Energía. Fuentes alternativas y no renovables

Mecánica: potencial y cinética. Reactores nucleares (fusión y fisión nuclear). Calor y temperatura. Radiación. Conservación y transformación

  • Enviado por: Nacho Martín
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 27 páginas

publicidad
cursos destacados
Cálculo Vectorial y de varias Variables
Cálculo Vectorial y de varias Variables
En este curso se estudiarán conceptos relacionados con las funciones de varias variables como una...
Ver más información

Estructura Atómica y Tabla Periódica
Estructura Atómica y Tabla Periódica
En este curso abordaremos las bases de la estructura atómica y trataremos de forma sencilla conceptos mecanocuánticos...
Ver más información


1. ¿Qué es la Energía?

La Energía es un concepto esencial de las ciencias y puede definirse como la capacidad que poseen los cuerpos para producir Trabajo, es decir, la cantidad de energía que contienen los cuerpos se mide por el trabajo que son capaces de realizar.

La realidad del mundo físico demuestra que la energía, siendo única, puede presentarse bajo diversas formas capaces de transformarse unas a otras.

Según su forma la energía poderá medirse en Julios (N.m), Kilográmetros (Kp.m), Kilowatio-hora (Kw/h), Calorías,etc.

2. Formas o clases de Energía.

2.1 Energía mecánica.

Se llama energía mecánica a la que tiene un cuerpo debido a su velocidad (energía cinética) o debido a su posición (energía potencial elástica, energía potencial gravitatoria). La energía mecánica total EMT de un cuerpo es la suma de su energía cinética y de su energía potencial, como queremos demostrar.

EMT = EC + EP

Si no hay fuerzas de rozamiento, la energía mecánica total de un cuerpo se mantiene constante; el aumento de energía cinética es igual a la disminución de energía potencial y viceversa.

Cuando un cuerpo cae, la suma de las energías cinética y potencial se mantienen constante. Lo que pierde en energía potencial lo gana en energía cinética.

Si hay rozamientos, parte de la energía mecánica se disipa caloríficamente.

2.1.1 Energía cinética.

Es la energía que un objeto tiene debido a su movimiento. La energía cinética depende de la masa y la velocidad del objeto según la ecuación

E = ½ m v2

Donde m es la masa del objeto y v2 la velocidad del mismo elevada al cuadrado. El valor de E también pude derivarse de la ecuación E= (m a)d

Donde a es la aceleración de la masa m y d es la distancia a lo largo de la cual se acelera. Las relaciones entre la energía cinética y la energía potencial, pueden ilustrarse elevando un objeto y dejándolo caer.

Cuando el objeto se levanta desde una superficie se le aplica una fuerza vertical. Al actuar esa fuerza a lo largo de una distancia, se transfiere energía al objeto. La energía asociada a un objeto situado a determinada altura sobre una superficie se denomina energía potencial. Si se deja caer el objeto, como hemos visto en el dibujo anterior, la energía potencial se convierte en energía cinética.

2.1.2 Energía potencial Gravitatoria.

Es la energía que tiene almacenada un sistema como resultado de la posición que tomen cada uno de sus componentes. Por ejemplo, si se mantiene a una pelota a una cierta distancia del suelo, el sistema que han formado la pelota y la Tierra tiene una determinada energía potencial; y si a esa pelota se le aplica una fuerza y se la eleva a una altura mayor, la energía potencial del sistema también aumenta. Otros ejemplos de sistemas con energía potencial son una cinta elástica estirada o dos imanes que se mantienen apretados de forma que se toquen los polos iguales.

Si queremos que un sistema adquiera energía potencial, le tenemos que hacer realizar un trabajo. Se requiere una fuerza para levantar una pelota u otro objeto del suelo, estirar una cinta elástica o juntar dos imanes por sus polos iguales. De hecho, la cantidad de energía potencial que tiene un sistema es igual al trabajo realizado sobre el sistema para elevarlo a una determinada altura. La energía potencial también puede transformarse en otras formas de energía, como queremos demostrar con este trabajo. Por ejemplo, cuando se suelta una pelota u otro objeto situada a una cierta altura, la energía potencial se transforma en energía cinética

Por tanto concluimos diciendo que la energía gravitatoria es la energía que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa dentro de un campo gravitatorio( E=(K.q)/r2 )

La expresión vendra dada como Ep=m.g.h

(m es masa, g es la constante gravitacionl y h es la distancia al nivel de referencia )

Energía. Fuentes alternativas y no renovables

Energía potencial de una bola.

