ACES ¡Ahorremos Energía! ¡AHORREMOS ENERGIA! Parque eólico 1 ACES ¡Ahorremos Energía! objetivos de aprendizaje Al finalizar la unidad se espera que seas capaz de: 1. Reconocer y distinguir entre sí los diferentes tipos de energía, describir las bases para esta distinción y clasificar el tipo a que pertenecen algunos ejemplos habituales. 2. Describir en qué condiciones y de qué forma se producen transformaciones de unos tipos de energía en otros. 3. Enunciar con tus propias palabras el principio de conservación de la energía, y relacionar el principio de conservación y la degradación. 4. Comparar el rendimiento de distintas transformaciones energéticas, y ordenarlas según su eficiencia. 5. Explicar por qué hay que "ahorrar energía" si ésta se conserva. 6. Interpretar, en términos de transformaciones y transferencias de energía distintos procesos, por ejemplo de redes y cadenas alimentarias, de fabricación de materiales, de procesado de alimentos... 7. Distinguir entre tipos de energía y tipos de recursos energéticos (o fuentes de energía). 8. Comparar distintos combustibles en cuanto a la energía que proporcionan, su precio y los costes medioambientales de su uso. 9. Argumentar las ventajas e inconvenientes de distintos métodos de ahorro energético a escala nacional y planetaria, y proponer medidas concretas para el ahorro energético doméstico y en el centro escolar. 10. Transformar enunciados de la vida cotidiana relacionados con la energía, formulándolos en términos acordes con la física. 2 ACES ¡Ahorremos Energía! LA ENERGIA ES ETERNA ¿QUÉ SABEMOS DE LA ENERGÍA? Piensa un poco sobre estas cuestiones, y después discutidlas en el grupo. Con las respuestas elaborad un cartel con letras grandes para que los demás puedan leerlo: - 1 ¿Qué es para ti la energía? - 2 Escribe cuatro palabras asociadas con la palabra "energía" - 3 ¿De dónde obtenemos las personas la energía que gastamos en movernos, correr, hablar, estudiar etc? 3 ACES ¡Ahorremos Energía! Vamos a trabajar en primer lugar sobre la cuestión 3. Imagina que tienes que recorrer corriendo el camino entre tu casa y el centro, actividad en la que utilizas energía ¿De dónde la consigues? Es probable que entre las respuestas que habeis dado en el grupo a la cuestión 3 aparezcan estas: PERSONAS AGUA AIRE DORMIR COMIDA Tomar el SOL Ahora elegid una de ellas, la que os parezca más adecuada, y unirla por medio de una flecha a "persona", para indicar que las personas obtienen así su energía; a su vez este factor ¿De dónde obtiene la energía? 4 ACES ¡Ahorremos Energía! a)................ AGUA AIRE COMIDA SOL SUELO ......(otros) AGUA AIRE COMIDA SOL SUELO .......(otros) Escribe en la línea de puntos a) la respuesta elegida en la cuestión anterior, y únela con una flecha a lo que pienses que es su fuente de energía. Luego une con una flecha la palabra elegida en esta columna a la de la segunda columna que te parezca su fuente de energía. De esta forma hemos establecido una ruta de energía en sentido inverso, es decir desde la persona que la utiliza hasta la fuente. 5 ACES ¡Ahorremos Energía! TIPOS DE ENERGÍA En la actividad anterior hemos trabajado con dos tipos de energía, la de la luz, y la química, como la que se obtiene de los alimentos (jamón, hierba etc). La energía que conseguimos cuando comemos, por ejemplo una chuleta, ¿para qué la usamos?, o en otras palabras ¿cómo la gastamos?. De entre las siguientes actividades y funciones humanas, escoge las que te parezca que utilizan energía (pueden ser muchas), y numéralas poniendo el 1 a la que te parezca que requiere más energía, 2 a la siguiente y así sucesivamente. - bajar escaleras - comer - correr - escribir - lavar platos - mantenerse caliente - nadar - pasear 6 ACES ¡Ahorremos Energía! Compara este orden con el de otros grupos y con los datos que tiene tu profesora o profesor. La energía no está presente únicamente en las actividades humanas, sino también en el mundo inanimado: un muelle en tensión, un explosivo, una bolsa de agua caliente o un balón lanzado con fuerza son ejemplos de sistemas inertes con energía, a los que seguro que podrás añadir otros. (.................................................................................................................................. ...,......................................................................................................................................... ......) Con frecuencia habrás oido hablar de diferentes tipos o formas de energía: términos como energía cinética, energía térmica, energía potencial gravitatoria o energía química no te sonarán desconocidos, pero vamos a detenernos un poco en ellos. Energía cinética es la energía que tiene un objeto por estar en movimiento. Todo objeto en movimiento la tiene, y la cantidad de energía cinética depende de su masa y, sobre todo, de su velocidad, de acuerdo con la expresión: Ec = 1/2 m v2 donde Ec representa energía cinética m representa la masa v representa la velocidad. Si expresamos la masa en kilogramos (kg) y la velocidad en metros por segundo (m/s), la energía cinética vendrá expresada en joules o julios (J), que es la unidad de energía en el sistema internacional (S.I.). Fíjate que la velocidad influye más que la masa en la Energía cinética. Veamos un ejemplo: 7 ACES ¡Ahorremos Energía! ¿Qué tuvo más efecto sobre la energía, aumentar (al doble) la masa o aumentar (al doble) la velocidad? Ejercicio Estima la energía cinética que tienen: a) un coche circulando por una autopista b) una pelota de tenis (durante el juego) c) una flecha disparada por Robin Hood. Robin Hood Ejercicio Calcula qué velocidad tiene que tener un terrón de azúcar para tener la misma energía cinética que la que nos aporta como alimento. 