Secuencia 1 - Tipos de plantas generadoras de electricidad PDF

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Explicación del tema de los tipos de plantas generadoras, junto con ejercicios y respuestas para practicar. Sirve para Física IV....

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Contenido Unidad 2. Generación de energía eléctrica _________________________________________2 Objetivos específicos __________________________________________________________4 Contenidos conceptuales_______________________________________________________4 Contenidos procedimentales____________________________________________________4 Contenidos actitudinales _______________________________________________________5 Secuencia 2.1. Tipos de plantas generadoras de electricidad y su transmisión. ___________________5 De la vida cotidiana ___________________________________________________________5 ¿Cuál es la meta? _____________________________________________________________5 De entrada, hay que recordar…__________________________________________________6 Sistemas de generación de electricidad ___________________________________________6 Transmisión de la electricidad __________________________________________________15 Superconductividad __________________________________________________________15 Circuitos eléctricos __________________________________________________________20 Demuestra qué has aprendido _________________________________________________25 Aplicaciones científicas y tecnológicas ___________________________________________26 Producto final_______________________________________________________________26 Actitudes y valores___________________________________________________________26 Para practicar_______________________________________________________________27

Unidad 2. Generación de energía eléctrica La energía es aquello que se requiere para que un cambio ocurra, sin ella los procesos de transformación simple y sencillamente no ocurrirían. Todo proceso de cambio en el Universo requiere de un aporte energético, el proceso evolutivo del cosmos se ha dado gracias al flujo de energía. De hecho, el cosmos es opuesto al caos, establecer un orden de las cosas requiere de energía. Por definición, la Física es la ciencia que estudia los cambios de la materia y la energía, sin que ocurran transformaciones químicas; no existen procesos de transformación sin que ocurra transferencia de materia, energía o ambos de manera simultánea. Históricamente, la forma de energía que nos ha permitido sobrevivir como especie ha sido la solar (figura 2.1), sin la cual simple y sencillamente no habría vida, no al menos como la concebimos, la energía que nos proporciona el Sol es fundamental en el proceso de fotosíntesis, a través del cual los productores (organismos fotosintéticos, como plantas, algas y microorganismos fotosintéticos) pueden convertir la energía luminosa en compuestos de alta energía, Figura 2.1 El Sol es nuestra principal fuente de energía, todo cuanto ocurre en la como los carbohidratos (por ejemplo el almidón), al comer vegetales Tierra depende del flujo de la energía que un consumidor primario (como un conejo o un insecto) lo que busca suministra. es obtener la energía de sus compuestos, sin la cual no podría sobrevivir. La cantidad de energía que pasa del vegetal al consumidor primario no será la misma que captó del Sol, siempre habrá una pérdida. En la cadena alimenticia un consumidor secundario, como un coyote al comerse un conejo o un ave que se alimente de insectos, al nutrirse de un consumidor primario obtendrá una cantidad de energía aún más reducida con relación a la obtenida por el consumidor primario. Al ascender en la escala en los diferentes niveles tróficos de la cadena alimenticia, la cantidad de energía transferida será cada vez menor. Esto es natural, es un hecho definido termodinámicamente y está descrito mediante una ley. La segunda forma de energía que nos ha permitido sobrevivir como especie, ha sido el fuego (figura 2.2). Nunca podremos saber cómo sucedió esto, pero podríamos suponer que fue a partir de la caída de un rayo que hizo arder madera o de un incendio forestal originado por una explosión volcánica, por ejemplo, nunca se sabrá a ciencia cierta cómo fue. Sin embargo, de una u otra forma, nuestros antepasados lograron hacer uso de este recurso para transformar

Figura 2.2 El dominio del fuego aseguró la supervivencia y dominio de nuestra especie.

