LA Energía Y SUS Transformaciones resumen de interés PDF

Preview

Summary

la energía, sus variantes y transformaciones, apuntes de utilidad para la vida universitaria de las ciencias de la salud,...

Description

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES Mire vuestra merced – respondió Sancho – que aquellos que allí se parecen no son gigantes, sino molinos de viento, y lo que en ellos parecen brazos son las aspas, que, volteadas del viento, hacen andar la piedra del molino. Miguel de CERVANTES SAAVEDRA El ingenioso hidalgo don Quijote de La Mancha

E

l deseo del ser humano de aumentar de forma paulatina su bienestar ha posibilitado la invención de artificios que han ido prolongando su propia fuerza. En un principio, únicamente se trataba de obtener el máximo rendimiento de nuestra energía mediante el uso de utensilios simples. Con el paso del tiempo, el desarrollo de la inteligencia y la observación de la naturaleza dieron lugar a la utilización de energías externas mucho mayores y, por tanto, con mayor capacidad para realizar trabajos. Lo conseguido hasta ahora resulta espectacular, aunque en muchas ocasiones se ha logrado a costa del uso desmedido de los recursos naturales. Hoy en día, la necesidad de alcanzar mayor bienestar continúa existiendo, pero se nos ha planteado un nuevo reto: cuidar el planeta.

1. ¿Qué tipos de energía existen? 2. ¿Qué es una fuente de energía? 3. ¿Qué entendemos por energías limpias y renovables? 4. ¿Cómo llega la electricidad a nuestros hogares?

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES 1 Energía y trabajo Seguramente has observado alguna vez la caída al suelo de un vaso de cristal, y lo que sucedía desde el momento del impacto. En efecto, la mayoría de los cristalitos salieron despedidos en todas direcciones girando sobre sí mismos a gran velocidad. Según afirma la teoría del Big Bang, algo similar es posible que ocurriera hace 20.000 millones de años cuando explotó y empezó la expansión del plasma cósmico en el cual estaba comprimida toda a la materia y la energía del universo. La energía es una propiedad asociada a la materia. En física se define como la magnitud que indica la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo.

1.1 Formas de energía La energía que posee un cuerpo es única; sin embargo, esta puede manifestarse en la naturaleza de distingas formas, capaces, a su vez, de transformarse en otro tipo de energía. Algunas de las formas más simples de energía aparecen recogidas en el siguiente cuadro: Formas de energía

Energía cinética Energía mecánica Energía sonora Energía eléctrica Energía nuclear

Descripción Asociada a la posición (altura) de un cuerpo situado por encima del suelo. Debida al movimiento de los cuerpos. Resultado de la suma de energía potencial y cinética Asociada a las ondas sonoras. Producto de la corriente eléctrica. Contenida en los núcleos de los átomos.

Energía luminosa Energía térmica o calorífica

Asociada a la luz. Consecuencia del movimiento de las moléculas.

Energía potencial

Energía química

Energía interna

Energía electromagnética

ACTIVIDADES 1. Investiga acerca de la vida y obra de Stephen Hawking e intenta explicar sus ideas sobre la creación del unvierso. 2. Identifica las distintas formas de energía presentes en un tren en movimiento, un rayo, un trueno, una chocolatina y agua hirviendo.

Debida a la composición o descomposición de las sustancias. Un caso particular es la energía metabólica, generada en los organismos vivos en las transformaciones químicas que se producen, por ejemplo, durante la digestión y la respiración. Asociada a todas las formas de energía existentes en el interior de un cuerpo. La energía térmica se puede incluir dentro de esta energía, así como la energía de los enlaces entre átomos, etcétera. Debida a la acción de los campos magnéticos producidos por la corriente eléctrica.

Como ves, existen muchas formas de energía, y todos los fenómenos que ocurren en la naturaleza (la formación de las nubes, el viento, la lluvia, la existencia de vida, etc.) son consecuencia del paso de energía de unos cuerpos a otros y de su transformación .

2

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES  Principio de conservación de la energía Sin duda, alguna vez habrás oído frases como “ya no tiene energía” o “se le está acabando la energía”; sin embargo, esto es, desde el punto de vista de la física, incorrecto. Lo que ocurre es, sencillamente, que la forma de energía inicial se ha transformado en otro tipo de energía que ya no podemos usar. Por ejemplo, en los fuegos artificiales, la pólvora contiene energía química que se transforma en energía cinética, potencial, sonora, luminosa y calorífica, manteniéndose constante la energía total. La energía puede transformarse, pero nunca perderse y destruirse.