8 ACES ¡Ahorremos Energía! A la energía que tienen los objetos por estar a una cierta altura, le llamamos energía potencial gravitatoria: tienen energía potencial gravitatoria el agua de un embalse, una maceta en una ventana o una persona en lo alto de un trampolín. La cantidad de energía potencial gravitatoria depende de la masa y de la altura, y podemos calcularla mediante la expresión: Epg = mgh donde Epg es la energía potencial gravitatoria m es la masa g es la aceleración de la gravedad h es la altura desde la que puede caer Para que la Epg venga dada en Julios, la masa ha de estar en kilogramos y la altura en metros. Para g podemos tomar el valor de 9,8 m/s2. Ejercicio Estima la energía potencial gravitatoria de: a) una chica en un trampolín b) una bombona de butano en un 8º piso c) un halcón peregrino iniciando la caza. Ejercicio ¿A qué altura debería estar el terrón de azúcar para tener una Epg equivalente a la que nos aporta como alimento? 9 ACES ¡Ahorremos Energía! Es frecuente denominar energía térmica a la energía que tienen los objetos en función de su temperatura. Así una bolsa de agua caliente tiene más energía térmica que cuando está fría. Nosotros necesitamos reponer nuestra energía térmica cuando cedemos calor al ambiente. A la energía que tienen las sustancias por su composición química podemos llamarla energía química. Así por ejemplo, una moto utiliza la energía química de la gasolina. Nosotros tomamos la energía química de los alimentos y la usamos en nuestras actividades y en mantenernos calientes. Por eso nuestros requerimientos energéticos cambian según las épocas del año y la temperatura, según el tipo de trabajo que haga cada persona etc. 10 ACES ¡Ahorremos Energía! Pon al lado de cada una de estas comidas la época del año en que son más habituales: - cocido - gazpacho - ensalada - lacón con grelos - chocolate con churros - fabada - Explica por qué crees que el cocido se toma en la época del año en que es típico. - De las formas de energía que hemos visto ¿cuáles son fáciles de almacenar? Razona tu respuesta - ¿Puedes poner ejemplos de almacenamiento de alguna de esas formas de energía? 11 ACES ¡Ahorremos Energía! LA ENERGÍA ES ETERNA En los ejemplos anteriores vimos que la energía puede pasar de un lugar a otro, por ejemplo SOL ---------- HIERBA ----------- VACA----------- PERSONA Cuando levantamos una pelota le transferimos energía, o continuamente transferimos energía térmica al ambiente, si está a menor temperatura que nuestro cuerpo. Es decir la energía se transfiere de un cuerpo a otro. Embalse Además la energía puede cambiar de forma, transformarse en energía de otro tipo. Por ejemplo la energía potencial del agua almacenada en un embalse, se transforma en energía cinética al caer. Esta energía puede aprovecharse en una central eléctrica y, por medio de la electricidad puede transformarse en - luminosa (una bombilla) - térmica (un hornillo de cocina o una estufa) - cinética (un molinillo de café, una batidora, un ventilador) - ........¿se te ocurre alguna posibilidad más? 12 ACES ¡Ahorremos Energía! Actividad. Observa cómo se transforma la energía. Materiales: péndulo, soporte, pila, cables, bombilla, vela, vaso de precipitados, termómetro, agua, balanza. Con los materiales anteriores diseña procesos en que se puedan observar transformaciones o transferencias de energía, y explícalas lo más detalladamente posible. Material de laboratorio 13 ACES ¡Ahorremos Energía! Hasta ahora hemos visto que la energía puede existir en varias formas, que puede transformarse (pasar de una forma a otra), y que puede pasar de un cuerpo a otro (transferirse). Para trabajar un poco más con la energía, es interesante tener en cuenta que es un concepto inventado, difícil de definir. Sin embargo este concepto de energía es útil porque gracias a él resulta más fácil entender muchos procesos. La energía tal como se entiende en Física tiene como propiedad fundamental que su cantidad en el Universo permanece siempre constante, en otras palabras, ni se crea energía nueva, ni se destruye la ya existente. Lo que puede ocurrir es que la energía cambie de una forma a otra (se transforme) o que la energía pase de un objeto a otro (se transfiera), pero en cualquier transformación o transferencia, la cantidad total de energía no varía. Esto se conoce como principio de conservación de la energía. A la luz de este principio vamos a revisar algunas de las actividades anteriores: • Calentar agua con una vela En este caso puedes calcular por separado la energía cedida por la combustión de la vela y la energía absorbida por el agua: E cedida vela= ∆m x Cc donde: ∆m es la masa de vela que ardió Cc es el calor de combustión de la vela (46,8 kJ/g) E absorbida agua = m x 4,18 x (t2 - t1) donde: m es la cantidad de agua (en g) 4,18 es el calor específico del agua en J/g °C t2 es la temperatura final del agua t1 es la temperatura inicial del agua Si las cantidades no coinciden (ni siquiera se aproximan) ¿cómo lo explicas? 