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materiales, y con ello su entorno, para asegurar la supervivencia de la especie. Este es el origen del cambio más profundo en la historia de la Tierra, pues ninguna otra especie ha sido capaz de transformar a la naturaleza de la forma en que el Homo sapiens lo ha hecho. El fuego nos dio ventaja sobre las demás especies, a través de su uso fuimos capaces de sobrevivir al ataque de fieras que anatómicamente tenían una ventaja considerable sobre nosotros, pudimos sobrevivir a las condiciones adversas del ambiente, lo cual hizo posible el desplazamiento hacia lugares en los cuales originalmente no había presencia de seres humanos. Desarrollamos la capacidad de transformar el entorno y adaptarlo para asegurar la supervivencia (figura 2.3). Un hecho que favoreció el desarrollo intelectual de nuestra especie, de acuerdo con la teoría evolucionista, fue la cocción de la carne, esto facilitó su digestión y la asimilación de proteína de origen animal, lo que trajo como consecuencia la capacidad de caminar erguidos al fortalecerse el sistema muscular, pero también favoreció el desarrollo del cerebro, potenciando la capacidad intelectual. La disponibilidad de recursos y la facilidad de transformación, mediada por el fuego, hizo de los seres humanos la especie dominante en la Tierra. Al paso del tiempo y con una considerable cantidad de conocimiento acumulado a lo largo de la historia se fueron incorporando fuentes de energía diferentes, como la producida por el agua y el viento (figura 2.4), y posterior al nacimiento de la ciencia, se descubrieron otras fuentes, como la electricidad, que ya se conocía desde la antigüedad en forma de rayos; pero fue hasta el siglo XIX que logró dominarse para generar energía mecánica y transformar materiales de una forma diferente, además de que también fue posible producir luz y calor. En el siglo XX fue posible obtener energía a partir del núcleo de los átomos de ciertos elementos, sin embargo, la forma de energía más común en nuestros días y soporte de la sociedad contemporánea es la electricidad, la cual se puede obtener a partir de distintas fuentes.

Figura 2.3 El desarrollo del cerebro tuvo como consecuencia un crecimiento intelectual que ninguna especie ha logrado, esto permitió acumular conocimiento que llevó a la creación de recursos de defensa para asegurar la supervivencia y el dominio.

Figura 2.4 El viento y el agua son dos recursos que se han utilizado como fuentes de energía desde hace siglos, generalmente para producir energía mecánica y hacer funcionar molinos de granos o bombear agua.

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Objetivos específicos        

Evaluar los pros y contras de las llamadas energías “limpias” para formarse un criterio sobre su implementación. Evaluar el consumo energético en su hogar para promover su uso adecuado. Aplicar el principio de inducción electromagnética para la generación de la corriente eléctrica. Diferenciar entre las formas de generar corriente directa y corriente alterna; su uso en los aparatos eléctricos. Analizar las transformaciones de la energía para valorar su eficiencia en la producción de energía eléctrica. Comprender los procesos de fisión y fusión nucleares como mecanismos de generación de energía. Conocer las formas de transmisión de la energía eléctrica para tomar en cuenta los riesgos y valorar la infraestructura requerida. Conocer y utilizar adecuadamente el equipo y materiales de laboratorio para montajes experimentales.

Contenidos conceptuales 2.1. Tipos de plantas generadoras de electricidad y su transmisión 2.2. Generadores de corriente. Ley de Inducción de Faraday 2.3. Calor, trabajo y conservación de la energía 2.4. Transformaciones de energía 2.5. Máquinas y eficiencia 2.6. Diferentes tipos de energía: mecánica, eólica, solar, química, nuclear, de mareas, geotérmica 2.7. Piezoeléctricos (transformaciones de energía) 2.8. Superconductores 2.9. Sustentabilidad y contaminación Contenidos procedimentales           

Técnicas de medición, materiales e instrumentos en las ciencias experimentales Observación y descripción de fenómenos Identificación y control de variables Diseño e implementación de experimentos (montaje experimental) Recolección e interpretación de datos Emisión y prueba de hipótesis Graficación y obtención de curvas Modelización matemática Uso de lenguaje y comunicación de resultados Búsqueda y selección de información Resolución de problemas numéricos

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Contenidos actitudinales     

Reglas de laboratorio para su propia seguridad y la de los demás. Trabajo colaborativo. Respeto y tolerancia. Valoración del aporte de la disciplina en los desarrollos tecnológicos. Apropiación de una postura ante las llamadas energías limpias. Actitud responsable ante el consumo de energía

Secuencia 2.1. Tipos de plantas generadoras de electricidad y su transmisión. De la vida cotidiana La electricidad es la fuente de energía más común en nuestros días, casi todos los aparatos que utilizamos a diario en casa, en lugares de trabajo, en escuelas, en comercios e incluso en la calle, funcionan a base de energía eléctrica, por ejemplo, una licuadora, un televisor, una computadora o el sistema de alumbrado público; pero también la mayoría de los dispositivos móviles funcionan haciendo uso de baterías o pilas, sea una lámpara o un teléfono móvil. Las formas de generación de energía eléctrica son diversas, ésta puede generarse en plantas hidroeléctricas, termoeléctricas, eólicas, mareomotrices, fotovoltaicas e incluso plantas nucleoeléctricas, todos estos sistemas de generación tienen un principio básico, sin embargo, cada uno de ellos tendrá eficiencias variables y tendrán un efecto ambiental distinto.

Figura 2.5 En la actualidad existen diversas formas para producir energía eléctrica, sin embargo, los sistemas de transmisión y distribución no han tenido cambios importantes desde que se popularizó su uso.

