten a les composicions dels nuclis atòmics. - ELÈCTRICA: Quan les transformacions són degudes al moviment de partícules elèctriques. Exemple: Quan encenem la llum les càrregues elèctriques es posen en moviment i tenim llum. L energia lluminosa del Sol es transforma en energia química: Per mitjà de la fotosíntesi les plantes capten l energia lluminosa i l aprofiten per a fabricar matèria orgànica. Matèria orgànica i transformacions d energia: Els éssers vius emmagatzemen energia en la matèria orgànica que constitueix el seu cos. Quan realitzem alguna activitat transformen part d aquesta energia en altres formes d energia. Per exemple, quan un cavall estira d un carro transforma part d aquesta energia química en moviment (energia cinètica) i en calor (energia tèrmica). Per renovar l energia química transformada, prenen aliments, és a dir, incorporen al seu organisme matèria orgànica. Quan cremem matèria orgànica com fusta, carbó (restes vegetals fòssils), o petroli (restes orgàniques fòssils), transformem l energia química emmagatzemada en la matèria orgànica en tèrmica i lluminosa. L energia tèrmica es pot transformar en energia mecànica: Quan posem a bullir aigua en una cassola, passat un temps es produeix vapor d aigua, i si mantenim l ebullició, la força del vapor d aigua aixeca la tapadora. És a dir, L energia tèrmica es transforma en energia cinètica (moviment de la tapadora). Aquesta és la base de les màquines de vapor. Màquina de vapor: màquina que utilitza la força del vapor d aigua per moure algun tipus de mecanisme, per exemple, les rodes d una locomotora. Turbina: es tracta d una roda amb paletes especials i subjectada a un eix central, que gira impulsada per l energia d un gas, per exemple, vapor d aigua o aire en moviment, o bé, d un líquid. Transformacions de l energia mecànica: El vent o l aigua en moviment poden fer girar les aspes d un molí o una turbina. Si l eix de la turbina o de les aspes està connectat a algun altre mecanisme, al moure s origina el 2

3 moviment d aquest. Si això a la vegada està connectat a un generador, l energia mecànica es transforma en energia elèctrica. Generador: és un dispositiu amb la capacitat de transformar qualsevol tipus d energia no elèctrica en electricitat. Transformacions de l energia elèctrica: L energia elèctrica es pot transformar en llum i calor (bombeta), en so (altaveu), o en l energia necessària per a què es produeixi un moviment (motor elèctric). 2. L ENERGIA I EL SEU APROFITAMENT Característiques: L energia es pot transferir d un cos a un altre. L energia es mesura. Les unitats en que es mesura són molt variades: Energia utilitzada Treball Calor Nuclear Unitat de mesura Equivalències Joule. J: unitat d energia del sistema internacional. Unitat del SI Caloria. Cal: energia necessària per pujar, de 14,5ºC a 15,5ºC, la temperatura d 1g d aigua a la pressió d una atmosfera. Electronvolt. ev: energia que adquireix un electró per passar d un punt a un altre entre els que hi ha una ddp d 1V Consum TEC: tona equivalent de carbó. Energia alliberada per la combustió d una tona de carbó hulla. Consum TEP: Tona equivalent de petroli. Energia alliberada per la combustió d una tona de petroli. Electricitat Kilowatt hora: energia que produeix un aparell elèctric de 1000 watts de potència cada hora de funcionament. 1 cal = 4,18 J 1 Kcal = 1000 cal 1 ev = 1, J 1 Tec = 129, J 1 Tep = 41, J 1 KWh = 3, J L ENERGIA NO ES CREA NI ES DESTRUEIX, NOMÉS ES TRANSFORMA (ES CONSERVA, l energia que se perd per una banda es guanya per una altra). Qualsevol forma d energia es pot convertir en una altra. En aquest procés de transformació una de les energies augmenta, mentre que l altra disminueix. La suma total d ambdues es manté constant, complint-se el primer principi de la termodinàmica. Energia elèctrica energia lluminosa: A través de tubs fluorescents. Energia lluminosa energia química: A través de la fotosíntesi de les plantes. Energia química energia elèctrica: A través de bateries i piles. Energia elèctrica energia mecànica: A través d un motor elèctric (ventilador) Energia mecànica energia tèrmica: A través de fregaments. 3