14 ACES ¡Ahorremos Energía! • Flujo de energía: sol, hierba, vaca, persona SOL ---------- HIERBA ----------- VACA----------- PERSONA Veamos algunas cantidades de energía (aproximadas) que intervienen: - energía radiante, proveniente del sol, que incide sobre 1 metro cuadrado de prado durante un año: 8 000 000 kJ. - crecimiento de la hierba en el m2 de prado: 20 000 kJ - hierba comida por la vaca: 3000 kJ - energía incorporada al nuevo tejido de la vaca (filete): 125 kJ (equivalentes a unos 10 g de carne). Como ves, en cada eslabón de la cadena aparece mucha más energía al principio que al final. ¿Donde están las cantidades de energía que faltan? (De acuerdo con el principio de conservación no puede faltar ni sobrar nada.). 15 ACES ¡Ahorremos Energía! • La energía en el péndulo En la oscilación del péndulo se observa la conversión de energía cinética (1/2mv2) en energía potencial gravitatoria (mgh). Sin embargo esta conversión de energía tiene una pequeña "fuga", que resulta evidente si esperas algún tiempo (un par de minutos): el péndulo se habrá detenido. ¿dónde ha ido a parar la energía? • La pila y la bombilla Sólo una pequeña parte de la energía química de la pila se transforma en luz visible. El resto habrá que buscarlo en emisión de radiación no visible, ¿de qué tipo? ¿cómo se manifiesta? Lectura La energía "perdida" En muchos procesos, al cambiar de tipo la energía, al transformarse, no lo hace a una única forma. Igualmente, al transferirse energía de un cuerpo, no se transfiere sólo a otro cuerpo u objeto, sino a varios. Por ejemplo, cuando arrancamos en un automóvil, la energía química de la gasolina se transforma en energía cinética, que pone en movimiento el automóvil. Pero además el motor se calienta, debido a que parte de la energía de la gasolina se ha transformado en energía térmica. En muchos aparatos de uso corriente que funcionan conectados a la corriente eléctrica puede observarse este calentamiento; una lámpara ilumina debido a la energía radiante (luz), pero también se calienta debido a que parte de la energía se transforma en energía de tipo térmico. Una aspiradora pone en movimiento el aire (le comunica energía cinética) para hacerlo pasar por un filtro que retiene el polvo, pero además se calienta el motor y el aire que sale (energía térmica). Para expresar la relación entre las cantidades de energía que siguen los distintos caminos se utiliza el rendimiento, definido como el 16 ACES ¡Ahorremos Energía! cociente entre la energía transferida de la forma deseada, útil y la energía total transferida. Teniendo en cuenta esto ¿Cómo explicarías ahora la energía que "faltaba" en los ejemplos que vimos antes, y en los montajes que diseñasteis? En el texto se habla de energía "perdida". Teniendo en cuenta el principio de conservación de la energía ¿Crees que es cierto que se pierde? Razona tu respuesta. UTILIZANDO LA DEFINICIÓN DE RENDIMIENTO rendimiento = energía transferida en la forma deseada energía total transferida Podemos calcular el rendimiento de alguno de los procesos que vimos anteriormente: SOL ---------- HIERBA ----------- VACA----------- PERSONA • rendimiento de la conversión de E luminosa en E química de la hierba: 20 000 kJ 8 000 000 kJ es decir 0,0025 o bien 0,25%. • rendimiento de la conversión,que hace la vaca, de E de la hierba en E del filete: 125 kJ 3 000 kJ es decir 0,042 o bien 4,2%. • rendimiento obtenido en el calentamiento del agua por medio de la vela: 17 ACES ¡Ahorremos Energía! calor absorbido por el agua energía cedida por la vela Diseña 1) Propón un diseño para que el rendimiento obtenido en el calentamiento del agua sea mayor. Discutid los diseños en clase y probad los dos o tres que os parezcan mejores. Comparad su eficacia. 2) ¿Se os ocurre alguna forma de aumentar el rendimiento en el caso de la cadena de alimentos? CONSERVACIÓN Y DEGRADACIÓN Piensa un poco sobre estas cuestiones, y después discutidlas en grupo: - Si la energía no se pierde ¿por qué hablamos de ahorrar energía? - ¿Por qué tenemos que pagar cada mes por distintas formas de energía y no una sola vez en la vida? - ¿Por que tenemos que comer todos los días (varias veces)? En todos los procesos que ocurren en la naturaleza la cantidad de energía no varía. Si embargo, aunque la energía no cambie en cantidad, podemos decir que pierde calidad, o que se degrada. Esto quiere decir que después de cualquier proceso real en que haya habido transformaciones o transferencias de energía, que son casi todos, la energía pierde parte de sus posibilidades de volverse a transformar o transferir, y por tanto pierde utilidad. 18 ACES ¡Ahorremos Energía! Lectura de ampliación Máquina de vapor Energía utilizable, equilibrio y desequilibrio "Los industriales del siglo XIX buscaban un tratamiento matemático de la idea de energía útil. Se sabía desde hacía tiempo que la energía podía tomar muchas formas, y que podía convertirse de una forma a otras: por ejemplo, una locomotora de vapor transforma la energía química del carbón en energía mecánica de movimiento. También se sabía que la energía total se conserva siempre cuando cambia de forma. En el mundo real las máquinas trabajan siempre con una eficacia menor del 100 %, lo que significa que siempre se malgasta algo de energía en cada conversión sucesiva. La energía no desaparece, simplemente se disipa; es decir perdemos su control. En otras palabras, deja de ser energía útil. La energía térmica es una forma de energía, y se han inventado muchos dispositivos para convertirla en otras formas, por ejemplo las