Tema 1B – Producción y transformación de las distintas formas de energía

Por definición, la energía es la virtud para obrar o producir un efecto. No obstante, el concepto de energía no es fácil de comprender, ya que la energía solo se pone de manifiesto cuando pasa de unos cuerpos a otros, es decir, cuando se transforma.

Continuamente se producen transformaciones de energía en la Naturaleza: la energía que recibimos del Sol transforma en agua la nieve de las montañas, eleva la temperatura de los ambientes, hace crecer las plantas que alimentan a diferentes animales, etc. Muchas de estas transformaciones tienen lugar sin que intervenga el hombre.

Pero tan importantes como las transformaciones de energía en la Naturaleza, son las transformaciones de energía provocadas por el ser humano para su aprovechamiento tecnológico. Así, en estos momentos, la energía constituye la base del desarrollo y es imprescindible en las actividades que conforman nuestra civilización: el transporte, la producción industrial, las actividades comerciales, las explotaciones agrarias o ganaderas, el funcionamiento del sector servicios y la vida familiar y social.

1.1 Definición de energía.

Desde el punto de vista científico, podemos definir la energía como una propiedad de los cuerpos, capaz de producir transformaciones en ellos mismos o en otros cuerpos, o bien la capacidad de realizar un trabajo. Un cuerpo posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre él. La energía , pues, tiene dos estados posibles:

cinético o actual, cuando el cuerpo está produciendo un trabajo

potencial o latente, en el cual el cuerpo tiene capacidad para desarrollar ese trabajo

Un factor importante a tener en cuenta en las transformaciones de energía es el rendimiento, ya que en cualquier sistema de transformación de energía se producen pérdidas (energía no aprovechable, generalmente, calor) que se han de minimizar.

1.2 Formas de energía.

Durante mucho tiempo, las únicas fuentes de energía fueron la masa muscular del hombre o de los animales y la fuerza del viento o del agua. En el s. XVII se añadió a estas el carbón, y en el

s. XIX aparecieron el petróleo, el gas natural y la energía hidroeléctrica; finalmente, en el s. XX, la energía nuclear.

Las principales formas de energía susceptibles de aprovechamiento tecnológico son las siguientes:

– ENERGÍA ELÉCTRICA

La energía eléctrica es la capacidad que tienen los cuerpos para producir un trabajo, por medio de la electricidad o corriente eléctrica. Ésta consiste en el desplazamiento de los electrones a través de un conductor.

En la actualidad, es el sistema de alimentación energético de nuestras viviendas, ya que es versátil, de fácil generación y transporte, y no produce residuos. Como inconveniente, no es almacenable.

– ENERGÍA TÉRMICA O CALORÍFICA

La energía térmica es la energía producida por los efectos del calor en los cuerpos. Así, en las calderas de vapor el agua se calienta hasta su evaporación y es enviada a una turbina, donde se produce el trabajo traducido en los movimientos de una turbina.

– ENERGÍA QUÍMICA

La energía química es la energía que se genera por la combustión química, en la que se combina oxígeno con la materia del cuerpo que arde. Durante la combustión se produce luz y calor, que se aprovecha para producir un trabajo.

La mayor parte de la energía que se consume proviene de la energía química almacenada en los combustibles fósiles: carbón, petróleo y sus derivados, gas natural, … Estos son recursos energéticos no renovables, y la mayoría tiene un alto poder contaminante, por tanto en la actualidad se ha tendido a desarrollar la energía renovable.

– ENERGÍA MECÁNICA

La energía mecánica es la energía generada a partir de la transformación de la energía cinética de un cuerpo al chocar contra otro. Y depende básicamente de la velocidad del cuerpo en movimiento. Un ejemplo típico es el martillo-pilón, con el cual se comprimen piezas de grandes dimensiones.

