UNIVERSIDAD

“GRAN MARISCAL DE AYACUCHO”

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA DE SISTEMAS

CIUDAD BOLÍVAR

PROCESO DE TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA QUÍMICA EN ELÉCTRICA EN LOS ACUMULADORES DE ENERGÍA DE LA BATERÍA DE AUTOMÓVILES

Ciudad Bolívar, Junio de 2009.

INDICE

INTRODUCCIÓN

La energía es una magnitud física que asociamos con la capacidad que tienen los cuerpos para producir trabajo mecánico, emitir luz, generar calor, etc. En física la energía es uno de los conceptos básicos debido a su propiedad fundamental: La energía total de un sistema aislado se mantiene constante. Por tanto en el universo no puede existir creación o desaparición de energía, sino transferencia de un sistema a otro o transformación de energía de una forma a otra.

La energía, por lo tanto, puede manifestarse de distintas formas: potencial, cinética, química, eléctrica, magnética, nuclear, radiante, etc., existiendo la posibilidad de que se transformen entre sí pero respetando siempre el principio de la conservación de la energía.

En las baterías de acumuladores eléctricos, tal como se ha dicho, además de utilizarse en los automóviles, proporcionan energía eléctrica a muchos otros equipos, por lo que varían en número de celdas, capacidad, tamaño y peso. Son objetos pesados y su manipulación manual es causa de lesiones musculares. A veces constituyen una unidad individual en una bandeja de acero que puede ir desde el tamaño de una maleta hasta alcanzar un gran tamaño y pesar más de 5000 kg. Por ello se debe disponer del equipo de manutención adecuado para facilitar su manipulación y transporte. Se debe conocer el peso de la batería, que suele estar estampado en la bandeja de soporte.

La presente investigación describe los aspectos relacionados con la transformación de la energía química en energía eléctrica en los acumuladores de automóviles, de lo cual se explicará su proceso de transformación.

CAPÍTULO I

EL PROBLEMA

1.1 Planteamiento del Problema

La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. La radiación electromagnética posee energía que depende de su frecuencia y, por tanto, de su longitud de onda. Esta energía se comunica a la materia cuando absorbe radiación y se recibe de la materia cuando emite radiación. La energía asociada al movimiento se conoce como energía cinética, mientras que la relacionada con la posición es la energía potencial.

Por ejemplo, un péndulo que oscila tiene una energía potencial máxima en los extremos de su recorrido; en todas las posiciones intermedias tiene energía cinética y potencial en proporciones diversas. La energía se manifiesta en varias formas, entre ellas la energía mecánica, térmica, química, eléctrica, radiante o atómica. Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece constante.

Un objeto puede almacenar energía en virtud de su posición. La energía que se almacena en espera de ser utilizada se llama energía potencial (EP), porque en ese estado tiene el potencial para realizar trabajo. Por ejemplo, un resorte estirado o comprimido tiene el potencial para hacer trabajo. Cuando se tiende un arco, el arco almacena energía. Una banda elástica estirada tiene energía potencial debido a su posición ya que, si forma parte de una honda, es capaz de hacer trabajo.

La energía química de los combustibles es energía potencial ya que es, de hecho, energía de posición a la escala microscópica. Esta energía se hace disponible cuando se alteran las posiciones de las cargas eléctricas que están dentro y alrededor de las moléculas, es decir, cuando ocurre un cambio químico. Toda sustancia capaz de realizar trabajo por acción química posee energía potencial. Hay energía potencial en los combustibles fósiles, en las baterías eléctricas y en los alimentos que se ingieren.

Es la producida por reacciones químicas que desprenden calor o que por su violencia pueden desarrollar algún trabajo o movimiento. Los alimentos son un ejemplo de energía química ya que al ser procesados por el organismo nos ofrecen calor (calorías) o son fuentes de energía natural (proteínas y vitaminas). Los combustibles al ser quemados producen reacciones químicas violentas que producen trabajo o movimiento.

La energía se puede presentar en formas diferentes, es decir, puede estar asociada a cambios materiales de diferente naturaleza. Así, se habla de energía química (cuando la transformación afecta a la composición de las sustancias).

