Antoine A. Cournot (1801-1877), matemático y filósofo francés, distinguía claramente dos conceptos de ciencia: las ciencias especulativas o teóricas y las ciencias técnicas. En este sentido, por tanto, lo técnico implica practicidad y en cierta medida se opone a lo teórico o especulativo que mira casi exclusivamente al pensamiento. Más aún, no faltan autores para los que la técnica se refiere al procedimiento, al empleo de ciertos instrumentos y a la utilización de ciertos materiales con destino a un arte, a un oficio o a una industria.
PRESENTACIÓN
La sociedad actual, que basa en la técnica una parte importante de su potencialidad económica, exige una complementariedad entre lo teórico y lo práctico. No basta saber qué se hace sino cómo se hace, por qué se hace y para qué se hace. Los procedimientos técnicos no deben ser divergentes del método y pensamientos científicos. Éste es, en síntesis, el objetivo principal de este libro: ofrecer en complementariedad de finalidades aquellos soportes teóricos que se traducen en una operatividad práctica. Evidentemente, y según los diversos aspectos que se estudien, han de converger una serie de conceptos y cálculos básicos. En algunos casos será la Física quien sirva de fundamento al proceso tecnológico; en otros lo serán la Química, la Biología… la Economía incluso. A lo largo del texto se ha buscado un lenguaje sencillo y una exposición lo más próxima a situaciones reales; estimulando al alumno hacia un progreso personal acorde con sus capacidades y habilidades. Por otra parte, se ha puesto especial interés en resaltar la influencia que el desarrollo tecnológico ejerce sobre el entorno y sobre el medio ambiente, analizando causas y soluciones, así como todos aquellos aspectos que incidan en la seguridad e higiene siempre exigible en todo trabajo. En nuestro deseo de servir al Profesorado, alumnos y alumnas, agradecemos todas aquellas sugerencias que ayuden a una mejora constante de esta obra que, en definitiva, redundará en una mejor formación del alumnado. LOS AUTORES
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I
RECURSOS ENERGÉTICOS
SUMARIO 1. La energía, el motor del mundo 2. Los combustibles fósiles 3. La energía nuclear 4. La energía hidráulica 5. Las energías alternativas 6. Consumo y ahorro de energía
ualquier proceso tecnológico resultaría inconcebible si no fuese acompañado de la utilización de energía. La energía se necesita para la obtención de materiales, para la fabricación de todo tipo de piezas mecánicas, para el funcionamiento de máquinas y herramientas… Esta energía, cuyo íntimo significado aún desconocemos, procede en última instancia del Sol y en gran parte ha estado almacenada en nuestro subsuelo durante miles de años en forma de combustibles fósiles. Su explotación masiva desde los tiempos de la Revolución Industrial ha conducido a la sociedad al estado de desarrollo en que actualmente se encuentra.
C
Este bloque temático está dedicado, por entero, al estudio de la energía y sus modos de aprovechamiento y utilización, sin olvidar los problemas que plantea su consumo incontrolado. La energía es un bien imprescindible, pero que escasea cada vez más. No debemos, por lo tanto, derrocharla si queremos que la humanidad continúe avanzando por senderos de progreso y bienestar.
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LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO
CONTENIDOS 1. ¿QUÉ ES LA ENERGÍA? 1.1. Unidades de energía. 2. FORMAS O CLASES DE ENERGÍA 2.1. Energía mecánica. 2.2. Energía nuclear. 2.3. Energía interna. 2.4. Calor. 2.5. Energía química. 2.6. Energía radiante. 2.7. Energía eléctrica. 3. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA 4. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS 4.1. Rendimiento de las transformaciones energéticas. 5. FUENTES DE ENERGÍA 6. IMPORTANCIA DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
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«La especie humana, al igual que las demás especies, depende de la energía para su supervivencia. Salvo la pequeña parte que proviene del calor interno de la Tierra –cuyas manifestaciones más evidentes son los volcanes, los géiseres y las fuentes de aguas termales– y la producida por la descomposición de los elementos radiactivos, la energía de que disponen los seres vivos para realizar sus funciones viene procurada directa o indirectamente por el Sol. Nuestra especie, sin embargo, ha aprendido a utilizar una gran variedad de formas de energía y a ello debe su espectacular crecimiento y su prosperidad. Pero el éxito de la humanidad en el aprovechamiento energético genera a su vez una variada gama de graves problemas, entre los que destacan la dependencia de formas de energía no renovables o de muy lenta renovación y la producción de enormes volúmenes de residuos contaminantes». René-François Bizec, tomado del prólogo de Las nuevas energías, RBA Editores, Barcelona, 1980.
UNIDAD 1. ¿QUÉ ES LA ENERGÍA?
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Recuerda
La mayor parte de los cuerpos pueden, en determinadas situaciones, realizar un trabajo. Se dice de ellos que poseen energía, palabra acuñada hace dos siglos por el físico inglés Thomas Young y que en griego significa «trabajo dentro». La Ciencia no dispone aún de una definición correcta de la energía. Sabemos cómo se manifiesta, qué efectos produce… pero desconocemos su naturaleza, lo que impide concretar en palabras su significado. Por ello, tenemos que conformarnos con establecer –a modo de definición– que: Energía es la capacidad para realizar un trabajo.