4 Energia tèrmica energia mecànica: A través d una màquina de vapor (locomotores antigues). Exemple: En un salt amb perxa hi ha una successió de transformacions d energia que tenen per resultat final el triomf: superar el llistó. L energia cinètica que adquireix l atleta es converteix en potencial gravitatòria i aquesta en potencial elàstica de la perxa, que juntament amb l esforç muscular aconsegueix incrementar l energia potencial inicial, i d aquesta manera, superar el llistó de la prova. En tota transformació d energia, una part d aquesta es transforma en parts d energia menys utilitzables, és el que normalment s anomena energia degradada, i es sol perdre en forma de calor. Aleshores podem escriure: Energia útil = Energia total Energia degradada Energia útil Rendiment en una transformació (expressat en %) = 100 Energia deg radada La potència d una transformació energètica. És l energia obtinguda o el treball realitzat per unitat de temps. On la seva unitat de mesura és el watt (1W = 1 J/s), Energia Potència = temps La potència mesura l eficiència en què es fa un treball. Per exemple, dir que una central tèrmica té 10MW de potència vol dir que produeix 10 7 J D energia elèctrica per segon. 3. FONTS D ENERGIA. ENERGIES RENOVABLES I NO RENOVABLES Els orígens dels quals procedeixen els distints tipus d energia que utilitzem, o el fonament en que es basa la seva obtenció, s anomenen fonts d energia. Fa poc més d un segle les principals fonts d energia eren la força dels animals, la dels homes i el calor obtingut quan cremaven llenya. L ingeni humà també havia desenvolupat algunes màquines amb les quals s aprofitava la força per a moldre els cereals o preparar el ferro, o la força del vent en els vaixells de vela, o en els molins. Però, la gran revolució va venir amb la màquina de vapor, i des d aquell dia, el gran desenvolupament de la indústria i la tecnologia han canviat. Les fonts d energia que mouen la moderna societat mesuren el desenvolupament d un país, i també van lligades a un creixent consum d energia dels combustibles fòssils: petroli, gas natural i carbó. Aquests han estat els grans protagonistes de l impuls industrial des de l aparició de la màquina de vapor fins ara. D ells depèn la major part de la indústria i el transport actuals. Entre els tres suposen quasi el 90% de l energia comercial empleada en el món. Un combustible fòssil està compost de restes d organismes que van viure fa milions d anys. El carbó es formà a partir de les plantes terrestres. El petroli i el gas natural a partir de microorganismes i animals, principalment, aquàtics. Hi ha fonts d energia renovables i no renovables. 4

5 Les fonts no renovables s anomenen així perquè són fonts d energia que s esgoten. És a dir, que les gastem més ràpid del que tarda la naturalesa en produir-les. Les més comunes són el petroli, el gas natural, el carbó i l energia nuclear. D elles s obté el 81% del total de l energia elèctrica que emprem. De les tres primeres s obté energia quan les cremem, produint-se grans quantitats de CO 2 i altres gasos contaminant que s emeten a l atmosfera. Fonts d'energia 15% 3% 1% Energía hidráulica Energía solar Otras 81% Energías no renovables Consum de les distintes fonts d energia a Espanya a l any 1996: Petroli ,18 KTep ,1% Carbó ,39 KTep ,1% Nuclear ,68 KTep ,4% Gas ,401 KTep ,2% Energies renovables ,370 KTep ,2% Les fonts renovables, que són les que més estudiarem en aquesta assignatura, s anomenen així perquè mai no s esgoten. Són les que la naturalesa reposa tan ràpid com l home les utilitza. A més, tenen el gran avantatge de què no contaminen. Avui en dia s empren poc, però el seu consum augmentarà en el futur. Per això s anomenen energies alternatives. Les energies renovables són les següents: - Energia solar (tèrmica i fotovoltaica) - Energia eòlica - Energia hidràulica - Energia de la biomassa - Energia geotèrmica - Energia mareomotriu - Energia de les ones 5