El fundamento de las pilas y acumuladores es la transformación de la energía química en eléctrica, mediante reacciones de oxidación-reducción producidas en los electrodos, que generan una corriente de electrones. Cuando se unen mediante un hilo metálico dos cuerpos entre los cuales existe una diferencia de potencial, se produce un paso de corriente que provoca la disminución gradual de dicha diferencia. Al final, cuando el potencial se iguala, el paso de corriente eléctrica cesa. Para que la corriente siga circulando debe mantenerse constante la diferencia de potencial.

En el desarrollo de las actividades relacionadas con el uso de la energía eléctrica, el hombre se ha visto en la necesidad de crear fuentes de energía que permitan realizar diferentes trabajos, por ejemplo, debido a las deficiencias de electricidad, ha habido la necesidad de utilizar fuentes de energía alternativas, es por ello que en el uso de los computadores para los ingenieros en informática, es de vital importancia y éstos equipos deben poseer fuentes de energía que los hagan trabajar, pero al fallas la energía eléctrica, es necesario buscar fuentes de energía alternativas, es allí donde se utilizan las baterías de gran carga donde se transforma la energía química en eléctrica, lo cual es de mucha utilidad en el área planteada, para evitar pérdidas de información importante.

Es por ello que se pretende estudiar como se realiza el proceso de transformación de la energía química en eléctrica en los acumuladores de energía de la batería de automóviles, vinculando su utilidad al desarrollo de sistemas de computación integrados de forma eficiente y confiable.

1.2 Objetivo General

Describir el proceso de transformación de la energía química en eléctrica en los acumuladores de energía de la batería de automóviles.

1.3 Objetivos Específicos

• Definir los elementos que intervienen en el proceso de transformación de energía química y eléctrica.

• Explicar los componentes que posee una batería de automóvil vinculados al proceso de transformación de energía química en energía eléctrica.

• Detallar el proceso de transformación de energía química a energía eléctrica en una batería de automóvil.

1.4 Justificación e Importancia

Este proyecto se justicia en el sentido que brinda un aporte relacionado con la ingeniería de sistemas, en cuanto al desarrollo y conocimiento de las diversas alternativas de energía para la utilización y funcionamiento de procesadores de forma eficiente (cuando la luz eléctrica no sea la adecuada o simplemente falle) a través del estudio de los componentes de las baterías de automóviles, con miras a la utilización de éstas para el desarrollo de sistemas operativos que permitan salvaguardar información de importancia de diversas empresas, instituciones, etc., ya que uno de los objetivos más interesantes de la Cátedra Física II, se relacionan con la energía potencial, la cual amplia su campo de acción en el desarrollo de las actividades científicas.

La energía potencial es la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo, dependiendo de la configuración que tengan en un sistema de cuerpos que ejercen fuerzas entre sí. Puede pensarse como la energía almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Más rigurosamente, la energía potencial es una magnitud escalar asociada a un campo de fuerzas (o como en elasticidad un campo tensorial de tensiones).

De ella se desprenden otros tipos de energía, como la química y la eléctrica las cuales se vinculan al trabajo que se pretende realizar, relacionado con el proceso de transformación de la energía química en eléctrica en los acumuladores de energía de la batería de automóviles.

La Ingeniería de sistemas es un modo de enfoque interdisciplinario que permite estudiar y comprender la realidad, con el propósito de implementar u optimizar sistemas complejos. Puede verse como la aplicación tecnología de la teoría de sistemas a los esfuerzos de la ingeniería, adoptando en todo este trabajo el paradigma sistémico. La ingeniería de sistemas integra otras disciplinas y grupos de especialidad en un esfuerzo de equipo, formando un proceso de desarrollo estructurado.

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes de la Investigación

Los sistemas de acumulación de energía, si bien constituyen una imagen moderna y propia de nuestros tiempos, constituyeron elementos estratégicos a lo largo de la historia de la humanidad. A modo de ejemplo veamos algunos hechos importantes en el desarrollo de las baterías:

1796 Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, un profesor de la Universidad de Pavia, Italia; construye la primer celda, la “pila voltaica”. Lleva ese nombre por haber “apilado” discos de plata y cinc separados entre si por un separador embebido en electrolito.

1813 Sir Humphry Davy, utiliza una batería gigantesca.(20.000 pares!), donada por Napoleon, en el sótano de la Sociedad Real Británica y la utiliza para experimentos de electrólisis.

1859 Raymond Gastón Planté, inventa el acumulador de plomo (batería plomo- ácido), pero no fue de gran utilidad..no se había inventado “la electricidad”..no había nada que acumular!.