Una bola colocada en lo alto de un montículo (posición 1) posee energía potencial. Si la bola desciende por la pendiente, adquiere cierta velocidad (posición 2). La energía potencial de la bola va disminuyendo al perder altura y se va transformando en energía cinética. En la posición 3, toda la energía potencial de la bola se ha convertido en energía cinética. Pero tenemos que señalar una cosa, que es el objetivo de este trabajo. El valor de la energía potencial en lo alto del montículo de la bola, y el valor de la energía cinética abajo, tienen que ser IGUALES, para que se cumpla el PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA.

2.1.3 Energía potencial elástica

La energía elástica es una propiedad que poseen los cuerpos en virtud de su estado de tensión .

Energía. Fuentes alternativas y no renovables

Eelastica =(1/2) K.x2 , donde K es la constante elástica

del cuerpo y x su deformación.

2.2Energía Nuclear

La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se puede obtener por el proceso de fisión nuclear (división de núcleos atómicos pesados) o bien por fusóon nuclear (unión de núcleos atómicos muy livianos). En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía, debido a que parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso, se transforma directamente en energía. Lo anterior se puede explicar en base a la relación masa-energía, producto de la genialidad del gran físico Albert Einstein.

En relación a la liberación de energía, una reacción nuclear es un millar de veces más energética que una reacción química, por ejemplo, la generada por la combustión del combustible fósil del metano.

Fisión Nuclear

Es una reacción nuclear que tiene lugar por la rotura de un núcleo pesado al ser bombardeado por neutrones de cierta velocidad. A raíz de esta división el núcleo se separa en dos fragmentos acompañado de una emisión de radiación, liberación de 2 ó 3 nuevos neutrones y de una gran cantidad de energía (200 meV) que se transforma finalmente en calor.

Energía. Fuentes alternativas y no renovables

Los neutrones que escapan de la fisión, al bajar su energía cinética, se encuentran en condiciones de fisionar otros núcleos pesados, produciendo una reacción nuclear en cadena. Cabe señalar, que los núcleos atómicos utilizados son de Uranio - 235.

El proceso de la fisión permite el funcionamiento de los reactores nucleares que actualmente operan en el mundo.

Fusión nuclear

La fusión nuclear ocurre cuando dos núcleos atómicos muy livianos se unen, formando un núcleo atómico más pesado con mayor estabilidad. Estas reacciones liberan energías tan elevadas que en la actualidad se estudian formas adecuadas para mantener la estabilidad y confinamiento de las reacciones.

La energía necesaria para lograr la unión de los núcleos se puede obtener utilizando energía térmica o bien utilizando aceleradores de partículas . Ambos métodos buscan que la velocidad de las partículas aumente para así vencer las fuerzas de repulsión electrostáticas generadas al momento de la colisión necesaria para la fusión.

Para obtener núcleos de átomos aislados, es decir, separados de su envoltura de electrones, se utilizan gases sobrecalentados que constituyen el denominado Plasma Físico. Este proceso es propio del Sol y las estrellas, pues se tratan de gigantescas estructuras de mezclas de gases calientes atrapadas por las fuerzas de gravedad estelar.

El confinamiento de las partículas se logra utilizando un "Confinamiento Magnético", o bien un "Confinamiento Inercial". El Confinamiento Magnético aprovecha el hecho que el plasma está compuesto por partículas (núcleos) con carga eléctrica. Se sabe que si una de estas partículas interactúa con un Campo Magnético su trayectoria y velocidad cambian, quedando atrapadas por dicho Campo. El Confinamiento Inercial permite comprimir el plasma hasta obtener densidades de 200 a 1000 veces mayor que la de sólidos y líquidos. Cuando se logra la compresión deseada se eleva la temperatura del elemento, lo que facilita aún más el proceso de la fusión.

La fusión nuclear se puede representar por el siguiente esquema y relación de equilibrio:

2H + 2H 3He + 1n+ 3,2 MeV

Energía. Fuentes alternativas y no renovables

REACTORES NUCLEARES

¿Qué es un Reactor Nuclear?