Ejemplos
Trabajo es el producto de la fuerza F aplicada a un cuerpo por la distancia s que recorre su punto de aplicación y por el coseno del ángulo que forman las direcciones de ambos: W F •s •cos . Su unidad en el Sistema Internacional es el julio (J). Potencia de un ser o de una máquina es el cociente que resulta de dividir el trabajo W que realiza entre el tiempo t que tarda en realizarlo: P W/t. Su unidad internacional es el watio (W).
1. Un muelle comprimido posee energía, porque al dejarlo en libertad puede empujar un objeto, realizando un trabajo. 2. Una masa de agua embalsada a una cierta altura posee energía, puesto que al dejarla caer puede mover los álabes de una turbina, produciendo trabajo mecánico. 1.1. Unidades de energía La energía se identifica con el trabajo; de ahí que se mida en las mismas unidades: • Julio: es el trabajo que realiza una fuerza de 1 newton al desplazar su punto de aplicación 1 metro en su misma dirección. • Kilográmetro: es el trabajo realizado por una fuerza de 1 kilopondio al desplazar su punto de aplicación 1 metro en su misma dirección. • Caloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar, a la presión normal, la temperatura de 1 gramo de agua desde 14,5 ºC a 15,5 ºC. Equivale a 4,18 julios. • Kilowatio-hora: es el trabajo realizado por un ser o una máquina de 1 kW de potencia durante 1 hora de funcionamiento. Equivale a 3,6 • 106 julios.
ACTIVIDADES 1. Un cuerpo de masa 5 kg, inicialmente en reposo, está situado en un plano horizontal sin rozamientos y se le aplica una fuerza horizontal constante de 100 N durante 5 minutos. Con esa fuerza el cuerpo logra desplazarse 240 m. a) ¿Qué trabajo se realizó? Expresa el resultado en julios y en kilográmetros. b) ¿Cuál es el valor de la potencia mecánica desarrollada? Resultados: a) W 2,4• 10 4 J 2,45 • 10 3 kgm; P 80 W
En constante aumento En tiempos prehistóricos el consumo energético por habitante y día se reducía a unas 3 000 kilocalorías.
2. Se arrastra una piedra tirando de ella mediante una cuerda que forma con la horizontal un ángulo de 30º y a la que se aplica una fuerza constante de 40 kp. ¿Cuánto vale el trabajo realizado en un recorrido de 200 m? Resultado: W 40 000 3J
Hace unos 40 000 años, cuando ya se usaban animales domésticos y se conocía el fuego, el consumo por habitante y día se elevó a unas 10 000 kilocalorías.
3. Mediante un motor de 1/5 CV de potencia, un cuerpo asciende 10 m en 2 s. ¿Cuál es la masa del cuerpo? (Recuerda que 1 CV = 735 W). Resultado: m 3 kg
Hoy, ya en el siglo XXI, el gasto de energía en los países muy desarrollados supone unas 300 000 kilocalorías por habitante y día.
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LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO 2.
FORMAS O CLASES DE ENERGÍA La energía se manifiesta de múltiples formas, pudiendo convertirse unas en otras con mayor o menor dificultad. Entre estas distintas clases de energía se pueden citar las siguientes: 2.1. Energía mecánica Es la energía almacenada en los cuerpos materiales, y puede definirse como la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de su velocidad (energía cinética), de su posición en un punto de un campo gravitatorio (energía potencial gravitatoria), de su estado de tensión (energía potencial elástica), etc. 2.1.1. Energía cinética Energía cinética (Ec) es la energía que posee un cuerpo en movimiento, debido a su velocidad. La energía cinética de un cuerpo de masa m que se desplaza a una velocidad v viene dada por la expresión:
Una unidad energética En la actualidad el índice de consumo de energía por habitante se mide en TEC (toneladas de carbón equivalente) y permite comparar, con un grado bastante bueno de aproximación, los niveles de desarrollo de los distintos países.
1 2 E c m •v 2 Si sobre un cuerpo actúa una fuerza que realiza un cierto trabajo W, y la velocidad del cuerpo aumenta desde un valor inicial v1 a otro final v2, se cumplirá, conforme se ha visto en cursos anteriores, que: 1 1 W m •v 22 m •v 21 EC 2 EC 1 E c 2 2 expresión matemática del llamado teorema de la energía cinética o de las fuerzas vivas, que se puede enunciar así: El trabajo realizado por una fuerza al actuar sobre su cuerpo durante cierto tiempo es igual a la variación de energía cinética experimentada por el cuerpo en ese tiempo.
Ejemplos
Si la velocidad del cuerpo y, por consiguiente, su energía cinética disminuye, será el propio cuerpo quien realice trabajo, y éste será negativo.
Un proyectil de 0,4 kg atraviesa una pared de 0,5 m de espesor. La velocidad del proyectil al llegar a la pared era de 400 m/s y al salir, de 100 m/s. Calcular: a) La energía cinética del proyectil al llegar a la pared y al salir de ella. b) El trabajo realizado por el proyectil. Solución: 1 2 2 a) Ec de llegada EC1 m • v 1 1/2 • 0,4 kg •(400 m/s) 32 000 J 2 1 Ec de salida EC2 m • v 22 1/2 • 0,4 kg (100 m/s) 2 2 000 J 2 b) W EC EC2 EC1 2 000 J 32 000 J 30 000 J (Observa que el trabajo es negativo, al ser producido por el proyectil que tiene que vencer la resistencia que opone la pared a su penetración).