1866 George Leclanché, inventa en Francia la “pila seca” (Zinc-Dióxido de Manganeso); sistema que aún domina el mercado mundial de las baterías primarias.

1871 Se inventa la dínamo, comienza la producción industrial de baterías.

1887 El gobierno francés utiliza baterías para movilizar un bote submarino, (primeros vehículos eléctricos)

1893 Funciona un trolebús en la 5ta. Avenida, New York.

1900 Tomas Alva Edison, el gran inventor, patenta la batería níquel-hierro, entre otros usos, la emplea para propulsar su vehículo eléctrico!. Jugner, un inventor sueco, patenta la batería de níquel-cadmio.

1947 Se desarrolla de celda de mercurio, donde en la descarga se emplea un cátodo de HgO, que si bien le proporciona buenas características a la batería, tiene alto costo y finalmente por consideraciones ambientales fue dejada de lado.

1960 Investigadores alemanes desarrollan las batería plomo-ácido con el electrolito inmovilizado (en forma de gel).

1967 La Gates Corporation desarrolla la batería de plomo-ácido “libre mantenimiento” o “sellada”. El diseño permite que los gases liberados en la sobrecarga se recombinen en el interior de la batería. Cuenta también con una válvula de seguridad para los casos de una excesiva sobrecarga.

1970 A finales de esta década Sony introduce la primer batería empleando ánodos de Li. En 1990 esta empresa comercializa mundialmente la primer batería de Litio/ión. Dada la alta densidad de energía que presenta este sistema, produce el doble de voltaje que una batería alcalina.

2.2 Bases Teóricas

La Energía Química

La energía química es una manifestación más de la energía. En concreto, es uno de los aspectos de la energía interna de un cuerpo y, aunque se encuentra siempre en la materia, sólo se nos muestra cuando se produce una alteración íntima de ésta.

En la actualidad, la energía química es la que mueve los automóviles, los buques y los aviones y, en general, millones de máquinas. Tanto la combustión del carbón, de la leña o del petróleo en las máquinas de vapor como la de los derivados del petróleo en el estrecho y reducido espacio de los cilindros de un motor de explosión, constituyen reacciones químicas.

El carbón y la gasolina gasificada se combinan con el oxígeno del aire, reaccionan con él y se transforman suave y lentamente, en el caso del carbón, o instantánea y rápidamente, en el caso de la gasolina dentro de los cilindros de los motores. Las mezclas gaseosas inflamadas se dilatan considerable y rápidamente y en un instante comunican a los pistones del motor su energía de traslación, su fuerza viva o de movimiento.

Si se rodea en el carbón o la leña, la gasolina y el petróleo de una atmósfera de gas inerte, por ejemplo nitrógeno gaseoso, ni los primeros arderían ni los últimos explotarían en los cilindros. El nitrógeno no reacciona con aquellos cuerpos y las mezclas de gasolina y nitrógeno ni arden ni explotan.

Finalmente, hay que mencionar la más reciente y espectacular aplicación de la energía química para lograr lo que durante muchos siglos constituyó su sueño: el viaje de ida y vuelta al espacio exterior y a la Luna, así como la colocación de distintos tipos de satélites artificiales en determinadas órbitas.

La energía es una propiedad inherente a la materia. La materia posee energía almacenada que se debe, por una parte, a la posición o a la altura de un cuerpo (energía cinética) y, por otra, a la naturaleza o las sustancias de que esté hecho el cuerpo al que se hace referencia, ya que a cada elemento o compuesto le corresponde cierta cantidad de energía química almacenada a la que se le denomina contenido energético. Cuando se lleva a cabo un fenómeno químico, éste va acompañado por una manifestación de energía, ya sea que haya absorción o desprendimiento de ella, debido a la energía química que almacenan las sustancias

Lo anterior significa que, cuando la energía química almacenada de los reactivos es mayor que la energía de los productos, hay un excedente de energía que se libera, pues la energía se mantiene constante, es decir, no se crea ni se destruye.

Por ejemplo, al reaccionar metano (gas combustible) con el oxígeno (gas comburente), hay desprendimiento de energía como producto, porque el contenido energético del metano y del oxígeno es mayor al que posee el dióxido de carbono y el agua, que son las sustancias que se forman durante la reacción:

Por lo tanto, si, al reaccionar, una o varias sustancias producen otras con mayor contenido energético, habrá absorción de energía por parte de los reactivos, como lo muestra la siguiente reacción de fotosíntesis:

Las sustancias de gran contenido energético se utilizan como combustible, ya que al reaccionar con el oxígeno se genera una gran cantidad de energía en forma de luz y calor.