Es una instalación física donde se produce, mantiene y controla una reacción nuclear en cadena. Por lo tanto, en un reactor nuclear se utiliza un combustible adecuado que permita asegurar la normal producción de energía generada por las sucesivas fisiones. Algunos reactores pueden disipar el calor obtenido de las fisiones, otros sin embargo utilizan el calor para producir energía eléctrica.

El primer reactor construido en el mundo fue operado en 1942, en dependencias de la Universidad de Chicago (USA), bajo la atenta dirección del famoso investigador Enrico Fermi. De ahí el nombre de "Pila de Fermi", como posteriormente se denominó a este reactor. Su estructura y composición eran básicas si se le compara con los reactores actuales existentes en el mundo, basando su confinamiento y seguridad en sólidas paredes de ladrillos de grafito.

Elementos de un Reactor Nuclear

Energía. Fuentes alternativas y no renovables

1. Nucleo

5. Vasija

9. Condesador

2. Barras de control

6. Turbina

10. Agua de refrigeración

3. Generador de vapor

7. Alternador

11. Contención de hormigón

4. Presionador

8. Bomba

El Combustible:


Material fisionable utilizado en cantidades específicas y dispuesto en forma tal, que permite extraer con rapidez y facilidad la energía generada. El combustible en un reactor se encuentra en forma sólida, siendo el más utilizado el Uranio bajo su forma isotópica de U-235. Sin embargo, hay elementos igualmente fisionables, como por ejemplo el Plutonio que es un subproducto de la fisión del Uranio.

En la naturaleza existe poca cantidad de Uranio fisionable, es alrededor del 0,7%, por lo que en la mayoría de los reactores se emplea combustible "enriquecido", es decir, combustible donde se aumenta la cantidad de Uranio 235.

Ciclo del Combustible Nuclear

El Ciclo del Combustible Nuclear son todos los procesos por los cuales se somete al Uranio desde que se extrae de la tierra hasta su utilización en el reactor y su posterior reelaboración o su almacenamiento como residuo. Consta de las siguientes etapas:

Energía. Fuentes alternativas y no renovables

2.3 Energía interna

Cualquier proceso metabólico, libera o requiere un aporte de energía, indispensable para el mantenimiento de la vida. Esta energía es la llamada energía interna y es suministrada por reacciones químicas. La energía interna de un cuerpo es la suma de las energías de todas las partículas que lo constituyen.

.

2.4 Energía Calorífica.

Definición: En física es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante

Unidades de calor

En las ciencias físicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en julios. Otra unidad es la caloría, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión desde 15 hasta 16 °C. Esta unidad se denomina a veces caloría pequeña o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías y se emplea en nutrición. La energía mecánica puede convertirse en calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico del calor.

A una caloría le corresponden 4,1855 julios. Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza el trabajo. Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente en un experimento clásico: calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y halló que el aumento de temperatura del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas.

Cuando el calor se convierte en energía mecánica, como en un motor de combustión interna, la ley de conservación de la energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en forma de calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta.

Calor latente

El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 °C constituye una importante excepción a esta regla. Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas. El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante.

La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse. Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo.

El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir 1 kg de hielo se necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 kg de agua en vapor a 100 °C, hacen falta 129.000 julios.

Energía. Fuentes alternativas y no renovables

Calor y temperatura

La gráfica representa el cambio de temperatura que se produce al suministrar calor al agua (a 1 atmósfera de presión). A 0 °C y 100 °C se le puede suministrar calor sin cambiar su temperatura. Este `calor latente' rompe los enlaces que mantienen unidas las moléculas, pero no aumenta su energía cinética. Para vaporizar un gramo de agua hace falta aproximadamente siete veces más calor que para fundirlo. Esa diferencia se refleja en las distintas longitudes de las partes horizontales de la gráfica. Las pendientes de las líneas inclinadas representan el número de grados de aumento de temperatura por cada julio de calor suministrado a un gramo de agua.

El 'calor específico' del agua es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado, es decir, hacen falta 4.185,5 julios de energía para aumentar en un grado la temperatura de un kilogramo de agua.

Calor específico

Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado.

