ENERGÍA

ENERGÍA
1 ¿Qué es la energía?
La mayor parte de los cuerpos pueden, en determinadas situaciones, realizar un trabajo. Se dice de ellos que
poseen energía. (Del griego – trabajo dentro.)
La definición de energía más correcta que se puede dar, ya que se desconoce la naturaleza de la misma por
que sólo conocemos sus manifestaciones, sería:
Energía es la capacidad que tiene un cuerpo o un sistema para realizar un trabajo
Ejemplos:
a) Un muelle comprimido posee energía, al soltarlo puede empujar un cuerpo realizando un trabajo.
b) Una masa de agua embalsada en un pantano, cuando se deja caer puede mover los alabes de una turbina
realizando un trabajo.
1.1 Unidades de energía
De la definición de energía se intuye que la energía se convierte en trabajo por
tanto las unidades serán las mismas:
• Julio: es el trabajo que realiza una fuerza de 1 N al desplazar su punto de
aplicación 1 m. en su misma dirección
• kilográmetro: es el trabajo que realiza una fuerza de 1 kilopondio al desplazar
su punto de aplicación 1 m. en su misma dirección
• Kilovatio hora kW.h: es el trabajo realizado por una máquina o ente de una
potencia de 1 kW durante 1 hora. Equivale a 3,6.106 julios; 3600 kJ.
• Caloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar, a presión normal, la
temperatura del agua desde 14,5 a 15,5º C. Equivale a 4,18 julios.
Trabajo: es el producto de
la fuerza F aplicada a un
cuerpo por la distancia d
que recorre su punto de
aplicación y por el coseno
del ángulo que forman las
direcciones de ambos:
W = F. d. Cosφ su unidad
en el S.I. es el julio (J)
Potencia es el cociente
entre el trabajo W que
realiza y el tiempo t que
tarda en realizarlo; P=W/t
su unidad es el vatio (W)
1º Un cuerpo de masa 5 kg, en reposo y sobre un plano horizontal sin rozamientos, se le aplica una fuerza horizontal constante
de 100N durante 5 minutos. Con esa fuerza el cuerpo logra desplazarse 240m. Calcular: a) ¿Qué trabajo realizó. Calcúlalo en J.
y kgm. b) ¿cuál es el valor de la potencia mecánica desarrollada?.
2º Se arrastra una piedra tirando de ella con una cuerda que forma con la horizontal un ángulo de 30º y a la que se aplica una
fuerza de 40 kp. Calcular el trabajo realizado si la piedra se desplaza 200m.
3º Mediante un motor de 1/5 de CV de potencia, un cuerpo asciende 10 m en 2 s. ¿Cuál es la masa del cuerpo? (1CV=735 W)
2. Formas o clases de energías
2.1 Energías mecánicas
Energía cinética
Energía potencial gravitatoria
Energía potencial elástica
2.2 Energía nuclear
2.3 Energía interna
2.4 Calor
2.5 Energía química
2.6 Energía radiante
2.7 Energía eléctrica
2.1 Energía mecánica: es la energía almacenada en los cuerpos materiales, y puede definirse como la
capacidad que tiene un cuerpo para producir trabajo en función 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),….
2.1.1. Energía cinética Ec.
Es la energía que posee un cuerpo en movimiento debido a su velocidad
1
Ec = mv 2
2
Si sobre un cuerpo actúa una fuerza que realiza un trabajo W, y la velocidad del cuerpo aumenta desde un valor
inicial v1 a otro final v2 , se cumple:
W =
1
1
mv 22 − mv12 = E c 2 − E c1 = Δ E c
2
2
Que es la expresión matemática del llamado teorema de la energía cinética o de las fuerzas vivas.
El trabajo realizado por una fuerza al actuar sobre un cuerpo durante cierto tiempo es igual a la variación
de la energía cinética experimentada por el cuerpo en ese tiempo.