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UNIDAD
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2.1.2. Energía potencial gravitatoria Energía potencial gravitatoria (Epg) es la energía que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa en un campo gravitatorio. Si un cuerpo de masa m está situado a una altura h dentro de un campo gravitatorio, actuará sobre él una fuerza –su peso, mg– y si se le abandona libremente, esta fuerza recorrerá un camino –la altura h–, con lo cual realizará un trabajo: W m•g•h, que es una medida de la energía potencial gravitatoria que poseía. Por tanto: E p g m •g •h Con respecto a esta expresión, conviene tener en cuenta tres cuestiones fundamentales: • Para conocer la energía potencial gravitatoria de un cuerpo es necesario saber la altura h a la que se encuentra, y para ello es preciso que previamente se determine un nivel de referencia. Por ejemplo, si se dice que un objeto está a 2 metros de altura, habrá que señalar si esta altura se mide sobre el suelo, sobre el nivel del mar, sobre la terraza de una casa, etc. Este nivel o punto de referencia suele denominarse nivel cero de energía potencial gravitatoria. Por eso, en realidad, no podemos hablar de energía potencial gravitatoria en sentido absoluto, sino únicamente de diferencias de energía potencial gravitatoria entre dos puntos: el de situación del cuerpo y el de referencia. Y escribiremos de una forma más correcta: W mg(h ho), que equivale a establecer que el trabajo realizado contra las fuerzas del campo gravitatorio se invierte en incrementar la energía potencial gravitatoria del cuerpo.
Pm•g h
Ep m • g • h
Generalizando el concepto No solamente existe energía potencial gravitatoria. Todo cuerpo situado en un campo de fuerzas posee energía potencial. Así, cabe hablar de energía potencial eléctrica, energía potencial magnética, etc.
• La expresión Epg mgh sólo es válida para alturas pequeñas, en las que el valor de la aceleración de la gravedad g se pueda considerar constante. • Si se realiza trabajo sobre un cuerpo (en contra del campo gravitatorio) y su altura aumenta, también aumentará su energía potencial gravitatoria. Por el contrario, si el cuerpo se acerca al nivel cero, disminuyendo el valor de h y, por lo tanto, su energía potencial gravitatoria, es precisamente el campo quien realiza trabajo a expensas de la energía perdida por el cuerpo.
Ejemplos Un objeto de 50 kg se halla a 10 m de altura sobre la azotea de un edificio, cuya altura, respecto al suelo, es 250 m. ¿Qué energía potencial gravitatoria posee dicho objeto? Solución: La pregunta, enunciada así, admite dos respuestas posibles: se puede calcular la energía del objeto respecto al suelo de la azotea, o respecto al suelo real del edificio. 2 En el primer caso: Ep g m g h 50 kg • 9,8 m/s •10 m 4 900 J 2 En el segundo: Ep g m g h 50 kg •9,8 m/s •260 m 127 400 J Por lo tanto, a la hora de resolver el problema debemos especificar cuál ha sido el nivel de referencia que hemos considerado.
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LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO 2.1.3. Energía potencial elástica Es evidente que si estiramos un muelle o lo comprimimos con una fuerza F realizamos un trabajo. Este trabajo queda almacenado en el muelle en forma de energía, la cual se pone de manifiesto al soltarlo. Esta energía se denomina energía potencial elástica, Epx, y podemos definirla así: Energía potencial elástica es la energía que posee un cuerpo elástico (resorte) en virtud de su estado de tensión.
Un muelle comprimido posee energía almacenada.
1 2 Su valor viene dado por: Ep x k •x 2
siendo k la constante elástica
del resorte y x su deformación.
Ejemplos Un muelle, de longitud 20 cm, se alarga a 28 cm al aplicarle una fuerza de 2 N. ¿Qué energía potencial elástica posee en estas condiciones? Solución:
La ley de Hooke La ley de Hooke establece que en los cuerpos elásticos la fuerza deformadora F es directamente proporcional a la deformación x producida: F = k •x, siendo k la denominada constante elástica del resorte, que se expresa en el Sistema Internacional en N/m.
Calcularemos, en primer lugar, el valor de la constante elástica del resorte por aplicación de la ley de Hooke; observando que se alargó 8 cm (0,08 m): x 28 cm - 20 cm 8 cm 0,08 m. Como F k•x ⇒
F 2N k 25 N/m x 0,08 m
1 1 N 2 2 Por lo tanto: Epx k •x —•25 •(0,08 m) 0,08 J 2 2 m
2.2. Energía nuclear Se trata de una energía propia de la materia y que se libera al fisionarse –fragmentarse– o fusionarse –unirse– los núcleos de determinados átomos. Procede de la transformación de la materia en energía de acuerdo con la relación de Einstein: E m •c2 según la cual 1 gramo de masa, transforma13 do íntegramente en energía, equivale a 9•10 julios.
¡Qué poco nos llega! La mayor parte de la energía emitida por el Sol se pierde en el espacio. Debido a la gran distancia a la que se encuentra la Tierra, a ésta sólo le llega una pequeña fracción de esa energía: en las capas altas de la atmósfera sobre una superficie de 1 metro cuadrado situada perpendicularmente a los rayos solares incide cada segundo una cantidad de energía de 1,38 kJ.