Energía química en un motor

Las reacciones químicas de combustión de compuestos de carbono con oxígeno para liberar energía son bien conocidas por todos. Ocurren, por ejemplo, al quemar madera o gas en el horno o bien cuando la bencina de un auto proporciona la energía necesaria para su funcionamiento. Estas reacciones son demasiado violentas y poco controladas para que los organismos vivientes las puedan usar dentro de una célula.

Para que un motor funcione, éste requiere de combustible que, al reaccionar, desprende energía. En el caso del motor de combustión interna, la energía del combustible se transforma en potencia y movimiento, de tal forma que la fuerza producida sirve para hacer funcionar un autobús, una hélice y un generador, entre otras cosas.

• El motor de cuatro tiempos es el motor de combustión interna más conocido, y su funcionamiento se lleva a cabo en cuatro etapas, las cuales son:

• Primer tiempo (admisión): tiene lugar la penetración de una mezcla de combustible y aire a la válvula de admisión, al bajar el pistón.

• Segundo tiempo (compresión): el pistón sube y comprime la mezcla al reducir el volumen.

• Tercer tiempo (explosión): al encender la bujía, ésta provoca la explosión de la mezcla; en este momento el pistón es empujado y baja.

• Cuarto tiempo (expulsión): los gases producidos por la explosión son expulsados a través de la válvula de expulsión; en este momento el pistón baja.

Representación esquemática del funcionamiento de un motor de cuatro tiempos.

La combustión

La combustión es una oxidación violenta, la cual, a su vez, desprende energía en forma de calor y luz. Los principales productos de ella son: el CO₂, el vapor de agua y la energía. Ejemplos de este proceso son la combustión del gas de la estufa, de la leña, y del carbón. En todos estos fenómenos se presenta una oxidación y, por lo tanto, también tiene lugar una reducción, ya que cuando se produce la combustión de una de estas sustancias, el oxígeno se reduce ganando electrones y el elemento que se oxida los pierde.

En el organismo de los seres vivos existen procesos de "combustión orgánica", los cuales se denominan así por la similitud que guardan con los productos obtenidos. Sin embargo, no son propiamente combustiones, pues no son, oxidaciones violentas.

Un ejemplo de éstas es la degradación de la glucosa que, durante la respiración celular, produce CO₂, H₂O y energía, de acuerdo con la siguiente reacción:

En esta ecuación se observa que cada átomo de oxígeno "gana" 2 electrones (se reduce) y el carbono "pierde" 4 electrones (se oxida).

La oxidación del gas butano es una combustión inorgánica, ya que no se efectúa en los seres vivos. Su reacción es la siguiente:

Energía Eléctrica

Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos —cuando se les coloca en contacto por medio de un conductor eléctrico—para obtener trabajo. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica.

Su uso es una de las bases de la tecnología utilizada por el ser humano en la actualidad. La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus extremos.

Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito eléctrico y se genera el movimiento de electrones a través del cable conductor. Las cargas que se desplazan forman parte de los átomos de— que se desea utilizar, mediante las correspondientes transformaciones; por ejemplo, cuando la energía eléctrica llega a una enceradora, se convierte en energía mecánica, calórica y en algunos casos luminosa, gracias al motor eléctrico y a las distintas piezas mecánicas del aparato.

Acumuladores eléctricos

Hablar de la relación entre la electroquímica y la energía nos conduce a una relación mas que obvia, puesto que en definitiva un proceso electroquímico cualquiera lleva implícito un cambio de energía. Desde el punto de vista del aprovechamiento por el hombre de la energía nos permite centrar el estudio en la energía eléctrica. Este tipo de energía como sabemos puede ser producida de diversas maneras, por combustión de un combustible adecuado (centrales térmicas), aprovechando la caída de un curso de agua (centrales hidroeléctricas), aprovechando la energía liberada por una reacción de descomposición radioactiva (centrales atómicas), etc., como las principales tecnologías empleadas actualmente, a las que se suman otras como las geotérmicas, eólicas, fotovoltaicas, etc.