¿Te has preguntado qué es la electricidad? ¿Cómo se genera? ¿Qué tienen en común cada uno de los sistemas de generación de electricidad? ¿Cómo llega desde la planta hasta tu casa? ¿Cuál es la meta? En esta secuencia didáctica aprenderás conceptos importantes relacionados con los diferentes sistemas de generación de electricidad y su transmisión. Para ello, deberás:  

Conocer el principio básico de funcionamiento de las plantas y sistemas de generación de energía eléctrica. Comprender cuál es el principio básico de los sistemas de transmisión y distribución de la electricidad.

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Resolver los ejercicios y problemas propuestos relacionados con los tipos de plantas generadoras de electricidad y su transmisión, con el fin de fortalecer el razonamiento lógico - matemático.

Al final, resolverás la situación por medio de un producto final que consistirá en la elaboración de un reporte de los circuitos eléctricos de una casa y de las estimaciones de las magnitudes eléctricas que lo caracterizan. También deberás comparar las respuestas obtenidas a los ejercicios desarrollados y verificar su validez. De entrada, hay que recordar… Responde en tu cuaderno.   

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Describe en tus propias palabras, ¿qué entiendes por electricidad? Menciona al menos tres sistemas de generación de electricidad. Mediante un diagrama o un dibujo, describe las transformaciones de energía eléctrica a otras formas para un dispositivo eléctrico en funcionamiento. ¿Qué ventajas tiene el uso de electricidad como fuente de energía? ¿Podría afirmarse categóricamente que el uso de la electricidad no tiene La escuela al revés. Revisa el video “Generación de la electricidad”, de la Comisión Federal de Electricidad, toma notas, elabora un mapa conceptual o mental, para recuperar la información durante la clase. ningún efecto sobre el ambiente? Explica.

Sistemas de generación de electricidad En la actualidad, la fuente más común de suministro energético para las actividades cotidianas es la electricidad (figura 2.6). En casa diversos aparatos funcionan con base en el abastecimiento de electricidad conectados a un contacto mediante una clavija; las computadoras, televisores, planchas, refrigeradores, licuadoras, etcétera, son equipos de uso cotidiano en sitios fijos, pero también dispositivos portátiles, como los teléfonos celulares, cargan sus baterías a través de la red eléctrica casera. Si hicieras una lista de todo aquello que usas regularmente y que requiere de electricidad para su funcionamiento, quizá te sorprenderías. Fuera de casa también podemos encontrar diversos sistemas que funcionan haciendo uso de energía eléctrica, como en el alumbrado público, sistemas de transporte, como el Sistema de Transporte

Figura 2.6 Un gran concierto no sería posible sin electricidad, la sociedad contemporánea depende de una forma inimaginable de esta forma de energía, tal como lo describe la banda Orchestral Manoeuvres in the Dark (OMD) en su canción “Electricity”.

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Colectivo (Metro) y la red del Servicio de Transporte Eléctrico (Tren ligero, taxis eléctricos y trolebús), en el caso de la Ciudad de México, operación de semáforos e inclusos sistemas de videovigilancia y alerta, como la sísmica. También en centros de trabajo, como oficinas e industrias, muchas de las herramientas y sistemas de producción dependen de la energía eléctrica; pero además diversos centros de servicios no podrían funcionar sin energía eléctrica, piensa en el caso de los hospitales, por ejemplo, los laboratorios y muchos de los sistemas de diagnóstico y tratamiento de enfermedades, así como los quirófanos, serían inoperantes sin el suministro de electricidad. Actividad. Historia de la generación de energía eléctrica en México. De acuerdo con datos de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), en México la generación de energía eléctrica dio inicio en 1879 con la instalación de la primera planta generadora, que fue instalada en León, Guanajuato para la fábrica textil “La Americana”. A partir de ese momento se extendió la generación de electricidad para la industria minera y a continuación para la iluminación residencial y pública. En el año 2000 se reportó una capacidad de generación de 35 385 MW, con una cobertura nacional de aproximadamente el 95%, esto a través de una red de distribución de casi 615 000 km (equivalente a más de 15 vueltas a la Tierra). A partir de octubre 2009 CFE es la dependencia gubernamental encargada del suministro de energía eléctrica en todo el país (figura 2.7). En equipos de tres a cinco estudiantes como máximo, investiguen más datos sobre la historia de generación de electricidad en México y elaboren una línea del tiempo que sintetice cronológicamente los sucesos más relevantes, como empresas pioneras, construcción de plantas de generación eléctrica, políticas gubernamentales respecto al tema, datos estadísticos relevantes sobre producción y consumo, etcétera.