turbinas de vapor para generar electricidad. Al estudiar la eficacia de los motores térmicos durante el siglo XIX, una de las conclusiones más 19 ACES ¡Ahorremos Energía! importantes fue que incluso la eficacia del más perfecto motor térmico tiene que ser siempre inferior al 100 %, por lo general considerablemente menor. Por ejemplo, considerando la energía térmica de un recipiente de agua. Si se coloca en un congelador se helará, porque habrá perdido parte de su energía térmica. Si se le devuelve la energía, el hielo se volverá a fundir. El recipiente de agua contiene energía térmica cuando está a temperatura ambiente, pero no podemos usarla por ejemplo para hacer funcionar un motor; la energía térmica del agua no está en forma útil. El recipiente con agua caliente en un entorno frío permite utilizar algo de energía; por ejemplo el aire frío alrededor del agua se calentará y expansionará y podría ejercer una presión sobre una membrana, o mover un pistón. El hecho crucial que hace que la energía térmica del agua sea utilizable en el segundo caso, pero no cuando está a temperatura ambiente es la existencia de una diferencia de temperaturas entre el agua y su entorno. Es la no uniformidad en la distribución de la energía térmica lo que permite al calor realizar el trabajo. Cuando el contenido del recipiente y la habitación están a la misma temperatura, no hay flujo de calor. El flujo espontáneo de calor entre los cuerpos es siempre del caliente al frío. Cuando ambos cuerpos alcanzan la misma temperatura el flujo de calor se detiene, se puede decir que se ha alcanzado el equilibrio. Este principio general del flujo de calor se puede describir diciendo que se puede utilizar la energía térmica cuando está dispuesta de manera no uniforme, si hay una diferencia de temperatura. La esencia de la actividad es el desequilibrio: cuando se alcanza el equilibrio, cesa la actividad. La actividad microscópica, incluso en equilibrio, es muy intensa, con los átomos moviéndose, chocando etc pero totalmente al azar, sin comportamiento cooperativo que afecte a grandes cantidades de átomos. Lo que interesa es la actividad organizada, macroscópica; por ejemplo las corrientes de convección dentro de un recipiente de agua que se está enfriando suponen un movimiento cooperativo de millones y millones de átomos en un flujo ordenado. La actividad organizada sólo existe cuando hay desequilibrio térmico. Para poder precisar estas ideas, se ha inventado en Física una medida cuantitativa del orden y desorden, para describir el grado de organización macroscópica o de disposición estructurada de un sistema. Esta cantidad, la medida del grado de desorganización, recibe el nombre de entropía. Un sistema ordenado tiene baja entropía, y uno desordenado 20 ACES ¡Ahorremos Energía! alta entropía. En un sistema desordenado aunque todos los átomos estén moviéndose lo hacen caóticamente, lo que significa que no hay actividad." (Paul Davies "El Universo desbocado" Salvat) - Resume en menos de diez líneas las ideas fundamentales del texto. ¿Se te ocurre otro título? - ¿Crees que puede construirse una máquina térmica "perfecta" con un rendimiento del 100 %? La degradación de la energía ocurre en todos los procesos: la energía al final está más degradada que al principio del proceso. Nosotros y nuestras máquinas continuamente absorbemos formas de energía útiles (alimentos, combustibles, electricidad...) y las degradamos, desprendiendo formas de energía menos útiles (calor cedido al ambiente...). La energía se degrada en todos los procesos, pero en distinta cuantía. Podemos decir que la degradación se produce en las transferencias de calor y la degradación es mayor si el calor se transmite a temperaturas bajas. El que la energía se degrade en todos los procesos supone por ejemplo: • en los motores, que son máquinas destinadas a producir trabajo, no toda la energía de partida puede ser transferida en forma de trabajo. Recuerda que en física se llama trabajo, W , a una forma de transferencia de energía. Se realiza trabajo cuando actúa una fuerza y se recorre una distancia que no sea perpendicular a la fuerza. En los motores parte de esa energía ha de transferirse en forma de calor (degradarse). Esto hace que un motor nunca pueda tener un rendimiento igual a 1 (del 100%): rendimiento motor: trabajo producido energía de partida (trabajo + calor) 21 ACES ¡Ahorremos Energía! Motor • El paso de calor de un cuerpo caliente a un cuerpo frio supone degradación de la energía, y ocurre por si mismo. Es relativamente fácil en tales procesos conseguir un rendimiento de 1 (100%) • El paso de calor de un cuerpo frío a un cuerpo caliente no puede ocurrir por sí solo (no habría degradación de la energía, sino lo contrario). Las máquinas que producen ese proceso, necesariamente producen otros procesos que degradan la energía. ¿Sabes qué ocurriria si dejases una nevera abierta y funcionando en una habitación?......Pues que la habitación se calienta (y la energía se degrada). ¿Por qué? ¿Por qué entonces, si la energía no se destruye (principio de conservación), necesitamos aportes nuevos de energía?: porque necesitamos formas de energía útiles, capaces de sufrir numerosas transformaciones. Una vez degradada esta energía útil nos desprendemos de ella. ¿sabes cómo? 22 ACES ¡Ahorremos Energía! TODAS LAS ACTIVIDADES HUMANAS CONSUMEN* ENERGIA La energía es necesaria para A continuación te proponemos algunos ejemplos de procesos . Intenta añadir uno o dos más a la lista, y analízalos de forma análoga. 