– ENERGÍA NUCLEAR

Es una fuente de energía joven que se ha desarrollado rápidamente desde los años 80. La energía nuclear se puede obtener de dos formas:

Fisión: Es la forma en la que se obtiene energía en las actuales centrales nucleares. Se bombardean los núcleos de los átomos del combustible nuclear

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http://www.educajob.com/xmoned/temarios_elaborado…20y%20transformaci%F3n%20de%20la%20energ%EDa.htm (2 de 9)23/09/2007 10:32:59

(uranio enriquecido, plutonio), entonces estos se rompen liberando una gran cantidad de energía.

La principal ventaja de esta energía es su rendimiento, así la fisión del uranio tiene un rendimiento energético 52,5 millones de veces superior al obtenido por la combustión de la misma masa de carbón. Como inconveniente, los residuos generados son altamente tóxicos.

Fusión: Consiste en la liberación de una gran cantidad de energía a partir de la fusión artificial de los núcleos de dos átomos ligeros para obtener uno más pesado, de helio. Se trata todavía de una tecnología en vías de desarrollo, ya

que es necesaria energía para comenzar el ciclo de desarrollo.

1.3 Producción de las distintas formas de energía.

– PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Aunque la electricidad existe en la Naturaleza, en fenómenos como los rayos, no es aprovechable por el ser humano. Sin embargo, el hombre ha desarrollado aparatos capaces de producir electricidad:

Pilas, que mediante una reacción química en su interior generan la corriente eléctrica.

Generadores, que consiguen la corriente eléctrica haciendo girar una bobina de hilo de cobre, montada en un eje, entre los polos positivo y negativo de un imán.

En las centrales eléctricas, se reproduce a escala el mecanismo del generador pero invirtiendo sus elementos: se rota un campo magnético (elemento móvil al que se denomina rotor) a través de una bobina de cobre (a la que se denomina estator), entonces se produce una tensión.

Existen tres tipos de centrales eléctricas:

Centrales hidroeléctricas

La producción de electricidad en una central hidroeléctrica se basa en la siguiente idea: una masa de agua almacenada a cierta altura posee una energía potencial en función de esa altura. Si se deja caer esta masa de agua desde dicha altura a un nivel inferior se genera un energía cinética equivalente a dicha energía potencial.

Es decir, se cumple el principio de conservación de la energía:

Ec(0)+Ep(0)=Ec(t)+Ep(t)

La energía mecánica de un objeto (suma de la energía potencial más cinética) es constante en todos los puntos de su trayectoria. Donde: La energía cinética Ec depende de la masa y la velocidad del objeto según la ecuación: Ec = (1/2)mv2, donde m es la masa del objeto y v2 la velocidad del mismo elevada al cuadrado.

Y la energía potencial Ep se derivar de la ecuación: Ep = (ma)d, donde a es la aceleración de la masa m y d es la distancia a lo largo de la cual se acelera.

Así a la energía de esta forma generada, se le denomina energía hidráulica. Existen diferentes tipos de centrales hidroeléctricas , en función de la altura del

salto de agua y de su capacidad:

§ Centrales de caída o de montaña, se caracterizan por un gran salto para pequeños caudales. Son centrales de poca potencia que se emplean para cubrir las horas punta de consumo.

§ Centrales de hiperembalse o de lago, se caracterizan por una gran capacidad de almacenaje para acumular agua, que será necesaria en épocas de sequía.

§ Centrales de pequeño salto, se caracterizan por producir gran cantidad de potencia debido a la gran cantidad de agua que circula por ellas. No disponen de gran capacidad de almacenamiento.

§ Centrales de presa, son la más habituales y más diversas. El salto generado puede variar entre los 40 y 200 metros, y también varía el caudal almacenado.

Centrales termoeléctricas

Surgen debido a las escasa lluvias, que hacen que las centrales hidroeléctricas tengan muy limitada su producción.

El principio de funcionamiento consiste en hervir grandes cantidades de agua, utilizando combustibles fósiles (centrales termoeléctricas de carbón, de gas,…), o bien la fisión del uranio (central nuclear), para obtener vapor que mueva una turbina. Esta turbina pone en movimiento el magneto del generador.