Figura 2.7 En México, la CFE es la dependencia gubernamental encargada de la producción, distribución, suministro y definición de políticas y proyectos en materia de energía eléctrica.

Enlace web. En el siguiente enlace encontrarás el video “Usos de la electricidad”, en él se describen algunos de los usos de esta forma de energía.

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Generadores de electricidad Podemos definir a un generador eléctrico como un dispositivo capaz de convertir algunas formas de energía en energía eléctrica, el más común es el que utiliza energía mecánica para obtener electricidad. Aunque en la actualidad existen dispositivos capaces de convertir la energía luminosa proveniente del Sol en energía eléctrica. Un generador eléctrico puede accionarse de diferentes formas, distinguiéndose dos sistemas básicos: los térmicos y los cinéticos. Como su nombre lo indica, los sistemas térmicos requerirán de una fuente de calor, mientras que los cinéticos requerirán de movimiento. Básicamente, un sistema de generación de electricidad estará constituido por una turbina conectada mediante un eje a un sistema de rotación unido a un conjunto de bobinas, que se encontrará embonado en una carcasa que mantendrá un conjunto de electroimanes o imanes fijos (figura 2.8); al hacer girar el dispositivo, en el sistema de bobinas del rotor se generará una corriente eléctrica que será transferida a través de dos terminales, la cual será conducida a la red de distribución. En los sistemas de producción de electricidad a bajos voltajes se utilizarán imanes permanentes, mientras que para los sistemas de generación a gran escala se requerirá del uso de electroimanes.

Figura 2.8 Un generador consta de un sistema de rotación y un conjunto de electroimanes.

Los sistemas más comunes son aquellos en los cuales se pone en movimiento el rotor del generador eléctrico, lo cual será posible a través de diferentes medios, con base en el mecanismo y fuente de energía utilizada se definirá a qué tipo de planta corresponde cada uno de los sistemas de generación. En México existen diversos tipos de plantas generadoras de energía eléctrica, que van desde plantas hidroeléctricas, las más comunes, hasta nucleoeléctricas, de las cuales solo hay una en el país (figura 2.9). Los sistemas de generación corresponderán a cada una de las categorías que se describirán a continuación.

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Enlace web. En el siguiente enlace podrás ver el video “Centrales eléctricas”, en él se describe el principio de funcionamiento de una planta hidroeléctrica.

Plantas hidroeléctricas En este tipo de plantas se aprovechará la energía cinética del agua, lo cual requerirá de un previo incremento de su energía potencial, esto se logrará mediante la construcción de presas, con el flujo de una corriente de agua y las condiciones adecuadas para cerrarle paso se elevará el nivel del líquido, al aumentar la altura se  = ∙∙ℎ incrementará el valor de su energía potencial (  ), posteriormente se dejará caer el agua que aumentará gradualmente su velocidad mientras desciende, incrementando su energía cinética 1  =  ∙ 2 2 ( ), el chorro de agua a alta velocidad se hará chocar contra las paletas de la turbina, la cual hará girar el rotor del generador (figura 2.10), dando inicio el proceso de generación de electricidad.

Figura 2.10 Turbina de generador eléctrico.

Cabe recordar, que la suma de las energías cinética y potencial determinarán la magnitud de la energía mecánica, por lo cual, el proceso implica la conversión de energía mecánica en energía eléctrica. 9

La corriente eléctrica generada será conducida a la red de distribución de alta tensión, para minimizar las pérdidas de energía durante la transferencia se deberá incrementar el voltaje mediante el uso de transformadores y posteriormente deberá reducirse para distribuirla a los consumidores a través de una red de baja tensión (figura 2.11). Enlace web. En el siguiente enlace encontrarás una infografía animada que describe el funcionamiento de una planta hidroeléctrica (Solo en PC o Laptop).

Figura 2.11 Vista exterior de una planta hidroeléctrica.

Plantas termoeléctricas Una planta termoeléctrica tiene como base de generación una fuente de calor, para lo cual, generalmente, se hará uso de productos derivados del petróleo, carbón o gas natural; en este caso el calor liberado durante la combustión será transferido a una masa de agua con el fin de llevarla a vapor, el cual se contendrá a alta presión y se liberará para hacerlo chocar con las turbinas del generador eléctrico que impulsará el sistema de bobinas, haciéndolas girar en torno al conjunto de imanes o electroimanes fijos, de esta forma se llevará a cabo la conversión de energía mecánica a energía eléctrica, al igual que en el sistema de las plantas hidroeléctricas la corriente eléctrica se transferirá a las terminales del generador y se distribuirá a través de hilos conductores. Básicamente, la operación de las plantas generadoras de energía eléctrica es un ciclo termodinámico (fig...