1 CONCEPTOS BÁSICOS INICIALES 1.1. Concepto de energía... 23 1.2. Concepto de trabajo... 25 1.3. Concepto de potencia... 26 1.4. Medida de la energía y de la potencia. Unidades... 27 1.5. Datos de referencia... 28 21
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1. CONCEPTOS BÁSICOS INICIALES 1.1. Concepto de energía El término energía es fuertemente polisémico, y según el contexto donde se use adquiere significados diversos. Así, se habla que una persona es muy enérgica, que alguien o algo tiene energía positiva o negativa, etc. En el terreno de las ciencias físicas y naturales, y de la tecnología, es corriente hablar de la crisis energética, de alimentos energéticos, etc. La realidad es que la energía es un fenómeno misterioso, del cual conocemos y comprendemos sus efectos, pero no su naturaleza originaria. En el campo de la física, se define la energía como una propiedad de los cuerpos o sistemas materiales en virtud de la cual estos pueden transformarse (a sí mismos), modificando su estado o situación, así como actuar sobre otros cuerpos, originando transformaciones en ellos. La energía indica la capacidad de un cuerpo o sistema para producir transformaciones, con independencia de que estas se produzcan o no. Por ejemplo, un cuerpo en movimiento posee una energía por ese motivo, a la que se le denomina energía cinética. Cuando impacta con otro cuerpo (en un choque perfectamente elástico, sin que se produzca deformación en ninguno de ellos, por ejemplo) lo desplaza y lo pone en movimiento, es decir, el primer cuerpo transfiere toda o parte de su energía cinética al segundo. m 1 v = V 1 v = 0 m 2 E 1 = 1/2 m 1 V 1 2 E 2 = 0 m 1 v = V 1 m 2 v = 0 v = V 1 v = V 2 m 1 m 2 E 1 = 1/2 m 1 V 1 2 E 2 = 1/2 m 2 V 2 2 Figura 1.1. Transferencia de energía cinética entre dos cuerpos 23
En la figura 1.1 se observa esa transferencia de energía del cuerpo 1 al 2. En este caso, la energía del 1, (1/2 m 1 V 12 ) se transfiere una parte al cuerpo 2 (1/2 m 2 v 22 ) y otra parte la sigue conservando el mismo (1/2 m 1 v 12 ) Otro ejemplo lo constituye el caso de un resorte comprimido, como el de la figura 1.2, que posee lo que se denomina energía potencial elástica. Cuando el resorte se libera es capaz de mover la masa m 1 dotándola de una energía cinética (1/2 m V 2 ) A medida que el resorte se va estirando, su energía potencial va disminuyendo, y la energía cinética de la masa se va incrementando. Al final del recorrido, cuando el resorte está totalmente estirado, su energía potencial es nula y la energía cinética de la masa, máxima. En todo momento, la energía cinética más la potencial (lo que se conoce como energía mecánica ) es una cantidad constante. v = 0 m E T = E p1 + 0 v = v 1 m E T = E p2 + 1/2 m v 1 2 v = v 2 (v 2 > v 1 ) m E T = 0 + 1/2 m v 2 2 Figura 1.2. Transferencia de energía potencial a cinética En el primer ejemplo, la masa m 1 con velocidad v tiene la facultad de transformarse (modificar) la posición de la masa m 2 (esa facultad la tiene con independencia de que la ejerza o no) En el segundo ejemplo, el resorte comprimido tiene la capacidad de transformarse (estirarse) así mismo, y transformar (modificar) la posición de la masa m. Además, se ve en este segundo caso que la energía potencial puede transformarse en energía cinética, y que además, la suma permanece constante. Generalizando los ejemplos anteriores, puede afirmarse: La energía puede transformarse de un tipo a otro. La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. 24