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La energía que se libera en el Sol es precisamente energía nuclear de fusión: en cada segundo algo más de 4 millones de toneladas de masa se convierten en 4•1026 julios de energía, que es enviada desde el Sol a todo el espacio. 2.3. Energía interna La materia está formada por moléculas y átomos que se encuentran en constante movimiento. A su vez, en los átomos existen otras partículas que también se mueven. Aunque un cuerpo esté en reposo, todas estas partículas están en continua agitación y poseen, por consiguiente, energía cinética.
UNIDAD
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Pero no es sólo esto: también existen fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas, lo que significa que el sistema posee energía potencial. Energía interna (U) de un cuerpo es la suma de las energías de todas las partículas que lo constituyen. La energía interna de un cuerpo depende también de su temperatura y de la presión a la que está sometido, y puede aumentar cuando se realiza un trabajo sobre el cuerpo o se le pone en contacto con otro a mayor temperatura. En este último caso la energía se ha transmitido en forma de calor, como se verá más adelante. 2.4. Calor Es una forma de energía debida a la agitación de las moléculas que componen un cuerpo, que se manifiesta por las variaciones de temperatura, cambios de estado y de volumen de los mismos y que se transmite de unos a otros como consecuencia de una diferencia de temperatura. Esta transmisión de calor puede tener lugar de tres maneras diferentes:
Hay que evitar errores El calor es una energía en tránsito. Por eso, carece de sentido hablar de «calor almacenado en un cuerpo», pues sólo puede almacenarse energía.
• Conducción. Consiste en un transporte de energía calorífica sin transporte de materia, pero en presencia de ésta. Es un proceso típico de los sólidos, consecuencia de la agitación molecular que hace posible el intercambio de energía cinética entre unas moléculas y sus vecinas. Los metales son buenos conductores del calor. Por eso, es necesario proveer de asas o mangos de sustancias malas conductoras a los utensilios domésticos de metal que hayan de ser calentados. Las sustancias malas conductoras, como madera, corcho, plástico, etc., se utilizan como aislantes del calor. El aire, siempre que no esté en movimiento, es un buen aislante: por eso, se emplean dobles tabiques y vidrieras con aire en medio como aislantes del calor en las viviendas. • Convección. Es un transporte de energía calorífica con transporte de materia. Es un proceso típico de los fluidos. Las moléculas de éstos disminuyen de densidad al calentarse, y ascienden en el seno del fluido, siendo ocupado su lugar por otras moléculas más densas, que se calentarán de igual modo, estableciéndose así las llamadas «corrientes de convección». La convección gaseosa explica el tiro de las estufas y chimeneas. Como los productos derivados de la combustión son menos densos que el aire, ascienden a través de la chimenea, produciendo una aspiración de aire puro que entra por la abertura de la chimenea o de la estufa, avivando la combustión.
Corrientes de convección.
Del mismo modo se explica la calefacción central. El agua se calienta en la caldera situada en el sótano del edificio y al disminuir su densidad asciende a los radiadores, y el agua fría, más densa, desciende a la caldera, y de esta forma se establecen corrientes de convección que circulan ininterrumpidamente. • Radiación. Consiste en un transporte de energía calorífica que puede tener lugar tanto en presencia de materia como en ausencia de ella, es decir, en el vacío. Se produce por medio de ondas electromagnéticas, análogas a las de la luz, radio, televisión, etc., pero de un determinado rango de frecuencia. De esta forma, precisamente, se propaga la energía del Sol a través del espacio.
Recuerda El calor se suele medir en calorías (cal) . 1 cal = 4,18 J.
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LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO 2.5. Energía química Todas las sustancias químicas poseen una cierta energía que se pone de manifiesto cuando, al reaccionar, se transforman en otras sustancias diferentes. Si en esta reacción se desprende calor, significa que la energía química de los reactivos es mayor que la de los productos; si, por el contrario, tiene lugar una absorción de calor, será mayor la de los productos que la de los reactivos. Al igual que en el caso de la energía potencial gravitatoria, no es posible determinar el valor absoluto de la energía química de un compuesto: sólo pueden medirse sus variaciones. Debido a esto, se toma arbitrariamente como cero la energía química de los elementos en condiciones estándar (25 ºC de temperatura y 1 atmósfera de presión). Aquellas sustancias que, como el carbón o los hidrocarburos del petróleo, al arder desprenden energía química en forma de calor reciben el nombre de combustibles, denominándose poder calorífico de un combustible (PC) a la cantidad de calor liberado en la combustión de una cierta cantidad unitaria del mismo (normalmente se expresa en kcal/m3 en condiciones normales, o en kcal/kg). 2.6. Energía radiante Es la energía que se propaga en forma de ondas electromagnéticas, a la velocidad de 3•108 m/s. Parte de ella es calorífica, pero otra parte corresponde a microondas, luz visible (energía luminosa), rayos ultravioleta, etc. El Sol constituye la fuente principal de este tipo de energía. 2.7. Energía eléctrica Es la energía que posee la corriente eléctrica. No se trata de una energía primaria ni final, sino más bien de una forma intermedia de energía de gran utilidad a causa de las excepcionales características que posee: • Se transforma muy fácilmente, y sin producir apenas contaminación, en otros tipos de energía. • Es muy cómoda de utilizar. La cantidad de energía eléctrica consumida por un aparato receptor y transformada en otro tipo de energía viene dada por la expresión: Ee V• I• t siendo V la tensión, I la intensidad de corriente y t el tiempo de funcionamiento.