23 ACES ¡Ahorremos Energía! Tabla1 24 ACES ¡Ahorremos Energía! ¿CUÁNTA ENERGÍA GASTAMOS* EN CASA? Recogida de datos: Pretendemos averiguar para qué se consume* Energía en casa, de qué fuentes procede, en qué aparatos se emplea y con qué potencia. CONSUMO* DE ENERGIA Butano/Propano bombonas/nº de días .............kJ/mes Cocina E. Eléctrica kWh/2 meses ........kJ/mes Otros (leña, gasóleo...) cant. combust./tiempo ............kJ/mes Agua caliente Calefacción Total Total mensual:....................................(kJ/mes) Por persona mensual:........................(kJ/(persona.mes) Hoja de recogida de datos Cómo completar el cuadro Para completar los datos del cuadro puedes proceder del siguiente modo: Si en tu casa se utiliza butano o propano en bombonas, entérate de cuánto tiempo "dura" una bombona. A partir de ese dato y de la cantidad de gas que contiene cada 25 ACES ¡Ahorremos Energía! bombona podrás estimar el consumo de gas en kg por día (y kg / mes o kg/año). Con ayuda de los datos de la tabla 2 podrás convertir estos resultados a consumo en kJ. Con el gas canalizado o con la corriente eléctrica deberás utilizar los datos de los recibos correspondientes. Con otros combustibles (como la leña, el carbón, el gasóleo, etc.) deberás proceder de manera similar: averiguar cuánta cantidad se compra o se trae a casa, y cuánto tiempo tarda en gastarse esa cantidad. Tabla de datos calores de combustión: butano 5,05.104 kJ/kg propano 5,0.104 kJ/kg gasóleo C 4,2.104 kJ/kg gas natural 4,1.104 kJ/kg gas ciudad 1,7.104 kJ/kg carbón 2,8.104 kJ/kg leña 1,1.104 kJ/kg contenido bombona de butano 12,5 kg contenido bombona de propano densidad gasóleo C 11 kg 0,85 kg/l factor de conversión: 1 kWh = 3 600 kJ Tabla II. Datos sobre distintos combustibles 26 ACES ¡Ahorremos Energía! ¿CUÁNTA ENERGÍA ELÉCTRICA CONSUMIMOS*? El consumo* de energía eléctrica puede registrarse más pormenorizadamente. Para ello completa la hoja teniendo en cuenta lo siguiente: La potencia de los distintos aparatos eléctricos puedes encontrarla en la placa de características (suele estar en la parte posterior del mismo). También puedes encontrarla en los libros de instrucciones, o solicitando los datos en un comercio de electrodomésticos. En la hoja se relacionan unos cuantos aparatos a título de ejemplo. Puedes añadir aquellos que falten, y dejar sin cubrir los que no se utilicen en la casa que escojais; por ejemplo si la cocina es de gas dejar sin cubrir "cocina". Aparatos de uso doméstico 27 ACES ¡Ahorremos Energía! APARATOS Potencia nº horas día consumo medio mensual Cocina Nevera Congelador Lavadora Secadora Lavaplatos Tostador pan Secador pelo Bombillas Calefacción Otros........... .................. .................. .................. Total:............ ......kWh/mes, equivalentes a ....(x 3600)..........kJ/mes Hoja de recogida de datos El ejemplo siguiente puede servirte de ayuda: Pedro tiene en su casa dos bombillas de 100 W, ocho de 60 W y 4 de 25 W. Además también hay cinco tubos fluorescentes de 20 W cada uno. Pedro cree que estas luces estarán encendidas unas cinco horas al día (aunque la de su mesa de estudio bastante menos). Hace los cálculos siguientes: Potencia = 100 W x 2 + 60 Wx 8 + 25 Wx 4 + 20 Wx5 = 880 W Energía = 0,880 kW x 5 horas = 4,400 kWh (en un día). 4,400 kWh/día x 30 días = 132 kWh cada mes como 1 kWh equivale a 3 600 000 J o a 3 600 kJ, el consumo en alumbrado en casa de Pedro será de .............kJ al día, de ..............cada mes (esto equivale a ................. cada dos meses, (que es como nos pasan los recibos). 28 ACES ¡Ahorremos Energía! Puesta en común de los distintos valores obtenidos por los estudiantes de la clase, y comparación con los que proporciona el o la docente. Evalúa la precisión de tus estimaciones comparándolas con los datos de consumo que aparecen en el recibo de la luz. Te habrás dado cuenta de que es necesario trabajar con números muy grandes de julios o kilojulios. Para estos números es muy útil emplear las potencias de 10. Recapitulación sobre conservación y degradación de la energía Volvamos atrás, al cuadro 1 , y centremos nuestra atención en las columnas "fuente de energía" y "destino de la energía". El principio de conservación de la energía nos da información sobre las cantidades de energía implicadas en esas columnas ¿qué relación hay entre esas cantidades?, es decir, ¿crees que las cantidades de energía iniciales son mayores que las finales?, ¿menores?, ¿iguales? En cuanto a la degradación, podemos observar como la formas de energía iniciales son más útiles que las finales, pueden utilizarse en más procesos. La forma final de energía más frecuente es energía térmica cedida al ambiente, que es una forma de energía poco útil, muy degradada. Con las formas de energía de partida (butano, gasolina, energía eléctrica...), energías útiles, poco degradadas, podemos imaginar multitud de procesos en que se transformen, pueden hacer funcionar máquinas, etc., pero...¿serías capaz de imaginar algún proceso en que se transforme la energía térmica del ambiente? En el cuadro 1 hay dos energías finales poco degradadas: las almacenadas en el aluminio y en los tejidos nuevos que desarrollamos al crecer o engordar. Sin embargo sólo una pequeña parte de la energía de partida ha conservado su utilidad, la mayor parte de la energía de partida en ambos procesos se transformó en energía térmica. Podrás hacerte una idea de la disminución de energía útil que se produce entre la que se almacena en nuestro cuerpo cuando crecemos o engordamos y la que ingerimos con los alimentos comparándola con la que ingiere y almacena la vaca de la página 15. 