El calor específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen constante.

Transferencia de Calor

En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

  • Conducción

  • En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.

    En 1822, el matemático francés Barón Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

    El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes.

    En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria.

  • Convección

  • Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.

    Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación.

    El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

    2.4.3 Radiación (y Energía radiante)

    La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.

    La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

    Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; Las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores.

    Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda.

    Una consecuencia de la distribución de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, llamada así en honor al físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión matemática de esta observación, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior.

    Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula.

  • Energía química:

  •                

                    Es la energía almacenada dentro de los productos químicos. Es la energía que se puede desprender de los alimentos y combustibles. La energía de los alimentos la desprenden alteraciones químicas en nuestros cuerpos. Los combustibles, como el carbón, el petróleo y el gas, desprenden su energía cuando se queman: la energía química se transforma principalmente en calor.

                   La energía química está en la base de la vida. Los vegetales edifican moléculas orgánicas complejas a partir de átomos tomados de su medio ambiente y acumulando energía de origen solar. Los animales utilizan la energía química acumulada en los vegetales y absorben moléculas orgánicas energéticas, sintetizando sus propias moléculas. Los seres vivos obedecen al principio de conservación de la energía, pero no al de degradación. En las reacciones químicas se desprende o absorbe energía calorífica, según sea una reacción exotérmica o endotérmica. También en algunos procesos la energía que interviene puede ser eléctrica o luminosa. 

    2.6 Energía radiante

    Ver el punto 2.4.3

    2.7 Energía eléctrica.

    Es la que se produce por el movimiento de electrones a través de un conductor. mueve máquinas, enciende lámparas, calentadores, motores, etcétera, es originada por un flujo de electrones a través de un conductor eléctrico. Se puede obtener energía eléctrica a través de cualquier otra forma de energía. Prácticamente se explota la energía hidráulica de saltos y ríos, o bien la energía térmica de la combustión de hidrocarburos; incluso la energía solar se aprovecha para suministrar electricidad a. ingenios espaciales. El único inconveniente que presenta la energía eléctrica es no tener un medio cómodo para almacenaría.

    3. Principio de conservación de la energía

    "La energía no puede ser creada ni destruida, pero puede ser transformada de una forma en otra." Esta misma ley puede ser aplicada a la materia, puesto que ésta puede ser convertida en energía.

    Cuando un rápido automóvil choca contra una pared de ladrillos, el vehículo termina en reposo y también, al fin, los ladrillos de la pared. La energía mecánica del automóvil se ha convertido en energía térmica, de modo que el metal del auto, el caucho de las llantas, el suelo y los ladrillos de la pared, están ahora un poco más calientes que antes.

    Al tocar un clavo que se ha estado martillando, se demuestra que la energía mecánica se ha transformado en energía térmica. En la mayoría de los casos, donde parece que ha desaparecido energía, se puede encontrar que la energía perdida se ha convertido en calor y, ese calor es otra forma de la energía, por lo tanto, la energía se conserva.

    La degradación de la energía

    La experiencia demuestra que conforme la energía es utilizada para promover cambios en la materia pierde capacidad para ser empleada nuevamente. El principio de la conservación de la energía hace referencia a la cantidad, pero no a la calidad de la energía, la cual está relacionada con la posibilidad de ser utilizada. Así, una cantidad de energía concentrada en un sistema material es de mayor calidad que otra igual en magnitud, pero que se halle dispersa.

    Aún cuando la cantidad de energía se conserva en un proceso de transformación, su calidad disminuye. Todas las transformaciones energéticas asociadas a cambios materiales acaban antes o después en energía térmica; ésta es una forma de energía muy repartida entre los distintos componentes de la materia, por lo que su grado de aprovechamiento es menor. Este proceso de pérdida progresiva de calidad se conoce como degradación de la energía y constituye otra de las características de esta magnitud o atributo que han identificado los físicos para facilitar el estudio de los sistemas materiales y de sus transformaciones.

    4 Transformaciones energéticas.

    Todas las clases de energías se pueden transformar unas en otras, pero actualmente no es posible de transformarlas todas a nuestro antojo:

    4.1Tipos de transformaciones:

    4.1.1 Energía mecánica.

    Se puede transformar en:

    - Eléctrica; se produce en los generadores de corriente

    - Calorífica; Se produce si hay rozamiento en algún movimiento con otro objeto.

