UNIDAD 1. LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO

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1 UNIDAD 1 LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO 1- INTRODUCCIÓN Unidad 1 La energía, el otor del undo La energía es iprescindible Todos los organisos vivos requieren energía para vivir Las plantas las obtienen directaente del sol y los aniales de los alientos que ingieren La vida vegetal tiene la capacidad de aprovechar la luz del sol ediante la fotosíntesis, que es un coplejo conjunto de reacciones quíicas que, gracias a la luz solar, obtiene ateria orgánica a partir de la inorgánica; concretaente, a partir de CO y de agua fora glucosa y se libera oxígeno gaseoso: 6 CO HO C6H1O 6 6 O El etaboliso de los aniales herbívoros se basa en la reacción inversa, transfora la bioasa vegetal en cobinación con el oxígeno en CO y agua De este odo, el CO vuelve a la atósfera para ser transforado de nuevo por los vegetales Sin ebargo, desde el descubriiento y uso del fuego, el hobre, coo especie, ha usado un plus de energía con respecto al resto de seres vivos que ha ido creciendo a un rito acelerado y vertiginoso hasta nuestros días Al principio utilizó las fuentes ás cercanas, bioasa, agua y viento, todas ellas poco agresivas con el edio abiente; sin ebargo, a partir de la Revolución Industrial, el epleo sisteático el carbón y el petróleo, se ha convertido en la base del odelo de producción y consuo actual El problea es que cuando el ser huano eplea cobustibles fósiles expulsa a la atósfera grandes asas de CO Igualente, cuando deforesta los bosques, reduce la capacidad de la biosfera de absorber CO de la atósfera Estos dos efectos han auentado la concentración de CO en la atósfera contribuyendo a auentar el llaado efecto invernadero Recordeos que el efecto invernadero consiste en la retención por parte de los gases de efecto invernadero presentes en la atósfera (vapor de agua, CO, etano, etc) de parte de la radiación infrarroja reflejada por la Tierra hacia el espacio El efecto invernadero es esencial para el anteniiento de una teperatura benigna en la Tierra (de no existir, la teperatura edia sería de unos º C, lo que haría iposible la existencia de vida tal coo la conoceos hoy) Sin ebargo, un efecto invernadero excesivo provoca un sensible auento de la teperatura edia, dando lugar a cabios en el clia, fusión de parte de los hielos polares con subida del nivel del ar, alternancias de sequías e inundaciones, desertización, etc Aunque algunos supuestos científicos afiran que el cabio cliático es un fenóeno natural en el que la intervención del hobre es ínia, hay bastantes ás que opinan que la actividad huana es la principal responsable del cabio cliático, y que para detenerlo hay que reducir las eisiones de CO, sustituyendo paulatinaente los cobustibles fósiles por otras fuentes de energía renovables no containantes y oderando y racionalizando el consuo energético No podeos negar que el uso asivo de la energía por la huanidad le ha peritido creciiento y prosperidad, pero tabién la ha enfrentado a graves probleas coo la containación y el cabio cliático Estos probleas están llevando a plantear nuevas políticas y a cabios en la entalidad de uchas personas que, quizás, estén alubrando un nuevo odelo de desarrollo que, a edio o largo plazo, deberá basarse principalente en las energías renovables y en la eficiencia energética Dpto Tecnología IES Bellavista 1

2 Unidad 1 La energía, el otor del undo - QUÉ ES LA ENERGÍA? La Física no sabe aún a ciencia cierta qué es la energía, ni dispone aún de una definición exacta de la energía Conoceos sus anifestaciones: fundaentalente la realización de trabajo (energía vinculada al oviiento producido por las fuerzas) y la transferencia de calor La definición ás aproxiada sería: Energía es la capacidad para realizar trabajo o de transferir calor De todas foras, habitualente, la Ingeniería no se interesa tanto por la explicación de los fenóenos coo por su cálculo y aplicaciones Recuerda: Trabajo: es el producto de la fuerza F aplicada a un cuerpo por el espacio recorrido s y por el coseno del ángulo α que foran las direcciones de abos Se representa por W W = F s cosα α F En el SI (Sistea Internacional de unidades) el trabajo se ide en julios (J) Coo la fuerza se ide en newton (N) y el espacio en etros (), teneos que: J = N s Potencia: de un cuerpo o áquina es el cociente entre el trabajo realizado y el tiepo que tarda en realizarlo Se representa por P En el SI se ide en vatios (W) Coo el trabajo se ide en julios (J) y el tiepo en segundos (s), teneos que: W = J/s Tabién se utiliza coo unidad el caballo de vapor (CV), siendo 1 CV 735 W W P = t Nota: 1 CV es la potencia necesaria para elevar verticalente un peso de 75 kgf a 1 de altura en 1 s 1- Unidades de energía La energía se identifica con el trabajo por lo que se iden en las isas unidades Julio (J): es la unidad de edida en el SI, la isa que la del trabajo J = N Kilográetro (kg): es la unidad en el Sistea Técnico de Unidades kg = kp Nota: el kilopondio (kp o kgf) es la unidad de fuerza en el Sistea Técnico 1 kp = 9,8 N Caloría (cal): cantidad de calor necesaria para elevar 1º C (entre 14,5ºC y 15,5 ºC) la teperatura de 1 g de agua destilada a la presión noral de una atósfera 1 cal = 4,18 J Kilovatiohora (kwh): es el trabajo realizado por una áquina con una potencia de 1 kw durante 1 hora de funcionaiento 1 kwh = 3, J Tonelada equivalente de petróleo (Tep): la equivalencia: 1 Tep = kwh = cal Dpto Tecnología IES Bellavista