Un punto clave para el aprovechamiento de la energía generada es la mayor o menor facilidad para utilizar esa energía, es decir que en algunos casos una forma de producción es económica siempre y cuando la energía sea utilizada en el momento, el problema surge cuando se plantea la posibilidad de almacenar esa energía eléctrica. Es aquí donde toman especial relevancia los acumuladores de energía.

Como definición de estos sistemas podemos emplear aquella que dice que “son sistemas que permiten la acumulación de energía” (estamos utilizando el título como definición!), pero tal vez nos quede mas claro si decimos que son sistemas donde ocurre conversión de energía química (almacenada) en energía eléctrica y viceversa.

Los dos procesos importantes relacionados con el funcionamiento de las baterías son respectivamente la carga y descarga de las mismas. Durante la carga el sistema se aleja del equilibrio termodinámico mediante la aplicación de energía externa. En el caso de las baterías no recargables esto se produce en el momento de su manufactura. En la etapa de descarga el sistema trata de alcanzar el equilibrio, se producen reacciones espontáneas y los

electrones intercambiados son aprovechados mediante un circuito externo.

DESCRIPCIÓN DE UNA CELDA

Independientemente del tipo de acumulador que consideremos y de la geometría final que este posea, todos estos sistemas están compuestos por los mismos componentes básicos:

Ánodo: Es aquel electrodo donde ocurre la reacción de oxidación, pérdida de electrones. Por convención su signo varía en una batería secundaria cuando es cargada o descargada.

Cátodo: Electrodo donde ocurre la reacción de reducción, ganancia de electrones. En el diseño de ambos electrodos se procura utilizar materiales livianos, de gran área, de buena conductividad, resistentes a la corrosión, etc.

Material activo: Se refiere a la masa que realmente participa en el proceso electroquímico. Este parámetro es muy importante puesto que está ligado directamente a la eficiencia electroquímica. Muchos sistemas tienen una baja eficiencia puesto que gran parte del material que se incorpora en los electrodos tiene solo una función estructural.

Separador: Este material permite ubicar los electrodos lo mas próximo posible, importante por el espacio que ellos ocupan, pero impide que los mismos estén en un contacto directo, puesto que esta situación provocaría que reaccionaran directamente sin posibilidad de aprovechar esa energía. Se construyen de un material inerte poroso que permita el flujo de electrolito.

Electrolito: Componente importante puesto que esta solución permite la conducción iónica en el interior de la batería y contiene reactivos y productos de los procesos electroquímicos. En algunos casos el electrolito se encuentra embebido formando una pasta, como en el caso de la pila “seca”, inmovilizado como en las baterías “tipo gel”, o en forma líquida como en el caso de las baterías alcalinas (solución de KOH) o en las de plomo-ácido (solución de H2SO4)

Contenedor: Se construyen de materiales resistentes al ataque químico de los componentes y aportan resistencia mecánica al acumulador. En tiempos recientes se están fabricando a partir de materiales plásticos, lo que permite una mejor visión del nivel de electrolito, disminución de peso y posibilidad de reciclaje.

Clasificación de los Acumuladores o Baterías

Una batería forman parte del entorno diario (y mucho mas de lo que imaginamos), sin embargo cuando se analiza las aplicaciones, la forma de trabajar, de cómo se construyen, etc. Se observa que pueden ser bastante diferentes entre si, por lo que intentará una clasificación que no será por cierto estricta, sino siguiendo la tradición electroquímica.

Baterias Primarias

Aquellas que tienen energía almacenada en forma de reactivos químicos que se libera como energía eléctrica cuando son conectadas, pero lo hacen en un solo ciclo, es decir que una vez descargadas no es posible recuperarlas. Se dice que tienen un solo ciclo de descarga. El ejemplo mas conocido entre nosotros es la “pila seca” o de Leclanché, ampliamente utilizada por ejemplos en electrodomésticos.

Esta pila utiliza como ánodo Zn y el cátodo es una pasta de MnO2 junto con C que actúa como colector de la corriente. El electrolito es una pasta ácida de NH4Cl y ZnCl2.