    4.1.2 Energía eléctrica.

    Pasa a ser:

    - Mecánica; se produce en los motores eléctricos

    - Química; ocurre en las pilas, baterías, a través de la electrolisis.

    - Calorífica; se efectúa al paso de una corriente eléctrica por un por un conductor, este se calienta por el antes comentado efecto Joule.

    • Luminosa(radiante); ocurre en los tubos fluorescentes, o al pasar una corriente eléctrica elevada por un hilo de conductor, este se calienta y se ilumina (bombillas).

    4.1.3 Energía química.

    Se en encuentra en todas las sustancias, en especial en los combustibles, se transforma en:

    - Eléctrica; es el caso de las pilas y los acumuladores.

    - Térmica: se produce en la combustión, es la más frecuente

    - Luminosa; en casi todas las combustiones se genera luz, además de calor.

    - Mecánica; se produce en los animales, transforman la energía de los alimentos en energía mecánica para realizar las funciones vitales.

    4.1.4 Energía calorífica.

    Se transforma en:

    - Mecánica; propiedad utilizada en las máquinas de vapor, el agua se calienta, se convierte en vapor y mueve al generador.

    -Eléctrica; ocurre por ejemplo en los convertidores termoiónicos, termoeléctricos o magnetohidrodinámicas.

    - Química; un ejemplo es la ruptura de moléculas por efecto del calor

    4.1.5 Energía luminosa.

    La más importante es la solar y se puede transformar en:

    -Calorífica; El sol calienta cualquier superficie expuesta a sus rayos, que se aprovecha simplemente así (secado de la ropa) o a través de captadores fototérmicos.

    - Eléctrica; Se realiza a través de panales fotovoltaicos o células solares

    - Química; El mejor ejemplo de esta transformación es la fotosíntesis.

    4.1.6 Energía nuclear.

    Se realiza por el siguiente proceso en:

    - Calorífica; al desatar la energía que posee un átomo en su núcleo median fusión o fisión.

    - Eléctrica; proveniente de la calorífica.

    4.2 Rendimiento de las transformaciones energéticas.

    En las transformaciones antes expuestas siempre se pierde en el proceso una parte de energía. El rendimiento es el porcentaje de energía que se pierde respecto a al trabajo realizado. Su formula es:

    = trabajo realizado . 100

    Energía utilizada

    5 Fuentes de Energía

    En el ámbito de la física, se diferencia una ingente variedad de procesos capaces de generar energía en alguna de sus manifestaciones. Sin embargo, las fuentes clásicas de energía utilizadas por la industria han sido de origen térmico, químico o eléctrico, recíprocamente intercambiables entre sí y transformables en energía mecánica.

    Las fuentes de energía se pueden clasificar en:

    1.- Renovables.
    2.- No Renovables.

    • Fuentes de Energía Renovables:

    Las energías renovables son aquellas que llegan en forma continua a la Tierra y que a escalas de tiempo real parecen ser inagotables.

    Son fuentes de energía renovable:

    Energía Hidráulica:

    Es aquella energía obtenida principalmente de las corrientes de agua de los ríos. El agua de un río se almacena en grandes embalses artificiales que se ubican a gran altura respecto de un nivel de referencia. El agua adquiere una importante cantidad de energía potencial (aquella que poseen los cuerpos que se encuentran a cierta altura). Posteriormente, el agua se deja caer por medio de ductos, por lo tanto toda su energía potencial se forma en energía cinética (aquella que posee un cuerpo gracias a su estado de movimiento). La energía cinética de las caídas de agua se aprovecha, por ejemplo, para mover turbinas generadoras de electricidad, tal es el principio de las Centrales Hidroeléctricas.

    Energía Solar:

    Es la energía que llega a la Tierra proveniente de la estrella más cercana a nuestro planeta: El Sol. Esta energía abarca un amplio espectro de Radiación Electromagnética, donde la luz solar es la parte visible de tal espectro.

    La energía solar es generada por la llamada Fusión Nuclear que es la fuente de vida de todas las estrellas del Universo.