1.2

Medición de la energía

La energía que posee un cuerpo no se puede medir directamente, pero sí el trabajo realizado con ella; por ejemplo, es posible medir la energía térmica según su capacidad para calentar agua. Por este motivo, las unidades en las que se mide la energía son las mismas que las del trabajo efectuado por ella. En el SI, el trabajo y la energía se miden en julios (J), pero, dependiendo de la forma de energía, también se utilizan otras unidades: Formas de energía Energía eléctrica Energía calorífica Energía nuclear

Unidades Kilovatio por hora (kW·h) Caloría (cal) Electronvoltio (eV)

Muchas veces resulta más interesante conocer la capacidad de un cuerpo para liberar energía rápidamente, mediante el cálculo de la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo. Esta capacidad recibe el nombre de potencia, y su unidad en el SI es el vatio (W). Por ejemplo, una bombilla de 40W alumbra menos que una de 120 W, ya que esta última es capaz de utilizar el triple de energía en el mismo periodo de tiempo.

ACTIVIDADES 1. Busca información sobre nutrición y contesta estas preguntas: a) ¿En qué unidad se mide la energía proporcionada por los

alimentos? b) ¿Qué tipo de sustancias aportan más cantidad de energía, las grasas, las proteínas o los hidratos de carbono? 2.

Calcula en el SI los valores energéticos siguientes: 3 kJ, 100 kcal, 1022 eV, 25·10-6 kW·h. Unidad Kilojulio Kilocaloría Electronvoltio Kilovatio por hora

Símbolo kJ Kcal eV kW·h

3

Equivalencia en julios 103 J 4,18·103 J 1,602·10-19 J 36·105 J

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES 2

Fuentes de energía

En la introducción a la presente unidad has aprendido que la energía, en la actualidad, además de procurar bienestar, es un factor de progreso tecnológico y económico, y que, en definitiva, ha sido la base del desarrollo histórico de la humanidad y lo será también del futuro. Una parte de la energía que posee nuestro planeta se encuentra asociada a la materia (fundamentalmente en forma de energía química y calorífica); otra gran parte proviene del exterior, sobre todo del Sol, cuya luz y calor hacen posible la vida en el planeta y permiten que se lleven a cabo las reacciones químicas necesarias para transformar y acumular energía de muy diversos modos. Para utilizar cualquier forma de energía, tendremos que hallar un fenómeno natural o crear un sistema artificial que reúna estas tres cualidades: Tiene que ser capaz de almacenar energía. Esa energía ha de poder experimentar una transformación produciendo un trabajo. Es necesario conocer la tecnología adecuada para poder utilizarla. Esto es, deberemos hallar una fuente de energía. Fuentes de energía más Fuentes de energía más utilizadas en los países utilizadas en los países en vías industrializados de desarrollo Energía mecánica procedente de los seres humanos o de algunos Petróleo animales Energía mecánica procedente de Agua los animales Agua

Gas natural

Madera

Madera

Carbón

Carbón

Fuentes de energía alternativas Eólica (procedente del viento) Solar (proveniente del sol) Biomasa (procedente de la combustión de materia orgánica) Geotérmica (proveniente del calor de las capas internas de la Tierra) Maremotriz (originada por las mareas)

La cantidad de energía disponible de una fuente de energía determinada de denomina recurso energético. La escasez de recursos energéticos (petróleo, carbón y madera) en algunas de las fuentes de energía más utilizadas plantea la necesidad de usar otras fuentes e investigar el modo más rentable de emplearlas.

ACTIVIDADES 3. Investiga el significado de estas palabras según su etimología: a) Eólico. b) Biomasa. c) Geotérmico. d) Maremotriz.

4

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES Clasificación de las fuentes de energía Según el criterio que adoptemos, podemos clasificar las fuentes de energía de varias formas:  Atendiendo a su disponibilidad en la naturaleza y a su capacidad de regeneración Renovables: fuentes de energía abundantes en la naturaleza e inagotables. No renovables: pueden ser abundantes o no en la naturaleza, pero se agotan al utilizarlas y no se renuevan a corto plazo, dado que necesitan millones de años para volver a formarse. Son las más usadas en la actualidad. ➢ Atendiendo a la necesidad de transformarlas o no para su uso Primarias: se obtienen directamente de la naturaleza. Secundarias: son el resultado de transformación de las fuentes primarias.

la

 Atendiendo a su uso en cada país Convencionales: se trata de las energías más usadas en los países industrializados, responsables, den gran parte, del desarrollo tecnológico, y elemento importante de la economía de estos países. Es convencional, por ejemplo, la energía procedente de los combustibles fósiles. No convencionales: son fuentes alternativas de energía que están empezando su desarrollo tecnológico; por tanto, todavía no inciden mucho en la economía de los países. Pertenecen a este grupo la energía solar y la eólica.  Atendiendo al impacto ambiental Limpias o no contaminantes: son fuentes cuya obtención produce un impacto ambiental mínimo; además, no generan subproductos tóxicos o contaminantes. Contaminantes: se trata de fuentes que producen efectos negativos en el medio ambiente, algunas, por su forma de obtención (minas, construcciones, talas); otras, en el momento de su uso (combustibles en general). Algunas producen subproductos altamente contaminantes, como los residuos nucleares.