Si la velocidad del cuerpo y, por tanto, su energía cinética disminuye, será el propio cuerpo quien realice el trabajo,
y éste será negativo. Este signo menos significa perdida de energía.
1º Un proyectil de 0,4kg atraviesa una pared de 0,5 m de espesor. La velocidad del proyectil al llegar a la pared
era de 1440 km/h 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
2.1.2. Energía potencial gravitatoria EPg
Es la que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa en el campo gravitatorio
Sea un cuerpo de masa m situado a una altura h dentro de un campo gravitatorio, la fuerza que actúa sobre el
es su propio peso m.g, y si se le abandona libremente, esta fuerza le empuja a recorrer un camino h, con lo
cual el trabajo realizado será W= m.g.h que es el valor de la energía potencial gravitatoria que posee.
Epg = m . g . H
Con referencia a esta fórmula hay que tener en cuenta los siguientes condicionantes:
• El nivel de referencia es relativo, ya que podemos considerar un nivel cualquiera que suele denominarse nivel
cero de energía gravitatoria, por tanto la energía potencial gravitatoria será la relativa a ese nivel y sería más
correcto entender la diferencia de Epg entre dos puntos. W = m. g . (h – h0). Otra lectura de esta última
expresión nos dice que el trabajo realizado contra las fuerzas del campo gravitatorio se invierte en incrementar
la energía potencial gravitatoria del cuerpo.
• La fórmula Epg = m . g . H sólo es válida para pequeñas alturas en las que el valor de la aceleración de la
gravedad g se pueda considerar constante.
No sólo existe la
energía potencial
gravitatoria. Todo
cuerpo situado en
un campo de
fuerzas posee
energía potencial.
Así podemos
hablar de energía
potencial eléctrica,
energía potencial
magnética, etc.
1º Un cuerpo de 50 kg se halla a 10 m de altura sobre al azotea de un edificio, cuya altura, respecto al suelo,
es de 250 m ¿Qué energía potencial gravitatoria posee dicho objeto?. ¿Qué pasaría si lo levantáramos a 25 m
de la azotea?
2.1.3. Energía potencial elástica EPX
Cuando estiramos o alargamos un muelle 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 y podemos definirla
como:
La energía que posee un cuerpo elástico (resorte) en virtud de su estado de tensión.
La fórmula matemática que al concreta es:
E PX =
1
k .x 2
2
Donde k es la constante elástica del resorte y x su deformación.
1º Un muelle de longitud 20 cm, se alarga hasta 28 cm al aplicarle una fuerza de 2 N. ¿Qué energía potencial elástica posee en
estas condiciones
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 constante elástica del resorte, que se expresa en el S.I. en N/m
2.2. Energía nuclear
Es la energía propia de la materia y que se libera al fisionarse – romperse - o al fusionarse – unirse - los núcleos de
determinados átomos. Fue concretada por Einstein al estudiar la conversión de la materia en energía ∆E = ∆m . c2 siendo c la
velocidad de la luz. De acuerdo con estos parámetros 1 gramo de masa, transformado íntegramente en energía, equivale a
9.1013 julios.
La energía que previene del sol es energía nuclear de fusión, cada segundo más de 4 millones de toneladas de masa se
convierten en 4.1026 julios que son enviados por el sol a todo el espacio. En la tierra se están haciendo ensayos para conseguir
ese tipo de energía de una forma rentable.
Actualmente la energía que se produce en la tierra es energía nuclear de fisión, obtenida al romper los núcleos de isótopos de
uranio o plutonio.
Fisión nuclear
Fusión nuclear
2.3. Energía interna
Las moléculas y átomos de la materia están en constante movimiento aunque el cuerpo esté en reposo, esto quiere decir que
tienen energía cinética; además existen fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas, lo que significa que el sistema
tiene energía potencial.
Energía interna U de un cuerpo es la suma de las energías de todas las partículas que lo constituyen.
Esta energía interna de un cuerpo también depende de su temperatura y de la presión a al que esté sometido.