(En todos estos aspectos se profundizará en el tema 2, y especialmente en las relaciones materia-energía) 1.2. Concepto de trabajo En un contexto físico-matemático se define trabajo como el producto escalar de una fuerza ( ) por un desplazamiento ( ) (del punto de aplicación de la fuerza) T= En la figura 1.3 puede verse que la persona que eleva aplica la fuerza para subir la masa desde la cota h=0 hasta la h=h (la fuerza P es el peso de la masa m, o sea, P = m g) El trabajo efectuado vale: T = =m g h V P Figura 1.3. Trabajo de elevación de una masa El trabajo se mide en Julios, siendo: 1 Julio = 1 Newton x 1 metro 25
Un Julio es el trabajo que se realiza cuando la fuerza de un Newton desplaza su punto de aplicación un metro (es la misma dirección y sentido de la fuerza) Si la dirección y sentido de la fuerza F y del desplazamiento S no coinciden entonces T = F S cosy siendo Y el ángulo que forman F y S. Tradicionalmente y aún hoy, se define la energía como la capacidad de realizar un trabajo, entre otras razones, porque la unidad de energía es la misma. (La unidad de energía es el Julio) Se piensa, erróneamente, que la energía se transforma en trabajo. En la figura 1.3, sobre la masa m se realiza un trabajo al elevarla, pero desde el punto de vista energético lo que ha ocurrido es que la energía almacenada en los músculos de la persona se ha transferido a energía potencial de la masa a la altura h (E p =mgh) En este caso, como en todos, el trabajo ha sido el proceso mediante el cual se ha transferido la energía desde un sistema (una persona) hasta otro sistema (la masa) El trabajo no es una forma de energía, ni se conserva, ni es propio de un sistema (no lo poseen los cuerpos). Es sólo un vehículo, un proceso, mediante el cual dos cuerpos o sistemas intercambian energía. (Otro de estos procesos de intercambio es el calor) 1.3. Concepto de potencia En la figura 1.4 se observa que la persona más corpulenta es capaz de elevar la masa m, de peso P, más rápidamente que la menos corpulenta. V 2 > V 1 Se dice que la primera es más potente. En términos físicos significa que la primera ejecuta el mismo trabajo que la segunda (T=mgh), pero en menos tiempo. Físicamente, se define la potencia como el trabajo realizado en la unidad de tiempo: V 2 P V 1 W= T /t P La unidad es el vatio (W), definido por: 1 vatio= 1 julio/1 segundo Figura 1.4. El adulto es más potente que el niño 26
1.4. Medida de la energía y de la potencia. Unidades Teniendo en cuenta que trabajo y energía se expresan en las mismas unidades, en el Sistema Internacional la energía se mide en Julios, (N = Newton) 1J = 1N 1m (1 Julio es igual a 1 Newton por 1 metro) También se emplean unidades mayores como: kj 1.000 J 10 3 J (kilojulio) MJ 1.000.000 J 10 6 J (Megajulio) GJ 1.000.000.000 J 10 9 J (Gigajulio) TJ 1.000.000.000.000 J 10 12 J (Terajulio) A veces, erróneamente, ambos términos (energía y potencia) se emplean en una forma indistinta. Ello lleva a errores como decir: La producción de una turbina eólica fue de 50MW al año. De acuerdo con la definición de potencia, en el Sistema Internacional la potencia se mide en vatios. 1W = 1J / 1s (1 vatio es igual a 1 Julio dividido por 1 segundo) Se emplean también unidades mayores, como: kw 1.000 W 10 3 W (kilovatio) MW 1.000.000 W 10 6 W (Megavatio) GW 1.000.000.000 W 10 9 W (Gigavatio) TW 1.000.000.000.000 W 10 12 W (Teravatio) Otra forma usual para medir la energía es el kwh, o energía producida transformada por una máquina de 1kW de potencia funcionando durante 1 hora. Obviamente, 1kWh también es la energía transformada por una máquina de 2kW de potencia funcionando durante ½ hora, o cualquiera otra de las infinitas combinaciones potencia-tiempo posibles. De acuerdo con esta definición, la equivalencia entre el kwh y el Julio es: 1kWh = 3.600kJ = 3,6MJ En física nuclear (energía atómica), la unidad de medida es el electrón Voltio (ev). Se entiende por tal la energía que toma o cede un electrón al pasar de un punto a otro de un campo eléctrico entre los que hay una diferencia de potencial de 1V. 1eV = 1,602x10-19 J 27