3 3- FORMAS DE MANIFESTARSE LA ENERGÍA Unidad 1 La energía, el otor del undo 31 Rendiiento de una transforación energética La energía se anifiesta en últiples foras transforables unas en otras por diversos procesos Ahora bien, en toda transforación energética hay una parte de la energía inicial que se transfora en calor y se disipa al exterior sin que pueda ser aprovechada (calentaiento del abiente, calentaiento de áquinas por rozaiento, calentaiento de los aparatos eléctricos por la resistencia interna, etc) Por ejeplo, supongaos que teneos agua ebalsada a una cierta altura y que tiene, por tanto, una energía potencial deterinada Si lanzaos dicha agua por una tubería hacia una turbina obteneos energía cinética de rotación en el eje de la turbina Sin ebargo, la energía cinética obtenida es enor que la energía potencial inicial Si utilizáraos dicha energía cinética en una boba para elevar de nuevo el agua a la isa altura, no podríaos, nos faltaría energía Esto es debido a que se han producido procesos irreversibles (roce del agua con las paredes de las tuberías y con los álabes, fricción de los ejes en sus cojinetes, etc, que producen calor Este calor es ya energía degradada, que no es reutilizable El aprovechaiento energético de un proceso de transforación energética se cuantifica ediante el concepto de rendiiento, que siepre es inferior a la unidad (o al 100% si hablaos de porcentajes) y que viene dado por: Energía aprovechada Energía aprovechada En tanto por uno: η = En %: η = 100 Energía total utilizada Energía total utilizada 3- Energía ecánica Es la capacidad que tiene un cuerpo de producir un trabajo en virtud de su velocidad (energía cinética), de su posición en el capo gravitatorio terrestre (energía potencial gravitatoria), de su estado de tensión interno (energía potencial elástica), de su posición en un capo eléctrico (energía potencial electrostática), etc La energía ecánica es la sua de la energía cinética ás la energía potencial (en sus diversas foras) E = E + c E p 31- Energía cinética Es la energía que posee un cuerpo por el hecho de estar en oviiento La energía cinética de un cuerpo de asa que se desplaza con una velocidad v viene dada por la expresión: E c = 1 v Dpto Tecnología IES Bellavista 3

4 Recuerda: Unidad 1 La energía, el otor del undo Teorea de la energía cinética (o de las fuerzas vivas): Si sobre un cuerpo de asa actúa un sistea de fuerzas que realiza un trabajo W y, coo consecuencia, la velocidad del cuerpo pasa de un valor inicial v 1 a un valor final v, se cuple: W 1 1 = v v1 = Ec Ec1 = E c Nota: si el cuerpo disinuye su velocidad, según la expresión anterior, el trabajo sale con signo negativo, lo que indica que es realizado por el cuerpo 3- Energía potencial gravitatoria Es la energía que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa en el capo gravitatorio de la Tierra La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de asa situado a una altura h viene dada por la expresión, siguiente, en la que g es la aceleración de la gravedad (g 9,80665 /s ): E pg = g h h P = g Nota: la energía potencial no es un valor absoluto sino relativo pues depende del nivel de referencia con respecto al que se ida la altura h Así, podríaos edirla respecto al nivel del ar, respecto al suelo, etc Observeos que al elevar un cuerpo desde la superficie de la Tierra (Epg=0) hasta una altura h (Epg = g h), el increento de energía potencial es Ep = gh 0 = gh Por otro lado, el trabajo realizado por la fuerza gravitatoria (g) durante el recorrido h, teniendo en cuenta que la fuerza y el oviiento tienen direcciones contrarias será Wg= g h Por tanto, se puede deducir que: Wg = E p 33- Principio de conservación de la energía ecánica Este principio dice que cuando sobre un sistea aislado (sistea que no intercabia ateria ni energía con el exterior) actúan únicaente fuerzas conservativas, la energía ecánica total del sistea (energía cinética ás energía potencial) peranece constante E = 0 Nota: denoinaos fuerzas conservativas a aquellas cuyo trabajo se puede expresar coo una variación de energía potencial La fuerza de la gravedad, las fuerzas electrostáticas y las fuerzas elásticas son conservativas Sin ebargo, las fuerzas externas aplicadas, las fuerzas de rozaiento y las fuerzas agnéticas son no conservativas (o disipativas) Dpto Tecnología IES Bellavista 4