2.4. Calor
El calor es una forma de energía en tránsito, por eso no se puede almacenar, y es 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 del calor puede
hacerse de tres formas diferentes:
• Conducción: Transporte de energía calorífica sin transporte de materia, pero en presencia de esta. Es un proceso típico de
los sólidos, como consecuencia de la agitación molecular que intercambia energía cinética entre unas moléculas y sus vecinas.
Los metales son buenos conductores del calor. Sustancias como la madera, el corcho, los plásticos y el aire en reposo (cámara
de aire) son malos conductores y por eso se les utiliza como aislantes térmicos.
• Convención: Es un transporte de energía calorífica con transporte de materia. Es un proceso típico de los fluidos. Las
moléculas al calentarse se hacen menos densas y ascienden por el seno del fluido, moléculas más frías pasan a ocupar el
lugar de las anteriores.
Este es el tipo de transmisión de calor que se produce en los radiadores de calefacción
(calentando el aire de alrededor), o en el agua caliente de las calderas (Las moléculas calientes
menos densas suben por las tuberías y otras más frías y más densas descienden a calentarse
formando corrientes de agua), o en el tiro en las chimeneas y estufas.
• Radiación: consiste en un transporte de energía calorífica que puede tener lugar tanto en presencia de materia como en
ausencia de ella. Se produce por medio de ondas electromagnéticas, análogas a las de la luz, tv telefonía,m pero de un
determinado rango de frecuencia.
Así es como se propaga la energía radiante del sol en el espacio. La mayor parte de esta energía se pierde por el espacio
debido a al distancia entre el sol y la tierra. Aproximadamente inciden, en las capas altas de la atmósfera, 1,38 kJ sobre un
m2 de superficie, situada perpendicularmente a los rayos solares.
El calor se suele medir en calorías (cal) 1 cal = 4,18 J. Esta unidad a veces resulta pequeña y se utiliza la llamada “caloría
grande” kcal = 1000 cal.
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 esa 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.
Como no es posible determinar el valor absoluto de la energía química de un compuesto ya que sólo medimos sus variaciones,
deliberadamente, se toma como cero la energía química de los elementos en condiciones estándar (25ºC de temperatura y 1
atmósfera de presión).
A unos elementos concretos que al arder desprenden energía química en forma de calor se les denomina 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 - caso de gases y fluidos- o en kcal/kg para sólidos)
2.6. Energía radiante
Es la energía que se propaga en forma de ondas electromagnéticas, a la velocidad de 3.106 m/s . Parte de ella es calorífica,
pero otra parte corresponde a microondas, luz visible (energía luminosa), rayos ultravioleta, infrarrojos, etc. La fuente principal
es el sol.
2.7. Energía eléctrica
Es la energía que posee la corriente eléctrica. Es una energía de gran utilidad por las excepcionales características que posee:
•
Se transforma muy fácilmente, y sin producir apenas contaminación, en otro tipo de energía
•
Es muy cómoda de utilizar
La cantidad de energía proporcionada por la corriente eléctrica puede venir cuantificada por la fórmula:
Ee = ∆V · I · t
Siendo ∆V la tensión o d.d.p., I la intensidad y t el tiempo
1º Por un molinillo de café circula una corriente de 0,7 A. ¿Cuánta energía consume en un minuto?
2º ¿qué diferencia existe entre energía interna, energía química y calor?. ¿Puede decirse qué un cuerpo almacena calor?.
3º Menciona casos de la vida diaria con las tres formas de propagación del calor.
3. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
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:
∆U = Q + W
Esta fórmula es el denominado primer principio de la termodinámica
(convenio de signos según la IUPAC)
Q se considera positivo si es absorbido por el cuerpo o sistema y negativo en caso contrario.