    El hombre puede transformar la energía solar en energía térmica o eléctrica. En el primer caso la energía solar es aprovechada para elevar la temperatura de un fluido, como por ejemplo el agua, y en el segundo caso la energía luminosa del sol transportada por sus fotones de luz, incide sobre la superficie de un material semiconductor (Ej.: el silicio), produciendo el movimiento de ciertos electrones que componen la estructura atómica del material. Un movimiento de electrones produce una corriente eléctrica que se puede utilizar como fuente de energía de componentes eléctricos o bien electrónicos. Es el caso del principio de funcionamiento de las calculadoras solares.

    Energía Eólica

    Esta energía es producida por los vientos generados en la atmósfera terrestre. Se puede transformar en energía eléctrica mediante el uso de turbinas eólicas que basan su funcionamiento en el giro de aspas movidas por los vientos. Bajo el mismo principio se puede utilizar como mecanismo de extracción de aguas subterráneas o de ciertos tipos de molinos para la agricultura.

    Al igual que la energía solar se trata de un tipo de energía limpia, la cual sin embargo presenta dificultades, pues no existen en la naturaleza flujos de aire constantes en el tiempo, más bien son dispersos e intermitentes.

    Este tipo de energía puede ser de gran utilidad en regiones aisladas, de difícil acceso, con necesidades de energía eléctrica, y cuyos vientos son apreciables en el transcurso del año.

    Biomasa

    Esta energía se obtiene de ciertos compuestos orgánicos que se han producido en el tiempo por procesos naturales, es decir, producto de transformaciones químicas y biológicas sobre algunas especies vegetales o bien sobre ciertos materiales. Un ejemplo de tal proceso lo constituyen los residuos forestales, los residuos de la agricultura y los residuos domésticos. Estos residuos se transforman con posterioridad en combustibles. En el caso de los residuos domésticos es necesario como paso previo a la obtención de energía, un plan amplio para la adecuada clasificación de las basuras y su posterior reciclaje.

    Energía Mareomotriz

    Es la energía obtenida del movimiento de las mareas y las olas del mar. El Movimiento de mareas es generado por la interacción gravitatoria entre la Tierra y la Luna. Tal movimiento se utiliza para traspasar energía cinética a generadores de electricidad.

    La gran dificultad para la obtención de este tipo de energía es su alto costo y el establecimiento de un lugar apto geográficamente para confinar grandes masas de agua en recintos naturales.



    Fuentes de Energía No Renovables

    Son fuentes de energía no renovables aquellas que se encuentran en forma limitada en nuestro planeta y se agotan a medida que se les consume.

    Son fuentes de energía no renovables:

    El Carbón

    Es un combustible fósil, formado por la acumulación de vegetales durante el Periodo Carbonífero de la era Primaria de nuestro planeta. Estos vegetales a lo largo del tiempo han sufrido el encierro en el subsuelo terrestre, experimentando cambios de presión y temperatura lo que ha posibilitado la acción de reacciones químicas que los han transformado en variados tipos de carbón mineral.

    El Petróleo

    Es un aceite natural de origen mineral constituido por una mezcla de hidrocarburos. Estos hidrocarburos se producen por antiguos restos de organismos vegetales, organismos acuáticos y organismos vivos depositados en las profundidades de la corteza terrestre en forma de sedimentos.

    El Gas Natural

    Es una mezcla de gases combustibles depositados en forma natural en el subsuelo de la Tierra y que poseen un gran poder calorífico. En ocasiones los yacimientos de gas natural se encuentran acompañados por yacimientos de petróleo.

    El principal componente del gas natural es el metano y en menor proporción los gases de etano, propano y butano.

    Energía Geotérmica

    Energía contenida también en el interior de la Tierra en forma de gases. Al ser extraída se presenta en forma de gases de alta temperatura (fumarolas), en forma de vapor y agua hirviendo (géiser) y en forma de agua caliente (fuentes termales).

    Energía Nuclear

    La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se puede obtener por el proceso de fisión nuclear (división de núcleos atómicos pesados) o bien por fusión nuclear(unión de núcleos atómicos muy livianos). En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía, debido a que parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso, se transforma directamente en energía. Lo anterior se puede explicar sobre la base de la relación masa-energía, producto de la genialidad del gran físico Albert Einstein.