Estas centrales son poco flexibles y han de trabajar en base de carga, es decir, producen continuamente la mayor cantidad de energía posible.

Centrales nucleares

Como vimos en el apartado anterior una central nuclear es una central termoeléctrica en la que se emplea la energía liberada por la fisión del uranio enriquecido para calentar grandes cantidades de agua.

El uranio se encuentra en una vasija herméticamente cerrada, y su núcleo es bombardeado hasta producirse su fisión liberándose gran cantidad de calor. Este calor se aprovecha para producir el vapor de agua que va a la turbina y mueve el rotor, generando energía eléctrica.

– PRODUCCIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA O CALORÍFICA La energía térmica es la energía liberada en forma de calor.

Se produce sobretodo en las calderas, mediante la combustión de algún combustible

fósil (petróleo, gas natural o carbón), pero también se obtiene de la naturaleza (energía geotérmica), mediante electricidad por efecto Joule, por rozamiento, por un proceso de fisión nuclear o como residuo de otros procesos mecánicos o químicos.

El 60% de la energía primaria consumida se transforma en calor y se utiliza de tal forma. La energía así obtenida se aprovecha directamente, para calefacción (estufas), obtención de agua caliente (calderas) y refrigeración (refrigeración por absorción). En estos casos, la energía térmica puede provenir de procesos de combustión, de fuentes naturales (sol, geotérmica), de la energía eléctrica o del aprovechamiento de calor residual de procesos industriales.

La energía térmica también se puede aprovechar en un motor térmico; en el caso de la energía nuclear para la generación de energía eléctrica, y en el caso de la combustión, además, para obtener trabajo, como en los motores de los automóviles o de los aviones.

– PRODUCCIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA

La energía mecánica se produce en mecanismos o máquinas en las que sus partes cumplen el principio de conservación de la energía, ya que la energía mecánica es la suma de energía cinética y potencial de un cuerpo.

1.4 Transformación de las distintas formas de energía.

Como hemos visto, existen diversas formas de energía: energía mecánica, eléctrica, lumínica, acústica, …, de las cuales la más utilizada es la energía eléctrica. Hay tres tipos de energía eléctrica, que son: corriente estática (el rayo), corriente continua (las baterías) y la corriente alterna (la que llega a nuestras casas). Nos damos cuenta, entonces que es necesario modificar o transformar las formas de energía para adecuarlas a nuestras necesidades. Así, podemos definir transformación de energía a todo paso de una energía a otra.

Para la transformación de energía se han de tener en cuenta algunos puntos básicos:

● La energía no se puede ni crear ni destruir, solo se puede transformar de un tipo de energía a otro. Por ejemplo, la energía eléctrica (corriente alterna) que nos llega a nuestras casas, la transformamos en energía calorífica por medio de los discos de la cocina, energía lumínica en las bombillas, etc.

● La transformación de energía es, en general, reversible.

● La transformación de energía se caracteriza por una magnitud denominada rendimiento, la cual da idea de las pérdidas que aparecen en el proceso de conversión. Existe un límite en el que las pérdidas no pueden disminuir.

En definitiva, se trata de obtener una solución de compromiso entre la economía y el rendimiento del sistema.

– TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

La energía eléctrica es fácilmente transformable en otras formas de energía. Ejemplos:

se convierte en energía mecánica: en una maquinilla de afeitar, los molinillos de café, ventiladores, el ‘starter’ del coche, los motores de las fábricas, de los tranvías, de las locomotoras eléctricas, …

Así, se define como motor eléctrico la máquina que nos permite convertir una energía eléctrica en energía mecánica. En los motores eléctricos, la transformación de energía se funda en los efectos de la inducción electromagnética. Inducción es la generación de una corriente eléctrica en un conductor en movimiento en el interior de un campo magnético físico. Para conseguir un movimiento de rotación continuado es necesario que en cada media vuelta se invierta el sentido de la corriente que circula por la bobina, con lo que el nuevo par actuando en el sentido del movimiento provoca la siguiente media vuelta y así sucesivamente. Aun cuando en la posición de la bobina perpendicular a las líneas de fuerza el momento es nulo, dicha orientación es sobrepasada debido a la inercia de la bobina en movimiento, lo que permite que el nuevo par entre en acción. Existen dos tipos de motores eléctricos, según sea la corriente continua o alterna.