29 ACES ¡Ahorremos Energía! Ejercicio: Hablando en términos científicos A lo largo de todo este punto 2 hemos hablado de "consumo" y "gasto" de energía. Sin embargo por el principio de conservación sabemos que la energía no se consume ni se gasta, por eso les hemos puesto un asterisco Estos términos son útiles para la vida diaria, pero vamos a hacer un intento de "traducir" esas frases de forma que sean más adecuadas a lo que hemos aprendido de energía. Redacta de nuevo estas frases, de forma que sean coherentes con el principio de conservación: - "Todas las actividades humanas consumen energía" - "¿Cuánta energía gastamos en casa?" - "La energía eléctrica que consumimos" Una fuente de energía tradicional: leña 30 ACES ¡Ahorremos Energía! ¿QUÉ ENERGÍA ES MÁS BARATA? Piensa un poco sobre estas cuestiones y después discutidlas en grupo: - ¿Puede decirse que el petróleo es energía? Argumenta tu respuesta. - ¿Puedes poner tres ejemplos de combustibles? - Cuando decimos que un coche es muy "potente" ¿A qué crees que se debe esa potencia? a. a que es de gran tamaño b. al tipo de motor que tiene c. a que consume mucha gasolina d. a varios de estos factores o a otro (explícalo) Puesta en común: Discutid con el profesor los resultados de cada grupo, y tratar de explicar con vuestras propias palabras las diferencias entre energía, fuentes de energía, y combustibles. La actividad que haremos a continuación nos permitirá conocer, aunque sea de forma aproximada, lo que tenemos que pagar por la energía útil proveniente de fuentes distintas. - En primer lugar investiguemos los precios de: butano (bombona) corriente eléctrica (kWh) gasóleo calefacción (l o kg) gasolina (l) gasóleo automoción (l) leña (kg o tonelada) carbón (kg o tonelada) bocadillo de queso (unidad). - A continuación deberemos calcular lo que pagamos por cada kJ, dividiendo el precio por los kJ que proporciona. - Por último podemos indicar los posibles usos para cada uno de las fuentes de energía anteriores. 31 ACES ¡Ahorremos Energía! Toda la información obtenida en la actividad puedes representarla en cuadro como el siguiente: fuente de E precio cada kJ cuesta butano corriente eléctrica gasóleo calefacción gasolina gasóleo auto leña carbón bocadillo de queso puede usarse para - Tabla III. Precios y usos de los combustibles Análisis comparativo ¿ En qué medio de transporte gastas menos dinero viniendo al centro? Recorrido supuesto; 1 km vehículo coche moto autobús --(andando) --(corriendo) combustible consumo precio del viaje (energía) (combustible) gasolina sin plomo gasolina "mezcla" gasóleo auto bocadillo de queso bocadillo de queso 32 ACES ¡Ahorremos Energía! De los datos del cuadro, y por tu propia experiencia, verás que hay ciertos usos en que alguna forma de energía es insustituible: por ejemplo para hacer funcionar un ordenador o un horno microondas, la electricidad es insustituible. Sin embargo, hay otros procesos, como la calefacción, la producción de agua caliente o la cocina en que pueden utilizarse fuentes de energía diversas. ¿Cuál es la fuente de energía más barata para calefacción? Otro aspecto a tener en cuenta a la hora de valorar en términos económicos o de "gasto de energía" la utilización de una fuente de energía en un proceso, es el rendimiento, es decir, la cantidad de energía que sigue el camino deseado. Vamos a aclararlo con un ejemplo, referido a la obtención de agua caliente: fuente de energía precio por kJ rendimiento electricidad 0,9 butano 0,63 gasóleo C 0,59 precio por kJ útil Obtención de agua caliente Análisis del recibo "de la luz" Trae de casa un recibo de un mes de invierno, y otro de un mes de verano (o utiliza la fotocopia que te dará tu profesor o profesora). 33 ACES ¡Ahorremos Energía! Recibo de la luz - ¿A cuántos meses corresponde? ¿A qué corresponden las cantidades que aparecen en los distintos apartados? - ¿Son parecidos los de invierno y verano o muy distintos? ¿Cómo interpretas esto? - ¿Qué significa potencia contratada (POT en el recibo)? - ¿Hay algún recibo en tu equipo con tarifa nocturna? ¿Sabes en qué consiste? Recapitulación: recursos y fuentes de energía - A lo largo de este apartado hemos utilizado en varias ocasiones la expresión "fuentes de energía". ¿Puedes definir con tus propias palabras lo que es una fuente de energía? - Haz una lista de algunas de las fuentes de energía más importantes para nuestro país. - A veces oímos o leemos frases como "el petróleo es energía" ¿es correcta? ¿podrías expresarlo mejor? Lectura - Lee la siguiente noticia aparecida en el diario "El País" en octubre de 1992 Autobuses de Mataró utilizarán un combustible extraído de plantas Marisol Sanz. Mataró "Dos autobuses de transporte público urbano de Mataró (Barcelona) y cinco turismos propiedad del Ayuntamiento de El Masnou experimentarán a partir de la próxima semana la utilización de un nuevo carburante vegetal llamado diesel-BI, que ya se ha empleado en más de 20 poblaciones de Suiza, Italia, Austria, Alemania y Francia, y está considerado por la CE como un carburante alternativo a los derivados del 34 ACES ¡Ahorremos Energía! petróleo, puesto