W es positivo si se trata de un trabajo realizado sobre el cuerpo y negativo si es el cuerpo quien lo realiza
Q>0
Q<0
Cuerpo
o o
Cuerpo
Sistema
sistema
W>0
W<0
(convenio de signos según el llamado criterio termodinámico de 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 medioambiente, y negativo si se trata de un trabajo
realizado contra el sistema
Q>0
W<0
Cuerpo o
sistema
Q<0
W>0
Si además de energía interna el cuerpo posee también energía cinética Ec y potencial Ep, su energía total E será la suma
E = U + Ec + Ep
Considerando esta última ecuación como variación de energía de un cuerpo la nueva fórmula podría ser:
E2 – E1 = Q + W
Si el cuerpo solo sufre una transformación de tipo mecánico (Q = 0), desde un estado inicial 1 a uno final 2, resulta:
(Ep2 + Ec2) – (Ep1 + Ec1) = W
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 a otras.
Este es el llamado principio de conservación de la energía que se cumple en el universo. Por tanto puede afirmarse que:
La energía total del Universo permanece constante
Y además si tenemos en cuenta que, de acuerdo con la Teoría de la Relatividad, la materia es un forma más de energía,
de modo que una variación en la masa de un sistema supone siempre una variación de su energía, según la expresión
∆E = ∆m. c2
podremos expresar la generalización de Einstein
La suma total de la masa y la energía del Universo permanece constante
1º 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?
2º Un muchacho alpinista, cuya masa es 60kg, 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: 1000 m.
4. Transformaciones energéticas
Todas las clases y tipos de energía son transformables unas en otras. Actualmente algunas transformaciones no son posible
debido a que no se ha encontrado la tecnología adecuada. Las transformaciones más comunes en la actualidad son:
• Energía mecánica. Se puede transformar en :
• Energía eléctrica. Esta transformación se realiza en los generadores eléctricos tanto de cc (dinamo) como de ca
(alternador)
•Energía calorífica. El rozamiento de las partes móviles en las máquinas transforma parte de la energía mecánica en
calor. Este proceso en la actualidad representa una merma de rendimiento de las máquinas, sin embargo ya se están
patentando algunos sistemas que aprovechan esta energía perdida.
•Energía eléctrica. Se puede convertir en:
•Energía mecánica, se hace en los motores eléctricos
•Energía química. En los acumuladores o baterías la energía eléctrica se transforma en química y puede ser
almacenada
•Energía calorífica. Cuantificada por Joule, se produce al pasar la corriente eléctrica por un conductor; es la base de
todos los aparatos de calefacción eléctrica.
•Energía radiante. En las bombillas incandescentes y en los tubos fluorescentes
•Energía química. Se puede transformar en:
•Energía eléctrica, pilas y baterías
•Energía térmica. Es la transformación más frecuente. En la mayor parte de las reacciones químicas exoenergéticas
(por ejemplo las combustiones) la diferencia de energía entre los reactivos y los productos se desprende en forma de
calor.
•Energía mecánica. En el caso de los seres vivos la energía almacenada en los alimentos se convierte en energía
mecánica.
•Energía radiante (luminosa). Las llamas además del calor iluminan.
Energía calorífica. Se puede transformar en:
Energía mecánica. En las centrales térmicas el calor producido al quemar
los combustibles convierte el agua en vapor que mueve las turbinas.
Chip termoiónico
Energía eléctrica. Ejemplos de esta transformación son los convertidores
termoiónicos, termoeléctricos y magnetohidrodinámicos.
Energía química. La “termólisis” es la ruptura de las moléculas de algunas
sustancias por el calor
Energía radiante. La más importante es la proveniente del sol. Se puede convertir en:
•Energía calorífica. Los captadores fototérmicos están preparados para aprovechar el calor del sol y
calentar agua para usos sanitarios o apoyo a calefacciones.
•Energía eléctrica. En los paneles fotovoltaicos se transforma la energía luminosa en corriente continua.
•Energía química. La principal aplicación es la fotosíntesis de las plantas.
Energía nuclear. La energía almacenada en los núcleos de algunos átomos se transforma en energía calorífica
bien sea por fisión o por fusión nuclear. La energía producida por la fisión nuclear se aprovecha para producir
vapor de agua que mueve las turbinas.