Las correspondientes reacciones son:

Zn + H2O _ ZnO + 2e + 2H+ (ánodo)

2MnO2 + 2e + 2H+ _2MnOOH (cátodo)

Zn + 2MnO2 + H2O _ZnO + 2MnOOH (reacción neta)

A pesar de la creencia popular, esta reacción es irreversible termodinámicamente por lo que no es factible recargar la pila independientemente del tratamiento físico a que se la someta. Dentro de esta misma familia, en los últimos años se comenzó a comercializar las denominadas “baterías alcalinas”, en las que se reemplazó el electrolito ácido por KOH (al 30%), y la reacción anódica es ahora Zn + 4 OH- _ Zn(OH)4 2- + 2e

Baterías secundarias

Aquellas que las reacciones químicas que participan en la conversión de energía pueden ser revertidas en un grado mas o menos completo, en otras palabras sistemas que permiten ser recargados, es decir que poseen mas de un ciclo de carga y descarga (pueden ser miles). En este tipo de baterías se encuentra el sistema mas popular del mundo, la batería de plomo, conocida como plomo-ácido en relación al electrolito que utiliza, la que a pesar de tener mas de un siglo de inventada brinda prestaciones que no han sido superadas totalmente hasta ahora. Utiliza como electrolito una solución de ácido sulfúrico con densidad 1,28 g/ml a 25oC.

En este caso las reacciones de electrodo pueden simplificarse como:

Pb + H2SO4 _ PbSO4 + 2e + 2H+ (en el ánodo) PbO2 + 2H2SO4 _PbSO4 + 2H2O + SO4 2- (en el cátodo) Pb + PbO2 + 2H2SO4 _ 2PbSO4 + 2H2O (reacción global).

Un detalle particular es el rol del ácido sulfúrico, ya que si bien no sufre directamente reacción de oxidación o reducción, dado que se consume durante el funcionamiento de la batería conduce a una disminución de la densidad del solución de electrolito, por lo que se emplea esta magnitud para estimar el estado de carga de la batería.

Otra batería de gran uso industrial, y en los últimos años con la aparición de la telefonía celular, son las alcalinas del tipo de Níquel-Cadmio o Níquel-Hierro. En este caso el ánodo es de Cd o Fe según el caso y el cátodo es un electrodo impregnado de hidróxido de níquel el que cuando actúa como cátodo de la batería se encuentra como NiOOH. El electrolito es una solución concentrada (30%) de KOH. Las reacciones correspondientes son M + 2OH- _M(HO)2 + 2e (en el ánodo, con M= Cd o Fe) 2NiOOH + 2H2O + 2e _Ni(OH)2 +2OH- (en el cátodo) M + 2NiOOH + 2H2O + _ M(OH)2 + 2Ni(OH)2 (reacción neta)

Celdas de combustible

Si bien no son estrictamente iguales a los sistemas anteriores se las suele incluir en esta clasificación. En las celdas de combustión la energía eléctrica es obtenida también a partir de una reacción química, pero en estos sistemas los reactivos no se encuentran en el interior de la celda sino que son alimentados continuamente de depósitos externos.

Esta característica le permite trabajar continuamente mientras haya disponibilidad de re activos. Existen distintos tipos de celdas de combustión, diferenciadas fundamentalmente por la temperatura de trabajo, la mas conocida es la celda de ácido fosfórico. Este tipo de sistemas de producción de energía implica el uso de una tecnología especial y costosa, que provocó que en sus inicios tuviera una limitada aplicación, fundamentalmente en el campo aeroespacial; pero en los últimos tiempos se están desarrollando sistemas de menor costo y aplicaciones mas cotidianas, fuentes de poder, vehículos eléctricos, etc. Las reacciones espontáneas que ocurren en la celda son la oxidación del hidrógeno en el ánodo y la reducción del oxígeno en el cátodo para dar lugar a la formación de agua. 2H2 + O2 _ 2H2O

Los principales inconvenientes provienen de la necesidad de emplear reactivos de alta pureza y que las reacciones ocurren sobre la superficie de metales catalizadores como el platino, de alto costo y con posibilidad de sufrir “envenenamiento” por impurezas

Parámetros de importancia

Desde el punto de vista del comportamiento electroquímico de estos sistemas se estudian algunos parámetros de importancia, para poder analizar en qué estado se encuentran las baterías.

Voltaje

El valor dependerá del sistema de ánodo y cátodo que se tenga así como de los respectivos sobre-potenciales que tengan esos electrodos V= Ec - Ea –hA - hC

Para obtener el mayor voltaje en una batería, es útil combinar dos electrodos que tengan potenciales muy diferentes (Ec y Ea), además de diseñar y operar la batería de manera de disminuir al máximo la polarización (hA-hC).