5 Unidad 1 La energía, el otor del undo Cuando actúan fuerzas tanto conservativas coo no conservativas, la energía ecánica no se conserva pero la energía total sí, por lo que el principio de conservación de la energía se puede expresar coo: Donde W nc es el trabajo realizado por las fuerzas no conservativas En efecto, si sobre el cuerpo actúan fuerzas conservativas y fuerzas no conservativas, el trabajo total realizado sobre el cuerpo será: W T = W C + W NC Ahora bien, según el teorea de la energía cinética, W T = E C y W C = E P De ello se deduce que: W T = W C + W nc E C = E P + W nc E C + E P = E = W nc Ejeplos: E = W nc Un sistea forado por un cuerpo a una cierta altura y el planeta Tierra, podría considerarse un sistea aislado La fuerza gravitatoria que ejerce la Tierra sobre el cuerpo es una fuerza conservativa interna al propio sistea Se puede aplicar E = 0 Sin ebargo, si consideraos coo sistea el cuerpo únicaente, actúa sobre él una fuerza externa, que es la fuerza gravitatoria de la Tierra, por lo que habría que aplicar: E = W nc Evidenteente, en este caso carece de sentido hablar de energía potencial gravitatoria para el cuerpo 34- Energía potencial elástica Es la energía alacenada en un cuerpo elástico (uelle o resorte) en virtud de su estado de tensión debido a la deforación producida en él por una fuerza Su valor viene dado por la expresión: Siendo k la constante elástica del resorte y x su deforación Recuerda: E px = La ley de Hooke establece que en los cuerpos elásticos, la fuerza deforadora F es proporcional a la deforación x producida Es decir, F= k x, siendo k la constante elástica del resorte, cuya unidad de edida en el SI es N/ 1 k x 33- Energía nuclear Es una energía propia de la ateria, asociada a la constitución de los núcleos de los átoos Esta energía se libera con la fisión (fragentación) o fusión (unión) de los núcleos de deterinados eleentos quíicos En abos casos se produce una transforación de ateria en energía según la ecuación de Einstein: E = c donde c es la velocidad de la luz (c= k/s) Dpto Tecnología IES Bellavista 5

6 34- Energía interna Unidad 1 La energía, el otor del undo Aunque un cuerpo esté en reposo a nivel acroscópico, las oléculas y átoos que foran la ateria están en constante agitación a nivel icroscópico, por lo que tienen energía cinética Tabién existen fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas por lo que tienen energía potencial interolecular Según esto: La energía interna (U) de un cuerpo es la sua de las energías cinética y potencial de todas las partículas que lo constituyen, sin tener en cuenta sus interacciones con el exterior ni su posible oviiento acroscópico La energía interna depende de la teperatura del cuerpo y de la presión a que está soetido, y puede auentar al realizar un trabajo sobre el cuerpo (por ejeplo, rozaiento) o ponerlo en contacto con otro cuerpo a ayor teperatura 35- Energía térica La energía térica está asociada al oviiento de agitación de las oléculas y se anifiesta ediante variaciones de teperatura, cabios de estado y cabios de voluen de los cuerpos El calor, al igual que el trabajo, no es una fora de energía, sino una fora de odificar la energía de los cuerpos (es un tránsito de energía, no está alacenado en los cuerpos) El calor es la edida de la energía interna transferida entre cuerpos a diferentes teperaturas Los cabios de estado son casos especiales en los que hay transferencia de energía (calor) sin que la teperatura varíe El calor se transite de tres aneras diferentes: por conducción, por convección y por radiación, coo vereos luego La teperatura es una edida de la energía cinética edia de las partículas que coponen un objeto Las expresiones que utilizareos para calcular la energía térica intercabiada por los cuerpos al variar su teperatura o su estado serán las siguientes a) Sin cabio de estado: Q = C e T b) Cabio de estado de sólido a líquido (fusión): Q = λ f c) Cabio de estado de líquido a gas (vaporización): Q = λ v = asa (kg) C e = Calor específico (Kcal/kgºC) T = increento de teperatura λ f = Calor latente de fusión (kcal/kg) λ v = Calor latente de vaporización (kcal/kg) Recordeos que cuando se aporta o extrae calor a un cuerpo, sin que éste cabie de estado, se produce un increento o descenso de su teperatura Sin ebargo, cuando se aporta o extrae calor al cuerpo y este cabia de estado, la teperatura peranece constante (la energía absorbida o cedida por el sistea se eplea en roper o forar enlaces, no en variar la teperatura) Dpto Tecnología IES Bellavista 6