§ Motor de corriente continua: Está compuesto de un estator y un rotor. En muchos motores c.c., generalmente los más pequeños, el estator está compuesto de imanes para crear un campo magnético. En motores c.c. más grandes este campo magnético se logra con devanados de excitación de campo. El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor y está compuesto de arrollados de cable conductores de corriente continua. Esta corriente continua es suministrada al rotor por medio de las “escobillas” generalmente fabricadas de carbón. El elemento conmutador encargado de invertir en cada media vuelta el sentido de la corriente eléctrica que circula por la bobina, está formado por dos piezas semicilíndricas o delgas, aisladas eléctricamente entre sí, solidarias al rotor y en contacto con unas varillas de grafito o escobillas, cuya misión es mantener el paso de la corriente del generador a la bobina. Con frecuencia el campo magnético es producido por un electroimán alimentado también por corriente eléctrica.

§ Motor de corriente alterna: La corriente alterna, que es la empleada habitualmente para usos domésticos e industriales, se caracteriza porque

invierte su sentido de modo alternativo a razón de 50 veces por segundo, lo cual hace innecesario el conmutador. Por tal motivo, los motores que funcionan con corriente alterna disponen de unos anillos colectores completos y no partidos en dos mitades aisladas como en los motores de corriente continua. Su velocidad de rotación está limitada, en este caso, por la frecuencia de la corriente que los alimenta.

se convierte en calor por medio de una resistencia: por ejemplo, en las planchas, las lámparas de IR, los secadores de cabello y de pintura, las estufas eléctricas,… Para producir calor sencillamente se aprovecha la Ley de Ohm. Así en las pérdidas se disipan en la resistencia en forma de calor.

Se convierte en luz: en lámparas de neón y fluorescentes (excitando la fluorescencia de un gas), en lámparas de vapor (excitando el vapor de un

metal), en proyectores de cine (por arco voltaico entre dos barras de carbón), en las bombillas en las que simplemente se hace pasar la corriente por una resistencia que se pone incandescente al calentarse, pero que no se funde al

estar encerrada en una cápsula que contiene un gas inerte.

– TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA TÉRMICA O CALORÍFICA La energía térmica permite múltiples conversiones:

genera energía mecánica:

En función de si la producción de calor se da dentro o fuera de la máquina térmica podemos distinguir entonces dos tipos de motores: de combustión externa o interna, y a su vez se pueden subdividir según la caracterización cinemática su movimiento:

§ Motores de combustión externa con movimiento alternativo:

máquinas de vapor alternativos, o de cilindro y émbolo

§ Motores de combustión externa con movimiento circular: turbina de vapor

§ Motores de combustión interna con movimiento alternativo:

motores de explosión, diesel

§ Motores de combustión interna con movimiento circular continuo:

turbinas de gas

Es interesante plantearse de donde procede esta energía térmica que estamos transformando en mecánica, en la mayoría de casos procede de la energía química, de forma que por combustión pasa química a térmica, y por transformación termodinámica de térmica a mecánica.

permite obtener energía eléctrica:

§ Los efectos termoiónicos y termoeléctricos permiten la obtención de electricidad, pero los rendimientos son todavía muy bajos y no resultan rentables. En un futuro, con el aumento del precio de los combustibles puede ser que llegue a ser rentable invertir en este tipo de tecnología.

§ Los generadores magneto-hidrodinámicos también permiten la obtención de energía eléctrica, si bien es necesaria una temperatura muy elevada, por lo cual solo se consigue esta energía térmica de elevada temperatura mediante energía nuclear.