que al provenir de plantas oleaginosas constituye un recurso fácilmente renovable. Se extrae de la soja, la colza y el girasol. Este combustible es ventajoso desde el punto de vista ecológico, ya que al no contener azufre, reduce en un 50% las emisiones contaminantes. Además puede ser utilizado por cualquier motor diesel sin ser modificado. El carburante se importará de Italia. Está previsto que en los próximos seis meses se consuman 300 000 litros de diesel-BI, que será suministrado a un precio de 63,70 pesetas el litro más el IVA correspondiente." - Explica, o busca si no lo sabes el significado de carburante y de recurso renovable. - Haz una lista de las ventajas e inconvenientes que, en tu opinión tiene el uso del nuevo combustible. - En el texto se menciona que el diesel-BI no contiene azufre. Por el contrario, los combustibles tradicionales, que sí contienen azufre, al quemarse, emiten, como uno de los productos de la combustión óxidos de azufre, por ejemplo SO2, responsables de la "lluvia ácida". ¿Sabes lo que es la lluvia ácida? ¿Conoces alguno de los problemas que origina? 35 ACES ¡Ahorremos Energía! ¿CUÁNTA ENERGÍA SE GASTA* EN ESPAÑA ? En el apartado anterior hemos visto como todas las actividades humanas consumen* energía. Vamos a fijarnos ahora únicamente en las fuentes de energía que podríamos llamar "comerciales", es decir, el butano, la corriente eléctrica, la gasolina etc. Si repartimos el consumo total de energía "comercial" en España entre los sectores: - Usos diversos (Doméstico, Agricultura, Servicios) - Industria - Transporte ¿Serías capaz de ordenarlos según su consumo de energía? - Asigna a cada uno de los sectores anteriores el porcentaje, de los que se te dan a continuación, que creas que le corresponde: 41,4% 34,2% 24,4% - Una vez comparados tus datos con los de tu profesora o profesor rellena el diagrama: - En 1990 gastamos* en España 3,75x1018 J de energía "comercial". ¿De dónde crees que obtiene este pais esa energía? - En grupo haced una lista con las que creeis que son las fuentes de energía más importantes en España, y ordenadlas de más a menos importante (por su cantidad). - Comparad vuestra lista con los datos de vuestra profesor/a, y rellenad con esos datos el encabezamiento de la tabla 4. A veces, en lugar de en julios, estas cantidades vienen expresadas en "tec" que significa "tonelada equivalente de 36 ACES ¡Ahorremos Energía! carbón", o en "tep", "tonelada equivalente de petróleo", y son también formas de comparar energía de distintas fuentes. - Haz un diagrama de barras con los % de las distintas fuentes de energía del año 1990 Año Total Por habitante 1960 258 422 0 161 0 841 1970 1 151 413 6 272 8,8 1 852 1979 2 010 469 59 475 61 3 073 83.109 J 1988 1 872 650 146 352 448 3 468 80.109 J 1989 1 942 803 188 179 524 3 636 1990 2 016 797 208 246 483 3 750 Tabla IV consumo energético de distintas fuentes en España (en 1015 J = miles de billones de julios. La última columna en J) ¿Todos los habitantes del mundo gastamos igual? Datos de consumo de energía por habitante y año en distintos países en tep (toneladas equivalentes de petróleo) y en julios (1988) Canadá EEUU Arabia Saudí Suecia Francia Italia Portugal Marruecos España Filipinas Etiopía India 9,7 tep 7,7 tep 3,1 tep 6,6 tep 3,7 tep 2,6 tep 1,3 tep 0,24 tep 1,9 tep 0,24 tep 0,020 tep 0,21 tep 406.109 J 322.109 J 130.109 J 276.109 J 155.109 J 109.109 J 54.109 J 10.109 J 80.109 J 10.109 J 0,8.109 J 9.109 J Nicaragua Zaire 0,25 tep 0,074 tep 10.109 J 3.109 J 37 ACES ¡Ahorremos Energía! Tabla V. Diferencias de consumo* entre distintos países - Cuando se habla de "gastar menos energía" ¿crees que puede reducirse el consumo por igual en todos los países? Razona tu respuesta. - Compara el consumo de España con el de Canadá y con el de Marruecos. ¿Se te ocurren algunos ejemplos de en qué se gasta más energía en Canadá? ¿Y algunos ejemplos de en qué se gasta menos en Marruecos? 38 ACES ¡Ahorremos Energía! AHORRANDO* ENERGIA ¿Es conveniente ahorrar* energía? - Sobre esta cuestión es probable que tengas tus propias ideas. Discute con tus compañeros sobre la necesidad o no de evitar el derroche de energía. - Elaborad un resumen de vuestras opiniones. Problemas que presentan las fuentes de energía actuales Utilizando los datos del dossier que aparece al final de esta unidad, repartíos los problemas entre los distintos equipos de la clase y elaborad un cartel informativo para toda la clase sobre cada uno de ellos. • problemas: - lluvia ácida - inundación de valles - efecto invernadero - residuos radiactivos - agotamiento de recursos - accidentes Residuos radiactivos 39 ACES ¡Ahorremos Energía! - Valora los problemas anteriores de 1 a 5 según la gravedad que consideres que tienen. - ¿ Contribuyes tú de alguna manera a agravar alguno de los problemas anteriores? Países /regiones reservas (en miles de millones de toneladas,109 t) porcentaje del total consumo por habitante y año (1988) en GJ Canadá 1.0 0.8 405 Estados Unidos 4.3 3.4 320 Norteamérica 5.3 4.2 Méjico 7.9 5.6 55 Venezuela 8.4 5.8 99 17.6 12.5 CEI (antes URSS) 8.0 5.8 Reino Unido 0.5 0.4 Europa 10.6 7.7 Arabia Saudí 34.7 25.2 130 Irak 13.4 9.9 33 Oriente medio 89.3 65.2 Argelia 1.2 0.9 46 Libia 3.0 2.4 114 Nigeria 2.2 1.6 6 Africa 7.8 5.9 India 1.0 0.7 Asia y Australia 6.2 4.5 TOTAL MUNDO 136.8 100 Latinoamérica 157 9 Tabla VI. Reservas mundiales de petróleo en 1989 (Datos del Forum