    Con relación a la liberación de energía, una reacción nuclear es un millar de veces más energética que una reacción química, por ejemplo, la generada por la combustión del combustible fósil del metano.

    La energía nuclear, inmersa en una fuerte controversia por los peligros de su utilización militar y lo delicado de su mantenimiento, ha experimentado un fuerte avance en la segunda mitad del siglo XX. Fenómeno natural en la formación del universo, la magnitud de las energías desprendidas en el curso del proceso lo convierten en altamente nocivo para el organismo humano, por lo que es preciso mantener complejos sistemas de seguridad. Existen dos procedimientos fundamentales de obtención de energía nuclear: la fisión de elementos ligeros para dar átomos más complejos. La enorme cantidad de energía resultante procede de la transformación de parte de la masa, tal y como vaticinó Einstein en su teoría de la relatividad. Las centrales nucleares suelen tener un aprovechamiento eléctrico, aunque pueden ser empleadas también como fuentes térmicas.

    La energía térmica o calorífica procede de la combustión de diversos materiales, y puede convertirse en mecánica a través de una serie de conocidos mecanismos: las máquinas de vapor y los motores de combustión interna aprovechan el choque de moléculas gaseosas sometidas a altas temperaturas para impulsar émbolos, pistones y cilindros; las turbinas de gas utilizan una mezcla de aire comprimido y combustible para mover sus álabes; y los motores de reacción se basan en la eyección brusca y a gran velocidad de los productos de la reacción por una tobera. El primitivo combustible, la madera, fue sustituido a lo largo de las sucesivas innovaciones industriales por el carbón, los derivados del petróleo y el gas natural. En determinadas regiones y períodos históricos se emplearon también desechos agrícolas para tal fin.

    Ciertas reacciones químicas desprenden energía aprovechable como resultado de sus interacciones moleculares. Aparte de las reacciones de combustión, en las que las sustancias se queman al entrar en contacto con el oxígeno y cuyo ámbito puede encuadrarse dentro de las fuentes térmicas, la energía que interviene en ciertos procesos en disoluciones ácidas y básicas o sales puede recogerse en forma de corriente eléctrica. Puede asimismo verificarse el proceso inverso. En ello radica el fundamento de las pilas y los acumuladores.

    La energía eléctrica, por su parte, se produce principalmente a partir de transformaciones de otras formas de energía, como la hidráulica, la térmica y la nuclear. El movimiento del agua o el empuje del vapor accionan las turbinas que ponen en funcionamiento el rotor de dinamos o alternadores para producir la corriente eléctrica. Este tipo de energía presenta como principales ventajas su fácil transporte y su bajo precio, y constituye quizá la forma más extendida en el uso cotidiano. Los motores eléctricos son los principales dispositivos de conversión de esta energía en su manifestación mecánica.

    Las crisis energéticas ocurridas a lo largo de la segunda mitad del siglo XX supusieron nuevos planteamientos de búsqueda de energías. Así, se han registrado dos tendencias aparentemente opuestas: los proyectos e inversiones destinados a dominar los procesos de reacción nuclear y los sistemas de aprovechamiento de energías naturales no contaminantes, entre las que destacan la hidráulica, la solar, la eólica y la geotérmica. Como resultado de estas nuevas preocupaciones se ha alcanzado un mayor índice de aprovechamiento de los recursos terrestres y marítimos de determinadas regiones del planeta.

    La energía hidráulica, aprovechada desde hace mucho tiempo, ofrece amplias posibilidades fluviales y marítimas. Las cascadas, los saltos de agua y la enorme fuerza de las mareas constituyen claras muestras de potenciales de fuente de energía. Así, mientras las presas y pantanos han servido para almacenar agua y energía transformable fácilmente en eléctrica, las mareas no han encontrado, dada la complejidad de su mecanismo, soluciones eficaces a su aprovechamiento.

    Los molinos y los barcos de vela sirvieron con profusión a lo largo de la historia de uno de los tipos primarios de energía, la eólica, producida por el viento. Esta manifestación energética, directamente cinética al ser provocada por el movimiento del aire, posee un grado de rendimiento bajo y es de utilización insegura y no uniforme, aunque de escaso costo.