Ejemplos Por un molinillo de café conectado a una red de 220 V circula una corriente de 0,7 A. ¿Cuánta energía eléctrica consume en 1 minuto? Solución: Ee V• I• t 220 V• 0,7 A• 60 s 9 240 J.
ACTIVIDADES 1. ¿Qué diferencias existen entre energía interna, energía química y calor? ¿Puede decirse que un cuerpo almacena calor? 2. Menciona casos prácticos de la vida diaria en los que el calor se propague por conducción, por convección y por radiación. 3. ¿Cuáles son las razones por las que la energía eléctrica ha adquirido tanta importancia en la actualidad?
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UNIDAD 3. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA Según se ha visto en el párrafo anterior, la energía interna de un cuerpo o sistema, U, puede aumentar o disminuir, aportándole o extrayendo de él calor, Q, o por medio de trabajo mecánico, W, cumpliéndose siempre que:
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Q>0
Q<0
Sistema
U Q W En esta expresión, siguiendo el criterio de la IUPAC, Q se considera positivo si es absorbido por el cuerpo o sistema, y negativo en caso contrario; mientras que W es positivo si se trata de un trabajo realizado sobre el cuerpo, y negativo si es el cuerpo quien lo realiza.
W>0
W<0 Criterio de signos de la IUPAC.
La expresión U Q W constituye la formulación matemática del llamado primer principio de la Termodinámica, enunciado en 1848 por el físico alemán Rudolf J. E. Clausius. Si además de energía interna el cuerpo posee también energías cinética, EC, y potencial, Ep, su energía total, E, será la suma: E U Ec Ep
En ocasiones, para el intercambio de energía entre un sistema y su entorno se sigue el llamado criterio termodinámico de signos, según el cual:
y la ecuación anterior puede generalizarse en la forma: E2 E1 Q W
Ejemplos Si se comunica a un sistema una cantidad de calor de 800 cal y realiza un trabajo de 2 kJ, ¿cuál es la variación de energía que experimenta? Solución: 4,18 J Como Q 800 cal • 3 344 J 1 cal
¡Cuidado con los signos!
• Q se considera positivo si es absorbido por el cuerpo o sistema, y negativo en caso contrario. • W es positivo si es trabajo realizado por el cuerpo o sistema contra el medio ambiente, y negativo si se trata de un trabajo realizado contra el sistema.
Q>0 y
Q<0
W 2 000 J, Sistema
resulta: E2 E1 Q W 3 344 J ( 2 000 J) 1 344 J Si el cuerpo experimenta una transformación de tipo únicamente mecánico (Q = 0), desde un estado inicial 1 a otro final 2, resulta: (Ep2 + Ec2) - (Ep1 + Ec1) W y si la energía potencial permanece constante, como es el caso de un cuerpo que se desplaza sobre una superficie horizontal pasando su velocidad de v1 a v2, se verificará: W Ec2 Ec1
W<0
W>0
De acuerdo con este criterio de signos, el primer principio de la Termodinámica se expresaría de la forma:
U = Q – W
que no es otra cosa que el teorema de la energía cinética mencionado en el apartado 2 de esta Unidad. En un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con el exterior), se verifica: Q W 0,
y por tanto: E1 = E2 cte.
La energía total de un sistema aislado permanece constante, aunque se puede transformar de unas clases en otras.
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LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO Generalización de Einstein De acuerdo con la Teoría de la Relatividad, la materia es una forma más de la energía, de modo que una variación en la masa de un sistema supone siempre una variación en su energía, según la expresión:
És te es el llamado principio de conservación de la energía, que se cumple en nuestro Universo, por ser un sistema aislado, ya que no hay cuerpos que actúen sobre él (si los hubiera, formarían a su vez parte del Universo). Por tanto, puede afirmarse que: La energía total del Universo permanece constante.
ACTIVIDADES
E m • c2 donde la constante de proporcionalidad c corresponde a la velocidad de propagación de la luz en el vacío. Por tanto, adoptando ahora este criterio debemos enunciar así el principio de conservación de la energía: La suma total de la masa y de la energía del Universo permanece constante. Esta afirmación es uno de los postulados fundamentales de la Física moderna.