Corriente

Directamente relacionado con la aplicación, se podrá requerir que sea constante pero en un largo período de tiempo; por ejemplo en un marcapasos se necesitarán corrientes del orden de los micro amperes (1x10-7 ampere) durante un largo período de tiempo (años). Mientras que en el lanzador de un torpedo, se requieren que en un segundo pasen 5000 amperes!

Capacidad

Da una idea de la carga almacenada y disponible en la batería. Este valor está limitado por el electrodo de menor capacidad. Se la expresa en unidades de carga como Ampere x hora (Ah). Por ejemplo para una batería de tracción la capacidad es del orden de 10 a 20 kAh, mientras que para una batería que mantiene la memoria de un computador es del orden de 0,1 a 0,5 Ah

Densidad de almacenamiento de energía

Es una medida de la carga por unidad de peso total de la batería. Esto resulta especialmente importante para baterías de tracción en vehículos eléctricos o uso aeroespacial.

Densidad de Potencia

Es la potencia por unidad de peso de la batería.

Velocidad de descarga

Se la expresa como un cociente: C/n y es la corriente que permite descargar la capacidad C en n horas.

Vida media

Cantidad de ciclos de carga y descarga a los que se puede someter la batería antes de

terminar su vida útil.

Eficiencia de energía

Es el cociente entre la energía obtenida en la descarga y la energía empleada para cargar la batería.

Comportamiento ante la sobrecarga

De importancia para las baterías secundarias, ya que reacciones secundarias (por ejemplo electrólisis del agua) pueden disminuir notablemente la vida útil del sistema.

Autodescarga

Perdida de carga por reacciones químicas que ocurren aunque el sistema no esté siendo utilizado.

Tolerancia a las condiciones de uso

De acuerdo al uso, se requerirá resistencia a temperaturas extremas, golpes mecánicos, posición, etc.

Aplicaciones de los acumuladores

Pensar en un mundo sin baterías, resultaría en un ambiente bien diferente de lo que conocemos hoy, esto se debe al gran número de aplicaciones modernas que tienen estos sistemas de almacenamiento y conversión de energía. Esta situación hace que el intento de clasificarlas de acuerdo al uso de las mismas sea una tarea complicada. Basta realizar un pequeño ejercicio mental y tratar de enumerar sistemas donde se utilicen baterías y seguramente nuestro listado contemplará, juguetes, radios, motos, satélites, aviones, robots,

marcapasos, computadores, equipos médicos portátiles, celulares, submarinos, boyas, antenas, bicicletas eléctricas, linternas, etc.

El diseño y proceso de fabricación de acumuladores de energía, está ligado a la aplicación que tendrá, tradicionalmente se destacan tres tipos de usos diferentes:

Baterías estacionarias: Generalmente son de gran tamaño, están inmovilizadas en un sitio y se emplean para acumular grandes cantidades de energía. Estos acumuladores, por ejemplo pueden ser utilizados en los sistemas integrados de energía que mencionaremos mas adelante, se utilizan como fuentes de emergencia, para alimentar equipos remotos, etc.

Baterías de tracción: Son empleadas para propulsar motores eléctricos, se requieren que tengan bajo peso pero una gran potencia, se emplean en vehículos industriales, submarinos, etc.

Baterías SLI (Starting, Lighting and Ignition): Son las empleadas habitualmente en los vehículos de motor de combustión, pueden ser recargadas y se utilizan para arrancar el motor, iluminación, etc. Estas clasificaciones en modo alguno pretenden ser completas, en razón del amplio espectro de uso de los acumuladores.

Solventes y electrolitos: En cualquier sistema electroquímico independientemente de la aplicación y tamaño del mismo, será necesario el empleo de electrolitos adecuados. Si bien la mayoría de los experimentos analíticos llevados a cabo en el laboratorio emplean soluciones acuosas, puede ser necesario el empleo de solventes orgánicos o incluso solventes mixtos. De todas maneras se pueden mencionar algunos aspectos generales que caracterizarán a los electrolitos empleados en trabajos electroquímicos.

Características importantes

- Carácter prótico: importante aspecto si existen intermediarios que puedan reaccionar con el solvente. Es posible clasificarlos de acuerdo a su capacidad donadora de protones. Es importante no solo analizar el aspecto termodinámico de estos equilibrios sino también la cinética de estos procesos de liberación de protones. En estudios mecanísticos se prefieren solventes aproticos, por ejemplo aquellos donadores pobres por estar unidos los hidrógenos a elementos no muy electronegativos. Esta preferencia obedece al hecho que los intermediarios, especialmente los radicales aniones son más estables en este tipo de solventes.