4.1. Rendimiento de las transformaciones energéticas
No existe ninguna máquina que transforme todos los julios de una energía que recibe en otros tantos de
otra energía, todas las máquinas tiene unas perdidas no deseadas. Hay una relación entre el trabajo
realizado y la energía entregada.
Ese cociente se denomina rendimiento y, siempre es menor de la unidad.
η=
Trabajo − realizado
Energía − utilizada
η=
Trabajo − realizado
× 100
Energía − utilizada
Normalmente se expresa en %
1º Un motor de 20 CV acciona una grua que eleva un cuerpo de 600 kg a 20 m de altura en i min.
¿Cuál es el rendimiento de la instalación? (1CV = 735 W).
2º Citar varios ejemplos de transformaciones de:
Energía eléctrica en calorífica
Energía mecánica en eléctrica
Energía química en calor
3º Por un motor eléctrico conectado a una tensión de 220 V circula durante 1 hora una corriente de 8 A.
En ese tiempo ha conseguido elevar un cuerpo de 8000 kg a 25 m de altura. Cálcula el rendimiento
energético del motor.
5. FUENTES DE ENERGÍA
El actual desarrollo científico y tecnológico requiere la utilización de energía en cantidades cada vez mayores.
Esta energía se obtiene a partir de distintas fuentes naturales, que se conocen con el nombre de fuentes
primarias.
Energía hidráulica (hidroeléctrica)
Energía solar
Fuentes renovables
(Se puede disponer de ellas sin
peligro de que se agoten. Por
regla general, son la originan
menor impacto ambiental)
Energía eólica
Energía mareomotriz
Energía de las olas
Energía geotérmica
Biomasa
Residuos sólidos urbanos (RSU)
Carbón
Fuentes no renovables
(Se trata de depósitos de
energía con reservas limitadas.
Disminuyen a medida que se
van utilizando)
Energías de combustibles
fósiles
Petróleo
Gas natural
Energía nuclear de fisión
La energía del futuro, se especula mucho sobre cuál será la energía que se pueda utilizar en el futuro de
una forma masiva. Actualmente, en estudio en muchos países y en sus albores, una energía que puede
resultar barata, inagotable y escasamente contaminante es la energía nuclear de fusión. Sin embargo
quedan muchos años hasta que pueda ser obtenida y utilizada de una forma rentable y económica.
6. IMPORTANCIA DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
El consumo de energía está muy ligado a la electricidad, aunque ésta no es una fuente de energía sino una forma
de utilizarla.
Desde la llamada II Revolución Industrial (finales del siglo XIX) el consumo de este tipo de energía ha ido en
constante aumento, de modo que en los países industrializados cada diez años se duplica su consumo.
La energía eléctrica posee una serie de características que la hacen muy útil:
• 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 ambiental.
• Es fácil de transportar, se puede hacer llegar a cualquier punto de la geografía que se precisa sin grandes
perdidas, siempre que el transporte se realice a alta tensión.
• Es fácil de transformar en otros tipos de energía, los motores de las fábricas, los electrodomésticos, los
trenes eléctricos consumen este tipo de energía. El alumbrado se hace con esta energía.
Sin embargo es una energía que no se puede almacenar, hay que producirla y consumirla. Esto supone unos
mayores costes de producción debido a que la demanda no es uniforme en todos los periodos horarios ni en las
estaciones del año .
La obtención de esta energía se logra a partir de fuentes primarias en las denominadas centrales eléctricas
Tipo de central
Energía primaria que se transforma
Térmica
Energía procedente de la combustión del gas natural, del
petróleo o del carbón.
Hidroeléctrica
Energía potencial del agua
Solar (fotovoltaica o térmica)
Energía del sol
Eólica
Energía del viento
Geotérmica
Calor interno de la tierra
Mareomotriz
Energía de las mareas