1. Desde una altura de 200 m se deja caer una piedra de 5 kg. a) ¿Cuánto valdrá su energía potencial gravitatoria en el punto más alto? b) Suponiendo que no exista rozamiento, ¿cuánto valdrá su energía cinética al llegar al suelo? c) ¿Cuánto valdrá su energía cinética en el punto medio del recorrido? Resultados: a) Epg 9 800 J b) Ec 9 800 J c) Ec 4 900 J 2. ¿Qué trabajo realiza un coche de 1 000 kg de masa cuando sube a velocidad constante por una carretera de 2 km de longitud que tiene una inclinación de 10 o? 6 Resultado: W 3,4 • 10 J
3. ¿Qué trabajo realiza una grúa para elevar un bloque de cemento de 800 kg desde el suelo hasta 15 m de altura, sabiendo que el bloque se encuentra inicialmente en reposo y al final su velocidad es de 2 m/s? Resultado: W 119 200 J 4. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS La experiencia demuestra que todas las clases o formas de energía son transformables unas en otras. Así, la energía potencial gravitatoria puede transformarse o manifestarse como cinética; la energía química puede dar origen a energía calorífica, etc. Otra cosa es que la Ciencia y la Técnica sean capaces hoy en día de llevar a cabo todas estas transformaciones. En el cuadro siguiente se representan en esquema algunas transformaciones energéticas, en las cuales se cumple rigurosamente el principio de conservación de la energía. Energía nuclear
Energía calorífica
Energía radiante
Energía eléctrica
Energía química
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Energía mecánica
UNIDAD
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Mencionaremos, a continuación, algunos procesos en los que tienen lugar estas transformaciones de energía: ✓ Energía mecánica. Se puede transformar en: • Energía eléctrica. Esta transformación se verifica en los generadores, tanto de corriente continua (dinamos) como de alterna (alternadores). • Energía calorífica. En las partes móviles de las máquinas el rozamiento transforma parte de la energía mecánica en calor. ✓ Energía eléctrica. Es la más susceptible de transformarse en otros tipos de energía. Se puede convertir en: • Energía mecánica. Esta transformación tiene lugar en los motores eléctricos. • Energía química. En los acumuladores (por ejemplo, baterías de coches) la energía eléctrica, a través de un proceso de electrólisis, se transforma en energía química, que queda almacenada en la batería (la batería se carga). • Energía calorífica. Al pasar la corriente eléctrica a través de un conductor, se produce en él calor como consecuencia del llamado efecto Joule. Esta transformación de energía eléctrica en calorífica es la base del funcionamiento de todos los aparatos de calefacción eléctrica. • Energía radiante (luminosa), como sucede en las bombillas de incandescencia y en los tubos fluorescentes. ✓ Energía química. Se encuentra presente en todas las sustancias, en especial en los combustibles y en los alimentos. Se suele transformar en: • Energía eléctrica. Es el caso de las pilas y de los acumuladores. • Energía térmica. Es la transformación más frecuente. En la mayor parte de las reacciones químicas exoenergéticas (por ejemplo, las de combustión) la diferencia de energía entre los reactivos y los productos se desprende en forma de calor. • Energía radiante (luminosa). Por regla general las combustiones producen, además de calor, luz; es decir, energía luminosa. Se puede citar como ejemplo la combustión del acetileno, empleado en otro tiempo para la iluminación. • Energía mecánica. La energía química almacenada en los alimentos se convierte en los animales en la energía mecánica necesaria para llevar a cabo todas las actividades vitales. ✓ Energía calorífica. Se puede transformar en: • Energía mecánica. En las centrales térmicas que se considerarán más adelante el calor producido al arder carbón, gasóleo o gas natural convierte el agua líquida en vapor, y éste pone en movimiento las turbinas. • Energía eléctrica. Ejemplos de esta transformación son los convertidores termoiónicos, termoeléctricos y magnetohidrodinámicos. • Energía química. La ruptura de las moléculas de algunas sustancias (especialmente orgánicas) por la acción del calor –termólisis– es un ejemplo muy conocido de la transformación de energía calorífica en química.
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LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO ✓ Energía radiante. La más importante, debido a sus aplicaciones, es la procedente del Sol. Se puede convertir en: • Energía calorífica. De todos es conocido que los rayos del Sol calientan la superficie de los cuerpos sobre los que incide. En la práctica la transformación de la energía radiante en calorífica se realiza mediante unos dispositivos llamados captadores fototérmicos. • Energía eléctrica. Se verifica esta transformación en células solares o fotovoltaicas. • Energía química. La fotosíntesis que se da en la mayor parte de los vegetales constituye el ejemplo más característico de este tipo de transformaciones energéticas. ✓ Energía nuclear. La energía almacenada en los núcleos de algunos átomos se transforma, mediante procesos de fisión o de fusión nuclear, en energía calorífica. El calor procedente de las reacciones de fisión se aprovecha para su transformación en energía mecánica o eléctrica. 4.1. Rendimiento de las transformaciones energéticas En la práctica, ninguna de estas transformaciones energéticas se verifica en su totalidad. Es decir, si disponemos, por ejemplo, de 100 J de energía de una determinada clase, nunca se obtienen 100 J de energía del tipo deseado; siempre hay una fracción más o menos grande de energía que se convierte en calor y se disipa al exterior, sin que pueda ser utilizada posteriormente. Por regla general, las máquinas utilizan energía de una clase determinada y la transforman en energía mecánica (trabajo). Esta transformación interesa que sea lo más completa posible; es decir, que las pérdidas de energía en forma de calor queden reducidas a un mínimo. Para cuantificar el aprovechamiento energético de una máquina se considera un parámetro que se conoce con el nombre de rendimiento, , y que viene dado por la siguiente relación: Trabajo realizado
Energía utilizada
ACTIVIDADES 1. Cita varios ejemplos de transformaciones de: a) Energía eléctrica en calorífica. b) Energía mecánica en eléctrica. c) Energía química en calor. 2. Por un motor eléctrico conectado a una tensión de 220 voltios circula durante 1 hora una corriente de 8 amperios de intensidad. En ese tiempo ha conseguido elevar un cuerpo de 8 000 kg a 25 m de altura. Calcula el rendimiento energético del motor. Resultado:
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30,9 %
Normalmente se expresa en tanto por ciento (%). En este caso la expresión correspondiente será: Trabajo realizado
• 100 Energía utilizada
Ejemplos Un motor de 20 CV acciona una grúa que eleva un cuerpo de 600 kg a 20 m de altura en 1 min. ¿Cuál es el rendimiento de la instalación? (Recuérdese que 1 CV 735 W). Solución: Trabajo realizado Epg Energía utilizada
mgh 600 kg •9,8 m/s 2 •20 m 1,176 •10 5 J 735 W 1 CV
60 s 1 min
P•t 20 CV •—•1 min • 8,82•105 J
Por tanto, el rendimiento será:
1, 176 •10 5J
0,133 13,3% 5 8, 82 •10 J
UNIDAD 5. FUENTES DE ENERGÍA
La energía del futuro
El actual desarrollo científico y tecnológico que disfruta la humanidad requiere la utilización de energía en cantidades cada vez mayores. Esta energía se obtiene a partir de distintas fuentes naturales, que se conocen como fuentes primarias.