atómico) Comparad estos datos con los de la tabla 5 y discutid en grupo las siguientes cuestiones: - ¿En que área del mundo hay mayores reservas? - ¿Os parece que hay relación entre el consumo* y las reservas de los distintos países? Las reservas de petróleo, carbón y otras fuentes de energía van disminuyendo a medida que se consumen; en otras palabras, no durarán indefinidamente. Para que las 40 ACES ¡Ahorremos Energía! personas que vivan en el futuro puedan seguir disponiendo de estas fuentes es necesario planificar el consumo, no derrocharlas. AHORRANDO ENERGÍA Para ahorrar* energía hay que tener en cuenta que, como hemos visto en apartados anteriores, sólo se aprovecha una parte de la energía que se transforma. Es decir, para ahorrar* hay que buscar mecanismos, bien para disminuir la energía que "entra" en el proceso, bien para aprovechar una mayor proporción, y disminuir la proporción "no útil" o no aprovechada. Algunas posibilidades de ahorrar energía son: • disminuir el número de procesos que gastan* energía y no gastar* energía si no es imprescindible por ejemplo: apagar luces innecesarias, utilizar menos el coche e ir en bicicleta o andando, no abusar de papeles de envolver, cargar las lavadoras y lavavajillas a tope, reciclar... Contenedor de vidrio para reciclar 41 ACES ¡Ahorremos Energía! - ¿se te ocurren algunos ejemplos más? • cuando sea indispensable gastar* energía, elegir el proceso con mejor rendimiento por ejemplo: los coches más modernos consumen menos combustible por kilómetro recorrido; las bombillas de alto rendimiento proporcionan la misma luz que las convencionales con menor consumo de electricidad, al ser un proceso de mejor rendimiento. Bombilla de 15 vatios, que ilumina como una convencional de 75 42 ACES ¡Ahorremos Energía! Posibilidades de mejorar el rendimiento (Inv. y Ciencia) - ¿Se te ocurren otros ejemplos? • emplear la "energía no aprovechada" producida para algún otro fin La calefacción en los coches utiliza el calor desprendido por el motor. Este calor desprendido constituye la fracción "no aprovechada" de la energía de la gasolina. - Sitúa en cada uno de los tres grupos o formas de ahorrar* energía estas medidas - Utilizar transportes públicos en vez de coche particular - mejorar el aislamiento de las viviendas - poner la lavadora - con algunos tipos de ropa - con agua fría. - reciclar latas de refrescos (aluminio) - apagar las luces al salir de clase. - al comprar un coche, elegir uno de consumo bajo. - utilizar papel reciclado. - En términos físicos ¿Puede hablarse de "ahorrar energía"? ¿podrías formularlo de otra manera? AHORRANDO ENERGÍA EN CALEFACCIÓN La calefacción constituye una de las partidas importantes del consumo* energético doméstico, y por tanto vamos a detenernos un poco en analizarla. Problema ¿cómo mantienen la temperatura? Actividad: contando con - tubos de ensayo - agua caliente -hielo - algodón, porexpan, lana, - termómetro Dseña una experiencia para averiguar en qué condiciones se mantiene una temperatura estable durante más tiempo. Cómo se mantienen calientes o frescos los seres vivos 43 ACES ¡Ahorremos Energía! La energía es algo muy valioso para todos los seres vivos; la vida implica una competencia constante por la energía. Por ejemplo las plantas compiten por la luz del sol, y los animales compiten por la comida. A lo largo de los siglos han sobrevivido en mayor medida animales y plantas que tienen mecanismos eficaces en el uso de la energía. Podríamos utilizar algunos mecanismos de ahorro* energético que encontramos en los animales como modelo para ahorrar* energía en la calefacción o refrigeración de nuestras casas. • Un animal cubierto de pelos o plumas gasta* menos cantidad de comida (energía) para mantenerse caliente en ambientes fríos, que si careciese de ese plumaje o pelaje. - Haz una lista de distintos mecanismos que podemos utilizar para aislar los techos, ventanas, paredes etc de las casas, y conseguir estar a la misma temperatura con menor gasto* de energía. • Una buena medida para calentarse en invierno es ponerse al sol - No podemos mover las casas una vez construídas, pero ¿se te ocurren algunas medidas para aprovechar la luz y el calor del sol? 44 ACES ¡Ahorremos Energía! CÓMO MANTIENE SU TEMPERATURA EL PLANETA TIERRA La Tierra recibe constantemente energía en forma de radiación (luz) proveniente del Sol. Esta energía es del orden de 5,6.1024 J al año, y viene a suponer unas 15 000 veces el suministro mundial de energía "comercial" en el mismo período de tiempo. Un 30% de esta radiación es devuelta directamente al espacio por reflexión, y el resto es absorbido, para ser posteriormente reemitido en forma de radiación térmica (infrarroja). Esta radiación térmica es parcialmente absorbida y devuelta por ciertos gases presentes en la atmósfera, como el dióxido de carbono, lo que provoca un aumento de temperatura en la superficie de la Tierra y en la propia atmósfera. El aumento de temperatura hace que los materiales de la superficie terrestre y de la atmósfera emitan más radiación...... hasta que se alcanza un equilibrio, en el cual las cantidades de energía en forma de radiación recibida del Sol y emitida por la Tierra son iguales. La presencia en la atmósfera de esos gases hace que la superficie terrestre esté unos 33 grados más caliente de lo que estaría sin ellos. Balance energético de la Tierra (Investigación y Ciencia) 45 ACES ¡Ahorremos Energía! 46