5

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES Fuente de energía Hidráulica Geotérmica Nuclear Eólica Solar Petróleo y derivados Carbón Gas natural Biomasa Maremotriz

3

Capacidad de regeneración Renovables No renovables X X X X X

Necesidad de transformación Primarias Secundarias X X X X X

X X X

X X X X X

X X

Importancia actual Convencional No convencional X X X X X

Impacto ambiental Limpia Contaminante X X X X X

X X X

X

X X X X X

X X

Energía eléctrica

La energía eléctrica es la transportada por la corriente eléctrica. Es la forma de energía más utilizada en las sociedades industrializadas. Si miras a tu alrededor, verás multitud de objetos que usan las energía léctrica para su funcionamiento. Esto se debe a estas dos características: Capacidad para transformarse con facilidad en otras formas de energía (lumínica: bombillas; caloríficas: estufas). Es posible transportarla a largas distancias con bajos costes y rendimiento relativamente alto (no se pierde excesiva energía. Se denominan centros o centrales de generación las instalaciones donde se transforma la energía primaria o secundaria en energía de consumo. Si esta energía de consumo es eléctrica, la central recibe el nombre de central eléctrica. Una vez generada esta energía de consumo debe ser transportada hasta los puntos donde se necesite. Ya en ellos, será distribuida: viviendas, alumbrado de las calles, industrias, etcétera.  Funcionamiento de una central

eléctrica En el apartado 1.1 vimos que existía una forma de energía que era consecuencia de la posición (altura sobre el suelo) y del movimiento (velocidad) de la materia: la energía mecánica. Una central eléctrica utiliza principalmente la energía mecánica que produce una fuente de energía, por ejemplo, la caída del agua, para transformarla, en una máquina denominada generador, en energía eléctrica de consumo. Los generadores están formados por dos piezas: El estator: pieza fija compuesta de un núcleo metálico en cuyo interior existen unos hilos de cobre. 6

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES El rotor: pieza móvil que gira alrededor de un eje. Contiene unos circuitos que, al aplicarles una corriente eléctrica, se transforman en electroimanes1. Cuando, por efecto de la energía mecánica, el rotor gira, se induce una corriente eléctrica en el estator llamada fuerza electromotriz. Esta proporciona la energía eléctrica apta para su distribución y consumo. electroimán: barra de hierro dulce imantada artificialmente por la acción de una corriente eléctrica.

1

ACTIVIDADES 4. Averigua cuál es el consumo de energía eléctrica por continentes. A continuación, representa los resultados de tu investigación en un gráfico y haz una valoración por países y en función del grado de desarrollo económico de cada continente. 5. Investiga qué consumos se realizan en tu comunidad en comparación con otras comunidades de España.

3.1 Generación de energía eléctrica Existen diversos tipos de centrales eléctricas, que vienen determinados por la fuente de energía que utilizan para mover el rotor. Estas fuentes pueden ser convencionales (centrales hidráulicas o hidroeléctricas, térmicas y nucleares) y no convencionales (centrales eólicas, solares, maremotrices y de biomasa). Dentro de las energías no convencionales, las energías solar y eólica son las que mayor implantación tienen en la actualidad, pero se está experimentando el uso de otras energías renovables, como la oceánica, además de la utilización de residuos orgánicos como fuente de energía.  Centrales hidráulicas o hidroeléctricas Observa la central hidroeléctrica que aparece en la imagen y fíjate en la altura de la presa. En este tipo de centrales se aprovecha la energía potencial debida a la altura del agua para, haciéndola caer, convertirla en energía cinética. Esta energía moverá los álabes (paletas curvas) de una turbina situada al pie de la presa, cuyo eje está conectado al rotor de un generador, el cual se encarga de transformarla en energía eléctrica.

7

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES

Según el destino del agua, las centrales hidráulicas se dividen en dos tipos: de gravedad o de bombeo. Si el agua utilizada sigue por el cauce de un río y no se va a volver a usar, se trata de una central hidráulica de gravedad.

8

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES Si el agua desciende hasta un embalse situado a menor altura para, con posterioridad, ser bombeada hasta que alcance el embalse superior, con objeto de utilizarla de nuevo, nos encontramos frente a una central hidráulica de bombeo. Este tipo de central se construye en zonas donde existe la posibilidad de que en ciertas épicas del año no llegue suficiente agua al embalse superior y, por tanto, se necesite un aporte del inferior.