Estas fuentes de energía, la mayor parte de las cuales provienen en última instancia del Sol, se pueden clasificar de la forma siguiente:
Energía hidráulica. Fuentes renovables
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Energía solar.
(Se puede disponer de ellas sin peligro de que se Energía eólica. agoten. Por regla general, son las que originan menor im- Biomasa. pacto medioambiental.) Residuos sólidos urbanos (RSU).
Se especula mucho hoy en día acerca de cuál será la energía que se utilizará en gran escala una vez que se hayan agotado las reservas actuales de carbón, petróleo y gas natural. A este respecto, conviene mencionar las investigaciones que se realizan en multitud de centros experimentales acerca del posible aprovechamiento de la energía nuclear de fusión. Aunque los resultados obtenidos hasta la fecha no pueden considerarse en modo alguno concluyentes, cabe mantener la esperanza de que en un futuro no muy lejano sea posible aprovechar a escala industrial esta fuente de energía, que se libera al unirse núcleos de átomos ligeros, y que resulta barata, inagotable y escasamente contaminante.
Energía mareomotriz. Energía de las olas. Energía geotérmica. Fuentes no renovables
Carbón
(Se trata de depósitos de Petróleo energía, que constituyen re- Energía de combustibles fósiles. Gas natural servas limitadas, que disminuyen a medida que se van utilizando.) Energía nuclear de fisión.
ACTIVIDADES 1. ¿Qué diferencias existen entre energías renovables y no renovables? ¿Cuáles se utilizan preferentemente hoy en día? 2. ¿Por qué decimos que la mayor parte de la energía que utilizamos proviene del Sol?
6. IMPORTANCIA DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA El consumo de energía está muy ligado al de la electricidad, aunque ésta 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. Desde los años 1873, en que se inventó la dinamo, y 1883, en que se logró resolver el problema del transporte de la energía eléctrica, la producción y el consumo de este tipo de energía ha ido en constante aumento, hasta el punto de que un país industrializado duplica cada diez años su consumo medio de energía eléctrica.
Recursos y reservas de energía No todos los recursos energéticos conocidos y localizados son aprovechables. Para ello, su explotación ha de ser posible y económicamente rentable. Además, es necesario que la energía útil que se obtenga del recurso sea muy superior a la consumida en su extracción y posterior transformación. Los recursos que cumplen estas condiciones reciben el nombre de reservas, ya que pueden aprovecharse para su transformación en energía útil en condiciones económicamente rentables. Mientras que los recursos energéticos son muy abundantes, las reservas son más escasas, aunque variables en el tiempo. A medida que se abaratan los costes de explotación o aumenta el precio en el mercado, se van convirtiendo en reservas muchos recursos que antes eran inaprovechables.
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LA ENERGÍA, EL MOTOR DEL MUNDO La cogeneración Reciben este nombre aquellos procesos en los que se producen simultáneamente y de una forma conjunta electricidad y calor, en el mismo lugar en el que se utilizan.
La obtención de energía eléctrica se logra a partir de las fuentes primarias en instalaciones especiales que reciben el nombre de centrales eléctricas, y que pueden ser de distintos tipos: Tipo de Tipo central de central
Energía primaria que se transforma
Térmica
Energía procedente de la combustión de carbón, fuel o gas natural
Hidroeléctrica
Energía potencial del agua
Los módulos de cogeneración en los que se verifica este proceso están constituidos por:
Solar (fotovoltaica o térmica)
Energía del Sol
Eólica
Energía del viento
• Turbinas, alimentadas por vapor de agua producido al arder un combustible (generalmente, gas natural). La turbina mueve un generador eléctrico, y el vapor procedente de ella calienta una caldera, produciendo agua caliente para usos domésticos o industriales. Se utilizan para obtener grandes potencias.
Geotérmica
Calor interno de la Tierra
Mareomotriz
Energía de las mareas
El rendimiento, tanto eléctrico como térmico, es muy elevado, llegando incluso al 90%.
• Motores Diesel, que se usan para conseguir potencias de 70 kW a 2 MW. Los sistemas de cogeneración significan un ahorro considerable de energía primaria, al mismo tiempo que reducen la contaminación medioambiental. En España, la producción de energía por cogeneración supuso en 1990 el 3,3% de la energía total.