6 4. ENERGIA I CIVILITZACIÓ L ENERGIA I LA CIVILITZACIÓ PREINDUSTRIAL Des de l origen de la humanitat i fins que es produí la Revolució Industrial, els éssers humans utilitzaren: Energies abans de la Revolució Industrial Energies Energies, en essència, energies renovables i poc contaminants Energia química continguda en els éssers vius Com a mitra de transport s utilitzaven els animals o com La fusta S utilitzava com a combustible El vent S utilitzava per a la navegació a vela i per als molins L energia del moviment de l aigua S utilitzava pera moure molins El carbó Des de l antiguitat s utilitzava com a combustible, per exemple, en pires funeràries LA TECNOLOGIA DE LA CIVILITZACIÓ PREINDUSTRIAL Rodes hidràuliques: Turbines primitives. Rodes mogudes per un líquid. Es tracta de rodes que duen unes paletes ajuntades a un eix vertical, les quals giraven impulsades per un corrent d aigua. En la civilització preindustrial es varen utilitzar molt, a prop de rius o cabals d aigua. L eix estava en contacte amb una altra màquina per fer-la funcionar mentre girava la roda. Molins de vent: Bàsicament un molí de vent és un aparell que consta d un eix, subjectat al qual hi ha aspes, el qual està acoblat algun tipus de mecanisme, que s activa quan les aspes es mouen. 6

7 UNA CIVILITZACIÓ ARTESANAL - Gaire bé no es produïen fems. - La producció era artesanal. Quasi tot el que es treballava, era en tallers. - Es produïa exclusivament el que es necessitava. La civilització preindustrial no produïa pràcticament fems (residus) que podien deteriorar el medi ambient. No consumia grans quantitats d energia no renovable (carbó). La desforestació (causada per un elevat consum de fusta i amplia els conreus) i l extracció de minerals (ferro, or i plata) es poden considerar les majors agressions al medi ambient. LA CIVILITZACIÓ INDUSTRIAL La Revolució Industrial es pot definir com el conjunt d avanços científics i tècnics que es produïren a partir del segle XVIII i que suposen el pas de l economia agrària i artesanal a una altra dominada per la indústria i la producció mecanitzada. Ve marcada per l aparició de la màquina de vapor, la qual va originar grans canvis en la societat i la font energètica que l alimentava, el carbó. Va permetre instal lar indústries en nous llocs. Per què el carbó (la font energètica que alimentava la màquina de vapor) era bo de transportar d un lloc a un altre. Va permetre mecanitzar un gran nombre de tasques i augmentar la producció. Va fer possible un major desenvolupament del transport per mitjà de locomotores i vaixells de vapor que usaven carbó. Això afavorí el comerç i les comunicacions. Durant la segona meitat del segle XIX, varen tenir lloc dos aconteixements pel desenvolupament de la via de la civilització industrial: l ús del petroli i la generació d electricitat. El petroli: Durant els anys 1850 i 1860 es desenvolupà la tecnologia necessària per al refinat i les extraccions petrolieres. El que va dur a un major desenvolupament de les màquines i l aprofitament d una font, el petroli, amb un alt poder energètic. Això coincidí amb l aparició del cotxe. L electricitat: En el segle XIX es descobreix l electricitat i es construeixen les primeres centrals elèctriques, instal lant-se cada vegada més ràpid el sistema elèctric que ara es coneix. Les creixents demandes d energia elèctrica i el creixement de la població provocaren que apareguessin les centrals hidroelèctriques, les tèrmiques i les nuclears. Una central hidroelèctrica és una instal lació en la que s utilitza l energia cinètica del moviment de l aigua per a moure les turbines que estan connectades a un generador i que, al girar, originen el moviment d aquest i la producció d energia elèctrica. 7

8 Una central tèrmica és una instal lació en la que s utilitza l energia del vapor de l aigua per a moure les turbines que estan connectades a un generador que al girar produeix energia elèctrica. Una central nuclear és aquella instal lació en la que s utilitza l energia nuclear per a generar electricitat. Aquesta energia fa girar les turbines, que connectades a un generador produiran l energia elèctrica. 8