    La energía solar representa el modelo más característico de fuente renovable. A pesar de sus recursos prácticamente ilimitados, al tomarse directamente de la radiación solar, el aprovechamiento energético no alcanza rendimientos equiparables a los de otras fuentes.

    El procedimiento de recogida de esta energía en cuerpos situados detrás de cristales recibe el nombre de captación por efecto invernadero y tiene como finalidad última la producción de energía calorífica. Este mecanismo es de importante utilidad en la calefacción doméstica. Otros dispositivos permiten transformar la energía solar en eléctrica. Las fuentes termales naturales y las fuerzas telúricas generadas en el interior de la corteza terrestre constituyen formas energéticas de difícil aprehensión.

    6. Energía Eléctrica: Importancia de su producción e impacto

    Medioambiental

    El consumo de energía esta muy ligado al de la electricidad, aunque esta no es una fuente de energía, sino únicamente una forma de utilizarla. Su empleo en gran escala es una de las características más importantes de la llamada II revolución industrial en el año 1873, en que se invento la dinamo, y 1883 en que se logro resolver el problema del transporte de la energía eléctrica, la producción y el consumo de este tipo de energía ha ido en constante aumento.

    La producción de electricidad se ha convertido en requisito indispensable del proceso de industrialización, y esto se debe a que la energía eléctrica posee una serie de características que resultan de gran utilidad:

    • Es muy regular: Su tensión es siempre la misma y se dispone de ella en cualquier momento que desee.

    • Es una Energía limpia: Una vez obtenida apenas produce contaminación ambiental.

    • Es fácil de transportar: Se puede hacer llegar en un tiempo mínimo a cualquier punto sin perdidas apreciables, siempre que el transporte se realice a alta tensión.

    • Es fácil de transformar en otros tipos de energía: (mecánica, calorífica, química, etc.) Los motores eléctricos accionan los medios de transporte,... Los distintos sistemas de alumbrado son también de tipo eléctrico.

    La energía eléctrica presenta el gran inconveniente de la imposibilidad de su almacenamiento: ello ocasiona grandes problemas y aumenta considerablemente los costos.

    La utilización de la electricidad, además de transformar algunos sectores, como los del transporte y comunicaciones, resulta indispensable en la moderna tecnología de las industrias química y metalúrgica, por ejemplo, y el consumo de energía eléctrica aumenta de forma considerable a medida que se eleva el nivel de vida medio de la población.

    Además de por hilos o cables, se puede transportar mediante ondas electromagnéticas. Aunque la energía transmitida sea débil. Así se transmiten la palabra, la imagen y las señales de mando para accionamiento de mecanismos.

    La obtención de energía en instalaciones especiales que reciben el nombre de centrales eléctricas, y que pueden ser de distintos tipos:

    Tipo de Central

    Energía Primaria que Transforma

    Térmica

    Energía procedente de la combustión de carbón, fuel o gas natural.

    Nuclear

    Energía procedente de reacciones de fisión nuclear.

    Hidroeléctrica

    Energía potencial del agua.

    Solar (Fotovoltaica o térmica)

    Energía del sol

    Eólica

    Energía del viento

    Geomotriz

    Calor de la tierra

    Mareomotriz

    Energía de las mareas.

    Estas centrales constan, por lo general, de grandes turbinas movidas por agua, las cuales hacen, a su vez girar a un alternador, en el que se origina la corriente eléctrica.

    La energía eléctrica obtenida en estas centrales se transporta mediante cables de cobre o de aluminio a tensiones muy elevadas hasta las subestaciones, que suelen encontrarse situadas en las cercanías de las ciudades. De esta manera se consigue minimizar las perdidas de energía en forma de calor.

    BIBLIOGRAFÍA .

    Libro 1º de bach. Ed. McGraw Hill Tecnología Industrial I.

    Libro de 4º de E.S.O. Ed. Santillana. Física y Química.

    Libro de 1º de bach. Ed. Everest. Tecnología Industrial I.

    Energías Renovables Como Instrumento de Desarrollo, Ed. I.F.A tomo II.

    Diversas webs de Internet.

    Enciclopedia Universal Larousse, varios tomos.

    Libro de 1º de bach.. Ed. S.M. Física y Química.

    27

    Energía. Fuentes alternativas y no renovables

    Vídeos relacionados