Otras unidades también empleadas tradicionalmente son: Potencia: 1 C.V. = 0,76 kw 1 H.P. = 0,746 kw Energía: 1 kcal. = 4,186 kj 1 Tep 42.000 MJ = 11.600 kwh 1 BTU = 1055 J (British Thermal United) (Tep = Tonelada equivalente de petróleo) (1 Tn petróleo 7,3 barriles) (1 barril = 158,9 litros) 1 Tec = 28.000 MJ = 7.500 kwh (Tec = Tn equivalente de carbón) 1.000 m 3 gas 6,81 barriles de petróleo 1.000 m 3 gas 0,9 Tep En términos generales, un caballo de fuerza (HP) equivale a la potencia que puede desarrollar un caballo (animal) durante un tiempo prolongado (varias horas) 1.5. Datos de referencia Otros valores de referencia, que dan una idea de las magnitudes energéticas son los siguientes: 1.- Una persona, en un esfuerzo liviano desarrolla 0,15kW. Un ciclista, en un esfuerzo elevado desarrolla 0,5kW. Un atleta, durante un corto tiempo desarrolla 0,75kW. 2.- 1kWh permite mantener encendida una bombilla de 100W durante 10 h. o elevar 1Tn a 360m. de altura en una hora, o fundir el Aluminio necesario para fabricar seis botes de refrescos, o calentar el agua para una ducha de 2-3 minutos. 3.- La potencia doméstica habitual instalada en una vivienda media de 100m 2 en España es de 5kW. La energía (en forma de electricidad, de gas o de otro tipo) transformada (consumida, se dice en lenguaje cotidiano) anualmente en tal vivienda es, aproximadamente: Iluminación 510 kwh Frigorífico 360 kwh Televisión 380 kwh Lavadora 960 kwh Otros 240 kwh Cocina eléctrica Agua caliente Total anual 1.800 kwh 2.466 kwh 7.266 kwh/año 28
4.- Los consumos energéticos porcentuales en una familia típica europea son los siguientes: 9 TV, etc. 0,5% 8 Lavadora 0,5% 7 Iluminación 1% 9 3 6 Lavavajillas 5 Frigorífico 2% 2% 7 1 8 6 5 4 2 4 Cocina 3 Agua caliente 2 Automóvil 3% 16% 30% 1 Calefacción 45% 0 10 20 30 40 50 Figura 1.5. Consumo energético de una familia típica europea 5.- Las potencias típicas de algunas máquinas son las siguientes: Figura 1.9. Un coche de un caballo tiene una potencia 0,76 kw (1CV) Figura 1.10. Un automóvil normal tiene una potencia de 100 kw (131 CV) 29
Figura 1.11. Un coche Fórmula 1 puede desarrollar una potencia de 500 kw (658 CV) Figura 1.12. Un avión Jumbo puede desarrollar una potencia de 300 MW (394.737 CV) Figura 1.13. Los motores de la Lanzadera Espacial (en el despegue) tienen una potencia de 30.000 MW (39.473.760 CV). 30
Máquina Potencia en kw Potencia en CV Coche de un caballo 0,75 1 Coche normal 100,00 131 Coche de Fórmula 1 500,00 658 Avión Jumbo 300,00 394.737 Motores de lanzadera espacial (en el despegue) 30.000,00 39.473.760 6.- Transportar una persona en un avión (completo) una distancia de 4.000km (distancia de Alemania a Canarias) tiene un consumo de 230 litros de queroseno (por persona). El mismo recorrido, efectuado en un automóvil (con un pasajero) exigiría 320 litros de gasolina (en un automóvil con un consumo de 8 litros/100km) 7.- En el año 2002 el consumo de energía en el mundo ascendió a 9.405 millones de Tep. De ellas, un 38% correspondieron a petróleo, un 25,7% a gas natural, un 24,7% a carbón, un 6,5% a nuclear y un 6,5% a energías renovables. El consumo de petróleo se elevó a 75 millones de barriles, cada día. Algún autor, en términos jocosos, asegura que la Tierra nunca será visitada por seres extraterrestres inteligentes. Estos observarían con curiosidad la anomalía de nuestro pequeño planeta, por la gran cantidad de energía radiada al espacio exterior, de lo cual deducirían que no podría haber vida inteligente en el mismo. 31
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