 Centrales geotérmicas La energía geotérmica procede del calor presente en las capas más profundas de la Tierra. Este calor puede llegar a la superficie en forma de vapor de agua, gases y agua caliente. La energía geotérmica puede ser aprovechada de dos formas: directa, por ejemplo, agua caliente y calefacción, riego y uso industrial e instalaciones de ocio y salud, como balnearios, aguas termales, etc.; e indirecta, aprovechando el vapor de agua y el calor para producir energía eléctrica.

ACTIVIDADES 6. ¿Qué son los álabes? Busca información sobres sus distintos diseños. 7. Averigua cuáles son las centrales hidroeléctricas más cercanas al lugar en el que vives, dónde se encuentran, de qué tipo son y cuál es su potencia. 8. ¿En qué zonas de España situarías una central geotérmica? 9

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES  Centrales térmicas no nucleares En estas centrales, la energía mecánica, necesaria para mover las turbinas que están conectadas al rotor del generador, proviene de la energía térmica (debida al movimiento de moléculas) contenida en el vapor de agua a presión, resultado del calentamiento del agua en su gran caldera. El combustible utilizado para producir vapor de agua determina el tipo de central térmica: de petróleo (fuel), de gas natural o de carbón.

El proceso, en términos generales, es el siguiente: se utiliza uno de los combustibles citados para calentar el agua. A continuación, el vapor de agua producido se bombea a alta presión para que alcance una temperatura de 600ºC. Acto seguido, entra en una turbina a través de un sistema de tuberías, hace girar la turbina y produce energía mecánica, la cal se transforma en energía eléctrica por medio de un generador que está acoplado a la turbina.

10

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES  Centrales nucleares Se trata de centrales térmicas en las que la caldera ha sido sustituida por un reactor nuclear. Este, por reacciones de fisión (rotura) de los núcleos atómicos del combustible nuclear, generalmente uranio enriquecido (isótopo de uranio, 235 y 238), libera el calor necesario para calentar el agua y transformarla en el vapor que moverá las turbinas de un generador.

La ventaja principal de las centrales nucleares es su rentabilidad en la producción de energía; sin embargo, sus inconvenientes primordiales son la gestión y almacenamiento de los residuos radiactivos, así como el riesgo que para la población conllevan los posibles accidentes nucleares. Las potencias producidas por las centrales térmicas convencionales y nucleares varían desde los 80 MW de la central térmica de Escatrón (Zaragoza) hasta los 1.066 MW de la nuclear de Trillo (Guadalajara).

ACTIVIDADES 9. Debatid en clase sobre las ventajas e inconvenientes de las centrales nucleares. ¿Qué opinarías si una de estas centrales estuviera instalada cerca de la zona donde resides? 10. Localiza en un mapa de tu comunidad autónoma las centrales térmicas, de combustión y nucleares. Después, explica en un cuadro las ventajas e inconvenientes de cada 11

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES central.  Centrales eólicas En las centrales eólicas o parques eólicos se aprovecha la energía cinética del viento para mover las palas de un rotor situado en lo algo de una torre (aerogenerador).

La potencia total y el rendimiento de la instalación depende de dos factores: la situación del parque (velocidad y cantidad de horas de viento) y el número de aerogeneradores de que se dispone. Los aerogeneradores actuales alcanzan el máximo rendimiento con vientos de unos 45 km/h de velocidad, siendo la velocidad mínima necesaria para comenzar a funcionar de unos 20 km/h, y la máxima, por razones de seguridad, de 100 km/h. Las potencias obtenidas dependen del tamaño de la instalación, aunque son muy frecuentes las centrales que ofrecen entre 20 y 30 MW.

Existe un tipo de centrales eólicas denominadas aisladas. Se trata de instalaciones de reducido tamaño que las pequeñas industrias, estaciones de bombeo en explotaciones agrarias, viviendas, etc., utilizan para su autoconsumo.

ACTIVIDADES 11. Investiga dónde se encuentran los parques eólicos de tu comunidad autónoma e infórmate acerca de sus características. 12. La fuerza del viento se ha usado desde tiempos lejanos. ¿Podrías describir qué aplicaciones se le ha dado? 13. ¿En qué zona geográfica situarías un parque eólico?

12

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES  Centrales solares Las centrales solares son instalaciones en las que se utiliza la energía procedente del Sol. Existen dos clases principales de instalaciones, según el proceso de transformación usado: centrales fototérmicas y centrales fotovoltaicas. En las centrales fototérmicas, la radiación solar se aprovecha de dos formas: con colectores solares, que absorben las radiaciones sola...