El funcionamiento de un generador magneto-hidrodinámico se basa en el aprovechamiento de la energía mecánica de un gas ionizado a alta temperatura a través de un campo magnético perpendicular a la dirección del desplazamiento. El fluid ionizado se denomina plasma, y está compuestos por partículas cargadas a alta velocidad. Pero, para obtener estas elevadas velocidades es necesario recalentar el gas hasta obtener la excitación térmica, ya que una vez que el gas ionizado ha atravesado el campo magnético pierde parte de su energía mecánica.

– TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA QUÍMICA Algunos ejemplos de esta transformación son:

La conversión a energía mecánica para realizar movimientos en los seres vivos.

La transformación en energía eléctrica en una pila galvánica.

Pero, por su sencillez se usa habitualmente la combustión química para obtener energía térmica. Se combina oxígeno con el combustible que se lleva a su punto de ignición, y se libera la energía contenida en los enlaces de valencia.

– TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA

Son fuentes de energía mecánica la eólica, maremotriz, hidráulica,… Éstas permiten obtener:

energía térmica, mediante una máquina frigorífica

energía eléctrica, mediante una máquina electromecánica (alternador). incluso, de nuevo, energía mecánica, como por ejemplo un molino.

Si observamos el primer caso, el de la máquina frigorífica, los compresores de tipo centrífugo que posee son accionados por turbinas impulsadas por vapor. Éste vapor se origina por combustión química. Así, vemos que pasamos de energía química a térmica, de térmica a mecánica, y de mecánica de nuevo a térmica. De esta forma,

conseguimos mejorar el rendimiento, ya que la energía térmica que conseguimos es por absorción de calor, produciendo frío simultáneamente, en cambio en el primer paso

solo obtenemos calor.

– TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA NUCLEAR

Hay dos métodos para transformar la energía nuclear en térmica:

Fisión nuclear

Es la reacción en la que un núcleo pesado es bombardeado con neutrones y se

descompone en dos núcleos. Uno de ellos queda de masa aproximadamente la mitad, con gran desprendimiento de energía, y la emisión de dos o tres neutrones.

Éstos, a su vez, pueden ocasionar más fisiones, que emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente si la constante de multiplicación es mayor que 1. Este efecto multiplicador se conoce como reacción en cadena. Se trata entonces de obtener una reacción controlada, de forma que solo unos de los neutrones generados produzca una fisión posterior, entonces tenemos un número constante de

fisiones por segundo.

Las reacciones nucleares se producen a una gran velocidad y se obtiene mucha más energía que, por ejemplo, con las reacciones químicas.

Fusión nuclear

Es la reacción en la que dos núcleos muy ligeros se unen para formar un núcleo más pesado y estable, con gran desprendimiento de energía.

Para que tenga lugar la fusión, los núcleos cargados positivamente, deben aproximarse, venciendo las fuerzas electrostáticas de repulsión. La energía cinética necesaria para que los núcleos que reaccionan venzan las interacciones se puede suministrar en forma de energía térmica o utilizando un acelerador de partículas.

La solución más viable es la fusión térmica. Se producen reacciones termonucleares en los reactores de fusión, fundamentalmente con los isótopos de hidrógeno:

Protio Deuterio Tritio

Posibles reacciones nucleares de fusión:

Para conseguir estas reacciones se han de conseguir dos objetivos:

§ Calentar el gas, para que los electrones salgan de sus órbitas y los núcleos puedan ser controlados por un campo magnético.

§ Confinar la materia para mantenerla en estado de plasma o gas ionizado, encerrada en la cavidad del reactor el tiempo suficiente para que pueda reaccionar.

Este tipo de reacciones son muy atractivas como fuente de energía. El deuterio no es reactivo y se encuentra en abundancia en la naturaleza, el tritio no se presenta de manera natural y además, es radioactivo. Pero, las investigaciones se centran en reacciones de fusión deuterio-tritio, debido a que liberan mayor energía y que la temperatura a la que se produce la fusión es considerablemente menor.

Publicado: diciembre 21, 2015 por Santiago

Etiquetas: tema 1 tecnología