La producción de electricidad se ha convertido en requisito indispensable del proceso de industrialización, debido 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 se desee. Es una energía limpia. Una vez obtenida, apenas produce contaminación medioambiental. Es fácil de transportar. Se puede hacer llegar a cualquier punto sin pérdidas apreciables, siempre que el transporte se realice a alta tensión. Es fácil de transformar en otros tipos de energía (mecánica, calorífica, química, luminosa, etc.). Los motores eléctricos accionan los medios de transporte, la maquinaria de las fábricas y los aparatos electrodomésticos. Los distintos sistemas de alumbrado son también de tipo eléctrico. Sin embargo, la energía eléctrica presenta el gran inconveniente que le otorga la imposibilidad de ser almacenada: hay que consumirla en el momento en que se produce. Ello ocasiona grandes problemas y aumenta considerablemente los costos, lo que se comprende fácilmente si se tiene en cuenta la enorme fluctuación en la demanda según las diferentes estaciones y horas del día.
ACTIVIDADES 1. Cita ejemplos en los que una energía primaria se aproveche directamente, sin necesidad de convertirla previamente en energía eléctrica. 2. ¿Por qué se dice que la energía eléctrica es muy versátil? 3. Haz un breve trabajo de redacción en el que se ponga de manifiesto la influencia de la energía eléctrica en el desarrollo científico y tecnológico de un país.
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UNIDAD
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ACTIVIDADES DE SÍNTESIS
1. Razona si las siguientes afirmaciones son ciertas o falsas. • El
kilowatio hora equivale a 3, 6 •10 watios. 6
• Hay
esperanzas fundadas de que en el futuro se utilice de forma masiva la energía nuclear de fusión.
• En
los motores eléctricos la energía mecánica se transforma en energía eléctrica.
• Todos
los cuerpos poseen calor, aunque en muchas ocasiones no lo ponen de manifiesto.
2. Una grúa eleva una masa de 1 000 kg a una altura de 15 m en 1/4 de min. a) ¿Qué trabajo realiza? b) ¿Cuál es su potencia? Resultados: a) W 147 000 J; b) P 9 800 W 3. Un motor quema 1 kg de combustible de poder calorífico 500 kcal/kg y eleva 4 000 kg de agua a 20 m de altura. ¿Cuál es el rendimiento del motor? Resultado: 37,5 % 4. Un automóvil de 1 000 kg de masa marcha a una velocidad de 108 km/h. a) ¿Qué cantidad de calor se disipa en los frenos al detenerse el coche? b) Si ese calor se comunicara a 10 litros de agua, ¿cuánto se elevaría su temperatura? Resultados: a) Calor 108 kcal; b) t 10,8 ºC 5. Un muelle elástico se alarga 4 cm bajo la acción de una fuerza de 5 kp. Calcula la energía potencial elástica que almacena cuando se estira 10 cm. Resultado: Epx 6,125 J 6. ¿De qué maneras se puede propagar el calor? Explícalo, considerando como foco calorífico una estufa situada en el centro de una habitación. 7. En la cima de una montaña rusa un coche y sus ocupantes, cuya masa total es 1 000 kg, está a una altura de 40 m sobre el suelo y lleva una velocidad de 5 m/s. ¿Qué energía cinética tendrá el coche cuando llegue a la cima siguiente, que está a 20 m de altura? Resultado: Ec 208 500 J
8. ¿Puede ser negativo el trabajo? ¿Y la energía cinética? ¿Y la energía potencial gravitatoria? ¿Y la energía elástica? Razona tus respuestas. 9. Si 2 mg de masa se convirtiesen íntegramente en energía, ¿cuántos kilowatios-hora producirían? Resultado: E 5 •10 4 kWh 10. Un motor de 16 CV eleva un montacargas de 500 kg a 20 m de altura en 25 segundos. Calcula el rendimiento del motor. (Recuérdese que 1 CV = 735 W) Resultado: 33,3% 11. Un automóvil con una masa de 1 000 kg aprovecha el 20% de la energía producida en la combustión de la gasolina cuyo poder calorífico es 4 10 cal/g. Si el coche partió del reposo y alcanzó la velocidad de 36 km/h, calcula: a) La energía utilizada por el motor. b) La energía total producida. c) La cantidad de gasolina gastada. Resultado: a) 5 •104 J 1,2 •10 4 cal 4 b) 6 •10 cal
c) 6 g 12. ¿Qué trabajo podrá realizarse mediante el calor producido por la combustión de 100 kg de carbón si cada kilogramo de carbón origina 9 000 kcal y el calor solamente se aprovecha en un 40%? Resultado: 15,05 •10 8 J 13. Un automóvil de masa 1 000 kg marcha a una velocidad de 20 m/s. Si frena bruscamente hasta detenerse, ¿qué calor se libera en el frenado? Resultado: 48 kcal 14. Un muchacho alpinista, cuya masa es 60 kg, tomó 234 g de azúcar cuyo contenido energético es de 938 kcal. Suponiendo que solamente un 15% del mismo se transformó en energía mecánica, ¿qué altura podrá escalar ese alpinista a expensas de dicha energía? Resultado: 1 000 m 15. Se dice frecuentemente que el calor es la forma más degradada de la energía. ¿Qué se quiere expresar con esa afirmación?
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