7 36- Energía quíica Unidad 1 La energía, el otor del undo Es un tipo de energía asociada a la fora en que se cobinan los átoos para forar las oléculas de cada sustancia En realidad se trata de una energía potencial de interacción entre los átoos Se pone de anifiesto cuando estas sustancias participan en reacciones quíicas y se transforan en otras sustancias diferentes Si en una reacción quíica se absorbe calor se denoina endotérica Si en una reacción quíica se desprende calor se denoina exotérica, e indica que la energía quíica de los reactivos es ayor que la de los productos De este tipo son las reacciones de cobustión del carbón, del petróleo y del gas natural (cobustibles) Se denoina poder calorífico de un cobustible (Pc) a la cantidad de calor liberado en la cobustión de una cantidad unitaria del iso Se suele expresar en kcal/ 3 (gases) o en kcal/kg (sólidos y líquidos) Q = V PC (gases) Q = PC (líquidos o sólidos) 37- Energía radiante Es la que eiten todos los cuerpos a una teperatura por encia del 0 absoluto Se propaga en fora de ondas electroagnéticas a la velocidad de la luz Parte de ella es radiación térica (radiación infrarroja) y parte corresponde a icroondas, luz, rayos ultravioletas, etc La característica principal de esta energía es que se propaga en el vacío sin necesidad de soporte aterial alguno Puede proceder del sol, de una superficie caliente (radiador), etc 38- Energía eléctrica Es la energía que posee la corriente eléctrica (electrones en oviiento) Se transfora fácilente en otros tipos de energía (térica, cinética, quíica, ) La energía eléctrica consuida por un receptor al que se le aplica una tensión V, y por el que circula una intensidad I durante un tiepo t, viene dada por la expresión: Coo tabién P = V I, tabién teneos: Esta fora de energía suele edirse en kwh E e = P t E e = V I t 4- PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA La energía total E de un cuerpo que tiene una energía interna U, una energía cinética acroscópica Ec y una energía potencial acroscópica Ep viene dada por: E = U + E + E = U + E c p Dpto Tecnología IES Bellavista 7

8 El principio de conservación de la energía, o Prier principio de la Terodináica, dice que la variación de la energía total del cuerpo E es igual al calor Q absorbido por el cuerpo ás el trabajo ecánico W realizado sobre dicho cuerpo: Unidad 1 La energía, el otor del undo Ejeplo: un vehículo quea cobustible para desplazarse; la energía quíica del cobustible se transfora, parte en trabajo, que aporta energía cinética al vehículo, y parte en calor, que calienta el aire circundante, la carretera, las ruedas al rozar con la carretera, etc 5 LA TRANSMISIÓN DEL CALOR El calor se transite de tres aneras diferentes: 51 Conducción El calor se transite a través de la ateria pero sin que haya oviiento de ésta Es típico de los sólidos Se produce una transferencia de la energía cinética asociada a la agitación olecular desde unas oléculas a sus vecinas S t T Q = λ d 5 Convección λ = Coeficiente de conductividad (kcal/hºc) S = Superficie de pared ( ) d = Espesor de pared () T = diferencia de teperatura (ºC) t = Tiepo (h) El calor se transporta junto con la ateria Es un proceso típico de los fluidos (líquidos y gases) Debido a la disinución de la densidad del fluido al calentarse, el fluido ás caliente se eleva y el ás frío desciende, produciéndose corrientes de convección E = Q + W Q = α S t T α = Coeficiente de convección (kcal/ hºc) S = Superficie de pared ( ) t = Tiepo (h) T = diferencia de teperatura del fluido (ºC) 53 Radiación El calor se transporta en fora de ondas electroagnéticas de un deterinado rango de frecuencias Esta energía se puede propagar en la ateria o en el vacío, coo es el caso de la energía del Sol que llega a la Tierra o la eitida por una superficie o cuerpo caliente T Q = c S t T c = Coeficiente de radiación (kcal/ h K 4 ) S = Superficie de pared eisora ( ) T 1 = Teperatura absoluta del edio exterior (K) t = Tiepo (h) T = Teperatura absoluta del objeto eisor (K) Dpto Tecnología IES Bellavista 8