- Límite de voltaje: para cada solvente existe un potencial límite anódico y catódico, más allá donde es imposible estudiar reacciones electroquímicas de algún determinado soluto, debido a la oxidación o reducción (descomposición) del mismo solvente. Estos límites definen lo que se denomina “ventana de potencial”, esto es, la zona útil de trabajo que permite ese solvente.

- Polaridad del solvente: este parámetro está en relación con el momento dipolar que presente el solvente así como de su constante dieléctrica. Este aspecto es importante especialmente en relación al proceso de ionización de un determinado electrolito. Se debe recordar que cuando se tienen dos cargas eléctricas de signo contrario (el caso de un electrolito fuerte completamente disociado) la fuerza actuante entre ellas es inversamente proporcional a la constante dieléctrica del medio que las separa. Por lo tanto un solvente que tenga una constante dieléctrica alta, promoverá la disociación de un soluto iónico y conducirá a una disminución de la resistencia de la solución. Por el contrario una baja constante dieléctrica (se considera por debajo de 15) favorecerá la asociación iónica formándose los denominados pares iónicos.

- Rango líquido y presión de vapor: dado que la mayoría de los experimentos electroquímicos requieren que se realicen en fase líquida es importante considerar las temperaturas y presiones máximas de trabajos que permitan tener el solvente en ese estado. Asimismo la presión de vapor de los solventes es importante con relación al proceso de “purga” que algunas técnicas requieren. Esto es así puesto que si se trabaja con un solvente con presión de vapor elevada, podría suceder que con el pasaje de una corriente de gas inerte se “arrastrara” la fase vapor del solvente con la correspondiente complicación para mantener una determinada concentración del electrolito.

- Viscosidad: este parámetro resulta importante de analizar especialmente cuando los experimentos electroquímicos requieren de un adecuado control difusional, estudios de convección, etc.

- Miscibilidad con otros solventes: el recurso de emplear solventes mixtos se emplea frecuentemente para analizar la influencia de un cambio en la constante dieléctrica del medio. Para este propósito se debe tener en cuenta en que medida estos solventes son miscibles entre si. Existen tabulados algunos parámetros que permiten, de manera empírica,

predecir si una determinada mezcla conducirá a una solución homogénea.

- Propiedades espectroscópicas: algunas técnicas electroquímicas implican la aplicación simultanea de técnicas espectroscópicas, por ejemplo espectroscopia UV, IR, visible, etc. En estos casos será importante por lo tanto considerar las longitudes de onda donde el solvente presenta interacción con la radiación ya que de este modo se definirá una “ventana útil” de trabajo.

Rol Del Sistema Solvente-Electrolito

Para los estudios electroquímicos es importante considerar esta interacción habida cuenta que se está modificando la estructura de la doble capa eléctrica. De este modo por ejemplo se tiene en cuenta que cuando se tienen solventes orgánicos estos pueden tener una orientación diferente en comparación a la que presenta en el seno de la solución, que los fenómenos de adsorción son menos pronunciados cuando se emplean solventes orgánicos y que los iones del electrolito también pueden ser adsorbidos específicamente en la zona de la doble capa eléctrica.

Rol Del Electrolito Soporte

En la mayoría de los experimentos electroquímicos suele emplearse electrolitos que si bien no constituyen los compuestos de interés en el proceso, su presencia hace posible controlar el modo en que ocurren las reacciones en el sistema. Esta importante función se puede resumir como:

- Regulan la resistencia y el transporte de masa por migración eléctrica (minimizan la caída IR)

- Pueden actuar como sistemas buffer

- Pueden actuar como sistemas acomplejantes

- Pueden formar pares iónicos, agregados micelares, etc. Esto está relacionado con los procesos de solvatación.

- Determinan la estructura de la doble capa eléctrica

- Imponen los límites de voltaje debido a su propia reacción.

2.3 Bases Legales

La Constitución de la República Bolivariana de Venezuela (1999), señala lo siguiente, en su artículo 203, “Son leyes orgánicas las que así denomina esta Constitución; las que se dicten para organizar los poderes públicos o para desarrollar los derechos constitucionales y las que sirvan de marco normativo a otras leyes”.(p.45)